Роль мобильных элементов в геноме эукариот - Мобильные генетические элементы эукариот: транспозоны и ретротранспозоны

Присутствие мобильных элементов в геноме является необходимым для генерирования генетического разнообразия посредством гомологической рекомбинации в неаллельных локусах, возникновения хромосомных пере-строек и изменения экспрессии генов путем инсерций в их регуляторные последовательности или путем разрушения генов посредством инсерций в их кодирующие последовательности. ДНК транспозоны способны вызывать нестабильные мутации благодаря процессу вырезания и вставки своих нуклеотидных последовательностей в новые сайты.

Мобильные элементы как относительно автономные последовательности ДНК со своими собственными генами, обеспечивающими транспозицию, могут размножаться в видовом геноме, одновременно увеличивая при этом груз вредных мутаций, которые снижают его среднюю приспособленность. Передвижение транспозонов может вызвать ряд цитогенетических эффектов, включая разрывы хромосом и инверсии.

Ранние наблюдения МакКлинток и других исследователей показали, что транспозоны могут содействовать переносу генов не только в рамках видового генома, но также могут облегчать и горизонтальный перенос генов между разными видовыми геномами.

Многочисленные мобильные элементы, встроенные в видовые геномы, играют свою роль в горизонтальном переносе ДНК как внутри отдельного вида, так и между видовыми геномами. Этот процесс сопровождает и дополняет процесс вертикальной передачи видовых геномов из одного поколения в другое и вносит свой вклад в реорганизацию геномов и изменение их размеров в ходе колонизации и эволюции. Существуют также механизмы, которые ограничивают подвижность мобильных элементов и их накопление в видовых геномах, способствуя таким образом сохранению организации генома и его приспособленности [3].

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, содержащих ДКП. 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 [2].

Ретротранспозоны выступают как компоненты генома, спасающие хромосому от укорачивания. При воспроизведении ДНК перед клеточным делением синтез ДНК начинается с образования затравки РНК, поскольку фермент ДНК-полимераза способен только добавлять дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу полинуклеотидной цепи, но неспособен начинать синтез цепи ДНК. Затравка затем удаляется, и бреши застраиваются. Однако на одном из концов реплицирующихся молекул останется брешь, которую не удается заделать с помощью ДНК-полимеразы, работающей в 5'-3' направлении. Возникает опасность, что одиноко выступающий однонитевый конец ДНК будет уничтожен каким-либо ферментом, в результате чего молекула укоротится с конца. Если не принять соответствующих мер, то при каждом акте репликации ДНК хромосома будет укорачиваться с концов. В конечном итоге могут быть утрачены важные гены и клетка погибнет. В качестве спасателей в ряде случаев выступают ретротранспозоны, относящиеся к семействам, без длинных концевых повторов. Ретротранспозоны перемещаются, образуя повторяющуюся структуру, в которой элементы соединены друг с другом по типу "голова к хвосту". Таким образом, если эти ретротранспозоны и существовали когда-то как элементы-паразиты, то впоследствии геном хозяина приспособил их для выполнения столь важной функции, как сохранение концевых участков хромосом. Эти ретротранспозоны стали уже не эгоистами, а бесценными помощниками, спасающими хромосому от потери генов [2].

Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания. 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 ДДП-1 мобильных элементов 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[10,11].

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 [3].

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 ученые. Транспозоны используются для мутагенеза и для определения регуляторных элементов генома в лабораториях. Наиболее изученные транспозоны с успехом используют в качестве молекулярных векторов (молекула нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК, используемая в генетической инженерии для передачи генетического материала другой клетке) [1, 9].

Кроме использования транспозонов в генной инженерии, изучение активности транспозонов является методом филогенетики. Путем 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[8].

Похожие статьи




Роль мобильных элементов в геноме эукариот - Мобильные генетические элементы эукариот: транспозоны и ретротранспозоны

Предыдущая | Следующая