Консервированная некодирующая последовательность

A консервативная некодирующая последовательность (CNS ) представляет собой последовательность ДНК из некодирующей ДНК, которая эволюционно консервативна. Эти последовательности представляют интерес из-за их способности регулировать продукцию генов.

ЦНС у растений и животных сильно связаны с сайтами связывания фактора транскрипции и другими цис-действующими регуляторными элементами. Консервативные некодирующие последовательности могут быть важными участками эволюционной дивергенции, поскольку мутации в этих регионах могут изменять регуляцию консервативных генов, создавая видоспецифические паттерны экспрессии генов. Эти особенности сделали их бесценным ресурсом в сравнительной геномике.

• 1 Источники
  • 1.1 Интроны
  • 1.2 Нетранслируемые области
  • 1.3 Транспонируемые элементы
    • 1.3.1 Классы
    • 1.3.2 Консервативные регуляторные мобильные элементы
  • 1.4 Псевдогены
• 2 Ультраконсервативные области
• 3 В сравнительной геномике
• 4 Онлайн-биоинформатическое программное обеспечение
• 5 Ссылки

Все ЦНС являются вероятно, будут выполнять какую-то функцию, чтобы иметь ограничения для их эволюции, но их можно отличить по тому, где в геноме они обнаружены и как они туда попали.

Интроны

Интроны представляют собой участки последовательности, обнаруженные в основном в эукариотических организмах, которые прерывают кодирующие области генов, при этом длина пар оснований варьируется в пределах трех порядков. Последовательности интронов могут быть консервативными, часто потому, что они содержат элементы, регулирующие экспрессию, которые накладывают функциональные ограничения на их эволюцию. Паттерны консервативных интронов между видами из разных царств были использованы для того, чтобы сделать выводы о плотности интронов в разные моменты эволюционной истории. Это делает их важным ресурсом для понимания динамики увеличения и уменьшения интронов у эукариот (1,28).

Нетранслируемые области

Некоторые из наиболее консервативных некодирующих областей находятся в нетранслируемые области (UTR) на 3'-конце зрелых РНК-транскриптов, а не в интронах. Это предполагает важную функцию, действующую на посттранскрипционном уровне. Если эти области выполняют важную регуляторную функцию, увеличение длины 3'-UTR за время эволюции предполагает, что консервативные UTR вносят вклад в сложность организма. Регуляторные мотивы в UTR, часто консервативные в генах, принадлежащих к одному и тому же метаболическому семейству, потенциально могут быть использованы для разработки высокоспецифичных лекарств, нацеленных на транскрипты РНК.

Мобильные элементы

Повторяющиеся элементы могут накапливаться в геноме организма в результате нескольких различных процессов транспозиции. Степень, в которой это произошло во время эволюции эукариот, сильно различается: повторяющаяся ДНК составляет всего 3% генома мух, но составляет 50% генома человека.

Там - это разные теории, объясняющие сохранение мобильных элементов. Один считает, что, как и псевдогены, они предоставляют источник нового генетического материала, позволяя более быструю адаптацию к изменениям в окружающей среде. Более простая альтернатива состоит в том, что, поскольку у эукариотических геномов может не быть средств для предотвращения распространения мобильных элементов, они могут свободно накапливаться до тех пор, пока они не вставлены в ген или рядом с ним таким образом, чтобы они нарушили основные функции. Недавнее исследование показало, что транспозоны вносят вклад по крайней мере в 16% человеческих -специфичных ЦНС, отмечая их как «главную творческую силу» в эволюции регуляции генов у млекопитающих.. Существует три основных класса мобильных элементов, различающихся механизмами их пролиферации.

Классы

Транспозоны ДНК кодируют белок транспозазы, фланкируемый инвертированные повторения последовательностей. Транспозаза вырезает последовательность и реинтегрирует ее в другое место генома. Путем удаления сразу после репликации ДНК и вставки в целевые сайты, которые еще не реплицировались, количество транспозонов в геноме может увеличиваться.

Ретротранспозоны используют обратную транскриптазу для создания кДНК из транскрипта TE. Они далее подразделяются на ретротранспозоны с длинным концевым повторением (LTR), длинные вкрапленные ядерные элементы (LINE) и короткие вкрапленные ядерные элементы (SINE). В ретротранспозонах LTR после разрушения матрицы РНК цепь ДНК, комплементарная обратно транскрибируемой кДНК, возвращает элемент в двухцепочечное состояние. Интеграза, фермент, кодируемый ретротранспозоном LTR, затем повторно включает элемент в новый сайт-мишень. Эти элементы фланкированы длинными концевыми повторами (300–500 п.н.), которые опосредуют процесс транспозиции.

LINE используют более простой метод, в котором кДНК находится в целевом сайте после расщепления кодируемой LINE эндонуклеазой . Обратная транскриптаза, кодируемая LINE, не очень специфична для последовательности. Включение механизма LINE неродственных РНК-транскриптов приводит к нефункциональным процессированным псевдогенам. Если промотор небольшого гена включен в транскрибируемую часть гена, стабильный транскрипт можно дублировать и повторно вставлять в геном несколько раз. Элементы, продуцируемые этим процессом, называются SINE.

Консервативные регуляторные мобильные элементы

Когда в геноме активны консервативные регуляторные мобильные элементы, они могут вводить новые промоторные области, нарушать существующие регуляторные сайты или, если вставлен в транскрибируемые области, изменить шаблоны склейки. Конкретный транспонированный элемент будет положительно выбран, если измененное выражение, которое он производит, дает адаптивное преимущество. Это привело к появлению некоторых консервативных областей, обнаруженных у людей. Около 25% охарактеризованных промоторов у людей содержат транспонированные элементы. Это представляет особый интерес в свете того факта, что большинство мобильных элементов у людей больше не активны.

Псевдогены

Псевдогены - это остатки некогда функционирующих генов, отключенных в результате делеций, вставок или вставок последовательностей. мутации. Основным доказательством этого процесса является присутствие полностью функционирующих ортологов этих инактивированных последовательностей в других родственных геномах. Псевдогены обычно возникают после события дупликации гена или полиплоидизации. При наличии двух функциональных копий гена отсутствует селективное давление для поддержания экспрессируемости обоих, оставляя одну свободную для накопления мутаций в качестве нефункционирующего псевдогена. Это типичный случай, когда нейтральный отбор позволяет псевдогенам накапливать мутации, выступая в качестве «резервуаров» нового генетического материала с потенциалом для повторного включения в геном. Однако было обнаружено, что некоторые псевдогены сохраняются у млекопитающих. Самым простым объяснением этого является то, что эти некодирующие области могут выполнять некоторую биологическую функцию, и было обнаружено, что это имеет место для нескольких консервативных псевдогенов. Например, было обнаружено, что мРНК Makorin1 стабилизирована его паралогичным псевдогеном Makorin1-p1, который консервативен у нескольких видов мышей. Также было обнаружено, что другие псевдогены сохраняются у людей и мышей, а также между людьми и шимпанзе, происходя из событий дублирования до дивергенции видов. Доказательства транскрипции этих псевдогенов также подтверждают гипотезу о том, что они имеют биологическую функцию. Обнаружение потенциально функциональных псевдогенов затрудняет их определение, поскольку этот термин первоначально предназначался для вырожденных последовательностей, не имеющих биологической функции.

Примером псевдогена является ген L-гулонолактоноксидазы, фермент печени, необходимый для биосинтеза L-аскорбиновой кислоты (витамина С) у большинства птиц и млекопитающих, но мутировавший в подотряде haplorrhini приматов, включая людей, которым требуется аскорбиновая кислота или аскорбат из пищи. Остатки этого нефункционального гена со многими мутациями все еще присутствуют в геномах морских свинок и человека.

Ультраконсервативные области (UCR) - это области длиной более 200 п.н. 100% идентичность между видами. Эти уникальные последовательности чаще всего встречаются в некодирующих областях. До сих пор не до конца понятно, почему отрицательное селективное давление на эти области намного сильнее, чем отбор в областях, кодирующих белок. Хотя эти области можно рассматривать как уникальные, различие между областями с высокой степенью сохранения последовательности и областями с идеальной сохранностью последовательности не обязательно имеет биологическое значение. Одно исследование, проведенное в Science, показало, что все чрезвычайно консервативные некодирующие последовательности выполняют важные регуляторные функции независимо от того, является ли сохранение идеальным, что делает различие ультраконсервации несколько произвольным.

Сохранение как функциональные, так и нефункциональные некодирующие области представляют собой важный инструмент для сравнительной геномики, хотя сохранение цис-регуляторных элементов оказалось особенно полезным. Присутствие ЦНС может быть в некоторых случаях связано с отсутствием времени расхождения, хотя более распространено мнение, что они выполняют функции, которые в той или иной степени ограничивают их эволюцию. В соответствии с этой теорией цис-регуляторные элементы обычно обнаруживаются в консервативных некодирующих областях. Таким образом, сходство последовательностей часто используется в качестве параметра для ограничения пространства поиска при попытке идентифицировать регуляторные элементы, сохраняемые у разных видов, хотя это наиболее полезно при анализе отдаленно родственных организмов, поскольку более близкие родственники имеют консервацию последовательностей и среди нефункциональных элементов.

Ортологи с высоким сходством последовательностей могут не иметь одинаковых регуляторных элементов. Эти различия могут объяснять разные паттерны экспрессии у разных видов. Сохранение некодирующей последовательности также важно для анализа паралогов внутри одного вида. ЦНС, общие для паралогичных кластеров Hox-генов, являются кандидатами на участки, регулирующие экспрессию, возможно, координируя сходные паттерны экспрессии этих генов.

Сравнительные геномные исследования промоторных областей ортологичных генов также могут обнаружить различия в наличии и относительном расположении сайтов связывания транскрипционных факторов в промоторных областях. Ортологи с высоким сходством последовательностей могут не иметь одинаковых регуляторных элементов. Эти различия могут объяснять различные паттерны экспрессии у разных видов.

Считается, что регуляторные функции, обычно связанные с консервативными некодирующими областями, играют роль в эволюции эукариотической сложности. В среднем растения содержат меньше ЦНС на ген, чем млекопитающие. Считается, что это связано с тем, что они подверглись большей полиплоидизации или событиям дублирования генома. Во время субфункционализации, которая возникает после дупликации гена, существует вероятность более высокой скорости потери ЦНС на ген. Таким образом, случаи дублирования генома могут быть причиной того, что у растений больше генов, каждый с меньшим количеством ЦНС. Предполагая, что количество ЦНС является показателем сложности регуляции, это может объяснить различия в сложности между растениями и млекопитающими.

Поскольку считается, что изменения в регуляции генов объясняют большую часть различий между людьми и шимпанзе. исследователи обратились к ЦНС, чтобы попытаться доказать это. Часть ЦНС между людьми и другими приматами имеет обогащение специфическими для человека однонуклеотидными полиморфизмами, что свидетельствует о положительном отборе по этим SNP и ускоренной эволюции этих ЦНС. Многие из этих SNP также связаны с изменениями в экспрессии генов, что позволяет предположить, что эти ЦНС играли важную роль в эволюции человека.