Участки днк способные к перемещению и размножению в пределах генома называются

Добавил пользователь Skiper
Обновлено: 19.09.2024

Мобильные генетические элементы — последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома.

Свойства мобильных генетиче­ских элементов. Мобильные генети­ческие элементы обнаружены у са­мых разных организмов: у бактерий, дрожжей, растений и животных. Мо­бильные генетические элементы, вы­деляемые у разных видов, существен­но отличаются по длине нуклеотидной последовательности и, следова­тельно, свойствам. У дрозофилы, хо­рошо изученной в этом отношении, описано около десяти типов мобиль­ных элементов, одни из которых по­хожи друг на друга, иные резко отли­чаются. Количество копий, содержа­щихся в одном геноме, колеблется для разных мобильных элементов от К) до 1000. Длина нуклеотидной последовательности мобильных эле­ментов варьирует в широких преде­лах, от 1 тыс. до 10 тыс. пар нуклеотидов. Наличие на концах длинных концевых повторов — ти­пичная черта строения мобильных элементов.

ЭВОЛЮЦИОННАЯ РОЛЬ: 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, какцентромерыителомеры ] . Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, меняя узоры (паттерны)сплайсингаи полиаденилирования или выполняя функцииэнхансеровилипромоторов. Транспозоны могут влиять на структуру и функции генов путём выключения и изменения функций, изменения структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и измененияэпигенетическогоконтроля 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. На стресс транспозоны активируются или прямо, или путём снижения их подавления белками-аргонавтами ипиРНК. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленныеабиотические и биотические факторы, среди которыхсолёность, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции.


Обзор

ДНК не то, чем кажется. И то, чем кажется, тоже. Но не всегда.

иллюстрация автора статьи

Автор
Редакторы


Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Место ДНК в клетке и обществе

Всё это радует и служит популяризации науки, однако не стоит забывать что в жизни — в биологической жизни — ДНК — это, чаще всего, правозакрученная двойная спираль, шаг которой охватывает примерно 10 нуклеотидов.

В тени молекулярной догмы

  • реплицироваться в новую копию ДНК;
  • транскрибироваться в РНК.

И уже РНК далее способна (хотя и не обязательно — может просто функционировать в клетке сама по себе):

или в особом, описанном позже, случае

Рисунок 2. Центральная догма молекулярной биологии

Что же осталось в тени процессов, объединенных информационными потоками центральной догмы? Что бы это ни было, ему есть где развернутся. На некодирующие области приходится большая часть эукариотических геномов (в случае человека — увесистые 98%). У прокариот их поменьше — в среднем, 20%. По началу такие области, не содержащие послание для передачи в РНК, называли мусорной ДНК (junk DNA) [1] и относились к ним с пренебрежением. Прошли годы, методики совершенствовались, знания неуклонно копились. И теперь мы знаем: в этом сумраке таится много полезного. Что же именно и в какой пропорции?

В некодирующей области ДНК есть, скажем, мобильные генетические элементы (прежде всего, способные перемещаться по геному транспозоны [2]), тандемные повторы разного сорта (от сателлитов до микросателлитов) [3] и прочее. Наконец, огромное значение имеют области ДНК, нужные для регуляции. Действительно, помимо блоков, ЦДМБ имеет еще и стрелки — они обозначают процессы передачи информации, вполне конкретные биохимические процессы.

Что регулирует эти сложные процессы, что управляет ими? Специфичное, хорошо оркестрованное взаимодействие ДНК и ДНК-связывающих белков. Дело в том, что в живой клетке (ткани, природе. ) все должно быть динамично и управляемо. Это жизненно необходимо и для разумного реагирования на удары судьбы (стрессы), и для разного рода взаимодействий клеток, и для индивидуального развития (онтогенеза).

Притча о слепых белках и ДНК

Безусловно, ДНК далеко до структурного разнообразия белков с их неисчислимыми фолдами, укладками и т.п. Однако и у нее можно выделить иерархию уровней организации: от первичной (последовательность нуклеотидов) через небольшое разнообразие вторичных и третичных структурных блоков до четвертичной. Последняя представляет собой надмолекулярные объединения — как между разными молекулами ДНК, так и между ДНК и ДНК-связывающими белками.

  • триплетность;
  • неперекрываемость;
  • вырожденность;
  • универсальность;
  • наличие кодонов — знаков препинания;

и некоторыми другими.

Все эти законы не действуют на некодирующей части генома. А действуют совсем другие и для каждого типа последовательности они, в общем, свои.

Таковы принципы кодирования и хранения генетической информации, изображенные в виде блоков ЦДМБ. А как насчет способов ее воплощения, то есть перевода информации одного биополимера в другой, а также всех последующих этапов экспрессии генов? Что стоит за стрелками на схеме догмы, соединяющей квадраты? Большая биохимическая работа и сложные структурные основы. Эти процессы протекают во вполне физической реальности — на них согласованно работают многие ферменты, факторы. Вовлечены в эту 3D-хореографию и специализированные области ДНК. Что же делает их такими специализированными?

В первом приближении — им следует связывать белковые молекулы. Для этого служат опять-таки разные уровни организации регуляторных ДНК: особая последовательность, структура и физико-химические свойства.

Рисунок 3. Сайт специфичного и точного связывания важной рестриктазы EcoRI и место разреза — расщепления ДНК

рисунок автора статьи

Рисунок 4. Сайт связывания фактора транскрипции CEBPB

видят ДНК совершенно по-разному.

Пo мере того, как ученые вникали в интимные стороны взаимодействий ДНК и ДНК-связывающих белков, они стали различать прямое (direct) и непрямое прочтения (indirect readout) нуклеотидной последовательности. В случае прямого прочтения распознавание и связывание двух биомолекул определяется теми парами оснований, которые, собственно, контактируют с белком. Здесь все понятно. Но уже довольно давно биологи стали отмечать: не вовлеченные в прямые взаимодействия нуклеотиды определяют стабильность и специфичность связывания. В этом и состоит непрямое прочтение.

В числе первых этот аспект распознавания описан на примере такого важного фактора транскррипции, как TATA-связывающий белок (TATA-binding protein, TBP). После этого последовало множество других примеров непрямого прочтения [6].

Но и этого мало: выделили также прочтение формы (shape readout) — оно определяется трехмерной формой дуплекса ДНК. В основе этого нового видения той же ДНК — вандерваальсовы и электростатические взаимодействия. Напомним, что прямое прочтение ДНК белком зависит от водородных связей, образованных конкретными нуклеотидами и аминокислотными остатками [7].

Следующий пункт. Важность великого множества одних только физико-химических и структурных свойств (не забывая и первичную структуру!) связано с тем, что, скажем, транскрипция — процесс многостадийный, и на разных этапах одни параметры ДНК могут быть важнее других. Даже инициация транскрипции насчитывает несколько этапов: посадка белков, образование закрытого комплекса, плавление дуплекса (то есть расхождение цепей) с образованием открытого комплекса и т.д. Кстати, именно инициация транскрипции — в особенности на примере прокариотических промоторов и простых РНК-полимераз, — служит элементарной системой для изучения всей сложной кухни молекулярного узнавания [8], [9].

Рисунок 5. Бактериофаг Т7 — срез через вирион (слева) и общий вид

Биография Т7 от начала до конца. До 3′-конца

Далее включается область генов II класса и соответствующих промоторов. Их задача — активная наработка ДНК бактериофага (ее репликация), а также синтез лизоцима — антибактериального фермента, с помощью которого потомкам бактериофага предстоит выбраться из гибнущей клетки. Стандартный сценарий для такого литического фага, как Т7.

Наконец, область генов и промоторов III класса. Их задача — обеспечить созревание фаговой ДНК, сборку новых вирусных частиц и затем упаковать одно в другое.

На этом жизненный цикл Т7 заканчивается литической и трагической концовкой. Весь экшн занимает обычно 17 мин, по минутам же расписано переключение между его фазами [13], [14]. Но остается довольно животрепещущий вопрос: что переключает активность областей этого элементарного генома?

Промоторы — промотируют, полимераза — полимеразит

Рисунок 7. Едва различимые последовательности очень непохожих по своим свойствам нативных промоторов бактериофага T7

Здесь на сцену выходят физико-химические свойства дуплекса промоторных областей. Они могут объяснить, как РНК-полимераза Т7 распознает их и специфично, и переключаемо. Для этого процесса молекулярного узнавания важнее именно уровень физико-химических свойств ДНК — что особенно явственно в случае предельно простой транскрипционной системы Т7 [14].

Какими же параметрами ДНК могут направляться взаимодействия биомолекул?

Задолго до прямого контакта молекулярному узнаванию промотора и полимеразы может способствовать электростатический потенциал. Действительно, если мы вспомним, что каждый ее мономер-нуклеотид имеет заряженную отрицательно фосфатную группу, станет понятно — на ДНК есть к чему притянутся положительному заряду. В полном соответствии со школьным законом Кулона. Действительно, ДНК-связывающие белки с этой целью снабжены положительно заряженными участками. В случае же промоторов Т7 присутствуют и особые мотивы распределения заряда [15]. Если мы рассчитаем значение заряда вдоль оси ДНК (на основе известной последовательности нуклеотидов), то получим характерные профили (рис. 8). Заметим, что свой профиль есть и у промоторов II и III класса — по ним, в частности, фаговая РНК-полимераза их и различает.

Рисунок 8. Профили электростатического потенциала для промоторов Т7: ранних, II класса и III класса

Следующее важное свойство ДНК — дестабилизация при скручивании. Сложно подобрать простое название этому параметру, так что приведем какое есть: вызванная суперспирализацией дестабилизации дуплекса ДНК (Stress-Induced Duplex Destabilization). Если коротко, модель SIDD — это способ описать, что будет с ДНК, если на нее как следует надавить, а точнее — скрутить. Дело в том, что одни последовательности в такой напряженной ситуации могут легко расплавиться (так называют расхождение цепей ДНК), другие — выстоят, третьи — плавятся совсем не там, где от них ждешь. Это свойство важно для взаимодействия ДНК с белками и, в частности, хорошо зарекомендовало себя для предсказания промоторов [9]. Как же обстоят дела с SIDD у промоторов Т7?

Рисунок 9. Профиль SIDD для генома Т7

рисунок автора статьи

Из набора промоторов Т7 SIDD показывает следующий тренд. Если промотор представляет класс III, то он гораздо более легкоплавкий — цепи дуплекса такого участка ДНК расходятся при меньшей температуре и более низкой суперспирализации. Это неплохо соотносится с экспериментальными данными о том, что промоторы разных классов активны при разных условиях окружающей среды — включая как раз таки показатель суперспиральности [4], [9].

Другая закономерность затрагивает репликацию, для которой Т7-ДНК также является хорошей моделью. Этот геном имеет специализированный ориджин (точку начала репликации), отдаленный от 5′-конца на 17% длины генома. Однако его копирование может начинаться также в ряде других точек — и это как раз таки некоторые промоторы. Удивительно, но именно они относятся к числу дестабилизированных. Удивительно и осмысленно, поскольку репликация также может требовать особых физико-химических свойств дуплекса. В частности, легкость плавление дуплекса ДНК здесь точно не помешает [5].

Исчерпывающие мутанты

Сложный характер зависимости промоторной активности от физико-химических свойств ДНК и от нуклеотидной последовательности требует полных или по меньшей мере больших данных. Вот если бы получить все или почти все возможные варианты промотора Т7 и узнать, насколько они активны. А ведь в постгеномную эпоху и век дешевых NGS это как раз таки реализуемо! И уже проделано в отношении промотора Т7. В работе [17] использована высокопроизводительная методология: в небольшие фрагменты ДНК встроили почти 8 тысяч случайным образом измененных последовательностей промотора фага Т7, а также последовательности-метки (баркоды) — чтобы потом разобрать, кто есть кто. Далее напрямую замерили их промоторную активность. Имея в распоряжении полные последовательности (промотор + небольшой контекст), нетрудно и рассчитать те физико-химические параметры дуплекса, которые не требуют значительных участков ДНК на входе (SIDD здесь, к сожалению, отпадает — ведь для расчета этого параметра дуплекса нужны очень крупные фрагменты ДНК).

Что показала данная работа и последующий анализ данных о последовательности, физико-химии и величине промоторной активности? Прежде всего, она подтвердила многие выводы о важности отдельных нуклеотидов в конкретных положениях и согласованности таких замен. Нетривиальный результат: ранее для этого ученые не одно десятилетие скрупулезно изучали геном T7 с помощью доступных тогда методов. И теперь мы знаем, что высокопроизводительный, основанный на NGS подход — хороший способ разобраться в устройстве других промоторов и вообще вовлеченных в регуляцию областей ДНК. В том числе в новых, не исследованных геномах, которые нам поставляют бесчисленные секвенаторы.

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.


Изображение культуры клеток HeLa, которые использовались в исследованиях.

Генетики из университета Юты обнаружили, что многие из участков ДНК, которые регулируют активность генов, участвующих во врожденном иммунитете, являются эндогенными ретровирусами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Ученые использовали несколько линий клеток человека, в том числе клеток HeLa, полученных в 1951 году из раковой опухоли Генриетты Лакс. Клетки обрабатывали гамма-интерфероном, который активирует регуляторные белки. Те, в свою очередь, связываются с определенным участком ДНК — энхансером — и увеличивают активность генов, участвующих в иммунной реакции.

Энхансер может находиться внутри транспозона — участка ДНК, который способен к передвижению и размножению в пределах генома. При этом некоторые транспозоны относятся к эндогенными ретровирусам. С помощью метода ChIP-секвенирования, который позволяет определить место связывания белка с ДНК, ученые смогли понять, какие транспозоны связываются с белками, активированными интерфероном.

Генетики определили 27 семейств транспозонов, которые могут нести в своей последовательности сайты посадки для регуляторных белков. При этом 20 из них происходили от эндогенных ретровирусов. Например, семейство MER41 — вирусы, которые относятся к роду гаммаретровирусов, появились в геноме предков человека 45-60 миллионов лет назад и стали причиной появления более семи тысяч транспозонов. MER41 включает в себя несколько подсемейств и является источником около тысячи участков связывания таких регуляторных белков, как STAT1 и IRF1.

Еще один эндогенный ретровирус — MER41.AIM2 — располагается рядом с геном AIM2, который кодирует белок, распознающий чужеродную ДНК и активирующий воспалительную реакцию. Ученые также обнаружили в нем сайт посадки STAT1. С помощью системы CRISPR-Cas9, которая позволяет редактировать ДНК, генетики удалили MER41.AIM2, в результате чего ген AIM2 перестал быть активным.

Геномный анализ позволил определить, что гаммаретровирусы встречаются также у лемурообразных, летучих мышей, хищников и парнокопытных. Это свидетельствует о том, что на эволюцию врожденного иммунитета могли независимо повлиять различные эндоретровирусы. Чтобы проверить эту догадку, ученые изучили последовательность эндоретровируса RLTR30B. Этот генный элемент встречается только у мышей, у которых в геноме отсутствует семейство MER41. В RLTR30B также обнаружились сайты посадки STAT1.

Эндогенные ретровирусы также могли привести к появлению плаценты. Как показали исследования, Ген Peg10, который необходим для нормального развития плаценты, похож по своей структуре на ретротранспозон Sushi-ichi.

Читайте также: