Мобильные генетические элементы реферат
Обновлено: 07.07.2024
С момента возникновения хромосомной теории наследственности до конца 70-х годов представление о том, что каждый ген имеет определенное место на хромосоме и не способен произвольно менять его, казалось незыблемым. Единственным известным способом перемещения генов друг относительно друга были хромосомные мутации — транслокации и инверсии.
Другое очень распространенное и обоснованное представление гласит о том, что в геноме данного вида организмов содержится вполне определенное количество копий какого-либо конкретного гена. Изменение числа копий может также происходить в результате хромосомных мутаций — дупликаций и делений. В 40—50-х годах XX в. американская исследовательница Б. Мак-Клинток генетическими методами показала, что в хромосомах кукурузы предположительно существуют генетические элементы, способные перемещаться в геноме — исчезать с прежних мест и появляться в новых.
Спустя четверть века американские и советские генетики независимо методами молекулярной биологии и генной инженерии доказали существование генетических элементов, способных к перемещению.
Глава I
Общее понятие МГЭ. История открытия
Открытие МГЭ принадлежит американскому генетику Барбаре Мак-Клинток, которая исследовала вариации окраски зерна и листьев кукурузы, и в 1948 году путём цитологических и генетических исследований пришла к выводу, что мобильные участки ДНК, Ac/Ds-элементы, приводят к соматическому мозаицизму растений. Она была первой, кто доказал, что геном эукариот не статичен, а содержит участки, которые могут передвигаться. В 1983 году за эту работу Барбара Макклинток получила Нобелевскую премию.
Хотя транспозоны были открыты в 1940-х годах, только через 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, поскольку некоторые транспозонные участки со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать.
Поскольку транспозоны потенциально способны вызывать вредные мутации и поломки хроматина, с начала открытия мобильных элементов считалось, что их действие сводится к геномному паразитизму. Но в начале XXI столетия появляется всё больше данных о возможных благоприятных эффектах транспозонов для организмов, об эволюционном влиянии ретротранспозонов на геном плацентарных млекопитающих.
У человека транспозоны были обнаружены в 1991, когда Фрэнсис Коллинз и его коллеги обнаружили 31-летнего человека с нейрофиброматозом, вызванным перемещением последовательности Alu. Нейрофиброматоз — болезнь, которая вызывает многочисленные опухоли кожи и нервов. В настоящее время установлено, что от 45 до 50 % (по данным разных авторов) человеческого генома состоят из последовательностей, происходящих от мобильных элементов, хотя большинство этих элементов является бездействующими и не способны к перемещению. Из них, около 2 % — это ДНК транспозоны и приблизительно 42 % — ретротраспозоны.
Эволюционное значение
Эволюционное значение мобильных генетических элементов неизвестно, но были предложены три гипотезы, объясняющих их происхождение.
Также установлена способность подвижных генетических элементов к точному вырезанию и удалению их из хромосом. Перемещение таких нуклеотидных последовательностей в пределах генома может влиять на регуляцию экспрессии генов, которые прилежат к месту встраивания этих элементов. В результате таких перемещений могут активироваться ранее не активные гены, и наоборот.
Некоторые этапы эволюционирования организмов были вызваны активностью мобильных элементов генома. Уже первая нуклеотидная последовательность генома человека доказала, что многие гены были производными транспозонов. Мобильные элементы генома могут влиять на организацию генома путём рекомбинации генетических последовательностей и входя в состав таких фундаментальных структурных элементов хроматина, как центромеры и теломеры. Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, меняя узоры (паттерны) сплайсинга и полиаденилирования или выполняя функции энхансеров или промоторов. Транспозоны могут влиять на структуру и функции генов путём выключения и изменения функций, изменения структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и изменения эпигенетического контроля генов.
Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания, но, несмотря на это, в процессе эволюции транспозоны не были удалены и остались в ДНК-последовательностях почти всех организмов, или в виде целых копий, которые 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-транскрипционная регуляция генов, рекомбинация и т. п. 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. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленные абиотические и биотические факторы, среди которых солёность, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции. По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых является de novo внедрение мобильных генетических элементов.
Ретротранспозоны залечивают двухнитевые разрывы ДНК. Обычно двухнитевой разрыв залечивается с помощью гомологичной молекулы ДНК, например, сестринской, только что реплицированной нити. Однако, если клетка лишена обычной системы залечивания двухнитевого разрыва, то в качестве заплатки может быть использована подвижная ДНК. Оказалось, что в роли такой подвижной ДНК может выступать реплицирующаяся ДНК ретротранспозонов. В этом случае спасательную функцию осуществляет класс ретротранспозонов. Заплатка позволит хромосоме сохранить целостность и не утратить концевого фрагмента. Правда, брешь в двухнитевой спирали ДНК будет залеплена заплаткой из ретротранспозона, то есть исходная нуклеотидная последовательность не будет восстановлена. Однако если район разрыва не содержал существенного гена, то клетка, а возможно, и организм сохранят жизнеспособность. Возможность участия ретротранспозонов, содержащих длинные концевые повторы, в процессе заживления двухнитевых разрывов была обнаружена в клетках дрожжей недавно, поэтому молекулярные механизмы обнаруженного явления остаются пока невыясненными.
Естественный отбор способствует возникновению динамического баланса между положительными и отрицательными воздействиями мобильных элементов на приспособленность генома. Те видовые геномы, которые не способны противостоять вторжению генетических паразитов, неизбежно вытесняются из биосферы. Однако в процессе коэволюции большинство видов выработало компромиссную стратегию для защиты генома от неограниченного размножения мобильных элементов. Увеличение размера генома, например, ограничено оптимальным соотношением между ядром и объемом клетки, способным поддерживать установившийся темп метаболических процессов.
Поэтому лишь те мобильные элементы, которые приобрели отрицательную обратную связь на эффект дозы, сохранились в ходе эволюции, в то время как более агрессивные ДНК-паразиты исчезли.
Структура МГЭ
У прокариот выделяют два вида МГЭ.
Инсерционные последовательности (IS)
Инсерционная последовательность (IS, IS-элемент, англ. Insertion sequence) — короткий фрагмент ДНК, простой мобильный генетический элемент, имеющие на концах короткие (10–40 п. н.) схожие последовательности, расположенные в обратном порядке (инвертированные повторы).
Инсерционные последовательности обладают двумя важными характеристиками — они мало похожи на другие мобильные элементы (около 700—2500 нуклеотидов) и кодируют лишь белки, вовлеченные в процесс транспозиции (в отличие от транспозонов, кодирующих еще и некоторые вспомогательные гены, например, гены резистентности к антибиотикам). При транспозиции участок ДНК хозяина в сайте-мишени (5–9 п. н.) удваивается и окаймляет IS прямыми повторами, т. е. одинаково ориентированными (рис. 1).
Эти белки обычно представлены транспозазой, которая катализирует ферментативную реакцию, позволяющую IS элементу перемещаться, а также регуляторный белок, который стимулирует или ингибирует активность транспозиции.
Кодирующий район в IS элементе обычно фланкирован обращенными повторами.
IS-элементы могут быть частью сложных транспозонов.
Рисунок 1 — Схема внедрения IS в ДНК хозяина: 1 – удвоенный сайт-мишень ДНК хозяина; 2 – инвертированные повторы; 3 – центральная область IS; 4 – ДНК клетки-хозяина
Бактериальная клетка обычно имеет множество IS. Наличие идентичных IS в различных бактериальных генетических структурах создает основу для их взаимодействия, интеграции и генетического обмена по принципу сайт-специфической рекомбинации.
Транспозоны (Tn) – более сложные структуры (2000–20 000 п. н.), в средней части имеющие различные гены, не обязательно связанные с транспозицией.
Tn с каждой стороны имеют плечи (или модули), которые являются IS, в прямой или инвертированной ориентации (рис. 2). Поскольку IS всегда имеют инвертированные повторы, то и Tn имеют их на своих краях. Вероятно, Tn возникли путем объединения двух первоначально независимых IS и области между ними. Многие транспозоны несут гены устойчивости к антибиотикам. Процесс транспозиции у бактерий включает дупликацию транспозона, при этом одна копия остается на старом месте, а другая возникает на новом.
Рисунок 2 — Прямая (а) и инвертированная (б) ориентация плеч транспозонов
С момента возникновения хромосомной теории наследственности до конца 70-х годов представление о том, что каждый ген имеет определенное место на хромосоме и не способен произвольно менять его, казалось незыблемым. Единственным известным способом перемещения генов друг относительно друга были хромосомные мутации — транслокации и инверсии.
Другое очень распространенное и обоснованное представление гласит о том, что в геноме данного вида организмов содержится вполне определенное количество копий какого-либо конкретного гена. Изменение числа копий может также происходить в результате хромосомных мутаций — дупликаций и делений. В 40—50-х годах XX в. американская исследовательница Б. Мак-Клинток генетическими методами показала, что в хромосомах кукурузы предположительно существуют генетические элементы, способные перемещаться в геноме — исчезать с прежних мест и появляться в новых.
Спустя четверть века американские и советские генетики независимо методами молекулярной биологии и генной инженерии доказали существование генетических элементов, способных к перемещению.
Глава I
Общее понятие МГЭ. История открытия
Открытие МГЭ принадлежит американскому генетику Барбаре Мак-Клинток, которая исследовала вариации окраски зерна и листьев кукурузы, и в 1948 году путём цитологических и генетических исследований пришла к выводу, что мобильные участки ДНК, Ac/Ds-элементы, приводят к соматическому мозаицизму растений. Она была первой, кто доказал, что геном эукариот не статичен, а содержит участки, которые могут передвигаться. В 1983 году за эту работу Барбара Макклинток получила Нобелевскую премию.
Хотя транспозоны были открыты в 1940-х годах, только через 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, поскольку некоторые транспозонные участки со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать.
Поскольку транспозоны потенциально способны вызывать вредные мутации и поломки хроматина, с начала открытия мобильных элементов считалось, что их действие сводится к геномному паразитизму. Но в начале XXI столетия появляется всё больше данных о возможных благоприятных эффектах транспозонов для организмов, об эволюционном влиянии ретротранспозонов на геном плацентарных млекопитающих.
У человека транспозоны были обнаружены в 1991, когда Фрэнсис Коллинз и его коллеги обнаружили 31-летнего человека с нейрофиброматозом, вызванным перемещением последовательности Alu. Нейрофиброматоз — болезнь, которая вызывает многочисленные опухоли кожи и нервов. В настоящее время установлено, что от 45 до 50 % (по данным разных авторов) человеческого генома состоят из последовательностей, происходящих от мобильных элементов, хотя большинство этих элементов является бездействующими и не способны к перемещению. Из них, около 2 % — это ДНК транспозоны и приблизительно 42 % — ретротраспозоны.
Эволюционное значение
Эволюционное значение мобильных генетических элементов неизвестно, но были предложены три гипотезы, объясняющих их происхождение.
Также установлена способность подвижных генетических элементов к точному вырезанию и удалению их из хромосом. Перемещение таких нуклеотидных последовательностей в пределах генома может влиять на регуляцию экспрессии генов, которые прилежат к месту встраивания этих элементов. В результате таких перемещений могут активироваться ранее не активные гены, и наоборот.
Некоторые этапы эволюционирования организмов были вызваны активностью мобильных элементов генома. Уже первая нуклеотидная последовательность генома человека доказала, что многие гены были производными транспозонов. Мобильные элементы генома могут влиять на организацию генома путём рекомбинации генетических последовательностей и входя в состав таких фундаментальных структурных элементов хроматина, как центромеры и теломеры. Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, меняя узоры (паттерны) сплайсинга и полиаденилирования или выполняя функции энхансеров или промоторов. Транспозоны могут влиять на структуру и функции генов путём выключения и изменения функций, изменения структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и изменения эпигенетического контроля генов.
Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания, но, несмотря на это, в процессе эволюции транспозоны не были удалены и остались в ДНК-последовательностях почти всех организмов, или в виде целых копий, которые 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-транскрипционная регуляция генов, рекомбинация и т. п. 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. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленные абиотические и биотические факторы, среди которых солёность, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции. По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых является de novo внедрение мобильных генетических элементов.
Ретротранспозоны залечивают двухнитевые разрывы ДНК. Обычно двухнитевой разрыв залечивается с помощью гомологичной молекулы ДНК, например, сестринской, только что реплицированной нити. Однако, если клетка лишена обычной системы залечивания двухнитевого разрыва, то в качестве заплатки может быть использована подвижная ДНК. Оказалось, что в роли такой подвижной ДНК может выступать реплицирующаяся ДНК ретротранспозонов. В этом случае спасательную функцию осуществляет класс ретротранспозонов. Заплатка позволит хромосоме сохранить целостность и не утратить концевого фрагмента. Правда, брешь в двухнитевой спирали ДНК будет залеплена заплаткой из ретротранспозона, то есть исходная нуклеотидная последовательность не будет восстановлена. Однако если район разрыва не содержал существенного гена, то клетка, а возможно, и организм сохранят жизнеспособность. Возможность участия ретротранспозонов, содержащих длинные концевые повторы, в процессе заживления двухнитевых разрывов была обнаружена в клетках дрожжей недавно, поэтому молекулярные механизмы обнаруженного явления остаются пока невыясненными.
Естественный отбор способствует возникновению динамического баланса между положительными и отрицательными воздействиями мобильных элементов на приспособленность генома. Те видовые геномы, которые не способны противостоять вторжению генетических паразитов, неизбежно вытесняются из биосферы. Однако в процессе коэволюции большинство видов выработало компромиссную стратегию для защиты генома от неограниченного размножения мобильных элементов. Увеличение размера генома, например, ограничено оптимальным соотношением между ядром и объемом клетки, способным поддерживать установившийся темп метаболических процессов.
Поэтому лишь те мобильные элементы, которые приобрели отрицательную обратную связь на эффект дозы, сохранились в ходе эволюции, в то время как более агрессивные ДНК-паразиты исчезли.
Структура МГЭ
У прокариот выделяют два вида МГЭ.
Инсерционные последовательности (IS)
Инсерционная последовательность (IS, IS-элемент, англ. Insertion sequence) — короткий фрагмент ДНК, простой мобильный генетический элемент, имеющие на концах короткие (10–40 п. н.) схожие последовательности, расположенные в обратном порядке (инвертированные повторы).
Инсерционные последовательности обладают двумя важными характеристиками — они мало похожи на другие мобильные элементы (около 700—2500 нуклеотидов) и кодируют лишь белки, вовлеченные в процесс транспозиции (в отличие от транспозонов, кодирующих еще и некоторые вспомогательные гены, например, гены резистентности к антибиотикам). При транспозиции участок ДНК хозяина в сайте-мишени (5–9 п. н.) удваивается и окаймляет IS прямыми повторами, т. е. одинаково ориентированными (рис. 1).
Эти белки обычно представлены транспозазой, которая катализирует ферментативную реакцию, позволяющую IS элементу перемещаться, а также регуляторный белок, который стимулирует или ингибирует активность транспозиции.
Кодирующий район в IS элементе обычно фланкирован обращенными повторами.
IS-элементы могут быть частью сложных транспозонов.
Рисунок 1 — Схема внедрения IS в ДНК хозяина: 1 – удвоенный сайт-мишень ДНК хозяина; 2 – инвертированные повторы; 3 – центральная область IS; 4 – ДНК клетки-хозяина
Бактериальная клетка обычно имеет множество IS. Наличие идентичных IS в различных бактериальных генетических структурах создает основу для их взаимодействия, интеграции и генетического обмена по принципу сайт-специфической рекомбинации.
Транспозоны (Tn) – более сложные структуры (2000–20 000 п. н.), в средней части имеющие различные гены, не обязательно связанные с транспозицией.
Tn с каждой стороны имеют плечи (или модули), которые являются IS, в прямой или инвертированной ориентации (рис. 2). Поскольку IS всегда имеют инвертированные повторы, то и Tn имеют их на своих краях. Вероятно, Tn возникли путем объединения двух первоначально независимых IS и области между ними. Многие транспозоны несут гены устойчивости к антибиотикам. Процесс транспозиции у бактерий включает дупликацию транспозона, при этом одна копия остается на старом месте, а другая возникает на новом.
Рисунок 2 — Прямая (а) и инвертированная (б) ориентация плеч транспозонов
Что отличает нас от животных? Поэт, романтик и философ скажут, что человека от животных отличает наличие души. Специалист в области высшей нервной деятельности вслед за Павловым заметит, что только у человека есть вторая сигнальная система. Нейробиолог добавит, рассказав нам много об особенностях строения мозга человека: и про увеличение ассоциативных полей неокортекса, и про увеличение височных долей, про центры речи и про многое другое. Антрополог, изучающий кости ископаемых предков Homo sapiens, обязательно скажет, что только у нас есть подбородочный выступ в черепе, нет надбровных дуг, несоразмерно большой мозговой отдел черепа и т.д. (Существует даже красивая теория, что одно из отличий человека от животных – это умение смеяться и плакать.) И все они будут правы. Выходит, искать отличия человека от животных можно в самых разных областях науки, да и жизни вообще. Однако, поскольку все признаки организма определяются его геномом, все эти отличия можно свести к отличиям в геноме. И поиск генетической основы, ответственной за очевидные различия в фенотипах человека и животных, особенно, его ближайших родственников, представляется одной из интереснейших задач современной биологии. Показано, что значительный вклад в структуру и функционирование генома, и, соответственно, в его видоспецифичность, вносят мобильные генетические элементы (МГЭ).
В обсуждаемой статье, посвященной роли МГЭ в функционировании генома человека, К. К. Баскаев и А. А. Буздин из Института биоорганической химии им. акад. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН приводят краткий обзор основных генетических отличий человека от его ближайших нынеживущих родственников – шимпанзе, представленных в настоящее время двумя видами: обыкновенный шимпанзе (Pan troglodytes) и карликовый шимпанзе, или бонобо (P. paniscus). Авторы выделяют четыре основные группы генетических различий человека от шимпанзе.
1. Различная хромосомная организация, включающая утраты частей хромосом (делеции), различные вставки (инсерции), удвоения частей хромосом (дупликации) и обмен участками между негомологичными хромосомами (транслокации). Таких хромосомные перестройки происходят сравнительно часто, они имели место и на филогенетической линии, ведущей к человеку, и на линии шимпанзе. Посчитано, что инсерции и делеции, по которым человек отличается от шимпанзе, включают около 150 млн. п.о. Гораздо реже происходят более крупномасштабные события, такие как изменения числа хромосом. На человеческой линии произошло объединение двух предковых хромосом с образованием человеческой 2 хромосомы. У шимпанзе эта хромосома соответствует 12 и 13 хромосомам. Еще одно существенное отличие – перестройки в теломерных и центромерных областях, а так же в некоторых участках Y-хромосомы
2. Вариации в числе копий, положении в геноме и активности общих для человека и шимпанзе последовательностей.
3. Различия в белоккодирующих регионах, результатом которых являются различия в первичной структуре некоторых белков.
4. Видоспецифичные инсерции МГЭ.
Различия между ДНК человека и шимпанзе составляют в среднем около 1,24% и всего примерно 0,5% в белоккодирующих участках. Это значит, что если из всего генома человека наугад выбрать 100 нуклеотидов, то из них, скорее всего, только 1,24 будут не такими, как у шимпанзе. Тем не менее, никто не спутает человека с шимпанзе. Дело в том, что геном организован так, что один маленький эффект – экспрессия белоккодирующего гена - регулируется сложнейшей огромной сетью регуляторных генов. И маленькое изменение в этой пирамиде может радикальным образом увеличить или уменьшить экспрессию какого-то белка.
Особое внимание в обзоре было уделено анализу вклада специфических для человека МГЭ в структуру и функционирование генома человека.
Напомню о принципе строения, функционирования и вкладе МГЭ в геном. Тем, кто все это знает, следующие три абзаца можно пропустить. МГЭ – это фрагмент двунитевой молекулы ДНК, часть генома организма-хозяина, способная к самовоспроизведению, независимо от воспроизведения остального генома.
Рис. 2. МГЭ состоит из центральной части, фланкированной инвертированным повторами. Рисунок из лекций Зинченко В. В. по молекулярной генетики.
Попросту говоря, МГЭ могут перемещаться по геному, встраиваясь в определенные сайты встраивания молекул ДНК-мишеней и обеспечивая тем самым рекомбинацию между ДНК мобильного элемента и ДНК-мишенью. Элементарный МГЭ, или IS-элемент (от Insertion sequence, инсерционная последовательность) состоит из центральной части и концевых инвертированных повторов (рис. 2). Центральная часть кодирует белок транспозазу – ключевой белок транспозиции.
У эукариот, помимо описанных выше IS-элементов, существует два класса транспозонов: транспозоны I класса, присущие только эукариотам, и транспозоны II класса, общие для прокариот и эукариот. Транспозоны II класса, или ДНК-транспозоны, отличаются от описанных IS-элементов лишь тем, что они включает не только ген транспозазы, но и другие, посторонние, гены. Бывают составные ДНК-транспозоны и несоставные, или комплексные, ДНК-транспозоны. Составные ДНК-транспозоны представляют собой два идентичных типичных IS-элемента, окружающих центральную часть, содержащую посторонние гены, и вся эта конструкция вырезается, переносится и вшивается как единое целое. Комплексные ДНК-транспозоны по сути являются IS-элементами, отличие от типичных IS-элементов в том, что у этих транспозонов в центральной части присутствуют посторонние гены. Транспозоны II класса, или ретротранспозоны, присущи только эукариотам. И это, наряду с эндогенными ретровирусами (см. ниже), единственный способный к транспозиции класс МГЭ, найденный у млекопитающих и человека. МГЭ других классов утратили способность автономно воспроизводиться и перемещаться по геному из-за накопившихся мутаций. Главное отличие ретротранспозонов от ДНК-транспозонов в том, что их цикл репродукции включает стадию промежуточной молекулы РНК и стадию обратной транскрипции. Соответственно, в составе ретротранспозонов, как правило, имеется участок, кодирующий обратную транскриптазу, или ревертазу. На ретротранспозоны очень похожи т.н. эндогенные ретровирусы эукариот – ретровирусы, прочно интегрированные в геном клетки-хозяина и утратившие способность к образованию вирионов. Т.е. эндогенные ретровирусы можно рассматривать как МГЭ, имеющие вирусное происхождение, но на настоящей стадии являющиеся в большей степени частью организма-хозяина, чем частью вирусного паразита.
Результатом вставок МГЭ является отключение генов в результате непосредственной вставки МГЭ в их белоккодирующие части и изменение их активности в результате вставки МГЭ в регуляторные участки. Так, например, у человека не работает ген CMP, кодирующий фермент гидроксилазу сиаловой кислоты. Это фермент превращает N-ацетилнейраминовую кислоту в N-гликолилнейраминовую кислоту, которую человек, в отличие от шимпанзе, синтезировать не умеет. Причина отключения гена – вставка в его белоккодирующую часть специфического для человека ретротранспозона из семейства Alu. Другой результат транспозиции – это рекомбинация генома (рис. 4).
Рис. 4. Рекомбинация в результате вставки МГЭ. Слева направо: делеция, инверсия в результате внутримолекулярной рекомбинации; делеция + дупликация в результате рекомбинации между МГЭ гомологичных хромосом. Рисунок можно увеличить нажатием. Рисунок из лекций Зинченко В. В. по молекулярной генетики.
1. МГЭ – субстраты рекомбинации. Основные механизмы МГЭ-зависимой рекомбинации приведены на рис. 4.
2. МГЭ – энхансеры транскрипции. Действительно, известно много случаев, когда МГЭ увеличивает уровень экспрессии гена. Так, например, ретроэлемент семейства Alu является частью энхансерной области (т.е. области, повышающей активность) человеческого гена CD8.
3. МГЭ – транскрипционные промоторы. Оказывается, около 25% человеческих промоторов [0] (сайтов связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы) содержат в своей последовательности ретроэлементы.
4. МГЭ – поставщики альтернативных сайтов сплайсинга. Здесь ключевая роль принадлежит ретротранспозонам Alu. По краям белоккодирующего участка гена всегда есть нетранслируемые участки, в которых присутствие Alu может оказывать существенное влияние на то, что происходит с мРНК после транскрипции. Механизмы этого влияния могут быть разными: влияние на трансляцию, стабильность мРНК и альтернативный сплайсинг. Т.е. МГЭ могут влиять на продукт гена уже после его транскрипции. Примером такого влияния может служить специфическая для человека вставка Alu в ген, связанный с врождённой мышечной дистрофией.
5. МГЭ – доноры сигнала полиаденилирования. Напомню, что полиаденилирование – один из важных этапов созревания мРНК перед трансляцией, состоящий в присоединении 100-200 остатков аденина к определенной сигнальной последовательности – сигналу полиаденилирования. МГЭ человека кодируют свои гены, и эти гены имеют свои сигналы полиаденилирования. Значит, включение МГЭ в гены человека создает альтернативные сайты полиаденилирования.
6. МГЭ – антисмысловые регуляторы транскрипции . Антисмысловые РНК – это РНК, комплементарные мРНК. Показано, что МГЭ, присутствующие в интронах генов, как правило, находятся в антисмысловой ориентации относительно направления транскрипции этого гена. Таким образом, промоторы МГЭ могут управлять транскрипцией РНК, комплементарной участкам мРНК соответствующего гена. Получившаяся антисмысловая РНК, комплементарно связываясь с мРНК, может подавлять ее сплайсинг и трансляцию.
Что отличает нас от животных? Поэт, романтик и философ скажут, что человека от животных отличает наличие души. Специалист в области высшей нервной деятельности вслед за Павловым заметит, что только у человека есть вторая сигнальная система. Нейробиолог добавит, рассказав нам много об особенностях строения мозга человека: и про увеличение ассоциативных полей неокортекса, и про увеличение височных долей, про центры речи и про многое другое. Антрополог, изучающий кости ископаемых предков Homo sapiens, обязательно скажет, что только у нас есть подбородочный выступ в черепе, нет надбровных дуг, несоразмерно большой мозговой отдел черепа и т.д. (Существует даже красивая теория, что одно из отличий человека от животных – это умение смеяться и плакать.) И все они будут правы. Выходит, искать отличия человека от животных можно в самых разных областях науки, да и жизни вообще. Однако, поскольку все признаки организма определяются его геномом, все эти отличия можно свести к отличиям в геноме. И поиск генетической основы, ответственной за очевидные различия в фенотипах человека и животных, особенно, его ближайших родственников, представляется одной из интереснейших задач современной биологии. Показано, что значительный вклад в структуру и функционирование генома, и, соответственно, в его видоспецифичность, вносят мобильные генетические элементы (МГЭ).
В обсуждаемой статье, посвященной роли МГЭ в функционировании генома человека, К. К. Баскаев и А. А. Буздин из Института биоорганической химии им. акад. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН приводят краткий обзор основных генетических отличий человека от его ближайших нынеживущих родственников – шимпанзе, представленных в настоящее время двумя видами: обыкновенный шимпанзе (Pan troglodytes) и карликовый шимпанзе, или бонобо (P. paniscus). Авторы выделяют четыре основные группы генетических различий человека от шимпанзе.
1. Различная хромосомная организация, включающая утраты частей хромосом (делеции), различные вставки (инсерции), удвоения частей хромосом (дупликации) и обмен участками между негомологичными хромосомами (транслокации). Таких хромосомные перестройки происходят сравнительно часто, они имели место и на филогенетической линии, ведущей к человеку, и на линии шимпанзе. Посчитано, что инсерции и делеции, по которым человек отличается от шимпанзе, включают около 150 млн. п.о. Гораздо реже происходят более крупномасштабные события, такие как изменения числа хромосом. На человеческой линии произошло объединение двух предковых хромосом с образованием человеческой 2 хромосомы. У шимпанзе эта хромосома соответствует 12 и 13 хромосомам. Еще одно существенное отличие – перестройки в теломерных и центромерных областях, а так же в некоторых участках Y-хромосомы
2. Вариации в числе копий, положении в геноме и активности общих для человека и шимпанзе последовательностей.
3. Различия в белоккодирующих регионах, результатом которых являются различия в первичной структуре некоторых белков.
4. Видоспецифичные инсерции МГЭ.
Различия между ДНК человека и шимпанзе составляют в среднем около 1,24% и всего примерно 0,5% в белоккодирующих участках. Это значит, что если из всего генома человека наугад выбрать 100 нуклеотидов, то из них, скорее всего, только 1,24 будут не такими, как у шимпанзе. Тем не менее, никто не спутает человека с шимпанзе. Дело в том, что геном организован так, что один маленький эффект – экспрессия белоккодирующего гена - регулируется сложнейшей огромной сетью регуляторных генов. И маленькое изменение в этой пирамиде может радикальным образом увеличить или уменьшить экспрессию какого-то белка.
Особое внимание в обзоре было уделено анализу вклада специфических для человека МГЭ в структуру и функционирование генома человека.
Напомню о принципе строения, функционирования и вкладе МГЭ в геном. Тем, кто все это знает, следующие три абзаца можно пропустить. МГЭ – это фрагмент двунитевой молекулы ДНК, часть генома организма-хозяина, способная к самовоспроизведению, независимо от воспроизведения остального генома.
Рис. 2. МГЭ состоит из центральной части, фланкированной инвертированным повторами. Рисунок из лекций Зинченко В. В. по молекулярной генетики.
Попросту говоря, МГЭ могут перемещаться по геному, встраиваясь в определенные сайты встраивания молекул ДНК-мишеней и обеспечивая тем самым рекомбинацию между ДНК мобильного элемента и ДНК-мишенью. Элементарный МГЭ, или IS-элемент (от Insertion sequence, инсерционная последовательность) состоит из центральной части и концевых инвертированных повторов (рис. 2). Центральная часть кодирует белок транспозазу – ключевой белок транспозиции.
У эукариот, помимо описанных выше IS-элементов, существует два класса транспозонов: транспозоны I класса, присущие только эукариотам, и транспозоны II класса, общие для прокариот и эукариот. Транспозоны II класса, или ДНК-транспозоны, отличаются от описанных IS-элементов лишь тем, что они включает не только ген транспозазы, но и другие, посторонние, гены. Бывают составные ДНК-транспозоны и несоставные, или комплексные, ДНК-транспозоны. Составные ДНК-транспозоны представляют собой два идентичных типичных IS-элемента, окружающих центральную часть, содержащую посторонние гены, и вся эта конструкция вырезается, переносится и вшивается как единое целое. Комплексные ДНК-транспозоны по сути являются IS-элементами, отличие от типичных IS-элементов в том, что у этих транспозонов в центральной части присутствуют посторонние гены. Транспозоны II класса, или ретротранспозоны, присущи только эукариотам. И это, наряду с эндогенными ретровирусами (см. ниже), единственный способный к транспозиции класс МГЭ, найденный у млекопитающих и человека. МГЭ других классов утратили способность автономно воспроизводиться и перемещаться по геному из-за накопившихся мутаций. Главное отличие ретротранспозонов от ДНК-транспозонов в том, что их цикл репродукции включает стадию промежуточной молекулы РНК и стадию обратной транскрипции. Соответственно, в составе ретротранспозонов, как правило, имеется участок, кодирующий обратную транскриптазу, или ревертазу. На ретротранспозоны очень похожи т.н. эндогенные ретровирусы эукариот – ретровирусы, прочно интегрированные в геном клетки-хозяина и утратившие способность к образованию вирионов. Т.е. эндогенные ретровирусы можно рассматривать как МГЭ, имеющие вирусное происхождение, но на настоящей стадии являющиеся в большей степени частью организма-хозяина, чем частью вирусного паразита.
Результатом вставок МГЭ является отключение генов в результате непосредственной вставки МГЭ в их белоккодирующие части и изменение их активности в результате вставки МГЭ в регуляторные участки. Так, например, у человека не работает ген CMP, кодирующий фермент гидроксилазу сиаловой кислоты. Это фермент превращает N-ацетилнейраминовую кислоту в N-гликолилнейраминовую кислоту, которую человек, в отличие от шимпанзе, синтезировать не умеет. Причина отключения гена – вставка в его белоккодирующую часть специфического для человека ретротранспозона из семейства Alu. Другой результат транспозиции – это рекомбинация генома (рис. 4).
Рис. 4. Рекомбинация в результате вставки МГЭ. Слева направо: делеция, инверсия в результате внутримолекулярной рекомбинации; делеция + дупликация в результате рекомбинации между МГЭ гомологичных хромосом. Рисунок можно увеличить нажатием. Рисунок из лекций Зинченко В. В. по молекулярной генетики.
1. МГЭ – субстраты рекомбинации. Основные механизмы МГЭ-зависимой рекомбинации приведены на рис. 4.
2. МГЭ – энхансеры транскрипции. Действительно, известно много случаев, когда МГЭ увеличивает уровень экспрессии гена. Так, например, ретроэлемент семейства Alu является частью энхансерной области (т.е. области, повышающей активность) человеческого гена CD8.
3. МГЭ – транскрипционные промоторы. Оказывается, около 25% человеческих промоторов [0] (сайтов связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы) содержат в своей последовательности ретроэлементы.
4. МГЭ – поставщики альтернативных сайтов сплайсинга. Здесь ключевая роль принадлежит ретротранспозонам Alu. По краям белоккодирующего участка гена всегда есть нетранслируемые участки, в которых присутствие Alu может оказывать существенное влияние на то, что происходит с мРНК после транскрипции. Механизмы этого влияния могут быть разными: влияние на трансляцию, стабильность мРНК и альтернативный сплайсинг. Т.е. МГЭ могут влиять на продукт гена уже после его транскрипции. Примером такого влияния может служить специфическая для человека вставка Alu в ген, связанный с врождённой мышечной дистрофией.
5. МГЭ – доноры сигнала полиаденилирования. Напомню, что полиаденилирование – один из важных этапов созревания мРНК перед трансляцией, состоящий в присоединении 100-200 остатков аденина к определенной сигнальной последовательности – сигналу полиаденилирования. МГЭ человека кодируют свои гены, и эти гены имеют свои сигналы полиаденилирования. Значит, включение МГЭ в гены человека создает альтернативные сайты полиаденилирования.
6. МГЭ – антисмысловые регуляторы транскрипции . Антисмысловые РНК – это РНК, комплементарные мРНК. Показано, что МГЭ, присутствующие в интронах генов, как правило, находятся в антисмысловой ориентации относительно направления транскрипции этого гена. Таким образом, промоторы МГЭ могут управлять транскрипцией РНК, комплементарной участкам мРНК соответствующего гена. Получившаяся антисмысловая РНК, комплементарно связываясь с мРНК, может подавлять ее сплайсинг и трансляцию.
Читайте также: