Войти
Упрощенное представление жизненного цикла ретротранспозона Ретротранспозоны (также называемые мобильными элементами класса I или транспозонами через промежуточные соединения РНК) представляют собой тип генетического компонента, который копирует и вставляет себя в разные места генома ( транспозон ), конвертируя РНК обратно в ДНК посредством процесса обратной транскрипции с использованием промежуточного соединения транспозиции РНК.
Посредством обратной транскрипции ретротранспозоны быстро амплифицируются и становятся распространенными в геномах эукариот, таких как кукуруза (49–78%) и человека (42%). Они присутствуют только у эукариот, но имеют общие черты с ретровирусами, такими как ВИЧ, например, прерывистая внехромосомная рекомбинация, опосредованная обратной транскриптазой.
Существует два основных типа ретротранспозонов: длинные концевые повторы (LTR) и недлинные концевые повторы (не-LTR). Ретротранспозоны классифицируются на основе последовательности и метода транспозиции. Большинство ретротранспозонов в геноме кукурузы являются LTR, тогда как у людей они в основном не являются LTR. Ретротранспозоны (в основном LTR-типа) могут передаваться следующему поколению видов-хозяев через зародышевую линию.
Другой тип транспозона - это транспозон ДНК. Транспозоны ДНК вставляются в разные места генома, не копируя себя, что может вызвать вредные мутации (см. Горизонтальный перенос генов ). Следовательно, ретротранспозоны можно рассматривать как репликативные, тогда как ДНК-транспозоны нерепликативны. Благодаря своей репликативной природе ретротранспозоны могут быстро увеличивать размер эукариотического генома и постоянно выживать в эукариотических геномах. Считается, что пребывание в эукариотических геномах в течение таких длительных периодов времени привело к появлению специальных методов вставки, которые существенно не влияют на функцию эукариотических генов.
Длинные нити повторяющейся ДНК можно найти на каждом конце ретротранспозона LTR. Их называют длинными концевыми повторами (LTR), каждый из которых состоит из нескольких сотен пар оснований, поэтому ретротранспозоны с LTR получили название ретротранспозон с длинным концевым повтором (LTR). Ретротранспозоны LTR имеют длину более 5 тысяч пар оснований. Между длинными концевыми повторами находятся гены, которые можно транскрибировать, эквивалентные ретровирусным генам gag и pol. Эти гены перекрываются, поэтому они кодируют протеазу, которая преобразует полученный транскрипт в функциональные генные продукты. Продукты гена Gag связываются с транскриптами других ретротранспозонов с образованием вирусоподобных частиц. Продукты гена Pol включают домены ферментов обратной транскриптазы, интегразы и рибонуклеазы Н. Обратная транскриптаза осуществляет обратную транскрипцию ДНК ретротранспозона. Интеграция «интегрирует» ДНК ретротранспозона в ДНК эукариотического генома. Рибонуклеаза расщепляет фосфодиэфирные связи между нуклеотидами РНК.
Ретротранспозоны LTR кодируют транскрипты с сайтами связывания тРНК, так что они могут подвергаться обратной транскрипции. Транскрипт РНК-связанной тРНК связывается с геномной последовательностью РНК. Следовательно, можно синтезировать матричную цепь ДНК ретротранспозона. Домены рибонуклеазы H разрушают геномную РНК эукариот с образованием богатых аденином и гуанином последовательностей ДНК, которые указывают, где должна быть синтезирована комплементарная некодирующая цепь. Затем интеграза «интегрирует» ретротранспозон в ДНК эукариот, используя гидроксильную группу в начале ДНК ретротранспозона. Это приводит к ретротранспозону, помеченному длинными терминальными повторами на его концах. Поскольку ретротранспозон содержит информацию о геноме эукариот, он может вставлять свои копии в другие места генома внутри эукариотической клетки.
Эндогенный ретровирус - это ретровирус без патогенных эффектов вируса, который был интегрирован в геном хозяина путем вставки наследуемой генетической информации в клетки, которые могут быть переданы следующему поколению, как ретротранспозон. Из-за этого они имеют общие черты с ретровирусами и ретротранспозонами. Когда ретровирусная ДНК интегрируется в геном хозяина, они превращаются в эндогенные ретровирусы, влияющие на геномы эукариот. Так много эндогенных ретровирусов внедрились в геномы эукариот, что они позволяют понять биологию между взаимодействиями вирус-хозяин и роль ретротранспозонов в эволюции и болезни. Многие ретротранспозоны имеют общие черты с эндогенными ретровирусами - свойство узнавания и слияния с геномом хозяина. Однако есть ключевое различие между ретровирусами и ретротранспозонами, на которое указывает ген env. Хотя ген env похож на ген, выполняющий ту же функцию в ретровирусах, он используется для определения того, является ли ген ретровирусным или ретротранспозоном. Если ген ретровирусный, он может эволюционировать из ретротранспозона в ретровирус. Они различаются порядком последовательностей в генах pol. Гены Env обнаружены у LTR ретротранспозонов типов Ty1-copia ( Pseudoviridae ), Ty3-gypsy ( Metaviridae ) и BEL / Pao. Они кодируют гликопротеины на оболочке ретровируса, необходимые для проникновения в клетку-хозяин. Ретровирусы могут перемещаться между клетками, тогда как ретротранспозоны LTR могут перемещаться только в геном той же клетки. Многие гены позвоночных были сформированы из ретровирусов и ретротранспозонов LTR. Один эндогенный ретровирус или ретротранспозон LTR имеет одинаковую функцию и геномное расположение у разных видов, что предполагает их роль в эволюции.
Как и ретротранспозоны LTR, ретротранспозоны, не являющиеся LTR, содержат гены обратной транскриптазы, РНК-связывающего белка, нуклеазы, а иногда и домена рибонуклеазы H, но у них отсутствуют длинные концевые повторы. РНК-связывающие белки связывают промежуточный продукт транспозиции РНК, а нуклеазы представляют собой ферменты, которые разрывают фосфодиэфирные связи между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах. Вместо LTR ретротранспозоны не-LTR имеют короткие повторы, которые могут иметь инвертированный порядок оснований рядом друг с другом, за исключением прямых повторов, обнаруженных в ретротранспозонах LTR, которые представляют собой всего лишь одну повторяющуюся последовательность оснований.
Хотя они являются ретротранспозонами, они не могут осуществлять обратную транскрипцию с использованием промежуточного соединения транспозиции РНК так же, как ретротранспозоны LTR. Эти два ключевых компонента ретротранспозона по-прежнему необходимы, но способ их включения в химические реакции отличается. Это связано с тем, что в отличие от ретротранспозонов LTR, ретротранспозоны не-LTR не содержат последовательностей, связывающих тРНК.
В основном они делятся на два типа - ЛИНИИ и СИНУСЫ. Элементы SVA являются исключением между ними, поскольку они имеют сходство как с LINE, так и с SINE, содержащими элементы Alu и разное количество одинаковых повторов. SVA короче, чем LINE, но длиннее, чем SINE.
Хотя исторически они рассматривались как «мусорная ДНК», исследования показывают, что в некоторых случаях и LINE, и SINE были включены в новые гены для формирования новых функций.
Когда LINE транскрибируется, транскрипт содержит промотор РНК-полимеразы II, который обеспечивает возможность копирования LINE в любое место, в которое он вставляется. РНК-полимераза II - это фермент, транскрибирующий гены в транскрипты мРНК. Концы транскриптов LINE богаты множеством аденинов, оснований, которые добавляются в конце транскрипции, чтобы транскрипты LINE не разрушались. Этот транскрипт является промежуточным звеном транспозиции РНК.
Промежуточный продукт транспозиции РНК перемещается из ядра в цитоплазму для трансляции. Это дает две кодирующие области ЛИНИИ, которая, в свою очередь, снова связывается с РНК, с которой она транскрибируется. Затем РНК LINE перемещается обратно в ядро, чтобы вставить в геном эукариот.
ЛИНИИ встраиваются в участки генома эукариот, богатые основаниями AT. В области AT LINE использует свою нуклеазу для разрезания одной цепи двухцепочечной ДНК эукариот. Последовательность, богатая аденином, в парах оснований транскрипта LINE с разрезанной цепью, чтобы отметить место, где LINE будет вставлена с гидроксильными группами. Обратная транскриптаза распознает эти гидроксильные группы для синтеза ретротранспозона LINE в месте разрезания ДНК. Как и в случае ретротранспозонов LTR, эта новая вставленная LINE содержит информацию о геноме эукариот, поэтому ее можно легко скопировать и вставить в другие области генома. Информационные последовательности длиннее и разнообразнее, чем в ретротранспозонах LTR.
Большинство копий LINE вначале имеют переменную длину, поскольку обратная транскрипция обычно останавливается до завершения синтеза ДНК. В некоторых случаях это приводит к потере промотора РНК-полимеразы II, поэтому LINE не могут транспонироваться дальше.
Генетическая структура мышей LINE1 и SINE. Внизу: предлагаемая структура комплексов L1 РНК-белок (РНП). Белки ORF1 образуют тримеры, проявляющие активность связывания РНК и шаперонов нуклеиновых кислот. Ретротранспозоны LINE-1 (L1) составляют значительную часть генома человека, примерно 500 000 копий на геном. Транскрипция генов, кодирующих LINE1 человека, обычно ингибируется за счет связывания метильных групп с его ДНК, осуществляемого белками PIWI и ферментами ДНК-метилтрансферазами. Ретротранспозиция L1 может нарушить природу транскрибируемых генов, вставляя себя внутрь или рядом с генами, что, в свою очередь, может привести к заболеванию человека. LINE1s могут ретротранспортироваться только в некоторых случаях, чтобы формировать разные структуры хромосом, вносящие вклад в генетические различия между людьми. По оценкам, 80–100 активных L1 в эталонном геноме Human Genome Project, и еще меньшее количество L1 в этих активных L1 часто ретротранспонируются. Вставки L1 были связаны с онкогенезом за счет активации связанных с раком генов онкогенов и уменьшения количества генов-супрессоров опухолей.
Каждый человеческий LINE1 содержит две области, из которых могут кодироваться генные продукты. Первая кодирующая область содержит белок лейциновой молнии, участвующий во взаимодействиях белок-белок, и белок, который связывается с концом нуклеиновых кислот. Вторая кодирующая область содержит пуриновую / пиримидиновую нуклеазу, обратную транскриптазу и белок, богатый аминокислотами, цистеинами и гистидинами. Конец LINE1 человека, как и других ретротранспозонов, богат аденином.
SINE намного короче (300 б.п.), чем LINE. Они имеют сходство с генами, транскрибируемыми РНК-полимеразой II, ферментом, транскрибирующим гены в транскрипты мРНК, и инициирующей последовательностью РНК-полимеразы III, фермента, транскрибирующего гены в рибосомную РНК, тРНК и другие малые молекулы РНК. SINE, такие как элементы MIR млекопитающих, имеют ген тРНК в начале и богатый аденином в конце, как в LINE.
SINE не кодируют функциональный белок обратной транскриптазы и полагаются на другие мобильные транспозоны, особенно LINE. SINE используют компоненты транспозиции LINE, несмотря на то, что LINE-связывающие белки предпочитают связываться с LINE РНК. SINE не могут транспонироваться сами по себе, потому что они не могут кодировать транскрипты SINE. Обычно они состоят из частей, полученных из тРНК и ЛИНИЙ. Часть тРНК содержит промотор РНК-полимеразы III, который является ферментом того же типа, что и РНК-полимераза II. Это гарантирует, что копии LINE будут транскрибированы в РНК для дальнейшей транспозиции. Компонент LINE остается, поэтому LINE-связывающие белки могут распознавать LINE-часть SINE.
Alu s являются наиболее распространенными СИНЕ приматам. Они состоят из примерно 350 пар оснований, не кодируют белки и могут распознаваться рестрикционным ферментом AluI (отсюда и название). Их распределение может иметь значение при некоторых генетических заболеваниях и раках. Для копирования и вставки Alu РНК требуется конец Alu, богатый аденином, и остальная часть последовательности, связанная с сигналом. Связанный с сигналом Alu может затем связываться с рибосомами. LINE РНК ассоциируется с теми же рибосомами, что и Alu. Связывание с одной и той же рибосомой позволяет Alus из SINE взаимодействовать с LINE. Этот одновременный перевод элемента Alu и LINE позволяет копировать и вставлять SINE.
Элементы SVA присутствуют на более низких уровнях, чем SINES и LINE у людей. Начало элементов SVA и Alu схоже, за ним следуют повторы, а конец похож на эндогенный ретровирус. LINEs связываются с сайтами, фланкирующими элементы SVA, чтобы транспонировать их. SVA - один из самых молодых транспозонов в геноме человекообразных обезьян и один из самых активных и полиморфных в человеческой популяции.
В недавнем исследовании был разработан сетевой метод, позволяющий выявить динамику пролиферации ретроэлементов (RE) SVA в геномах гоминид. Этот метод позволяет отслеживать ход распространения SVA, идентифицировать еще неизвестные активные сообщества и обнаруживать предварительные "главные RE", которые играют ключевую роль в распространении SVA. Таким образом, обеспечивается поддержка фундаментальной модели «мастер-гена» пролиферации RE.
Ретротранспозоны гарантируют, что они не потеряны случайно, поскольку присутствуют только в клеточной генетике, которая может передаваться от одного поколения к другому от родительских гамет. Однако LINE могут переноситься в клетки человеческого эмбриона, которые в конечном итоге развиваются в нервную систему, что ставит вопрос о том, влияет ли ретротранспозиция LINE на функцию мозга. Ретротранспозиция LINE также является признаком некоторых видов рака, но неясно, вызывает ли ретротранспозиция рак, а не только его симптом. Неконтролируемая ретротранспозиция вредна как для организма-хозяина, так и для самих ретротранспозонов, поэтому их необходимо регулировать. Ретротранспозоны регулируются посредством РНК-интерференции. РНК-интерференция осуществляется с помощью набора коротких некодирующих РНК. Короткая некодирующая РНК взаимодействует с белком Argonaute, разрушая транскрипты ретротранспозонов и изменяя их гистоновую структуру ДНК, чтобы уменьшить их транскрипцию.
LTR-ретротранспозоны появились позже, чем не-LTR-ретротранспозоны, возможно, от предкового не-LTR-ретротранспозона, приобретшего интегразу из ДНК-транспозона. Ретровирусы приобрели дополнительные свойства своих вирусных оболочек, взяв соответствующие гены из других вирусов, используя силу ретротранспозона LTR.
Благодаря их механизму ретротранспозиции количество ретротранспозонов быстро увеличивается, составляя 40% генома человека. Скорость вставки элементов LINE1, Alu и SVA составляет 1/200 - 1/20, 1/20 и 1/900 соответственно. Скорость вставки LINE1 сильно различалась за последние 35 миллионов лет, поэтому они указывают на точки в эволюции генома.
Примечательно, что большое количество 100 килобаз в геноме кукурузы демонстрирует разнообразие из-за наличия или отсутствия ретротранспозонов. Однако, поскольку кукуруза генетически необычна по сравнению с другими растениями, ее нельзя использовать для прогнозирования ретротранспозиции у других растений.
Мутации, вызванные ретротранспозонами, включают:
