[论文解读] A race model for singular olfactory receptor expression

Brian E. Kolterman, Ivan Iossifov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2012

Olfactory and Sensory Function Studies参考文献 34被引用 3

一句话总结

本文提出一种‘竞速模型’，其中嗅觉受体基因竞争有限的转录因子（TF）池，首个招募到阈值数量转录因子的基因将被选为表达。该模型解释了如何从约2000种可能性中选择单一受体，其依据是小鼠嗅觉受体启动子中富集的序列基序以及可能驱动随机选择的候选转录因子。

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.

研究动机与目标

• 解释在脊椎动物嗅觉感觉神经元中，如何从约2000种可能性中选择单一嗅觉受体的机制。
• 基于转录因子有限性，提出一个随机竞争模型。
• 识别可能介导基因选择的嗅觉受体启动子中富集的DNA基序。
• 预测可能结合这些基序并调控单一表达的候选转录因子。
• 为理解嗅觉受体选择的鲁棒性与特异性，提供一个定量框架。

提出的方法

• 将嗅觉受体基因建模为竞争有限转录因子（TF）池。
• 定义选择阈值：首个招募到目标数量TF的基因被表达。
• 使用统计富集检验分析小鼠嗅觉受体启动子序列中的富集基序。
• 比较嗅觉与非嗅觉基因启动子中的基序频率，以识别特异性。
• 基于已知TF结合基序与富集序列的匹配度，预测候选转录因子。
• 通过计算分析评估少量TF是否足以调控约2000个基因中的选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从约2000种可能性中随机选择单一嗅觉受体基因？
• RQ2 何种分子机制可确保每个感觉神经元仅表达一种嗅觉受体？
• RQ3 嗅觉受体启动子中是否存在可介导竞争性选择的特定DNA基序？
• RQ4 哪些转录因子可能结合这些基序并调控选择过程？
• RQ5 有限的转录因子池是否可解释受体选择的鲁棒性与专一性？

主要发现

• 与其它基因启动子相比，小鼠嗅觉受体启动子中显著富集了特定DNA基序。
• 所识别的基序被预测可结合特定转录因子，提示可能存在潜在的调控机制。
• 该模型表明，少量转录因子可通过竞争性招募，随机从约2000个基因中选择一个。
• 竞争性招募机制为嗅觉受体选择的专一性与随机性提供了合理解释。
• 结果支持‘竞速’机制的可行性，其驱动力为TF的有限可用性与启动子基序亲和力。
• 计算分析表明，少数关键TF即可调控大型基因组中单一受体基因的选择。