Участки днк способные к перемещению и размножению в пределах генома называются

Обновлено: 05.10.2024

Мо́бильные элеме́нты гено́ма - последовательности ДНК, способные перемещаться внутри генома живых организмов. Существует несколько классов мобильных элементов генома, отличающихся по строению и способу перемещения:

Профаги - латентная форма умеренных бактериофагов, например, транспозонподобного фага Mu (мю) - эписомы, например, половой факторкишечной палочки (F-плазмида)

Хотя мобильные элементы в целом являются "генетическими паразитами", вызывая мутации в генетическом материале организма хозяина и понижая его приспособленность за счёт траты энергии на репликацию и синтез белков паразита, они являются важным механизмом изменчивости и обмена генетическим материалом между организмами одного вида и разными видами.

Литература

Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984. 472 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Мобильные элементы генома" в других словарях:

Мобильные генетические элементы — (МГЭ, англ. Mobile genetic elements, MGE) последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Существует несколько классов мобильных элементов генома, отличающихся по строению и способу перемещения: Транспозоны, например … Википедия

МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ — (подвижные генетические элементы) фрагменты ДНК, способные к перемещению в геноме клетки или между геномами. Содержат гены ферментов, необходимых для их перемещения (транспозиции). Встраиваясь в различные участки хромосом, мобильные генетические… … Большой Энциклопедический словарь

мобильные генетические элементы — (подвижные генетические элементы), фрагменты ДНК, способные к перемещению в геноме клетки или между геномами. Содержат гены ферментов, необходимых для их перемещения (транспозиции). Встраиваясь в различные участки хромосом, мобильные генетические … Энциклопедический словарь

МИГРИРУЮЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ — (мобильные гены, прыгающие гены), дискретные фрагменты (сегменты) ДНК, способные встраиваться в разные участки генома; их расположение на хромосомах может меняться как в процессе историч. развития мира организмов, так и в пределах жизни одного… … Химическая энциклопедия

Список генетических терминов — Эта страница глоссарий. См. также: Список генетических пороков развития и заболеваний Термины генетики в алфавитном поряд … Википедия

Дезоксирибонуклеиновая кислота — Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) макромолекула(одна из трех основных, две другие РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования… … Википедия

ДНК — Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная… … Википедия

Двойная спираль — ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в… … Википедия

Модель Уотсона — Крика — Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная… … Википедия

МОБИ́ЛЬНЫЕ ГЕНЕТИ́ЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕ́Н ТЫ (МГЭ, транспозоны), дискретные нуклеотидные фрагменты ДНК с непостоянной локализацией в хромосоме; способны к транспозиции – перемещению из одного участка хромосомы (донорного) в другой (реципиентный). МГЭ присутствуют в геномах всех организмов; их размеры варьируют от нескольких сотен до нескольких тысяч пар нуклеотидов (п. н.). Они могут быть рассеяны по хромосомам или же группироваться в отдельных (гетерохроматиновых) участках хромосом. Для одних МГЭ выбор места перемещения может быть достаточно случаен, для других – ограничен определёнными нуклеотидными последовательностями ДНК в реципиентном сайте.

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. 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.

История открытия

Барбара Макклинток 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. Идентифицируют случаи использования транспозонов организмами. Например, РНК ретротранспозона ДДП-1 участвует в образовании гетерохроматина во время инактивации X-хромосомы. Плодовая муха не имеет теломеразы, а вместо этого использует обратную транскриптазу ретротранспозонов для продления теломерных участков, которые у Drosophila melanogaster представлены повторами транспозонов.

Типы транспозонов и механизмы их передвижения

Мобильные генетические элементы относятся к повторяющимся элементам генома — тем, которые имеют 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 и т. д.).

Транспозоны также можно разделить по степени автономности. Как ДНК-транспозоны, так и ретротранспозоны имеют автономные и неавтономные элементы. Неавтономные элементы для транспозиции нуждаются в ферментах, которые кодируются автономными элементами, которые часто содержат значительно изменённые участки транспозонов и дополнительные последовательности. Количество неавтономных транспозонов в геноме может значительно превышать количество автономных.

ДНК-транспозоны

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

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

Гелитроны могут захватывать соседние последовательности при транспозиции.

Ретротранспозоны

Активные ретротранспозоны млекопитающих делятся на три основные семьи: Alu-повторы, ДДП-1, SVA.

ДДП-1-ретротранспозоны — длинные диспергированные повторы — тип ретротранспозонов, который широко распространён у млекопитающих и составляет до 20 % генома. ДДП-1 -элементы имеют длину около 6 тысяч пар оснований. Большинство этих ретротранспозонов в геноме представлено неполно, хотя существует примерно 150 полных и потенциально мобильных ДДП-1-элементов в последовательности ДНК человека и примерно 3000 — у мыши.
Процесс передвижения начинается со считывания молекулы РНК с элемента ДДП-1. РНК транспортируется к цитоплазме, где от неё транслируются белки БОРС1 (который является РНК-связывающим белком) и БОРС2 (который является белком с эндонуклеазной и возвратно-транскриптазной активностями). БОРС1, БОРС2 и РНК транспозона формируют рибонуклеопротеин и импортируются в ядро, где происходит обратная транскрипция ретротранспозона.
Большинство случаев вставки ДДП-1-элементов происходит не до конца, и такие копии больше не способны к самостоятельной мобилизации.
Существуют сведения о неканонических функциях ДДП-1-элементов во время инактивации X-хромосомы.
ДКП — длинные концевые повторы — ретротранспозоны, имеющие конечные повторяющиеся последовательности, которые играют важную роль в транскрипции и обратной транскрипции РНК транспозона. ДКП-элементы кодируют белки pol и gag, которые близки к белкам ретровирусов, но, в отличие от последних, ДКП не хватает белков, которые смогли бы сформировать внешнюю оболочку (суперкапсид) и выйти из клетки.
КДП — короткие диспергированные повторы являются неавтономными ретротранспозонами: они требуют активности ДДП-1-элементов для передвижения, в ДНК-последовательности КДП содержат только участок связывания РНК-полимеразы. В число КДП входят Alu-ретротранспозоны.

Alu-повтор (Alu от Arthrobacter luteus) — широко распространённые мобильные элементы в геноме человека. Alu-элементы имеют длину около 300 пар оснований и часто расположены в интронах, участках генома, которые не транслируются, и межгенных участках. Приставку Alu- ретротранспозоны получили за то, что они содержат последовательность распознавания рестрикционного энзима AluI. Анализ последовательностей показал, что Alu-элементы возникли у приматов примерно 65 миллионов лет назад от гена 7SL РНК, который входит в рибосомный комплекс. Alu-ретротранспозоны не имеют собственной обратной транскриптазы, поэтому для передвижения им необходимые ферменты ДДП-1-элементов.
Alu-элементы являются участками, где происходит до 90 % всех случаев A-I редактирования РНК.
SVA — мобильные элементы длиной в 2-3 тысячи пар оснований ДНК, состоящие из нескольких частей: коротких разбросанных элементов (КДП), вариабельного числа тандемных повторов (ВЧТП), Alu-последовательностиі и CT-повтора, с последовательностью CCCTCT, которая встречается чаще всего и имеет название гексамер (Hex). SVA элементы значительно варьируют в длину из-за разного количества составляющих повторов. Они не являются автономными и нуждаются в белках, закодированных в ДДП1 ретротранспозонах для передвижения, но они активны в геноме человека. SVA-элементы претерпевают высокий уровень метилирования ДНК в большинстве тканей человека. Интересным фактом является заниженное метилирование ДНК SVA-ретротранспозонов в мужских половых клетках человека, тогда как у шимпанзе SVA-последовательности сперматозоидов высоко метилированы.

Механизмы блокировки транспозонов

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

Основная роль малых некодирующих РНК, которые взаимодействуют с пиви-комплексом, или пиРНК, заключается в подавлении мобильных элементов генома в зародышевых тканях. Эта роль пиРНК достаточно высоко консервативна у животных.

У мышей мобильные элементы генома на протяжении онтогенеза находятся преимущественно в неактивном состоянии, которое достигается путём эпигенетических взаимодействий и активности некодирующих РНК. В период эмбрионального развития эпигенетическая метка метилирования ДНК подвергается репрограммированию: родительские метки стираются, а новые устанавливаются. В этот период часть белков-аргонавтов — пиви-белки (Mili и Miwi2) — и некодирующие РНК, которые с ними взаимодействуют — пиРНК — играют ключевую роль в de novo подавлении ретротранспозонов мышей путём метилирования ДНК, и пинг-понг цикла пиРНК амплификации, и подавления мишени. Если у мышей возникает недостаток белков Mili и Miwi2, это приводит к активации ДДП-1 и ДКП и остановке гаметогенеза и стерильности у самцов. Недавние работы показали, что у мухи Drosophila melanogaster активным кофактором в подавлении является белок СФГ-1.

Механизм пиРНК-индуцированного подавления транспозонов окончательно не выяснен, но схематически его можно представить такой моделью:

первичное накопление одноцепочечных молекул РНК, пиРНК-прекурсоров;
созревание пиРНК и их амплификация с помощью пиви-белков (пинг-понг цикл);
подавление целевого транспозона, что может происходить несколькими путями: деградация РНК (с помощью РНКазной активности H-подобного домена белков-аргонавтов), подавление трансляции и привлечение хроматин-модифицирующих систем (таких, как SWI/SNF белки) и дальнейшее эпигенетическое подавление транспозона.

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

Также подавление растительных автономных ДНК-транспозонов MuDR может происходить с помощью Muk. Muk является вариантом MuDR и имеет в своей последовательности несколько палиндромных участков ДНК. Когда Muk транскрибируется, такая РНК формирует шпильку, затем 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 de novo внедрение мобильных генетических элементов. Alu-повторы часто вызывают хромосомные аберрации и являются причиной 50 разновидностей заболеваний. Так, у нейрофиброматоза I типа было найдено 18 случаев встроенных ретротранспозонов, 6 из которых происходят в 3 специфических местах. Активность мобильных элементов ДДП-1 в соматических тканях зафиксирована у пациентов с раком легких.

Если транспозиция, которая вызывает заболевания, происходит в гаметах, то следующие поколения наследуют болезни. Так, гемофилия может возникать из-за встраивания ретротранспозона ДДП-1 в участок ДНК, кодирующий ген VIII фактора свертывания крови. У мышей были зафиксированы случаи онкогенеза, остановки развития и стерильность в связи со 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 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. На стресс транспозоны активируются или прямо, или путём снижения их подавления белками-аргонавтами 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 солёность, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции.

Примеры эволюционной роли мобильных генетических элементов

Считается, что приобретённый иммунитет млекопитающих возник у челюстных рыб примерно 500 миллионов лет назад. Приобретённый иммунитет позволяет формировать антитела для многих видов патогенов, попадающих в организм млекопитающих, включая человека. Для формирования различных антител клетки иммунной системы изменяют последовательность ДНК путём 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 у них отличается от последовательности ДНК других клеток, хотя все они сформировались из одной клетки-предшественника — зиготы. Доказано, что у крыс специально вставленные ДДП-1-ретротранспозоны человека активны даже в зрелом возрасте. Также зафиксировано увеличение копий ДДП-1-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 повлечь синаптическую пластичность и большую вариабельность поведенческих реакций.

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

У растений очень большая скорость эволюции геномов, поэтому лучше всего известны те влияния мобильных элементов, которые возникли вследствие одомашнивания, поскольку оно произошло недавно, и эти изменения легко идентифицировать, поскольку известны черты, по которым велась селекция культурных растений. Примером может быть приобретение овальной формы римским помидором Solanum lycopersicum. Ген, который находится в локусе SUN, был перемещён путём ретротранспозиции в другой участок ДНК, где он регулируется другими промоторными последовательностями у овальных томатов.

Использование транспозонов

Генная инженерия

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

Наиболее известная система для введённого мутагенеза in vivo — P-мобильный элемент мухи D. melanogaster, с помощью которого можно изучать функции генов, налаживание хромосомных аберраций и т. п.

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

Филогенетика

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

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.

Читайте также: