Влияние однонуклеотидных полиморфных замен в районах позиционирования РНК -полимеразы II на сродство к ним TBP в генах циркадных часов человека

Генетическая вариабельность в системе циркадных часов проявляется в фенотипической изменчивости физиологических функций и поведения, а также в нарушениях функционирования не только самих часов, но и других систем, приводящих к развитию серьезных патологических состояний. В данной работе был проведен анализ влияния однонуклеотидных полиморфных замен (ОНП), локализованных в области [–70, –20] от старта транскрипции, на сродство TATA-связывающего белка (TATA-binding protein, TBP) к промотору в двух группах генов, являющихся компонентами системы циркадных часов человека. Первую группу составляют гены ядра циркадного осциллятора (11 генов), вторую – гены ближайшего регуляторного окружения циркадного осциллятора (21 ген), для сравнения взята группа функционально отличающихся генов (31 ген). Для оценки in silico изменения константы диссоциации и, следовательно, сродства TBP/промотор при мутациях был использован Web-сервис SNP_TATA_Comparator. В результате показано, что в первой группе генов количество ОНП-маркеров снижения сродства TBP/ промотор значимо ниже количества ОНП-маркеров увеличения сродства (α < 10–3), в то время как в группе сравнения наблюдается противоположная картина: ОНП-маркеров уменьшения сродства TBP/промотор значимо больше, чем ОНП-маркеров увеличения сродства (α < 10–6). Наблюдаемая особенность может быть специфической характеристикой генов циркадного осциллятора, влияющей на его устойчивость при генетической вариабельности анализируемой области промоторов. Полученные предсказания могут играть важную роль для отбора кандидатных ОНП- маркеров различных патологий, связанных с нарушением системы циркадных часов, для дальнейшей проверки их в экспериментальных исследованиях, а также при верификации математических моделей циркадного осциллятора.

1. Подколодная О.А. Молекулярно-генетические аспекты взаимодействия циркадных часов и метаболизма энергетических субстратов млекопитающих. Генетика. 2014;50(2):125-137.

2. Подколодная О.А., Подколодная Н.Н., Подколодный Н.Л. Циркадные часы млекопитающих: генная сеть и компьютерный анализ. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014;18(4/2):928-938.

3. Рассказов Д.А., Гунбин К.В., Пономаренко П.М., Вишневский О.В., Пономаренко М.П., Афонников Д.А. SNP_TATA_Comparator: Web-сервис для сравнения SNPs внутри промоторов генов, ассоциированных с заболеваниями человека, с использованием уравнения равновесного связывания комплекса ТВР/ТАТА. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(4/1):599-606.

4. 000 Genomes Project Consortium; Abecasis G.R., Auton A., Brooks L. D., DePristo M.A., Durbin R.M., Handsaker R.E., Kang H.M., Marth G.T., McVean G.A. An integrated map of genetic variation from 1,092 human genomes. Nature. 2012;491:56-65. https://doi.org/10.1038/nature11632

5. Abba M.C., Sun H., Hawkins K.A., Drake J.A., Hu Y., Nunez M.I., Gaddis S., Shi T., Horvath S., Sahin A., Aldaz C.M. Breast cancer molecular signatures as determined by SAGE: correlation with lymph node status. Mol. Cancer Res. 2007;5(9):881-890.

6. Brown S.A., Kowalska E., Dallmann R. (Re)inventing the circadian feedback loop. Dev. Cell. 2012;22(3):477-87. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2012.02.007

7. Bryant C.D., Parker C.C., Zhou L., Olker C., Chandrasekaran R.Y., Wager T.T., Bolivar V.J., Loudon A.S., Vitaterna M.H., Turek F . W., Palmer A.A. Csnk1e is a genetic regulator of sensitivity to psychostimulants and opioids. Neuropsychopharmacology. 2012;37(4): 1026-1035. https://doi.org/10.1038/npp.2011.287

8. Burgueno A.L., Gianotti T.F., Mansilla N.G., Pirola C.J., Sookoian S. Cardiovascular disease is associated with high-fat-diet-induced liver damage and up-regulation of the hepatic expression of hypoxiainducible factor 1α in a rat model. Clin. Sci. (Lond). 2013;124(1): 53-63. https://doi.org/10.1042/CS20120151

9. Cao Q., Gery S., Dashti A., Yin D., Zhou Y., Gu J., Koeffler H.P. A role for the clock gene per1 in prostate cancer. Cancer Res. 2009;69(19): 7619-7625. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-08-4199

10. Chen L., Yang G. PPARs integrate the mammalian clock and energy metabolism. PPAR Res. 2014;2014:653017. https://doi.org/10.1155/2014/653017

11. Climent J., Perez-Losada J., Quigley D.A., Kim I.J., Delrosario R., Jen K.Y., Bosch A., Lluch A., Mao J.H., Balmain A. Deletion of the PER3 gene on chromosome 1p36 in recurrent ER-positive breast cancer. J. Clin. Oncol. 2010;28(23):3770-3778. https://doi.org/10.1200/ JCO.2009.27.0215

12. Coma S., Amin D.N., Shimizu A., Lasorella A., Iavarone A., Klagsbrun M. Id2 promotes tumor cell migration and invasion through transcriptional repression of semaphorin 3F. Cancer Res. 2010;70(9): 3823-3832. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-09-3048

13. Fang L., Yang Z., Zhou J., Tung J.Y., Hsiao C.D., Wang L., Deng Y., Wang P., Wang J., Lee M.H. Circadian clock gene CRY2 degradation is involved in chemoresistance of colorectal cancer. Mol. Cancer Ther. 2015;14(6):1476-1487. https://doi.org/10.1158/1535-7163.MCT-15- 0030

14. Flajolet M., He G., Heiman M., Lin A., Nairn A.C., Greengard P. Regulation of Alzheimer’s disease amyloid-beta formation by casein kinase I. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2007;104:4159-4164.

15. Frankish A., Uszczynska B., Ritchie G.R., Gonzalez J.M., Pervouchine D., Petryszak R., Mudge J., Fonseca N., Brazma A., Guigo R., Harrow J. Comparison of GENCODE and RefSeq gene annotation and the impact of reference geneset on variant effect prediction. BMC Genomics. 2015;16(Suppl.8):S2. https://doi.org/10.1186/1471-2164-16-S8-S2

16. Gao R., Ma Z., Hu Y., Chen J., Shetty S., Fu J. Sirt1 restrains lung inflammasome activation in a murine model of sepsis. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 2015;308(8):L847-L853. https://doi.org/10.1152/ajplung.00274.2014

17. Gery S., Komatsu N., Baldjyan L., Yu A., Koo D., Koeffler H.P. The circadian gene per1 plays an important role in cell growth and DNA damage control in human cancer cells. Mol. Cell. 2006;22(3):375-382.

18. Hamzaoui A., Maalmi H., Berraies A., Abid H., Ammar J., Hamzaoui K. Transcriptional characteristics of CD4 T cells in young asthmatic children: RORC and FOXP3 axis. J. Inflamm. Res. 2011a;4:139-146.

19. Hamzaoui K., Borhani Haghighi A., Ghorbel I.B., Houman H. RORC and Foxp3 axis in cerebrospinal fluid of patients with neuro-Behçet’s disease. J. Neuroimmunol. 2011b;233(1/2):249-253. https://doi.org/10.1016/j.jneuroim.2011.01.012

20. Hasan S., van der Veen D.R., Winsky-Sommerer R., Dijk D.J., Archer S.N. Altered sleep and behavioral activity phenotypes in PER3-deficient mice. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2011;301(6):R1821-R1830. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00260.2011

21. Hirano A., Yumimoto K., Tsunematsu R., Matsumoto M., Oyama M., Kozuka-Hata H., Nakagawa T., Lanjakornsiripan D., Nakayama K. I., Fukada Y. FBXL21 regulates oscillation of the circadian clock through ubiquitination and stabilization of cryptochromes. Cell. 2013;152(5):1106-1118. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.01.054

22. Howroyd P., Swanson C., Dunn C., Cattley R.C., Corton J.C. Decreased longevity and enhancement of age-dependent lesions in mice lacking the nuclear receptor peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha). Toxicol. Pathol. 2004;32(5):591-599.

23. 1080/01926230490515283

24. Jilg A., Lesny S., Peruzki N., Schwegler H., Selbach O., Dehghani F ., Stehle J.H. Temporal dynamics of mouse hippocampal clock gene expression support memory processing. Hippocampus. 2010;20(3): 377-388. https://doi.org/10.1002/hipo.20637

25. Kasowski M., Grubert F., Heffelfinger C., Hariharan M., Asabere A., Waszak S.M., Habegger L., Rozowsky J., Shi M., Urban A.E., Hong M.Y., Karczewski K.J., Huber W., Weissman S.M., Gerstein M.B., Korbel J.O., Snyder M. Variation in transcription factor binding among humans. Science. 2010;328(5975):232-235. https://doi.org/10.1126/science.1183621

26. Kettner N.M., Katchy C.A., Fu L. Circadian gene variants in cancer. Ann. Med. 2014;46(4):208-220. https://doi.org/10.3109/07853890.2014.914808

27. Kim J.K., Forger D.B. A mechanism for robust circadian timekeeping via stoichiometric balance. Mol. Syst. Biol. 2012;8:630. https://doi.org/10.1038/msb.2012.62

28. Ko C.H., Takahashi J.S. Molecular components of the mammalian circadian clock. Hum. Mol. Genet. 2006;15(Spec No 2):R271-277.

29. Korge S., Grudziecki A., Kramer A. Highly efficient genome editing via CRISPR/Cas9 to create clock gene knockout cells. J. Biol. Rhythms. 2015;30(5):389-395. https://doi.org/10.1177/0748730415597519

30. Lin J.C., Lin C.Y., Tarn W.Y., Li F.Y. Elevated SRPK1 lessens apoptosis in breast cancer cells through RBM4-regulated splicing events. RNA. 2014b;20(10):1621-1631. https://doi.org/10.1261/rna.045583.114

31. Lin J.C., Tarn W.Y., Hsieh W.K. Emerging role for RNA binding motif protein 4 in the development of brown adipocytes. Biochim. Biophys. Acta. 2014a;1843(4):769-779. https://doi.org/10.1016/j.bbamcr.2013.12.018

32. Luo Y., Wang F., Chen L.A., Chen X.W., Chen Z.J., Liu P.F., Li F.F., Li C.Y., Liang W. Deregulated expression of cry1 and cry2 in human gliomas. Asian Pac. J. Cancer Prev. 2012;13(11):5725-5728.

33. Mehraj V., Textoris J., Capo C., Raoult D., Leone M., Mege J.L. Overexpression of the Per2 gene in male patients with acute Q fever. J. Infect. Dis. 2012;206(11);1768-1770. https://doi.org/10.1093/infdis/jis600

34. Miyazaki K., Wakabayashi M., Hara Y., Ishida N. Tumor growth suppression in vivo by overexpression of the circadian component, PER2. Genes Cells. 2010;15(4):351-358. https://doi.org/10.1111/j.1365-2443. 2010.01384.x

35. Mogno I., Vallania F., Mitra R., Cohen B. TATA is a modular component of synthetic promoters. Genome Res. 2010;20(10):1391-1397. https://doi.org/10.1101/gr.106732.110

36. Nencioni A., da Silva R.F., Fraga-Silva R.A., Steffens S., Fabre M., Bauer I., Caffa I., Magnone M., Sociali G., Quercioli A., Pelli G., Lenglet S., Galan K., Burger F., Vazquez Calvo S., Bertolotto M., Bruzzone S., Ballestrero A., Patrone F., Dallegri F., Santos R.A., Stergiopulos N., Mach F., Vuilleumier N., Montecucco F. Nicotinamide phosphoribosyltransferase inhibition reduces intraplaque CXCL1 production and associated neutrophil infiltration in atherosclerotic mice. Thromb. Haemost. 2014;111(2):308-322. https://doi.org/10.1160/TH13-07-0531

37. Oishi K., Ohkura N., Amagai N., Ishida N. Involvement of circadian clock gene Clock in diabetes-induced circadian augmentation of plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) expression in the mouse heart. FEBS Lett. 2005;579(17):3555-3559.

38. Oshima T., Takenoshita S., Akaike M., Kunisaki C., Fujii S., Nozaki A., Numata K., Shiozawa M., Rino Y., Tanaka K., Masuda M., Imada T. Expression of circadian genes correlates with liver metastasis and outcomes in colorectal cancer. Oncol. Rep. 2011;25(5):1439-1446. https://doi.org/10.3892/or.2011.1207

39. Pereira D.S., van der Veen D.R., Gonçalves B.S., Tufik S., von Schantz M., Archer S.N., Pedrazzoli M. The effect of different photoperiods in circadian rhythms of per3 knockout mice. Biomed. Res. Int. 2014;2014:170795. https://doi.org/10.1155/2014/170795

40. Ponomarenko M., Rasskazov D., Arkova O., Ponomarenko P., Suslov V., Savinkova L., Kolchanov N. How to use SNP_TATA_Comparator to find a significant change in gene expression caused by the regulatory SNP of this gene’s promoter via a change in affinity of the TATA-binding protein for this promoter. Biomed. Res. Int. 2015;2015:359835 (in press).

41. Reppert M., Weaver D.R. Molecular analysis of mammalian circadian rhythms. Annu. Rev. Physiol. 2001;63:647-676.

42. Rodriguez N., Yang J., Hasselblatt K., Liu S., Zhou Y., Rauh-Hain J. A., Ng S.K., Choi P.W., Fong W.P., Agar N.Y., Welch W.R., Berkowitz R.S., Ng S.W. Casein kinase I epsilon interacts with mitochondrial proteins for the growth and survival of human ovarian cancer cells. EMBO Mol. Med. 2012;4:952-963. https://doi.org/10.1002/emmm.201101094

43. Sahar S., Sassone-Corsi P. Regulation of metabolism: the circadian clock dictates the time. Trends Endocrinol. Metab. 2012;23(1):1-8. https://doi.org/10.1016/j.tem.2011.10.005

44. Sato F., Kawamura H., Wu Y., Sato H., Jin D., Bhawal U.K., Kawamoto T., Fujimoto K., Noshiro M., Seino H., Morohashi S., Kato Y., Kijima H. The basic helix-loop-helix transcription factor DEC2 inhibits TGF-β-induced tumor progression in human pancreatic cancer BxPC-3 cells. Int. J. Mol. Med. 2012;30(3):495-501. https://doi.org/10.3892/ijmm.2012.1037

45. Savinkova L.K., Drachkova I.A., Arshinova T.V., Ponomarenko P.M., Ponomarenko M.P., Kolchanov N.A. An experimental verification of the predicted effects of promoter TATA-box polymorphisms associated with human diseases on interactions between the TATA boxes and TATA-binding protein. PLoS One. 2013; 8(2):e54626. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0054626

46. Sawicka-Gutaj N., Waligorska-Stachura J., Andrusiewicz M., Biczysko M., Sowinski J., Skrobisz J., Ruchala M. Nicotinamide phosphorybosiltransferase overexpression in thyroid malignancies and its correlation with tumor stage and with survivin/survivin DEx3 expression. Tumour Biol. 2015;36(10):7859-7863. https://doi.org/10.1007/s13277-015-3506-z

47. Shi Y., Cao J., Gao J., Zheng L., Goodwin A., An C.H., Patel A., Lee J. S., Duncan S.R., Kaminski N., Pandit K.V., Rosas I.O., Choi A. M., Morse D. Retinoic acid-related orphan receptor-α is induced in the setting of DNA damage and promotes pulmonary emphysema. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 2012;186(5):412-419. https://doi.org/10.1164/rccm.201111-2023OC

48. Toyoshima M., Howie H.L., Imakura M., Walsh R.M., Annis J.E., Chang A.N., Frazier J., Chau B.N., Loboda A., Linsley P.S., Cleary M.A., Park J.R., Grandori C. Functional genomics identifies therapeutic targets for MYC-driven cancer. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2012;109(24):9545-9550. https://doi.org/10.1073/pnas.1121119109

49. Wang Q., Maillard M., Schibler U., Burnier M., Gachon F. Cardiac hypertrophy, low blood pressure, and low aldosterone levels in mice devoid of the three circadian PAR bZip transcription factors DBP, HLF, and TEF. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2010; 299(4):R1013-R1019. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00241.2010

50. Wang T., Yang P., Zhan Y., Xia L., Hua Z., Zhang J. Deletion of circadian gene Per1 alleviates acute ethanol-induced hepatotoxicity in mice. Toxicology. 2013;314(2/3):193-201. https://doi.org/10.1016/j.tox.2013. 09.009

51. Watanabe S., Ageta-Ishihara N., Nagatsu S., Takao K., Komine O., Endo F., Miyakawa T., Misawa H., Takahashi R., Kinoshita M., Yamanaka K. SIRT1 overexpression ameliorates a mouse model of SOD1-linked amyotrophic lateral sclerosis via HSF1/HSP70i chaperone system. Mol. Brain. 2014;7:62. https://doi.org/10.1186/s13041-014- 0062-1

52. Wilmet J.P., Tastet C., Desruelles E., Ziental-Gelus N., Blanckaert V., Hondermarck H., Le Bourhis X. Proteome changes induced by overexpression of the p75 neurotrophin receptor (p75NTR) in breast cancer cells. Int. J. Dev. Biol. 2011;55(7-9):801-809. https://doi.org/10.1387/ ijdb.113345jw

53. Wong V.C., Ko J.M., Qi R.Z., Li P.J., Wang L.D., Li J.L., Chan Y.P., Chan K.W., Stanbridge E.J., Lung M.L. Abrogated expression of DEC1 during oesophageal squamous cell carcinoma progression is age- and family history-related and significantly associated with lymph node metastasis. Br. J. Cancer. 2011;104(5):841-849. https://doi.org/10.1038/bjc.2011.25

54. Yamasaki N., Miyazaki K., Nagamachi A., Koller R., Oda H., Miyazaki M., Sasaki T., Honda Z.I., Wolff L., Inaba T., Honda H. Identification of Zfp521/ZNF521 as a cooperative gene for E2A-HLF to develop acute B-lineage leukemia. Oncogene. 2010;29(13):1963- 1975. https://doi.org/10.1038/onc.2009.475

55. Yu S., Matsusue K., Kashireddy P., Cao W.Q., Yeldandi V., Yeldandi A. V., Rao M.S., Gonzalez F.J., Reddy J.K. Adipocyte-specific gene expression and adipogenic steatosis in the mouse liver due to peroxisome proliferator-activated receptor gamma1 (PPARgamma1) overexpression. J. Biol. Chem. 2003;278(1):498-505. https://doi.org/10.1074/ jbc.M210062200

56. Yumimoto K., Akiyoshi S., Ueo H., Sagara Y., Onoyama I., Ueo H., Ohno S., Mori M., Mimori K., Nakayama K.I. F-box protein FBXW7 inhibits cancer metastasis in a non-cell-autonomous manner. J. Clin. Invest. 2015;125(2):621-635. https://doi.org/10.1172/JCI78782

57. Zerbino D.R., Wilder S.P., Johnson N., Juettemann T., Flicek P.R. The Ensembl regulatory build. Genome Biol. 2015;16:56. https://doi.org/10.1186/s13059-015-0621-5

58. Zhao H., Zeng Z.L., Yang J., Jin Y., Qiu M.Z., Hu X.Y., Han J., Liu K.Y., Liao J.W., Xu R.H., Zou Q.F. Prognostic relevance of Period1 (Per1) and Period2 (Per2) expression in human gastric cancer. Int. J. Clin. Exp. Pathol. 2014;7(2):619-630.