[논문 리뷰] A race model for singular olfactory receptor expression

Brian E. Kolterman, Ivan Iossifov외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 13.

Olfactory and Sensory Function Studies참고 문헌 34인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 희소한 전사 인자(TFs) 풀을 두고 후각 수용체 유전자들이 경쟁하는 '레이스 모델'을 제안한다. 먼저 임계 수의 TF를 고착시키는 첫 번째 유전자가 발현으로 선택된다. 이 모델은 약 2000개의 후각 수용체 후보 중에서 한 개의 수용체만 선택되는 이유를 설명하며, 쥐 후각 수용체 프로모터에서 빈도가 높은 모티프와 무작위 선택을 유도할 수 있는 후보 TF들이 이를 뒷받침한다.

ABSTRACT

In vertebrates, olfactory sensory neurons choose only one olfactory receptor to produce out of ~2000 possibilities. The mechanism for how this singular receptor expression occurs is unknown. Here we propose a mechanism that can stochastically select a single gene out of a large number of possibilities. In this model, receptor genes compete for a limited pool of transcription factors (TFs). The gene that recruits a target number of TFs is selected for expression. To support this mechanism, we have attempted to detect repeated motifs within known sequences of mouse olfactory receptor promoters. We find motifs that are significantly overrepresented in olfactory versus other gene promoters. We identify possible TFs that can target these motifs. Our model suggests that a small number of TFs can control the selection of a single gene out of ~2000 possibilities.

연구 동기 및 목표

• 후각 감각 신경세포에서 약 2000개의 후보 중에서 단일 후각 수용체가 선택되는 메커니즘을 설명하는 것.
• 제한된 전사 인자 가용성에 기반한 무작위 경쟁 모델을 제안하는 것.
• 유전자 선택을 매개할 수 있는 후각 수용체 프로모터에서 과표현된 DNA 모티프를 규명하는 것.
• 이러한 모티프에 결합하고 단일 발현을 조절할 수 있는 후보 전사 인자를 예측하는 것.
• 후각 수용체 선택의 강건성과 특이성에 대한 정량적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 후각 수용체 유전자를 유한한 전사 인자(TFs) 풀을 두고 경쟁하는 것으로 모델링하는 것.
• 선택 임계값 정의: 먼저 목표 수의 TF를 고착시키는 첫 번째 유전자가 발현된다.
• 통계적 풍부도 검정을 사용하여 쥐 후각 수용체 프로모터 서열에서 과표현된 모티프 분석.
• 후각 유전자와 비후각 유전자 프로모터의 모티프 빈도를 비교하여 특이성 규명.
• 과표현된 서열과 일치하는 알려진 TF 결합 모티프를 기반으로 후보 전사 인자 예측.
• 컴퓨터 분석을 통해 소수의 TF가 약 2000개의 유전자에 걸쳐 선택을 조절할 수 있는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 2000개의 후보 중에서 단일 후각 수용체 유전자가 어떻게 무작위로 선택될 수 있는가?
• RQ2 한 신경세포당 단일 후각 수용체만 발현되는 것을 보장하는 분자적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 후각 수용체 프로모터에 경쟁적 선택을 매개할 수 있는 특정 DNA 모티프가 존재하는가?
• RQ4 이러한 모티프에 결합할 수 있는 전사 인자는 어떤 것인가?
• RQ5 제한된 전사 인자 풀이 후각 수용체 선택의 강건성과 배타성에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 후각 수용체 프로모터에서 다른 유전자 프로모터보다 유의미하게 과표현된 DNA 모티프가 확인되었다.
• 확인된 모티프는 특정 전사 인자에 결합할 것으로 예측되어 잠재적 조절 메커니즘을 시사한다.
• 모델은 소수의 전사 인자가 경쟁적 고착을 통해 약 2000개의 유전자 중 하나를 무작위로 선택할 수 있음을 보여준다.
• 경쟁적 고착 메커니즘은 후각 수용체 선택의 배타성과 무작위성에 대한 설득력 있는 설명을 제공한다.
• 결과는 제한된 TF 가용성과 프로모터 모티프 친화도에 의해 이끌리는 '레이스' 메커니즘의 타당성을 뒷받침한다.
• 컴퓨터 분석 결과, 소수의 핵심 TF가 큰 게놈 복합체에서 단일 수용체 유전자 선택을 조절할 수 있음을 시사한다.