H MODELS FOR TRANSCRIPTIONAL REGULATION OF THE β-GLOBIN LOCUS
Genetische Manipulationen des β-Globin-Locus und die daraus resultierenden Auswirkungen auf Transkription, DNase-Sensitivität, Histon-Acetylierung, etc, haben zur Entwicklung von zwei Hauptmodellen geführt, die erklären sollen, wie dieser komplexe Locus reguliert wird (für Übersichten siehe Bulger und Groudine, 1999; Engel und Tanimoto, 2000; Fraser und Grosveld, 1998; Orkin, 1995). Diese Modelle konzentrieren sich darauf, wie die LCR und ihre flankierenden Regionen funktionieren, um die Expression und die Öffnung des Locus zu regulieren.
Das Schleifen- oder Konkurrenzmodell behauptet, dass das Hispanic-Deletionselement (das die LCR enthält) funktioniert, indem es direkt mit dem Promotor des Gens innerhalb des β-Globin-Locus in Kontakt tritt, das exprimiert werden soll. Es hat sich gezeigt, dass die Transkriptionsinitiierung zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer bestimmten Zelle nur an einem Promotor stattfindet (Gribnau et al., 1998). Dieses Modell erklärt, dass die Initiierung an nur einem Promotor das Ergebnis des Wettbewerbs der Promotoren um den Kontakt mit der LCR ist. Ein solcher direkter Kontakt würde offensichtlich eine Schleifenbildung des dazwischen liegenden Chromatins erfordern, doch gibt es bisher keine direkten Beweise für eine solche Schleifenbildung. Transgene, die die LCR und entweder ein einzelnes menschliches fötales (γ) oder erwachsenes (β) Globin-Gen enthalten, exprimierten die Gene während der gesamten Entwicklung ohne Entwicklungsspezifität; Transgene, die die LCR und beide Gene enthielten, stellten jedoch die normale Entwicklungsexpression wieder her, was darauf hindeutet, dass Genkonkurrenz für eine ordnungsgemäß regulierte Expression wichtig ist (Behringer et al., 1990; Enver et al., 1990). Die Analyse von Transgenen, die eine zusätzliche Kopie des β-Globin-Gens und des Promotors enthalten, ergab ähnliche Schlussfolgerungen. Wenn die zusätzliche Kopie in der Nähe der LCR platziert wurde (anstelle des embryonalen ∊-Globin-Gens), wurde sie 10- bis 100-mal effizienter exprimiert als die Kopie des β-Globin-Gens, die sich an ihrer normalen Position weit stromabwärts im Transgen befand. Die Transkription der zusätzlichen Kopie wurde in einem frühen Entwicklungsstadium nachgewiesen, wenn normalerweise nur embryonale Globin-Gene exprimiert werden. Wenn das zusätzliche β-Globin-Gen direkt stromaufwärts der normalen Kopie eingefügt wurde, war die Expression der beiden Kopien ungefähr gleich. Wichtig ist, dass die Gesamtmenge der Transkription des transgenen β-Globin-Gens unabhängig von der Position der zusätzlichen Kopie konstant blieb und ungefähr der Menge der Transkription des endogenen β-Globin-Gens entsprach (Dillon et al., 1997). Die Inversion des β-Globin-Genclusters in Bezug auf die LCR in einem transgenen Konstrukt führte zu schweren Störungen der Genexpression. β-Globin wurde in allen Entwicklungsstadien exprimiert, während das embryonale Gen (∊) überhaupt nicht exprimiert wurde. Die Transkription der beiden menschlichen γ-Globin-Gene war ebenfalls reduziert, vermutlich aufgrund der Konkurrenz mit den adulten Globin-Genen um die LCR. Im Wildtyp-Locus sind die Transkriptionsmengen der beiden γ-Globin-Gene unterschiedlich. Bei dem Transgen des invertierten β-Globin-Genclusters waren die Expressionsniveaus dieser beiden Gene umgekehrt, was auf eine Konkurrenz hinweist (Tanimoto et al., 1999). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Nähe zur LCR eine wichtige Determinante der Gentranskription im β-Globin-Locus ist.
Das Verknüpfungsmodell schlägt vor, dass kein direkter Kontakt zwischen regulatorischen Elementen stattfinden muss. Die regulatorische Region der Hispanic-Deletion und andere unbekannte Chromatinelemente sollen als Plattform für die Ausbreitung offener Chromatinstrukturen im gesamten Locus dienen. Das Chromatin würde durch Proteinkomplexe, die sich linear entlang der DNA erstrecken, geöffnet und in dieser Konfiguration gehalten. Solche Komplexe würden also die LCR mit den Promotoren verbinden. Unterschiedliche Genpromotoren würden dann dazu dienen, entwicklungs- und genspezifische Faktoren für die individuelle Genexpression zu rekrutieren. Analysen von Transgenen, die die menschliche LCR und einzelne Gene wie das embryonale Globin-Gen (∊) und die fetalen Globin-Gene (γ) enthalten, haben gezeigt, dass die korrekte entwicklungsbedingte Expression dieser Gene in Abwesenheit eines anderen Globin-Gens erfolgt (Dillon und Grosveld, 1991; Lloyd et al., 1992; Shih et al., 1990). Diese Daten scheinen im Widerspruch zu anderen Studien zu stehen (Behringer et al., 1990; Enver et al., 1990). Vermutlich erklären die Unterschiede in den transgenen Konstrukten und damit in der Frage, welche cis-wirkenden regulatorischen Elemente genau einbezogen wurden, die Diskrepanzen. Der Wettbewerb kann durch das Verknüpfungsmodell erklärt werden, zum Beispiel durch Heranziehung von Boundary-Elementen, die die Ausbreitung der Zugänglichkeit verhindern. Es wurde vorgeschlagen, dass die Promotoren der Globin-Gene in dieser Eigenschaft agieren und die Öffnung nachgeschalteter Loci verhindern (Bulger und Groudine, 1999).
Jedes der Modelle oder eine Kombination von ihnen könnte die Modulation der Chromatinstruktur erklären, die der zellulären Kontrolle der Umlagerung von Antigenrezeptor-Genen zugrunde liegt. Das Looping-Modell bietet einen attraktiven Mechanismus, mit dem ein cis-wirkendes Element entfernte Elemente beeinflussen kann, ohne dass es die Chromatinstruktur der dazwischen liegenden DNA stören muss. So könnte beispielsweise eine direkte Interaktion zwischen dem intronischen IgH-Enhancer und einem VH-Promotor die Chromatinstruktur, die die RSS dieses V-Genabschnitts umgibt, selektiv öffnen und die RSS in die Nähe des DJ-Genabschnitts bringen. Das Verknüpfungsmodell bietet ein attraktives Mittel, mit dem strukturelle Veränderungen im Chromatin von einem Element aus auf eine ganze Domäne übertragen werden können. Zum Beispiel könnte die Zugänglichkeit des TCRβ-Lokus am Enhancer beginnen und sich stromaufwärts durch die D-Gensegmente zu den V-Gensegmenten bewegen, was einen progressiven RSS-Zugang ermöglicht.