Классификация подвижных генетических элементов, их структура и способы перемещения - Мобильные генетические элементы эукариот: транспозоны и ретротранспозоны

Различают два основных класса подвижных элементов: Транспозоны и Ретротранспозоны. Такая классификация основана на молекулярных механизмах, с помощью которых перемещаются подвижные элементы.

Транспозоны перемещаются с участием комплекса белков, обеспечивающего активность фермента транспозазы, которая "узнает" элемент и обеспечивает его перенос на новое место. Мобильные элементы обычно фланкированы короткими повторами генома хозяина, служащими целевой последовательностью для их интеграции, причем они часто оканчиваются инвертированными повторами. Инвертированные повторы - это последовательности, направленные навстречу друг другу. Они необходимы для перемещения элемента, которое осуществляется благодаря их сближению друг с другом и узнаванию транспозазами. Инвертированные повторы сближаются и точно отрезаются от соседних участков ДНК хозяина [2,3].

Успешному вырезанию элемента способствует дополнительная сверхспирализация двухнитевой спирали ДНК, обеспечивающая изгибы двойной спирали и сближение отдельных ее участков. Вырезанный транспозон внедряется в район вносимого транспозазой разрыва в молекуле-мишени и сшивается с ДНК хозяина в новом месте (см. рис. 1). Разрыв и зашивание осуществляются транспозазой и вспомогательными белками. Транспозаза может кодироваться как самим подвижным элементом, который будет перемещаться, так и другой копией элемента, локализованной в том же геноме в отдалении.

механизм перемещения днк-транспозона [4]

Рис.1. Механизм перемещения ДНК-транспозона [4]

Брешь в ДНК, оставляемая после вырезания транспозона, может залечиваться - застраиваться с участием гомологичного участка, например сестринской, только что редуплицированной молекулы ДНК[2].

Число ДНК транспозонов не увеличивается при транспозиции, но число их копий в видовом геноме обычно может достигать от нескольких штук до нескольких сот. Эти элементы кодируют один или несколько белков, достаточных для того, чтобы транспозиция осуществилась. Структура их концевых последовательностей является более сложной, чем у ретротранспозонов, поскольку содержит два типа последовательностей, действующих в Cis - положении, таких, как концевые инвертированные повторы (КИП) и субконцевые последовательности, которые совместно регулируют механизм вырезания-сшивания [1].

Другой большой класс подвижных элементов - это Ретротранспозоны, они не вырезаются из хромосомы, как это делают транспозоны. Механизм их перемещения основан на существовании открытой в 1970 году Г. Теминым и Д. Балтимором реакции обратной транскрипции - синтеза нити ДНК на РНК. Химическая реакция протекает так же, как при образовании нити комплементарной ДНК на ДНК-матрице при репликации двухнитевой молекулы ДНК. Ретротранспозоны используют РНК в качестве посредника (рис.1) [3,5].

tранспозиция в новый сайт генома хозяина двух типов мобильных элементов посредством вырезания и последующей интеграции участа днк

Рис.2. Tранспозиция в новый сайт генома хозяина двух типов мобильных элементов посредством вырезания и последующей интеграции участа ДНК (слева) и с помощью РНК-посредника, сопровождаемая обратной транскрипцией кДНК и ее вставкой в новый сайт генома (справа) [3]

Ретротранспозоны транскрибируются подобно другим последовательностям генома, и полученная РНК используется в качестве матрицы для синтеза кДНК с помощью фермента обратной траскриптазы, кодируемого ДНК транспозона [3]. Новосинтезированный ретротранспозон встраивается в другой участок генома.

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

ДДП-1 ретротранспозоны - длинные диспергированные повторы - тип ретротранспозонов, который широко распространен 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 [6].

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 [7].

Alu-Повтор (Alu от Arthrobacter luteus) -- широко распространенные 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 [8].

SVA - мобильные элементы длиной в 2-3 тысячи пар оснований ДНК, состоящие из нескольких частей. 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[6].

Ретротранспозоны широко распространены у эукариот, населяя геномы дрожжей, растений, насекомых и позвоночных, включая человека. Ретротранспозоны пока не обнаружены у прокариот. Тысячи различных семейств ретротранспозонов могут занимать до 70-85% ядерной ДНК растений и животных. Около 75% генома кукурузы представлено ретротранспозонами, главным образом ДКП типа. В то же время маленький геном дрожжей Saccharomices cerevisiae содержит только лишь пять семейств ДКП ретротранспозонов, занимающих лишь 3% их геномной ДНК. В геноме Arabidopsis обнаружено несколько сот семейств ДКП и без ДКП ретротранспозонов, которые составляют около 14% его ядерной ДНК. У млекопитающих число LINE и SINE может достигать сотни тысяч копий, составляя 35% величины их генома. В целом разнообразие и численность мобильных элементов в геномах растений выше, чем у представителей других царств. На рис.2. отображена представленность различных типов транспозонов в геноме человека [1,2,3,9].

представленность транспозонов в геноме человека [9]

Рис.3. Представленность транспозонов в геноме человека [9]

Похожие статьи




Классификация подвижных генетических элементов, их структура и способы перемещения - Мобильные генетические элементы эукариот: транспозоны и ретротранспозоны

Предыдущая | Следующая