H MODELS FOR TRANSCRIPTIONAL REGULATION OF THE β-GLOBIN LOCUS
Genetische manipulatie van de β-globin locus en de resulterende effecten op transcriptie, DNase gevoeligheid, histon acetylatie, enz, hebben geleid tot de ontwikkeling van twee hoofdmodellen om te verklaren hoe deze complexe locus wordt gereguleerd (voor recensies, zie Bulger en Groudine, 1999; Engel en Tanimoto, 2000; Fraser en Grosveld, 1998; Orkin, 1995). Deze modellen richten zich op hoe de LCR en zijn flankerende regio’s functioneren om expressie en locusopening te reguleren.
Het looping, of competitieve, model stelt dat het Hispanic deletie-element (dat de LCR bevat) functioneert door direct contact te maken met de promoter van het gen binnen de β-globine locus dat tot expressie moet worden gebracht. Er is aangetoond dat de initiatie van het transcript slechts bij één promoter op een bepaald moment in een bepaalde cel plaatsvindt (Gribnau et al., 1998). Dit model verklaart dat initiatie bij slechts één promotor het resultaat is van competitie tussen de promotors voor contact met de LCR. Dergelijk direct contact zou uiteraard looping van het tussenliggende chromatine vereisen, maar tot nu toe is er geen direct bewijs voor een dergelijke looping. Transgenen met de LCR en één enkel menselijk foetaal (γ) of volwassen (β) globinegen brachten de genen tot expressie gedurende de ontwikkeling zonder ontwikkelingsspecificiteit; transgenen met de LCR en beide genen herstelden echter de normale ontwikkelingsexpressie, wat erop wijst dat gencompetitie belangrijk is voor een juist gereguleerde expressie (Behringer et al., 1990; Enver et al., 1990). Analyse van transgenen met een extra kopie van het β-globine gen en promotor ondersteunde soortgelijke conclusies. Wanneer de extra kopie dicht bij de LCR werd geplaatst (ter vervanging van het embryonale ∊-globine gen), kwam het 10 tot 100 maal efficiënter tot expressie dan de kopie van het β-globine gen dat zich op zijn normale plaats ver stroomafwaarts in het transgen bevond. Transcriptie van de extra kopie werd waargenomen in een vroeg stadium van de ontwikkeling, wanneer alleen embryonale globinegenen normaal tot expressie komen. Wanneer het extra β-globinegen juist stroomopwaarts van de normale kopie werd ingebracht, was de expressie van de twee kopieën ongeveer gelijkwaardig. Belangrijk is dat het totale niveau van transgene β-globine gen transcriptie constant bleef, ongeacht de positie van de extra kopie, en ongeveer gelijk was aan de hoeveelheid transcriptie afkomstig van het endogene β-globine gen (Dillon et al., 1997). Inversie van de β-globine gencluster ten opzichte van de LCR in een transgeen construct resulteerde in ernstige verstoringen van de genexpressie. β-globine kwam tot expressie in alle ontwikkelingsstadia, terwijl het embryonale gen (∊) in het geheel niet tot expressie kwam. Transcriptie van de twee humane γ-globine genen was ook verminderd, vermoedelijk door competitie met de volwassen globine genen voor de LCR. In de wild-type locus zijn de transcriptieniveaus van de twee γ-globine genen verschillend. In het omgekeerde β-globine gencluster transgen waren de expressieniveaus van deze twee genen omgekeerd, wat wijst op competitie (Tanimoto et al., 1999). Deze resultaten betogen dat de nabijheid van de LCR een belangrijke determinant is van gen-transcriptie in de β-globine locus.
Het linking model stelt voor dat direct contact tussen regulatorische elementen niet hoeft plaats te vinden. De Hispanic deletie regulerende regio en andere onbekende chromatine-elementen worden voorgesteld om te dienen als platforms voor de voortplanting van open chromatine-structuren in de hele locus. Het chromatine zou worden geopend en in deze configuratie worden gehouden door eiwitcomplexen die zich lineair langs het DNA uitstrekken. Dergelijke complexen zouden dus de LCR met de promotors verbinden. Verschillende genpromotors zouden dan dienen om ontwikkelings- en gen-specifieke factoren voor individuele genexpressie aan te trekken. Analyses van transgenen die het menselijke LCR bevatten en afzonderlijke genen zoals het embryonale globinegen (∊) en de foetale globinegenen (γ) hebben aangetoond dat een correcte ontwikkelingsexpressie van deze genen optreedt bij afwezigheid van enig ander globinegen (Dillon en Grosveld, 1991; Lloyd et al., 1992; Shih et al., 1990). Deze gegevens lijken in strijd te zijn met andere studies (Behringer et al., 1990; Enver et al., 1990). Vermoedelijk verklaren verschillen in de transgene constructen, en dus in welke cis-werkende regulerende elementen precies werden geïncludeerd, de discrepanties. Concurrentie kan worden verklaard door het koppelingsmodel, bijvoorbeeld door zich te beroepen op grenselementen die de voortplanting van toegankelijkheid verhinderen. Van de promotors van het globine-gen is voorgesteld dat zij in deze hoedanigheid optreden en voorkomen dat stroomafwaartse locusopening plaatsvindt (Bulger en Groudine, 1999).
Eén van beide modellen, of een combinatie ervan, zou de modulatie van de chromatinestructuur kunnen verklaren die ten grondslag ligt aan de cellulaire controle van de herschikking van antigeenreceptorgenen. Het looping model biedt een aantrekkelijk mechanisme voor een cis-werkend element om verre elementen te beïnvloeden zonder dat het de chromatinestructuur van het tussenliggende DNA hoeft te verstoren. Bijvoorbeeld, een directe interactie tussen de IgH intronic enhancer en een VH promoter zou selectief de chromatinestructuur kunnen openen die de RSS van dit V gensegment omringt en de RSS in de nabijheid van het VH gensegment brengen. Het koppelingsmodel biedt een aantrekkelijke manier waarop structurele veranderingen in chromatine kunnen worden verspreid van een element naar een volledig domein. Bijvoorbeeld, TCRβ locus toegankelijkheid zou kunnen beginnen bij de versterker en stroomopwaarts bewegen door de D gen segmenten naar de V gen segmenten, waardoor voor progressieve toegang RSS.