Транспозон ДНК

редактировать

Транспозоны ДНК представляют собой последовательности ДНК, иногда называемые «прыгающими генами», которые могут перемещаться и интегрироваться в разные места внутри геном. Это переносимые элементы класса II (TE), которые перемещаются через промежуточное звено ДНК, в отличие от TE класса I, ретротранспозонов, которые пройти через промежуточное соединение РНК. Транспозоны ДНК могут перемещаться в ДНК организма через одно- или двухцепочечные промежуточные соединения ДНК. Транспозоны ДНК были обнаружены как в прокариотических, так и в эукариотических организмах. Они могут составлять значительную часть генома организма, особенно у эукариот. У прокариот ТЕ могут способствовать горизонтальному переносу устойчивости к антибиотикам или других генов, связанных с вирулентностью. После репликации и размножения в хозяине все копии транспозона становятся инактивированными и теряются, если транспозон не переходит в геном, начиная новый жизненный цикл с горизонтальным переносом. Важно отметить, что ДНК-транспозоны не встраиваются в геном случайным образом, а скорее предпочитают определенные сайты.

Что касается движения, транспозоны ДНК можно разделить на автономные и неавтономные. Автономные могут перемещаться сами по себе, в то время как неавтономные для перемещения требуют наличия гена другого подвижного элемента, транспозазы. Существует три основных классификации движения транспозонов ДНК: «вырезать и вставить», «катящийся круг » (гелитроны) и «самосинтезирующиеся» (полинтоны). Эти различные механизмы движения позволяют им перемещаться по геному организма. Поскольку ДНК-транспозоны не могут синтезировать ДНК, они реплицируются с помощью репликационного аппарата хозяина. Затем эти три основных класса подразделяются на 23 различных суперсемейства, характеризующихся их структурой, последовательностью и механизмом действия.

Транспозоны ДНК являются причиной изменений экспрессии генов. В качестве недавно вставленной ДНК в активные кодирующие последовательности они могут нарушать нормальные функции белка и вызывать мутации. ТЕ класса II составляют около 3% генома человека. Сегодня в геноме человека нет активных транспозонов ДНК. Поэтому элементы, обнаруженные в геноме человека, называют окаменелостями.

Содержание

  • 1 Механизмы действия
    • 1.1 Нарезать и вставить
    • 1.2 Гелитроны
    • 1.3 Полинтоны
  • 2 Классификация
  • 3 Эффекты транспозонов
  • 4 Примеры
    • 4.1 Кукуруза
    • 4.2 Дрозофилы
    • 4.3 Бактерии
    • 4.4 Генетическое разнообразие
  • 5 Инактивация
    • 5.1 Горизонтальный перенос
  • 6 Эволюция
    • 6.1 V (D) J рекомбинация
    • 6.2 Вымирание в геном человека
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Механизмы действия

Вырезать и вставить

Механизм удаления и вставки мобильных элементов «вырезать и вставить» в целевой сайт.

Традиционно транспозоны ДНК перемещаются в геноме методом вырезания и вставки. Для системы требуется фермент транспозаза, который катализирует перемещение ДНК из текущего местоположения в геноме и вставляет ее в новое место. Для транспозиции требуются три сайта ДНК на транспозоне : два на каждом конце транспозона, называемые концевыми инвертированными повторами, и один в целевом сайте. Транспозаза будет связываться с концевыми инвертированными повторами транспозона и опосредовать синапс концов транспозона. Затем фермент транспозаза отсоединяет элемент от фланкирующей ДНК исходного донорского сайта и опосредует реакцию присоединения, которая связывает транспозон с новым сайтом встраивания. Добавление новой ДНК в целевой сайт вызывает короткие промежутки по обе стороны от вставленного сегмента. Хост-системы восстанавливают эти разрывы, приводя к дупликации последовательности-мишени (TSD), которая характерна для транспозиции. Во многих реакциях транспозон полностью вырезается из донорского сайта в ходе так называемой транспозиции «вырезать и вставить» и вставляется в ДНК-мишень, чтобы сформировать простую вставку. Иногда генетический материал, который изначально не находился в перемещаемом элементе, также копируется и перемещается.

Гелитроны

Репликация кольцевой ДНК плазмиды.

Гелитроны также являются группой ТЕ эукариот класса II. Гелитроны не следуют классическому механизму «вырезать и вставить». Вместо этого предполагается, что они перемещаются по геному с помощью механизма, подобного катящемуся кругу. Этот процесс включает в себя надрез кольцевой цепи ферментом, который разделяет ДНК на две отдельные цепи. Затем инициирующий белок остается прикрепленным к 5'-фосфату на разорванной цепи, обнажая 3'-гидроксил комплементарной цепи. Это позволяет ферменту полимераза начать репликацию на нити без разрывов. В конце концов, вся цепь реплицируется, после чего вновь синтезированная ДНК диссоциирует и реплицируется параллельно с исходной цепочкой матрицы. Гелитроны кодируют неизвестный белок, который, как полагают, обладает функцией HUH эндонуклеазы, а также активностью от 5 'до 3' геликазы. Этот фермент будет делать одноцепочечный разрез в ДНК, что объясняет отсутствие дубликатов целевых сайтов, обнаруженных в гелитронах. Гелитроны также были первым классом мобильных элементов, обнаруженных с помощью вычислений, и ознаменовали сдвиг парадигмы в способах изучения геномов целиком.

Полинтоны

Самосинтезирующий механизм транспозиции для полинтонов.

Полинтоны также являются группой ТЕ эукариот класса II. Являясь одними из наиболее сложных известных ДНК транспозонов у эуркариот, они составляют геномы протистов, грибов и животных, таких как как entamoeba, соевая ржавчина и курица соответственно. Они содержат гены с гомологией с вирусными белками, которые часто встречаются в эукариотических геномах, как и полимераза и ретровирусная интеграза. Однако не существует известного белка, функционально аналогичного вирусному капсидному или белкам оболочки. Они имеют много общих структурных характеристик с линейными плазмидами, бактериофагами и аденовирусами, которые реплицируются с использованием ДНК-полимераз, примированных белками. Было предложено, чтобы полинтоны подвергались подобному самосинтезу с помощью своей полимеразы. Полинтоны длиной 15–20 т.п.н. кодируют до 10 индивидуальных белков. Для репликации они используют примированную белком ДНК-полимеразу B, ретровирусную интегразу, цистеин протеазу и АТФаза. Во-первых, во время репликации генома хозяина одноцепочечный внехромосомный элемент Polinton вырезается из ДНК хозяина с помощью интегразы, образуя структуру, подобную ракетке. Во-вторых, Polinton подвергается репликации с использованием ДНК-полимеразы B, инициация которой начинается с концевого белка, который может кодироваться в некоторых линейных плазмидах. После образования двухцепочечного полинтона интеграза служит для встраивания его в геном хозяина. Полинтоны обладают высокой вариабельностью между разными видами и могут жестко регулироваться, что приводит к низкой частоте встречаемости во многих геномах.

Классификация

По данным последнего обновления в 2015 году, 23 суперсемейства ДНК-транспозонов были распознается и аннотируется в Repbase, базе данных повторяющихся элементов ДНК, поддерживаемой Институтом генетических исследований :

Эффекты транспозонов

Пятна на зернах кукурузы показывают активацию ДНК-транспозонов.

ДНК транспозоны, как и все транспозоны, весьма влиятельны в отношении экспрессии генов. Последовательность ДНК может встраиваться в ранее функционирующий ген и создавать мутацию . Это может происходить тремя разными способами: 1. изменение функции, 2. хромосомная перестройка и 3. источник нового генетического материала. Поскольку транспозоны ДНК могут забирать с собой части геномных последовательностей, может происходить перетасовка экзонов. Перетасовка экзонов - это создание новых генных продуктов из-за нового размещения двух ранее не связанных экзонов посредством транспозиции. Благодаря своей способности изменять экспрессию ДНК, транспозоны стали важной целью исследований в генной инженерии.

Барбара МакКлинток была первой, кто обнаружил существование транспозонов ДНК в растениях кукурузы. в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Она была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1983 году.

Примеры

Кукуруза

Барбара МакКлинток впервые открыла и описала ДНК транспозоны в Zea mays, в 1940-е годы; это достижение принесло ей Нобелевскую премию в 1983 году. Она описала систему Ac / Ds, в которой блок Ac (активатор) был автономным, а геномная единица Ds требовала наличия активатора, чтобы двигаться. Этот TE является одним из наиболее визуально очевидных, так как он может вызывать изменение цвета кукурузы с желтого на коричневый / пятнистость на отдельных зернах.

Дрозофилы

Транспозон Mariner/Tc1 , обнаруженный у многих животных, но изученный у Drosophila, впервые был описан Якобсон и Хартл. Mariner хорошо известен тем, что умеет вырезать и вставлять горизонтально в новый организм. Тысячи копий ТЕ были обнаружены в геноме человека, а также других животных.

Транспозоны Hobo у Drosophila были тщательно изучены из-за их способности вызывать дисгенезию гонад. Вставка и последующая экспрессия хобо-подобных последовательностей приводит к потере половых клеток в гонадах развивающихся мух.

Бактерии

Бактериальные транспозоны особенно хороши для облегчения горизонтального переноса генов между микробами. Транспозиция облегчает перенос и накопление генов устойчивости к антибиотикам . В бактериях мобильные элементы могут легко перемещаться между хромосомным геномом и плазмидами. В исследовании 1982 г., проведенном Devaud et al., Был выделен и исследован штамм Acinetobacter с множественной лекарственной устойчивостью. Доказательства указывают на перенос плазмиды в бактерию, где гены устойчивости были перенесены в хромосомный геном.

Генетическое разнообразие

Транспозоны могут влиять на продвижение генетического разнообразия многих организмов. Транспозоны ДНК могут управлять эволюцией геномов, способствуя перемещению участков последовательностей ДНК. В результате это может изменить регуляторные области и фенотипы генов. Открытие транспозонов было сделано Барбарой МакКлинток, которая заметила, что эти элементы действительно могут изменять цвет кукурузы растений, которые она изучала, что быстро предоставило доказательства одного результата движения транспозона. Другим примером является транспозон ДНК Tol2 у рыб медака, который, как говорят, является результатом их разнообразия в моделях пигментации. Эти примеры показывают, что транспозоны могут сильно влиять на процесс эволюции, быстро вызывая изменения в геноме.

Инактивация

Все ДНК транспозоны неактивны в человеческом геноме. Инактивированные или заглушенные транспозоны не приводят к фенотипическому результату и не перемещаются в геноме. Некоторые из них неактивны, потому что имеют мутации, которые влияют на их способность перемещаться между хромосомами, в то время как другие способны перемещаться, но остаются неактивными из-за эпигенетических защит, таких как метилирование ДНК и хроматин. ремоделирование. Например, химические модификации ДНК могут сжимать определенные области генома, так что транскрипционные ферменты не могут до них добраться. РНКи, в частности сайленсинг миРНК и миРНК, представляет собой естественный механизм, который, помимо регуляции экспрессии эукариотических генов, предотвращает транскрипцию ДНК-транспозонов. Другой способ инактивации - подавление перепроизводства. Когда концентрация транспозазы превышает пороговую, активность транспозона снижается. Поскольку транспозаза может образовывать неактивные или менее активные мономеры, которые будут снижать активность транспозиции в целом, снижение продукции транспозазы также будет происходить, когда в геноме хозяина увеличиваются большие копии этих менее активных элементов.

Горизонтальный перенос

Горизонтальный перенос относится к перемещению информации ДНК между клетками разных организмов. Горизонтальный перенос может включать перемещение ТЕ от одного организма в геном другого. Сама вставка позволяет TE стать активированным геном в новом хозяине. Горизонтальный перенос используется транспозонами ДНК для предотвращения инактивации и полной потери транспозона. Эта инактивация называется вертикальной инактивацией, что означает, что транспозон ДНК неактивен и остается ископаемым. Этот тип передачи не является наиболее распространенным, но был замечен в случае белка вирулентности пшеницы ToxA, который передавался между различными грибковыми патогенами Parastagonospora nodorum, Pyrenophora tritici-repentis и Bipolaris sorokiniana. Другие примеры включают перенос между морскими ракообразными, насекомыми разных отрядов и организмами разных типов, такими как люди и нематоды.

Evolution

Геномы эукариот различаются по содержанию ТЕ. Недавно исследование различных суперсемейств TE показало поразительное сходство между группами. Было высказано предположение, что многие из них представлены в двух или более эукариотических супергруппах. Это означает, что дивергенция суперсемейства транспозонов могла даже предшествовать дивергенции эукариотических супергрупп.

V (D) J-рекомбинация

V (D) J-рекомбинация, хотя и не является TE ДНК, но примечательно аналогично транспозонам. Рекомбинация V (D) J - это процесс, с помощью которого создается большое разнообразие сайтов связывания антител. В этом механизме ДНК рекомбинируется для создания генетического разнообразия. В связи с этим была выдвинута гипотеза, что эти белки, в частности Rag1 и Rag2, происходят из мобильных элементов.

Исчезновение в геноме человека

Имеются данные, свидетельствующие о том, что по крайней мере 40 транспозонов ДНК человека семьи были активны во время облучения млекопитающих и приматов. Затем произошла пауза в транспозиционной активности во время более поздней части облучения приматов с полной остановкой движения транспозонов у антропоидных предков приматов. Нет никаких доказательств наличия какого-либо мобильного элемента моложе 37 миллионов лет.

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-16 09:17:56
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте