Транспозон это в биологии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Транспозонов формально относятся к так называемой некодирующей части генома — той, что в последовательности пар оснований ДНК не несет информацию о аминокислотные последовательности белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию о ферментах, которые транскрибируются и катализируют передвижения, например, ДНК-транспозонов и LINE-1 кодируют белки транспозазы, ORF1p и ORF2p. У разных видов транспозонов распространенные в разной степени, так у человека транспозонов составляют до 45% всей последовательности ДНК, у плодовой мухи Drosophila melanogaster часть мобильных элементов составляет лишь 15-20% всего генома. У растений транспозонов могут занимать основную часть генома, так у кукурузы (Zea mays) с размером генома в 2300000000 пар оснований по крайней мере 85% составляют различные мобильные элементы.

История открытия

Барбара МакКлинток (англ. Barbara McClintock) исследовала вариации окраски зерна и листья кукурузы, Но в 1948 году путем цитологических и генетических исследований пришла к выводу, что мобильные участки ДНК, Ac / Ds-элементы, приводят к соматического мозаицизма растений. Она была первой, кто доказал, что геном эукариот не постоянен, а содержит участки, которые могут передвигаться. 1983 за этот труд Барбара МакКлинток получила Нобелевскую премию (единственная женщина, получившая премию по физиологии и медицине самостоятельно, без соавторов).

Хотя транспозонов были открыты в 1940-х годах, спустя полвека стало понятно, насколько масштабным является их вклад в геном организмов. Так, получение первой нуклеотидной последовательности (секвенирование) генома человека показало, что мобильных элементов в последовательности ДНК не менее 50%. Точную оценку получить трудно, ведь некоторые транспозонни участка со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать.

Поскольку транспозонов потенциально способны вызывать вредные мутации и поломки хроматина, с начала открытия мобильных элементов считалось, что их действие сводится к геномной-паразитической. Но в начале XXI века появляется все больше данных о возможных благоприятные эффекты транспозонов для организмов, эволюционный влияние ретротранспозонов на геном плацентарных млекопитающих. Идентифицируют случаи использования транспозонов организмами. Например, РНК L1-ретротранспозона участвует в образовании гетерохроматина при инактивации X-хромосомы. Плодовая муха не имеет теломеразы, а взамен использует обратной транскриптазы ретротранспозонов для продления теломерные участков, которые в Drosophila melanogaster представлены повторами транспозонов.

Типы транспозонов и механизмы их передвижения

Мобильные генетические элементы относятся к повторяющихся элементов генома — имеющих несколько копий в последовательности ДНК клетки. Повторяющиеся элементы генома могут располагаться в тандеме (микросателлиты, теломеры и т.д.) и могут быть рассеяны по геному (мобильные элементы, псевдогены т.д.).

Транспозонов можно разделить по степени автономности. Как ДНК-транспозонов, так и Ретротранспозон имеют автономные и неавтономные элементы. Неавтономные элементы для транспозиции потребует ферменты, кодируемые автономными элементами, часто содержат значительно измененные участки транспозонов и дополнительные последовательности. Количество неавтономных транспозонов в геноме может значительно превышать количество автономных.

ДНК-транспозонов

На концах участков ДНК-транспозонов расположены инвертированные повторы, которые являются особыми сайтами узнавания транспозазы, таким образом отличая эту часть генома от остальных. Транспозазы способна делать дволанцюгови разрезы ДНК, вырезать и вставлять в ДНК-мишень транспозон.

К ДНК-транспозонов принадлежат Ac / Ds-элементы растений, были впервые открыты Барбарой МакКлинток в кукурузе. Ac -элемент (англ. Activator) является автономным и кодирует транспозазы. Есть несколько типов Ds-элементов, которые способны к формированию разрывов хромосом и которые перемещаются по геному благодаря Ac-элементам.

Хелитроны при транспозиции могут захватывать соседние последовательности.

Ретротранспозон

Активные Ретротранспозон млекопитающих делятся на три основные семьи: Alu-повторы, LINE-1, SVA.

Ретротранспозон LINE-1 — LINE-1, L1 (англ. Long INterspersed Elements), длинные диспергированные повторы — тип ретротранспозонов, широко распространенный у млекопитающих и составляет до 20% генома. L1-элементы имеют длину около 6000 пар оснований. Большинство этих ретротранспозонов в геноме представлена неполно, хотя существует около 150 полных и потенциально мобильных L1-элементов в последовательности ДНК человека и примерно трёхтысячную мыши.

Процесс передвижения начинается с чтения молекулы РНК с элемента L1. РНК транспортируется в цитоплазму, где из нее транслируются белки ORF1p (что является РНК-связывающим белком) и ORF2p (что ендонуклеазну и возвратно-транскриптазной активность). ORF1p, ORF2p и РНК транспозонов формируют рибонуклеопротеин и импортируются в ядро, где происходит обратная транскрипция ретротранспозона.

Большинство случаев вставки L1-элементов происходит не до конца, и такие копии больше не способны к самостоятельной мобилизации.

Существуют сведения о неканонические функции L1-элементов при инактивации X-хромосомы.

LTR — длинные концевые повторы (англ. Long Terminal Repeat) — Ретротранспозон, имеющих конечные повторяющиеся последовательности, которые играют важную роль в транскрипции и обратной транскрипции РНК транспозонов. LTR-элементы кодируют белки pol и gag, что близкие к белкам ретровирусов, но, в отличие от последних, LTR не хватает белков, которые смогли бы сформировать внешнюю оболочку (суперкапсид) и выйти из клетки.

SINE — короткие диспергированные элементы (англ. Short INterspersed Elements) — является неавтономными Ретротранспозон: для передвижения они нуждаются активности L1-элементов. В ДНК-последовательности SINE содержат только сайт связывания РНК-полимеразы. К SINE принадлежат Alu-Ретротранспозон.

Alu-элементы — широко распространенные в геноме человека мобильные элементы. Alu-элементы имеют длину ~ 300 пар оснований и часто расположены в интронов, участках генома, не транслируются, и межгенных участках. Название Alu-Ретротранспозон получили из-за того, что они содержат последовательность распознавания рестрикционного энзима Alu I. Анализ последовательностей показал, что Alu-элементы возникли у приматов примерно 65000000 лет назад от гена 7SL РНК, входит в рибосомного комплекса. Alu-Ретротранспозон не имеют собственной обратной транскриптазы, поэтому для передвижения им необходимые ферменты элементов LINE-1.

В Alu-элементам происходит до 90% всех случаев редактирования РНК с преобразованием A на I.

SVA (англ. SINE-R-VNTR-Alu) — мобильные элементы длиной в 2-3 тысячи пар оснований ДНК, состоящие из нескольких частей: коротких разбросанных элементов (SINE), переменного количества тандемных повторов (англ. Variable number of tandem repeat, VNTR), Alu-последовательности и CT-богатого повтора, с последовательностью CCCTCT, что встречается чаще всего и называется гексамеров (Hex). Длина SVA-элементов значительно варьирует через разное количество составляющих повторов. Они не являются автономными и требуют белков, закодированные в L1-Ретротранспозон для передвижения, но они активны в геноме человека. SVA-элементы испытывают высокого уровня метилирования ДНК в большинстве тканей человека. Интересным фактом является заниженное метилирования ДНК SVA-ретротранспозонов в мужских половых клетках человека, тогда как у шимпанзе SVA последовательности сперматозоидов высоко метилированных.

Механизмы блокировки транспозонов

Мобильные генетические элементы достаточно широко представлены в растительных растительных геномах. Их высокая активность является риском для стабильности генома, поэтому их экспрессия жестко регулируется, особенно в тех тканях, которые участвуют в формировании гамет и передачи наследственной информации потомкам. У растений и животных регуляция активности мобильных элементов генома происходит путем метилирования последовательности ДНК de novo и активности некодирующих РНК вместе с белковыми комплексами Аргонавт.

Основная роль малых некодирующих РНК, взаимодействуют с Пиви-комплексом, или пиРНК (англ. PiRNA, PIWI-interacting RNA), заключается в Подавление мобильных элементов генома в зародышевых тканях. Эта роль пиРНК достаточно высоко консервативная среди животных.

У мышей мобильные элементы генома в течение онтогенеза находятся преимущественно в неактивном состоянии, достигается путем эпигенетических взаимодействий и активности некодирующих РНК. В период эмбрионального развития Эпигенетическая метка метилирования ДНК претерпевает репрограммирования: родительские метки стираются, а новые устанавливаются. В этот период часть белков аргонавты — PIWI-белки (Mili и Miwi2) — и некодирующие РНК, с ними взаимодействуют — пиРНК — играют ключевую роль в подавления de novo ретротранспозонов мышей путем метилирования ДНК, и пинг-понг-цикла амплификации пиРНК и подавления мишени. Если у мышей возникает нехватка белков Mili и Miwi2, это приводит к активации LINE-1 и LTR и остановки гаметогенеза и стерильности у самцов. Последние работы установили, что у мухи Drosophila melanogaster активным кофактором в Подавление является белок GTSF1 (англ. Gametocyte-specific factor 1, или Asterix).

Механизм пиРНК-индуцированного подавления транспозонов окончательно не выяснено, но схематично его можно подать такой модели:

первичное накопление одноцепочечных молекул РНК, пиРНК-прекурсоров
созревания пиРНК и их амплификация с помощью PIWI-белков (пинг-понг-цикл)
подавления целевого транспозонов, что может происходить несколькими путями: деградация РНК (с помощью РНКазнои активности H-образного домена белков-аргонавтов), подавление трансляции и привлечения хроматин-модифицирующих систем (таких, как белки SWI / SNF) и дальнейшее Эпигенетическое подавления транспозонов.

В отличие от вирусов, которые используют организм хозяина для размножения и способны его оставить, мобильные генетические элементы существуют исключительно в организме хозяина. До некоторой степени транспозонов способны регулировать собственную активность. Примером этого является ДНК-транспозонов Ac — автономные мобильные элементы растений, кодирующих собственную транспозазы. Ac-элементы проявляют способность снижать активность транспозазы при увеличении ее копий.

Также подавления растительных автономных ДНК-транспозонов MuDR может происходить с помощью Muk. Muk является вариантом MuDR и имеет в своей последовательности несколько палиндромный участков ДНК. Когда Muk транскрибируется, такая РНК формирует шпильку, что потом режется комплексом ферментов на малые интерферирующие РНК (миРНК), которые заглушают активность MuDR с помощью процесса РНК-интерференции.

Болезни

По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых является встраивание de novo мобильных генетических элементов. Alu-повторы часто вызывают хромосомные аберрации и является причиной 50 разновидностей заболеваний. Так в нейрофиброматозе 1 типа было найдено 18 случаев встраиваемых ретротранспозонов, 6 из которых происходят в 3 специфических местах. Активность мобильных элементов L1 в соматических тканях зафиксирована у пациентов с раком легких.

Если транспозиция, вызывающий заболевание, происходит в гамет, то следующие поколения наследуют болезни. Так гемофилия может возникать из-за встраивания ретротранспозона L1 в участок ДНК, кодирующий ген VIII фактора свертывания крови. У мышей были зафиксированы случаи онкогенеза, остановки развития и стерильность в связи с встраиванием мобильных элементов генома.

Эволюционная роль транспозонов

Некоторые этапы эволюционирования организмов были вызваны активностью мобильных элементов генома. Уже первая нуклеотидная последовательность генома человека доказала, что многие гены являются производными транспозонов. Мобильные генетические элементы могут влиять на организацию генома путем рекомбинации генетических последовательностей и входя в состав таких фундаментальных структурных элементов хроматина, как центромеры и теломеры. Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, изменяя узоры (паттерны) сплайсинга и полиаденилирование или выполняя функции энхансер или промоторов. Транспозонов могут влиять на структуру и функции генов путем выключения и изменения функций, изменении структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и изменение эпигенетического контроля генов.

Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания, но, несмотря на это, в процессе эволюции транспозонов не исчезли и остались в ДНК-последовательностях многих организмов или в виде целых копий, имели возможность передвигаться по ДНК, или в укороченном виде, потеряв способность к передвижению . Но укороченные копии также могут принимать участие в таких процессах как пост-транскрипционных регуляция генов, рекомбинация и тому подобное. Также важным моментом в потенциальной способности транспозонов влиять на темпы эволюции является то, что их регуляция зависит от эпигенетических факторов. Это приводит к возможности транспозонов реагировать на изменения окружающей среды и вызывать генетическую нестабильность. На стресс транспозонов активируются или прямо, или путем снижения их подавления белками комплекса Аргонавт и пиРНК. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленные абиотические и биотические факторы, среди которых соленость, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции.

Примеры эволюционной роли мобильных генетических элементов

Считается, что приобретенный иммунитет млекопитающих возник в челюстных рыб примерно 500000000 лет назад. Приобретенный иммунитет позволяет формировать антитела для многих видов патогенов, попадающих в организм млекопитающих, в частности человека. Для формирования различных антител клетки иммунной системы изменяют последовательность ДНК путем соматической рекомбинации с помощью системы, которая возникла и эволюционировала благодаря мобильным элементам генома.

Нейроны, клетки нервной системы, могут иметь мозаичный геном, то есть последовательность ДНК в них отличается от последовательности ДНК других клеток, хотя все они сформировались из одной клетки-предшественника — зиготы. Доказано, что у крыс специально вставлены L1-Ретротранспозон человека активные даже в зрелом возрасте. Также зафиксировано увеличение копий L1-ретротранспозонов в нейронах некоторых участков мозга, в частности гипоталамуса, по сравнению с другими тканями у взрослых людей. Также установлено, что мобильные элементы приводят к разнородности в нейронах мухи Drosophila melanogaster. Активность мобильных элементов в нейронах может вызвать синаптическую пластичность и большую вариабельность поведенческих реакций.

Последовательности ДНК генов теломеразы и LINE-1-ретротранспозонов имеют высокую гомологию, что свидетельствует о возможности происхождения теломераз от ретротранспозонов.

У растений очень большая скорость эволюции геномов, поэтому лучше известны те влияния мобильных элементов, возникших в результате одомашнивания, поскольку оно произошло недавно, и изменения легко идентифицировать, поскольку известные черты, по которым велась селекция культурных растений. Примерами может быть получение овальной формы Римских томатов Solanum lycopersicum. Ген, находится в локусе SUN, был перемещен путем ретротранспозиции в другой участок ДНК, где он регулируется другими промоторной последовательностями в овальных томатов.

Использование транспозонов

Генная инженерия

Поскольку мобильные элементы генома способны к встраиванию в хроматин, они используются в генной инженерии для специального и контролируемого вставки генов или участков ДНК, которые изучают ученые. Транспозонов используются для мутагенеза и для определения регуляторных элементов генома в лабораториях.

Наиболее известна система для введенного мутагенеза in vivo — P-мобильный элемент мухи D. melanogaster, с помощью которого можно изучать функции генов, налаживание хромосомных аберраций и тому подобное.

У позвоночных животных долгое время не было эффективной методики транспозоннои модификации генома. Сейчас есть система мобильной элемента Tol2, полученная с японской рыбы Oryzias latipes, и используется как у мышей, так и на клеточных линиях человека. Также успешной является система транспозонов Minos.

Система транспозонов Спящая Красавица (англ. Sleeping Beauty) была создана на основе последовательности ДНК транспозазы из рыбы. Удачное использовании этой системы на мышах позволило определить кандидатов в онкогены рака кишечника человека.

Филогенетика

Кроме использования транспозонов в генной инженерии, изучение активности транспозонов является методом филогенетики. Путем анализа и сопоставления нуклеотидных последовательностей геномов различных видов можно найти транспозонов, что имеющиеся у одних видов, но отсутствуют в других. Виды, в которых одинаковый Ретротранспозон, скорее всего получили его от общего предка. Таким образом можно получить информацию об эволюционном развитии видов и строить филогенетические деревья.

Транспозоны формально относятся к так называемой некодирующей части генома — той, которая в последовательности пар оснований ДНК не несёт информацию об аминокислотных последовательностях белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию о ферментах, транскрибируются и катализируют передвижения; например, ДНК-транспозоны и ДДП-1 кодируют белки транспозаза, БОРС1 и БОРС2. У разных видов транспозоны распространены в разной степени: так, у человека транспозоны составляют до 45 % всей последовательности ДНК, у плодовой мухи Drosophila melanogaster часть мобильных элементов составляет лишь 15—20 % всего генома [2] . У растений транспозоны могут занимать основную часть генома — так, у кукурузы (Zea mays) с размером генома в 2,3 миллиарда пар оснований по крайней мере 85 % составляют различные мобильные элементы [3] .

Транспозоны — подвижные элементы генома. Различают классы ретротранспозонов и ДНК-транспозонов, для которых характерны разные механизмы копирования. В свою очередь, ДНК-транспозоны подразделяются на те, что работают по принципу вырезать и вставить, есть кольцевые транспозоны, а есть и гигантские самореплицирующиеся транспозоны типа Maverick или Polinton (МП-транспозоны). Нуклеотидные последовательности МП-транспозонов составляют 9–22 тысяч пар нуклеотидов, в них закодировано около 20 белков. Этот набор относительно консервативен. В нём обязательно присутствует интеграза — фермент, отвечающий за встраивание вирусной последовательности в геном хозяина и работу с гетерохроматином. Интегразы характерны для ретровирусов. Кроме того, имеется аденозинтрифосфатаза, сходная с той, что имеется у ДНК-вирусов с двойной нитью; цистеинпротеаза, аналогичная аденовирусной. Есть еще один белок, по своей структуре сходный с основным капсидным белком фикоднавирусов (Phycodnaviridae), поражающих водоросли.

Как видно, генетический набор МП-транспозонов представляет собой смесь разных типов вирусов. Но тем не менее в качестве основной гипотезы обсуждается происхождение этих транспозонов от линии так называемых PRD1-вирусов, имеющих икосаэдрический (двадцатигранный) капсид и двойную нить ДНК. МП-транспозоны известны у широкого круга эукариотических организмов от простейших до рыб и птиц. Новое исследование касается именно этих транспозонов. Обнаружились новые удивительные данные, позволившие микробиологам Матиасу Фишеру и Куртису Шатлу из Университета Британской Колумбии (Канада) предложить смелую гипотезу о происхождении этих транспозонов.

Геном Мавируса представляет собой кольцевую ДНК, состоящую из примерно 19 тысяч пар нуклеотидов, 20 белок-кодирующих последовательностей, длина которых в среднем около 883 нуклеотида. Получается, что белок-кодирующие последовательности составляют около 93% всего генома Мавируса. Оставшийся фрагмент ДНК представляет собой устойчивый мотив стартовой последовательности, включающей считывание всей цепочки вирусных белков. Спутник и Мавирус имеют около 20% сходства в белок-кодирующей области, так что если связь между этими вирофагами и имеется, то очень древняя. Интегразы у них разные.

Существенно больше сходства обнаруживают последовательности Мавируса и МП-транспозонов. Четыре консервативных гена и три факультативных оказались общими у Мавируса и этих транспозонов. В частности, общий мотив (участок из примерно 180 нуклеотидов) обнаружился у интеграз. Ученые отметили также более менее схожую длину МП-транспозонов и Мавируса: 19 против 15 и 20. Кроме того, они обратили внимание на единообразное устройство ДНК-последовательностей в конечных участках Мавируса и МП-транспозонов.

Мало того, некоторые из генов Мавируса оказались гомологичны и генам слизевика Polysphondylium pallidum. Эти гены слизевика явно являются наследием транспозонного элемента. Нужно при этом заметить, что промотерного участка у этой вставки не нашлось. По-видимому, транспозон вставился в геном слизевика, утеряв промотер.

Столь множественные параллели между Мавирусом и МП-транспозонами позволили предположить, что они эволюционировали от общего предка. В этой дискуссии у канадских ученых оказались хорошие козыри. Логика подсказывает, что стоит обсуждать две версии. Первая: Мавирус — это сбежавший из клетки транспозон. Вторая: транспозоны — это освоившиеся внутри клетки потомки вирофагов. Если выбрать первый вариант, то придется признать, что наш вырвавшийся на свободу агент захватывал по пути гены многих хозяев, а затем непрошенно пристроился к другому вирусу. Кроме того, трудно понять, почему сбежавший агент всё же похож на Спутник и почему он оказался связан с другим вирусом. При этом нам придется допустить, что получившийся Мавирус приобрел промотерный участок независимо от других вирусов. Слишком много неувязок в этом детективном сюжете.

Этапы предполагаемой эволюции Мавируса и МП-транспозонов (обозначены цифрами). Первый этап — эукариотическая клетка (нарисованы ядро с ДНК и синяя митохондрия) заражается гигантским вирусом. Он назван Large DNA virus (LDNAV) и изображен темным шестиугольником. Работа вирусной фабрики (VF) приводит к размножению вирусных частиц и происходит лизис клетки (верхняя часть схемы). Второй этап — вирофаг, предок Мавируса (красный шестиугольник) сопутствует гигантскому вирусу и участвует в инфицировании клетки эукариота, проходя весь цикл внедрения, размножения и лизиса. Его присутствие уменьшает клеточный лизис, увеличивает устойчивость хозяина к поражению LDNAV. Прямое развитие в этом направлении (здесь это этап 6) привело к появлению разнообразных паразитических вирофагов, таких как Мавирус, Спутник и OLV. Их разнообразие еще предстоит оценить (поэтому стоит вопросительный знак). Третий этап — инкорпорация ДНК предка Мавируса в геном хозяина (крсный фрагмент) при помощи интегразы. Четвертый этап предполагает видоизменение или диверсификацию приобретенного признака. Фрагмент мог распространиться по геному в силу очевидной своей пользы, мог видоизмениться, мутировать так или иначе или же в некоторых клеточных линиях мог потеряться. Также, возможно, имело место и повторное внедрение в геном последовательностей вирофагов. Схема из обсуждаемой статьи в Science

Источник: Matthias G. Fischer, Curtis A. Suttle. A Virophage at the Origin of Large DNA Transposons // Science. 8 April 2011. V. 332. P. 231–234.

Транспозоны - сегменты ДНК, которые контролируют собственную транспозицию (перемещение) из одного сайта ДНК в другой путем вырезания из исходного сайта и внедрения в новый сайт хромосомы или плазмиды. Впервые были открыты в 40-х годах американской ученой Барбарой Мак-Клинток у кукурузы.

Механизм перемещения фрагментов ДНК по геному до конца не выяснен. ДНК переносится ферментом транспозазой. Фермент кодируется последовательностью нуклеотидов в середине транспозона. Он специфически взаимодействует с концевыми инвертированными повторами мобильного элемента и может вырезать его из хромосомы. Вырезание может происходить точно – с восстановлением исходной структуры участка ДНК, и неточно, то есть с делециями и вставками от одного до нескольких нуклеотидов. Это приводит к появлению стабильных мутаций и является одним из механизмов создания новых последовательностей ДНК. Длина их от 2 до 10 тысяч нуклеотидных пар. У высших эукариот на долю транспозонов приходится примерно 10% ДНК клетки.

- Ретротранспозоны, которые перемещаются по геному путем обратной транскрипции с их РНК

- ДНК-транспозоны, перемещающиеся путем прямого вырезания и вставки с использованием кодируемого транспозонами фермента транспозазы

Перемещение транспозонов способно вызвать дестабилизацию генома, в частности, не менее 80% мутаций и перестроек ДНК яаляются следствием их активности.

Биологический смысл перемещения отдельных сегментов ДНК: прерывание соответствующего гена, что ведет к эволюции; регуляция деятельности генов, так как транспозоны могут нести сигналы для начала считывания генов. В новых областях усиливают или запрещают работу гена. Транспозоны также участвуют в горизонтальном переносе генов.

Поскольку подвижные гены могут перемещаться в пределах генома с одного места на другое, то они могут быть эффективными векторами для передачи рекомбинантной ДНК. Генетическая трансформация с помощью векторов на основе транспозонов была впервые осуществлена на дрозофиле. С помощью транспозируемого элемента Р дрозофиле был передан ген, обуславливающий коричневую окраску глаз.

Преимущества:

перенос генов происходит с высокой частотой

не влечет значительных перестроек интегрируемой ДНК.

можно переносить достаточно большие фрагменты ДНК.

- Ретротранспозоны, которые перемещаются по геному путем обратной транскрипции с их РНК

Читайте также: