ДНК-транспозоны. Мобильные генетические элементы. Значение для вирусов и эукариот

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНК - ТРАНСПОЗОНЫ. МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ВИРУСОВ И ЭУКАРИОТ

ВВЕДЕНИЕ

В 70-х годах в области молекулярной генетики были сделаны существенные открытия: оказалось, что отдельные фрагменты ДНК, имеющие специальную структурную организацию, могут перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они были названы подвижными элементами. Подвижные элементы включают примерно от тысячи до десятков тысяч нуклеотидных пар ДНК. Размеры подвижных элементов сопоставимы с сильно изменчивыми длинами настоящих генов, локализация которых в геноме стабильна. Почему эти фрагменты ДНК могут перемещаться в геноме? Как мы увидим, способность к перемещениям определяется особенностями их структуры и наличием белков-ферментов, обеспечивающих эти перемещения (транспозиции). Перемещения осуществляются либо путем вырезания элемента из одного места и встраивания его в другое, либо путем образования копии подвижного элемента, внедряющейся в новое место, тогда как родительская копия остается на прежнем месте. В последнем случае будет происходить размножение подвижных элементов, увеличение их числа в геноме. В некоторых случаях подвижный элемент, покидая хромосому, оставляет след своего былого присутствия, локально изменяя нуклеотидную последовательность ДНК. Открытие подвижных (мобильных) элементов показало, что последовательность нуклеотидов ДНК по длине хромосомы не неизменна, она может изменяться благодаря перемещению этих элементов. Оказалось, что подвижные элементы, встраиваясь в гены или окрестности генов, вызывают мутации. Так, например, у плодовой мушки дрозофилы подавляющая часть (более 80%) мутаций, возникающих спонтанно (то есть не вызванных облучением или химическими агентами), обусловлены внедрением подвижных элементов. Достаточно неожиданной оказалась способность подвижных элементов изменять и даже повышать уровень активности близлежащих генов. Эти открытия позволили по-новому взглянуть на природу мутационных процессов и молекулярных механизмов эволюции генома. Изменчивость генной активности и эволюция генома с участием подвижных элементов рассмотрены во второй статье (см. с. 15-21).

Подвижные элементы часто получают названия, отражающие их способность к перемещению (Улисс, Магеллан, "Бигль", hobo - бродяга, gypsy - цыган, flea - блоха, турист и др.) или, например, подвижность в прошлом, сменившуюся "заякориванием" в определенной точке хромосомы (подвижный в прошлом элемент "аврора", описанный российским автором). Коротко рассмотрим сведения о структуре подвижных элементов и способах их перемещения, а также недавно полученные интересные результаты, позволяющие считать, что подвижные элементы играют важную функциональную роль в поддержании целостности генома. Понимание изложенного материала будет сильно облегчено, если читатель обратится к статьям, ранее опубликованным в "Соросовском Образовательном Журнале" [1-3].

Подвижные элементы долгое время рассматривались как представители так называемой эгоистичной ДНК, которая ставит перед собой единственную цель - размножиться в геноме и паразитировать на нем. Эта точка зрения предполагает, что геном вынужден бороться с эгоистичной ДНК и ограничивать ее размножение. В то же время не лишены основания представления о том, что естественному отбору подвергаются не только хозяйские гены, но и эгоистичная ДНК. Нельзя исключить, что в результате естественного отбора представители паразитической ДНК будут использованы для нужд генома, если появятся полезные функции этих эгоистичных кусочков ДНК. Такое предположение начинает получать подтверждения.

Следует отметить, что в основу представлений о механизмах перемещений по крайней мере некоторых подвижных элементов, а также об их роли в эволюции генома легли исследования подвижных элементов у бактерий. Однако из-за недостатка места ограничимся рассмотрением подвижных элементов, населяющих геном эукариотической клетки.

Подвижные элементы эукариот представлены отдельными семействами, сходными по своей структуре и поведению. Внутри семейства различают подсемейства идентичных или очень сходных подвижных элементов, число которых колеблется от нескольких копий до нескольких тысяч копий на геном. В целом подвижные элементы обычно составляют 10-30% всей массы ДНК. У растений, как недавно выяснилось, подвижные элементы составляют более половины ДНК по весу. Подвижные элементы обычно рассеяны по геному, но в отдельных участках хромосом они могут концентрироваться.

Открытие подвижных элементов нисколько не посягает на классические представления хромосомной теории наследственности о стабильном расположении генов по длине хромосом. Перемещения подвижных элементов - это достаточно редкие события: у бактерий один акт перемещения обычно удается зарегистрировать примерно на десять тысяч - один миллион клеток (частоты перемещений сильно варьируют). Частоты транспозиций у дрозофилы настолько малы, что их трудно заметить и оценить. Только в особых ситуациях, вызванных внешними воздействиями или мутациями генов хозяина или самих подвижных элементов, частоты перемещений могут резко (на два-три порядка) увеличиваться, достигая, например, у дрозофилы одного события на 10-100 особей за поколение.

Рис. 1. Перемещение транспозона.

Концы транспозона (инвертированные повторы) показаны направленными навстречу стрелками. Дочерние нити ДНК после репликации изображены разными цветами. Внизу на схеме направленные навстречу стрелки указывают положение транспозона в районе "красной" двойной спирали. Синими стрелками изображен синтез комплементарных нитей

Транспозон -- последовательность ДНК, способная перемещаться внутри генома в результате процесса, называемого транспозицией. Транспозоны -- один из классов мобильных элементов генома, которые, встраиваясь в геном, могут вызывать мутации, в том числе и такие значительные как хромосомные перестройки. Они играют важную роль в процессах переноса лекарственной устойчивости среди микроорганизмов, рекомбинации, и обмена генетическим материалом между различными видами как в природе (горизонтальный перенос генов), так и в ходе генно-инженерных исследований.

Транспозоны были открыты в 1951 году Барбарой Мак-Клинток, которая в 1983 году была удостоена за эти исследования Нобелевской Премии. Транспозоны обычно состоят из двух прямых или инвертированных повторяющихся последовательностей ДНК, необходимых для транспозиции, между которыми находятся белок-кодирующие гены. Иногда в составе центральной части транспозонов находятся гены, обеспечивающие селективное преимущество для организма, содержащего мобильный элемент. Различают два класса транспозонов:

Класс 1 включает ретротранспозоны, которые перемещаются по геному путём обратной транскрипции с их РНК;

ДНК-транспозоны, относящиеся ко второму классу транспозонов, перемещаются путём прямого вырезания и вставки с использованием кодируемого транспозоном фермента транспозазы.

Транспозон - последовательность ДНК , способная реплицироваться и внедрять одну из копий в новое место генома .

Транспозоны - это мобильные элементы, обычно имеющие длину около 2500-7000 н.п., представленные в геноме в основном семействами диспергированных повторов. От ИЭ они отличаются тем, что переносят так называемые "экзогенные гены", то есть, гены, кодирующие некоторые функции, не имеющие отношения к транспозиции. (Следует отметить, что термин "транспозон" в литературе иногда используется для обозначения любых транспозиционных элементов, включая ИЭ, ретротранспозоны и т.д.) Бактериальные транспозоны обозначаются буквами Tn, за которыми следует номер типа. Некоторые из них являются комплексными (или композиционными) транспозонами (complex or composite transposons), и называются так потому, что два отдельных ИЭ, каждый из которых способен к независимой транспозиции, фланкируют один или более "экзогенных гена". (Рис. 8.2б) Интересно то, что в композиционных транспозонах транспозиции может подвергаться не только весь комплекс в целом, но и один или оба фланговых ИЭ в отдельности. Поскольку транспозиционная активность кодируется в ИЭ, комплексные транспозоны обычно не содержат независимого гена транспозазы.

Другие бактериальные транспозоны, так же как и многие эукариотические, фланкированы только короткими повторенными последовательностями различной ориентации и не содержат инсерционных элементов. Однако, не все транспозоны имеют симметричную структуру. У некоторых из них могут быть асимметричные концы, в которых отсутствуют либо прямые, либо инвертированные терминальные повторы (например, транспозон Tn554 из Staphilococcus aureus). Кодирующие участки некоторых транспозонов эукариот разделены интронами (например, P-элемент Drosophila).

Некоторые бактериофаги фактически являются транспозонами или транспозиционными бактериофагами (transposing bacteriophages). Например, бактериофаг Mu является очень большим транспозоном (*38000 н.п.), который кодирует не только ферменты, ответственные за транспозицию, но также и большое число структурных белков, необходимых для упаковки его ДНК.

Транспозоны различных типов довольно широко распространены в геномах животных, растений и грибов. Например, Drosophila melanogaster содержит множественные копии 50-100 разновидностей транспозонов ( Rubin, 1983 ).

Транспозоны еще называют инсерционными элементами. Инсерционные элементы (ИЭ) являются простейшей разновидностью транспозиционных элементов. Они не несут никакой генетической информации, за исключением той, которая необходима для транспозиции. ИЭ обычно имеют длину около 700-2500 н.п. Они были обнаружены в бактериях, бактериофагах, плазмидах и кукурузе. Бактериальные элементы обозначаются префиксом IS, за которым следует типовой номер. Структура ИЭ IS1 из кишечных бакерий Escherichia coli и Shigella dysenteria схематически показана на рис. 8.2а . IS1 имеет длину около 770 нуклеотидов, включая два неидентичных инвертированных повтора длиной 23 н.п. каждый. Он содержит две рамки считывания, InsA и InsB, которые кодируют одну или две разновидности транспозазы, фермента, катализирующего включение транспозиционных элементов в сайты встраивания. У E.coli существуют десятки различных разновидностей инсерционных элементов, и геномы большинства линий, выделенных из дикого типа, содержат различное количество каждого из них. ( Sawyer et al, 1987 ).

Мутагенез: роль мобильных элементов генома

Важная роль ошибок рекомбинации в этиологии структурных поломок гена особенно очевидна при анализе гена дистрофина, мутации которого ведут к миопатии Дюшенна . Известно, что в 60% случаев мутации этого гена представляют собой делеции, захватывающие один или несколько соседних экзонов. Известно также, что подавляющее большинство делеций сосредоточено в двух "горячих" районах этого гигантского по размерам гена (2,2 млн п.о.), и при этом частота внутригенных рекомбинаций почти в 4 раза больше, чем можно предполагать, исходя из его размеров [ Oudet С. et al., 1992 ]. В одной из этих "горячих" точек (интрон 7) обнаружен кластер транспозоноподобных повторяющихся последовательностей .

Истинный вклад мобильных (транспозоноподобных) элементов типа Alu- и Line-повторов в возникновение генных мутаций до конца не выяснен. Имеются единичные наблюдения о реальном перемещении этих элементов по типу конверсии и их интеграции в структурные ген аденозиндезаминазы , ген аполипопротеина С , гены факторов VIII и IX свертывания крови , ген кальмодулина [ Vidaud D. et al., 1993 ].

Транспозоны могут играть важную роль в геноме организма. В частности, некоторые гены-регуляторы, обеспечивающие адекватную реакцию растений на изменения освещенности, появились в результате встраивания в геном транспозонов.[1] В то же время, транспозоны способны вызвать дестабилизацию генома, в частности не менее 80 % мутаций и перестроек ДНК являются следствием их активности. Также предложена теория о том, что именно вследствие дерепрессии транспозонов темп истощения клеточных теломер ускоряется в сотни раз, предопределяя старение как биологический феномен.[2] Однако, по некоторым данным, у Drosophila melanogaster именно ретротранспозоны ответственны за поддержание теломер; теломеразы у них не было обнаружено.

Ретротранспозоны (мобильные генетические элементы первого типа, или транспозоны, перемещающиеся через РНК интермедиаты) -- это генетические элементы, которые могут самовоспроизводиться в геноме и являются вездесущими компонентами ДНК многих эукариотических организмов.

Ретротранспозоны являются подклассом транспозонов. Ретротранспозоны широко распространены у растений, где они часто являются важным компонентом ядерной ДНК. У кукурузы 49-78 % генома состоит из ретротранспозонов,[1] у пшеницы около 90 % генома представлены повторяющими последовательностями, из них 68 % -- перемещающимися элементами.[2] У млекопитающих, практически половина генома (45-48 %) состоит из транспозонов или остатков транспозонов. Примерно 42 % генома человека состоит из ретротранспозонов, и около 2-3 % из ДНК-транспозонов.[3.

Ретротранспозоны, или мобильные генетические элементы первого типа, состоят из двух подтипов -- ретротранспозонов с длинными концевыми повторами (англ. LTR, long terminal repeats), и ретротранспозонов без длинных концевых повторов.

ДНК-транспозоны (транспозоны второго типа). Главное отличие транспозонов второго типа от ретротранспозонов состоит в том, что механизм их транспозиции не включает стадию РНК-интермедиата (посредника).

Транспозоны второго типа перемещаются по механизму «вырезать -- вставить», но не «копировать -- вставить», и используют при этом фермент транспозазу. Разные транспозазы работают по-разному. Некоторые связывают часть молекулы ДНК со случайным сайтом встройки, другие же связываются со специфическими последовательностями.[2].

Оба класса транспозонов могут утрачивать возможность синтезировать обратную транскриптазу или транспозазу в случае мутации, но могут продолжать «прыгать» в геноме благодаря наличию других транспозонов, не несущих мутации, продолжающих образовывать необходимый фермент.

Транспозоны, которые пермещаются только по механизму «вырезать -- вставить», могут дуплицироваться только в случае, если транспозиция происходит в течение S-фазы (фазы синтеза ДНК), в случае, когда «донорный сайт» уже реплицировался, а место встройки ещё нет.

Транспозаза -- это фермент, связывающий одноцепочечную ДНК и встраивающий последнюю в геномную ДНК. Транспозоны класса 2 кодируют транспозазу, которая позволяет транспозонам быть вырезанным из геномной ДНК и встроенным в другие места.

Фермент транспозаза имеет классификационный номер EC 2.7.7.

Транспозаза связывается с Р-элементами дрозофилы.

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, Tn5; Инсерционные элементы, например, IS1603;

ДНК-транспозоны;

Ретротранспозоны;

Плазмиды, например, половой фактор кишечной палочки (F-плазмида);

Бактериофаги, например, Mu, интегрирующиеся случайно в участки генома;

Интроны второй группы.

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.

Классификация подвижных элементов, их структура и способы перемещения

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. Транспозоны ограничены с двух сторон так называемыми инвертированными повторами, то есть последовательностями, направленными навстречу друг другу (рис. 1). Инвертированные повторы 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 (см. рис. 1). Вопросы, касающиеся проблемы узнавания ДНК белками, основанной на специфичном нековалентном взаимодействии аминокислотных остатков с нуклеотидами, были рассмотрены ранее [2]. Успешному вырезанию элемента способствует дополнительная сверхспирализация двухнитевой спирали ДНК, обеспечивающая изгибы двойной спирали и сближение отдельных ее участков. Роль сверхспирализации в функционировании генетического аппарата рассмотрена в книге М.Д. Франк-Каменецкого [4], а также автором статьи [2]. 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.

Итак, подвижность элементов становится возможной благодаря активности ферментов, которые способны точно вырезать элемент из хромосомы для того, чтобы затем вставить его в какое-то другое место генома. А брешь в ДНК, оставляемая после вырезания транспозона, может залечиваться - застраиваться с участием гомологичного участка, например сестринской, только что редуплицированной молекулы ДНК. Этот процесс схематически и в упрощенном виде представлен на рис. 1. Осуществляются комплементарные взаимодействия нитей (красная с желтой) в гомологичных участках ДНК, соседствующих с транспозоном, затем происходит достройка - синтез комплементарных нитей (синие пунктирные стрелки), после чего образовавшаяся структура разрезается (волнистые стрелки), а "синие" участки новосинтезированной ДНК, содержащие материал ДНК транспозона, сшиваются с "желтыми" или "красными" флангами. В итоге залечивается дырка на месте вырезанного транспозона, а число копий транспозона увеличивается на одну копию. Обратим внимание на то, что клетка способна залечивать любой двухнитевой разрыв, образовавшийся, например, при облучении, с помощью механизма, изображенного на рис. 1. Может ли клетка справиться с такой важной задачей, если эти механизмы восстановления целостности хромосомы будут нарушены? Как мы увидим, в таком случае на помощь могут прийти ретротранспозоны.

Здесь не рассматриваются транспозоны бактерий. Однако необходимо упомянуть, что они очень хорошо изучены [5]. Бактериальный транспозон кроме гена транспозазы может содержать ген, обеспечивающий устойчивость бактерии к тому или иному антибиотику - пенициллину, тетрациклину и др. Поэтому большой практический интерес представляют исследования закономерностей распространения подобных бактериальных транспозонов. Транспозоны активно исследуют у растений, насекомых, и, наконец, недавно они были обнаружены в хромосомах человека. Эти подвижные элементы можно рассматривать как вездесущие.

Другой большой класс также вездесущих подвижных элементов - это ретротранспозоны, они не умеют вырезаться 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 [1]. Обратная транскрипция была обнаружена при изучении ретровирусов, содержащих РНК, которвя служит матрицей при образовании ДНК-копии РНК вируса [6]. Фермент, осуществляющий эту реакцию синтеза ДНК на РНК (вспомним, что транскрипция - это синтез РНК на ДНК), называют обратной транскриптазой или (в русской литературе) ревертазой. Ревертаза не только ведет синтез нити ДНК на РНК, но и осуществляет синтез второй комплементарной нити ДНК, а РНК-матрица распадается и удаляется. Двухнитевая ДНК синтезируется в цитоплазме, а затем перемещается в ядро и может встроиться в геном, образуя провирус (рис. 2). Находясь в хромосоме, провирус стабильно наследуется в ряду поколений как обычный ген. В хромосомах млекопитающих содержатся так называемые эндогенные провирусы, которые безвредны, а может быть, даже несут какие-нибудь биологические функции. Провирус ограничен так называемыми длинными концевыми повторами (ДКП, английская аббревиатура: LTR от "long terminal repeats"), содержащими обычно по 250-700 нуклеотидных пар. Они необходимы для транскрипции провируса и его репликации (воспроизведения) (см. рис. 2). Левый повтор содержит промотор, с которым взаимодействует РНК-полимераза, начинающая синтез РНК (см. [2] о промоторах и РНК-полимеразе). Синтезированная молекула РНК, равно как и РНК из вирусной частицы, заразившей клетку, транслируется с образованием белков-ферментов, необходимых для синтеза ДНК провируса и его внедрения в геном, а также белков самой вирусной частицы. В некоторых случаях может образоваться зрелый вирус, содержащий РНК, упакованную в белковую оболочку.

Рис. 2. Перемещения ретротранспозонов.

Вирусная частица может выйти из одной клетки и заразить другие. Для встраивания (интеграции) ДНК провируса необходим фермент интеграза,разрезающий ДНК-мишень и сходный по механизму своего действия с транспозазой. Наличие ДКП не только обеспечивает транскрипцию, но и полноценную репликацию провируса с двумя ДКП (этот сложный механизм здесь не рассматривается). Может случиться, что в процессе обратной транскрипции и репликации ДНК в состав будущего провируса случайно попадет материал других клеточных генов, если, например, ревертаза будет копировать какие-либо клеточные РНК. Ревертаза работает неточно, она может вносить ошибки в нуклеотидную последовательность ДНК, образующуюся на РНК, в отличие от ДНК-полимеразы, работающей почти безошибочно при воспроизведении всех хромосом [1]. Если такая ошибочно скопированная последовательность, соответствующая некоторым важным генам, управляющим размножением клеток, попадет в состав провируса и, следовательно, в геном клетки, то это событие может привести к злокачественному перерождению клетки, поскольку клетка теперь будет нести ген, кодирующий измененный белок, отвечающий за рост и размножение клеток. Поэтому ретровирусы, несущие протоонкогены [2], опасны для клетки и организма.

Структуру провирусов практически повторяют подвижные элементы, получившие название ретротранспозонов. Ретротранспозоны широко распространены у эукариот, населяя геномы дрожжей, растений, насекомых и позвоночных, включая человека. По-видимому у растений они могут занимать значительную часть межгенных пространств. Процесс синтеза ДНК при размножении ретротранспозона с участием ревертазы происходит в вирусоподобных частицах (см. рис. 2), белковые компоненты которых также кодируются генами ретротранспозона. Однако такие частицы неинфекционны, поскольку большая часть ретротранспозонов в отличие от ретровирусов не содержит гена, который мог бы кодировать белок оболочки вирусной частицы, обеспечивающей ее выход из клетки и способность к заражению других клеток. Правда, резкой границы между ретротранспозонами и ретровирусами провести нельзя. Так, один из ретротранспозонов плодовой мушки дрозофилы (gypsy - цыган) можно назвать как недавно оказалось, настоящим ретровирусом: путем инъекции или скармливанием вирусных частиц удается заразить мух, не несущих ретротранспозона. В то же время этот ретротранспозон в одной определенной линии мух является лишь внутригеномным наследуемым в ряду поколений элементом, локализация нескольких его копий неизменна в одной линии мух, но различается в разных линиях. Подавляющая часть ретротранспозонов либо потеряла ген оболочки, либо еще не приобрела его и, следовательно, представляет собой исключительно внутригеномные, неинфекционные элементы, способные лишь к самовоспроизведению и "подзаражению" того же генома. Остается открытым один из излюбленных дискуссионных вопросов: произошли ли ретровирусы из ретротранспозонов или же, напротив, ретротранспозоны возникли из вирусов в результате потери способности к заражению?

Рис. 3. Сохранение концов хромосомы в процессе повторных актов репликации, РНК-затравка изображена волнистой линией

Другой большой класс ретротранспозонов не несет длинных концевых повторов. Механизм внедрения таких ретротранспозонов в ДНК иной, хотя он также осуществляется с помощью обратной транскрипции. К числу таких ретротранспозонов относятся представители так называемого семейства L1, населяющие геном человека. Если репликация ретротранспозонов с ДКП не зависит от точки будущей инсерции, то репликация элемента без длинных концевых повторов непосредственно сопряжена с районом будущего внедрения ретротранспозона (см. рис. 2). РНК, образовавшаяся при транскрипции ретротранспозона, перемещается к достаточно случайному месту разрыва ДНК-мишени, причем в ряде случаев показано, что она даже сшивается с одной из нитей ДНК. Сюда же устремляются и необходимые для интеграции белки - ревертаза и интеграза. Другая, комплементарная нить ДНК служит затравкой для копирования РНК-копии элемента с участием ревертазы (см. рис. 2). Сначала ревертаза копирует небольшой участок ДНК-мишени, а затем меняет матрицу и копирует РНК. Затем РНК удаляется и образуется вторая комплементарная нить ДНК.

Рис. 4. Перемещение транспозона

Концы транспозона (инвертированные повторы) показаны направленными навстречу стрелками. Дочерние нити ДНК после репликации изображены разными цветами. Внизу на схеме направленные навстречу стрелки указывают положение транспозона в районе "красной" двойной спирали. Синими стрелками изображен синтез комплементарных нитей

Структурно-функциональная роль ретротранспозонов в геноме эукариот.

Для того чтобы лучше разобраться в этой проблеме, желательно прочитать статью О.О. Фаворовой [1]. 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 (рис. 3). 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. Обычно для сохранения конца ДНК (концы хромосом называют теломерами, от греч. телос - конец) используется фермент теломераза, состоящий из двух компонентов: белка и РНК-матрицы, с помощью которой удлиняется конец ДНК (см. рис. 3). Такое удлинение возможно, потому что концы хромосом содержат повторы из нескольких нуклеотидов (например, у человека ТТАGGG), которым комплементарен участок РНК - компонента теломеразы. Таким образом, теломераза узнает выступающий 3'-конец и удлиняет его. В таком случае удается, снова с использованием ДНК-затравки и РНК-матрицы, достроить конец ДНК (см. рис. 3). Теломеразная машина устроена таким образом, что конец хромосомы может не только сохраняться, но и удлиняться в ряду поколений. Действительно, последнее нетрудно себе представить, если достраиваемый 3'-конец будет достаточно длинным. Одна из причин старения видится в том, что при отсутствии теломеразы в некоторых тканях происходит укорачивание хромосомы с потерей важных генов. Наоборот, бессмертие ряда клеток в культуре вне организма, свойственное, как правило, клеткам из опухолей, объясняется реактивацией теломеразы. Мы кратко рассмотрели эту интересную проблему, связанную с активностью теломеразы и вечными проблемами биологического старения и опухолевого роста, поскольку оказалось, что иногда в борьбу с укорочением концов хромосом вступают мобильные элементы. У плодовой мушки дрозофилы отсутствует теломеразная машина, но концы ДНК удлиняются за счет перемещений ретротранспозонов. На этом примере впервые показана важная структурная и функциональная роль ретротранспозонов. Они выступают как компоненты генома, спасающие хромосому от укорачивания. В качестве спасателей 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" (см. рис. 3). Сначала на РНК-транскрипте как на матрице с помощью ревертазы строится комплементарная нить ДНК, а затем после удаления РНК-матрицы достраивается другая. 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. Повреждения одной из комплементарных нитей ДНК могут быть устранены за счет удаления этого участка и его ресинтеза с использованием неповрежденной комплементарной нити ДНК (рис. 4). Сложнее залечить двухнитевой разрыв, приводящий к образованию двух отдельных фрагментов двойной спирали ДНК. Хромосомы регулярно расходятся по дочерним клеткам, если они не потеряли центромеры, к которой прикрепляются нити веретена деления, растаскивающие хромосомы. Однако фрагмент хромосомы, лежащий от центромеры дальше, за разрывом, будет утрачен. Обычно двухнитевой разрыв залечивается с помощью гомологичной молекулы ДНК, например сестринской, только что реплицированной нити. Этот процесс, как мы видели (см. рис. 1), осуществляется путем ресинтеза копии утраченной ДНК на месте образовавшейся дырки. 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.

Рис. 5. Устранение повреждения в одной из комплементарных нитей ДНК и залечивание двухнитевого разрыва ДНК с помощью ретротранспозона.

Поврежденные неактивные подвижные элементы

Чтобы представить себе роль подвижных элементов в изменчивости генома, нельзя не упомянуть о существовании множества неактивных дефектных копий этих элементов. Очень часто отдельные копии транспозонов или ретротранспозонов оказываются дефектными, то есть они не способны кодировать транспозазу или ревертазу. Однако такие элементы сохраняют способность к перемещениям, если в случае транспозонов не повреждены инвертированные повторы, узнаваемые транспозазой, а в случае ретротранспозонов сохранены промотор и возможность транскрипции элемента. Множество таких дефектных копий сохранит способность к перемещениям, если ферменты, ответственные за перемещения (ревертазы и транспозазы) будут кодироваться другими полноценными элементами. В геноме человека источником активной ревертазы является, по-видимому, так называемый ретротранспозон L1, число копий которого достигает 100 тыс. Однако число активных перемещающихся копий составляет всего 30-60 тыс., тогда как остальные настолько повреждены, что не транскрибируются и, следовательно, уже не могут перемещаться. Отметим, что перемещения L1 в геноме человека вызывают мутации генов, и предположения об их возможной благотворной роли пока остаются неподтвержденными. Таким образом, налицо своеобразная двухкомпонентность в семействе подвижных элементов: существуют как полноценные активные элементы, так и дефектные, способные перемещаться только при участии полноценных копий. Наконец, отдельные копии могут быть настолько изменены, что утратят всякую способность к перемещению из-за того, что концевые повторы будут безнадежно испорчены: станет невозможной как транскрипция, так и узнавание транспозазами.

Обратная транскриптаза (также известная как ревертаза или РНК-зависимая ДНК-полимераза) -- фермент (КФ 2.7.7.49), катализирующий синтез ДНК на матрице РНК в процессе, называемом обратной транскрипцией.

Называется так потому, что большинство процессов транскрипции в живых организмах происходит в другом направлении, а именно, с молекулы ДНК синтезируется РНК-транскрипт.

Обратная транскриптаза была открыта Говардом Теминым в Университете Висконсин-Мэдисон и независимо Дэвидом Балтимором в 1970 году в Массачусетском технологическом институте. Оба исследователя получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины в 1975 году совместно с Ренато Дульбекко.

Значение для вирусов.

Обратная транскрипция необходима, в частности, для осуществления жизненного цикла ретровирусов, например, вирусов иммунодефицита человека и T-клеточной лимфомы человека типов 1 и 2. После попадания вирусной РНК в клетку обратная транскриптаза, содержащаяся в вирусных частицах, синтезирует комплементарную ей ДНК, а затем на этой цепи ДНК, как на матрице, достраивает вторую цепь.

Ретротранспозоны эукариот кодируют обратную транскриптазу, которая используется ими для встраивания в геном хозяина подобно тому, как это происходит у вирусов. Обратной транскриптазой является также теломераза. транспозон геном эукариот

В генетической инженерии обратную транскриптазу используют для получения к ДНК -- копии эукариотического гена, не содержащей интронов. Для этого из организма выделяют зрелую мРНК, кодирующую соответствующий генный продукт (белок, РНК) и проводят с ней в качестве матрицы обратную транскрипцию. Полученную к ДНК можно трансформировать в клетки бактерий для получения трансгенного продукта.

Влияние транспозиции на геном хозяина

Транспозиция и ретропозиция могут оказывать весьма значительное воздействие на размер и структуру генома. Транспозиционные элементы рассматриваются в качестве наилучшего примера так называемой "эгоистичной" ДНК, которая не дает никаких преимуществ хозяину, но может распространяться по геному, поскольку продуцирует свои копии быстрее геномных последовательностей ( Doolittle and Sapienza, 1980 ; Orgel and Crick, 1980 ). По этой причине транспозиция может значительно увеличивать размер генома ( см. главу 9 ). В данной главе будет рассматриваться влияние транспозиционных элементов на эволюцию и экспрессию генов.

Во-первых, как уже упоминалось выше (см. 8.2. ), бактериальные транспозоны часто несут гены устойчивости к антибиотикам и др. Таким образом, они могут способствовать выживанию "хозяина" в неблагоприятных условиях.

Во-вторых, экспрессия гена может изменяться за счет присутствия транспозиционного элемента либо внутри этого гена, либо в соседних участках. В простейшем случае встраивание транспозона внутрь белок-кодирующего гена сдвинет рамку считывания и, что весьма вероятно, будет иметь сильный фенотипический эффект. Сходным образом, вырезание транспозиционного элемента может быть неточным и привести к инсерции или делеции. Существуют, однако, и неожиданные эффекты. Например, транспозиционный элемент может содержать регуляторные элементы, такие как промоторы, которые вполне в состоянии влиять на уровен транскрипционной активности близлежащего гена.И действительно, LTR ретровирусов часто содержат сильные энхансеры, которые в огромной степени влияют на экспрессию соседних генов. Транспозиционные элементы, содержащие донорные или акцепторные сайты сплайсинга могут влиять на процессинг первичного РНК-транскрипта, даже в том случае, если сам элемент находится в некодирующем участке гена, таком как интрон.

В-третьих, многие транспозиционные элементы способствуют значительным перестройкам генома. Инверсии, транслокации, дупликации, инсерции и делеции могут опосредоваться этими элементами. Эти перестройки могут быть прямым результатом транспозиции (т.е. перемещения участков ДНК из одного участка генома в другой) или косвенным результатом изменения окружения. Косвенные эффекты будут иметь место, если, в результате транспозиции, две последовательности, которые ранее не имели сходства, будут содержать копии одного и того же транспозона, что позволит происходить между ними неравному кроссинговеру.

В последовательности гена липопротеина низкой плотности также наблюдается делеция экзона 14, происходящая посредством такого же механизма ( Lehrman et al, 1986 ). У пациентов, гомозиготных по этой делеции, наблюдается высокий уровень холестерола в крови. Было также показано, что рекомбинация между двумя Alu-элементами приводит к делеции промотора и первого экзона в гене аденозин-деаминазы ( Markert et al, 1988 ). В целом, нестабильность генома была обнаружена для всех участков, содержащих последовательности Alu-повторов ( Calabretta et al, 1982 ).

В-четвертых, существует доказательство того, что некоторые транспозиционные элементы могут вызывать увеличение темпов мутирования. Например, было обнаружено, что линии E. coli, содержащие транспозон Tn10, имеют повышенную скорость появления инсерций ( Chao et al, 1983 ). В большинстве случаев эта особенность будет вредна для своего носителя, однако, в очень неблагоприятных условиях повышенные темпы мутирования, возможно, могут явиться преимуществом, поскольку некоторые мутации, может быть, в новых условиях окажутся благоприятными.

Транспозиция и ретропозиция.

Транспозиция определяется как перемещение генетического материала с одной хромосомной позиции на другую. Последовательности ДНК, действительно обладающие способностью изменять свою геномную локализацию, называются мобильными элементами (mobile elements) или транспозиционными элементами (transposable elements). В зависимости от того реплицируется или нет мобильный элемент различают два типа транспозиций. В случае консервативного типа транспозиции элемент перемещается с одного сайта на другой. Что при этом происходит с донорным сайтом пока не ясно. В одной модели предполагается, что концы донорной ДНК не соединены друг с другом и что остающаяся молекула разрушается. Однако, потери донорной ДНК из клеточной линии можно избежать, если клетка содержит дупликат донорной последовательности. В этом случае, хотя одна из копий и разрушается, другая остается и в результате линия будет содержать один элемент в первоначальном ("старом") сайте и другой - в новом ( Berg et al, 1984 ). Другая модель предполагает, что двуцепочечный разрыв репарируется. Такой тип транспозиции характеризуется увеличением числа копий транспозиционного элемента. Некоторые транспозоны используют только один тип транспозиции, другие - как консервативный, так и репликативный способы.

В вышеупомянутых разновидностях носителем генетической информации является ДНК. Однако известно, что перенос может опосредоваться и РНК. При этом типе транспозиции ДНК сначала транскрибируется в РНК, которая выступает в качестве матрицы для синтеза кДНК в процессе обратной транскрипции. Такая разновидность транспозиции называется ретропозицией. В отличие от ДНК-опосредованного переноса ретропозиция всегда является дупликативной.

Когда транспозиционный элемент интегрируется в геном, небольшой участок ДНК в точке встраивания (обычно 4-12 н.п.) дуплицируется. Дуплицированные повторы имеют одинаковую ориентацию и называются прямыми повторами. Это своеобразная "визитная карточка" транспозиции и ретропозиции.

Некоторые транспозиционные элементы могут перемещаться в любых клетках, другие высоко-специфичны в проявлении своей активности. Например, P-элемент Drosophila melanogaster обычно мобилен только в половых клетках. Геномная локализация сайтов, в которые встраиваются элементы, также сильно варьирует у различных транспозонов. Некоторые из них демонстрируют крайнюю степень "приверженности" к определенным участкам. Например, элемент IS4 точно встраивается только в одной и той же точке галактозидазного оперона Escherichia coli, и, таким образом, каждая бактерия может содержать только одну копию IS4 ( Klaer et al, 1981 ). Другие, такие как бактериофаг Mu, могут встраиваться случайным образом практически в любую часть генома. Многие транспозоны предпочтительно встраиваются в несколько различных участков. Например, 40% всех элементов Tn10 Escherichia coli находятся в lacZ гене, который составляет крошечную часть генома, тогда как P-элемент имеет сродство к X-хромосоме и встраивается во 5'-фланкирующие последовательности кодирующих участков, а не в сами кодирующие участки. Некоторые транспозиционные элементы проявляют сродство к определенному типу нуклеотидного состава - IS1-элемент встраивается в AT-богатые участки ( Devos et al, 1979 ).

Генетическая нестабильность и мобильные элементы

Концы хромосом некоторых организмов образованы ретротранспозонами . Теломеры Drosophila состоят из нескольких тандемно организованных ретротранспозонов UNE-типа - TART и НеТ-А ( Lim J.K., Simmons W.J., 1994 ; Кyренова Е.В., Мепсон J.M. 1997 ; Осивац Х.Д., Хаманн А., 1997 ).

Ретротранспозоны способны индуцироваться различными стрессорными воздействиями ( Васильева Л.А. и др. 1997 ). Возможно, что транспозоны на концах хромосом дрозофилы в ответ на стресс могут активироваться и дестабилизировать теломеры и близлежащие участки ДНК, тем более что ретротранспозоны Ту5-1 , накапливающиеся в субтеломерной области хромосом Saccharomices ccrcvisiae ( Vovtas D.F. 1996 ), активируются в ответ на стресс и индуцируют ДНК-повреждения ( Vovtas D.F. 1996 ). Экспоненциальное увеличение количества транспозонов может являться причиной инактивации существенных генов и приводить к гибели клеточной линии или организма в целом. Таким образом, транспозоны могут быть причиной старения ( Murra V. 1990 ).

Корреляция между старением и активностью транспозирующнхся элементов проанализирована на разнообразных биологических системах ( Nikitin A.G., Shmookler Reis RJ., 1997 ). Эксцизии элемента Tel на сайт у нематоды С. elegans возрастают более чем в 14 раз на протяжении жизни этого организма ( Egilmez N.K., Shmookler Reis R.J. 1994 ). Транспозиции элемента у дрозофилы снижают длительность жизни самцов-имаго в зависимости от количества активных копий на геном ( Осивац Х.Д., Хаманн А., 1997 ; Driver CJ., McKechnie S.W. 1992 ; Woodruff R.С. 1992 ; Woodruff R.C., Nikitin A.G. 1995 ).

Транспозоны могут участвовать в процессе старения через соматические мутации . Показано, что по крайней мере два ретротранспозона у дрозофилы ( copia и 412 ) имеют соматическую активность во взрослых тканях ( Driver CJ., McKechnie S.W. 1992 ). Кроме того, для copia показано значительное повышение уровня транспозиций с возрастом в гаметах ( Filatov D.A., Morozova T.V. 1998 ). Таким образом, индукция транспозиций может являться одной из причин возрастной нестабильности генома и клеточного старения .

Существует мнение, что старение организма в целом протекает на клеточном уровне, чему имеется целый ряд свидетельств.

Во-первых, дисфункция во многих органах с возрастом происходит благодаря потере функции клетками, их составляющими. Потеря нейронов приводит к снижению когнитивных способностей , потеря подкожного слоя жировых клеток обусловливает уменьшение эластичности кожи , потеря продукции меланина в меланоцитах волосяного фолликула ведет к поседению .

Во-вторых, исследования Хейфлика показали корреляцию количества удвоений популяций клеток в культуре с видовой продолжительностью жизни и с индивидуальным старением организма ( Хейфлик К. 1997 ).

В-третьих, взаимосвязь между синдромом Вернера и ДНК-метаболизмом соответствует точке зрения, что старение - клеточно-автономный процесс ( Guareme L., 1996 ).

Таким образом, предполагается, что в основе процесса клеточного старения лежит возрастная реорганизация генома , вызванная укорочением теломер , активацией мобильных генетических элементов и дефектами систем репарации ДНК .

Подобная генетическая нестабильность соматических клеток предполагает глубокое влияние на генную экспрессию, приводя к описанным выше генетическим и эпигенетическим изменениям и обусловливая дегенерацию и атрофию клеток и тканей. Последнее, в свою очередь, является причиной старения организма в целом.

Транспозиция и видообразование

Видообразование или кладогенез (т.е., образование двух или более видов из предкового вида) один из важнейших эволюционных процессов. К сожалению, на молекулярном уровне он остается одним из наименее понятых эволюционных процессов. Мы не знаем, каким образом новые виды образуются из старых. Что мы действительно знаем, это то, что процесс видообразования требует создания репродуктивного барьера между двумя популяциями, принадлежащими к одному виду, чтобы они не могли больше скрещиваться. Некоторое время считалось, что гибридный дисгенез представляет собой некую раннюю стадию видообразования, действуя как механизм репродуктивной изоляции между двумя популяциями одного и того же вида.

Существуют, однако, некоторые проблемы, связанные с этим предположением.

Во-первых, хотя гибриды и обладают уменьшенной приспособленностью, и, следовательно, частично репродуктивно изолированны, транспозиция P-элемента в половых путях фактически приводит к тому, что большинство хромосом, переданных гибридам, будут нести P-элемент, и цитотип в конечном счете станет P-типа тоже. Таким образом, при условии, что уменьшение приспособленности гибрида будет не слишком большим, P-элемент распространится по всей популяциии. А для того, чтобы репродуктивная изоляция продолжала существовать, гибриды должны быть почти полностью стерильны.

Во-вторых, P-элементы обладают способностью к горизонтальному переносу от одного индивида к другому ( см. 8.10 ). Поэтому, вся популяция быстро может оказаться "охваченной" P-элементами и гибридный дисгенез в природе не будет существовать длительный период. И действительно, известны многие виды Drosophila, в которых все особи и все популяции несут либо P-элементы, либо им подобные, и гибридного дисгенеза в этих видах не происходит.

И, наконец, насколько сейчас известно, гибридный дисгенез существует только у видов Drosophila и, возможно, не представляет собой универсального природного феномена.

После открытия транспозиционных элементов в литературе предлагалось множество других механизмов видообразования посредством транспозиций. Например, было предположено, что массовые транспозиции элементов, содержащих регуляторные последовательности, в популяции может вызвать так называемый "генетическое переключение" (genetic resetting) генома, посредством которого множество генов будет подвергнуто новым формам регуляции. Подобная популяция очевидно будет репродуктивно изолированна от популяций, сохранивших старую форму регуляции. Другое предположение использует механизм механической несовместимости, также вызываемой массовой репликативной транспозицией. В этом случае предполагается, что транспозиционные элементы в популяции производят так много копий, что вызывают значительное увеличение размеров хромосом. У гибридного организма, унаследовавшего большие хромосомы от одного родителя и маленькие от другого, наверняка возникнут сложности в спраривании хромосом в мейозе, и он, что наиболее вероятно, будет стерилен.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: репликация ДНК // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 4. С. 11-17.

2. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции // Там же. N 2. С. 22-31.

3. Гвоздев В.А. Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК // Там же. 1996. N 12. С. 11-18.

4. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула. М.: Наука, 1983.

5. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984.

6. Агол В.И. Разнообразие вирусов // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. N 4. С. 11-16.

7. Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. -- 1. -- Новосибирск: Издательство Новосибирского университета, 2002. -- 459 с. -- 2000 экз. -- ISBN 5761505096

8. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: в трех томах. -- 2. -- Москва: Мир, 1994. -- Т. 1. -- 517 с. -- 10 000 экз. -- ISBN 5030019855

9. Вавий Т. П., Коханова Л. Л., Костюк Г. Г., Задорожный А. Г., Матвеенко С. А. Биологи: Биографический справочник / Серков Ф. Н. -- Наукова думка, 1984. -- P. 392-393. -- 815 p.

10. Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика: учёное пособие для студентов университетов, обучающихся по направлению 510600 -- Биология и биологическим специальностям. -- 2-e, испр. и доп. -- Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003. -- 478 p. -- 2500 экз. -- ISBN 5-94087-077-5.

11. Berg C.M., Berg D.E. Transposable element tools for microbial genetics. // «Escherichia coli and Salmonella typhimurium: Cellular and Molecular Biology II» (ed. by Neidhardt, F.C., Curtiss, R. III, Gross, C., Ingraham, J., Lin, E. C. C., Low, K.B., Magasanik, B., Reznikoff, W. S., Riley, M., Schaechter, M., and Umbarger, H.E.) American Society for Microbiology, Washington, D.C., 1996, pp. 2588-2612.

12. Quesneville H; Bergman CM, Andrieu O; Autard D; Nouaud D; et al. (2005). «Combined evidence annotation of transposable elements in genome sequences». PLoS Comp Biol 1 (2): e22. DOI:10.1371/journal.pcbi.0010022. PMID 16110336.

13. Kidwell, M.G. Transposable elements. // The Evolution of the Genome / (ed. T.R. Gregory). -- San Diego: Elsevier, 2005. -- P. 165-221. -- ISBN 0-12-301463-8

14. Craig NL, Craigie R, Gellert M, and Lambowitz AM (ed.) Mobile DNA II. -- Washington, DC: ASM Press, 2002. -- ISBN 978-1-55581-209-6

15. Lewin B Genes VII. -- Oxford University Press., 2000. -- ISBN 978-0-19-879276-5.

Размещено на Allbest.ru