Войти
Транспозон бактериальной ДНК A транспозон (TE, транспозон, или прыгающий ген ) - это последовательность ДНК, которая может изменять свое положение в геноме, иногда создавая или обращая мутации и изменяя генетическая принадлежность клетки и размер генома. Транспозиция часто приводит к дублированию одного и того же генетического материала. Их открытие Барбарой МакКлинток принесло ей Нобелевскую премию в 1983 году.
Мобильные элементы составляют большую часть генома и ответственны за большую часть масса ДНК в эукариотической клетке. Хотя TE являются эгоистичными генетическими элементами, многие из них важны для функционирования и эволюции генома. Транспозоны также очень полезны для исследователей как средство изменения ДНК внутри живого организма.
Существует как минимум два класса ТЕ: ТЕ класса I или ретротранспозоны обычно функционируют посредством обратной транскрипции, тогда как ТЕ класса II или транспозоны ДНК кодируют белок транспозазу, который им необходим для вставки и удаления, и некоторые из этих ТЕ также кодируют другие белки.
Барбара МакКлинток обнаружила первые TE в кукурузе (Zea mays) в лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке. МакКлинток экспериментировал с растениями кукурузы, у которых были сломаны хромосомы.
Зимой 1944–1945 гг. МакКлинток посадил зерна кукурузы, которые были самоопыляемыми, что означало, что шелк (стиль) цветка получал пыльцу из собственного источника. пыльник. Эти ядра произошли от длинного ряда самоопыляемых растений, в результате чего на концах их девятой хромосомы были сломаны руки. Когда кукуруза начала расти, Макклинток заметил необычные цветные узоры на листьях. Например, на одном листе было два пятна-альбиноса почти одинакового размера, расположенных рядом на листе. МакКлинток предположил, что во время деления клетки одни клетки потеряли генетический материал, а другие получили то, что они потеряли. Однако, сравнивая хромосомы текущего поколения растений с родительским поколением, она обнаружила, что некоторые части хромосомы поменяли положение. Это опровергло популярную в то время генетическую теорию, согласно которой гены фиксировались в своем положении на хромосоме. Мак-Клинток обнаружил, что гены могут не только двигаться, но также могут включаться или выключаться из-за определенных условий окружающей среды или на разных стадиях развития клеток.
Мак-Клинток также показал, что генные мутации можно обратить. Она представила свой отчет о своих открытиях в 1951 году и опубликовала статью о своих открытиях в области генетики в ноябре 1953 года под названием «Индукция нестабильности в выбранных локусах кукурузы».
Ее работа была в значительной степени отклонена и игнорировалась до самого конца. 1960-е – 1970-е годы, когда ТЭ были обнаружены у бактерий, они были открыты заново. Она была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1983 году за открытие ТЕ, спустя более чем тридцать лет после ее первоначального исследования.
Примерно 90% генома кукурузы состоит из TE составляют 44% генома человека.
Мобильные элементы представляют собой один из нескольких типов мобильных генетических элементов. ТЕ относятся к одному из двух классов в соответствии с их механизмом транспозиции, который может быть описан как копирование и вставка (ТЕ класса I) или вырезание и вставка (ТЕ класса II).
ТЕ класса I копируются в два этапа: во-первых, они транскрибируются из ДНК в РНК, а затем полученная РНК обратно транскрибируется в ДНК. Эта скопированная ДНК затем вставляется обратно в геном в новом положении. Этап обратной транскрипции катализируется обратной транскриптазой, которая часто кодируется самим ТЕ. Характеристики ретротранспозонов аналогичны ретровирусам, например, ВИЧ.
Ретротранспозоны обычно делятся на три основных порядка:
(Ретровирусы также могут считаться ТЕ. Например, после преобразование ретровирусной РНК в ДНК внутри клетки-хозяина, вновь продуцируемая ретровирусная ДНК интегрируется в геном клетки-хозяина. Эти интегрированные ДНК называются провирусами. Провирус является специализированным форма эукариотического ретротранспозона, который может продуцировать промежуточные соединения РНК, которые могут покидать хозяин Т-клетки и заражают другие клетки. Цикл транспозиции ретровирусов имеет сходство с циклом транспозиции прокариотических ТЕ, что указывает на отдаленную связь между ними.)
A. Структура ДНК-транспозонов (типа Маринера). Два инвертированных тандемных повтора (TIR) фланкируют ген транспозазы. Две короткие тандемные дупликации сайтов (TSD) присутствуют с обеих сторон вставки.. B. Механизм транспозиции: две транспозазы распознают и связываются с последовательностями TIR, соединяются вместе и способствуют двухцепочечному расщеплению ДНК. Комплекс ДНК-транспозаза затем вставляет свой ДНК-груз в определенные мотивы ДНК в другом месте генома, создавая короткие TSD при интеграции. Механизм транспозиции методом разрезания и вставки TE класса II не включает промежуточные РНК. Транспозиции катализируются несколькими ферментами транспозаза. Некоторые транспозазы неспецифически связываются с любым сайтом-мишенью в ДНК, тогда как другие связываются со специфическими последовательностями-мишенями. Транспозаза делает ступенчатый разрез в целевом сайте, образуя липкие концы, вырезает ДНК-транспозон и лигирует его в целевой сайт. ДНК-полимераза заполняет образовавшиеся промежутки от липких концов, а ДНК-лигаза закрывает сахарно-фосфатный остов. Это приводит к дупликации сайта-мишени, и сайты встраивания транспозонов ДНК можно идентифицировать по коротким прямым повторам (ступенчатый разрез целевой ДНК, заполненный ДНК-полимеразой), за которым следуют инвертированные повторы (которые важны для удаления TE транспозазой).
вырезанные и вставленные ТЕ могут дублироваться, если их транспозиция происходит во время фазы S клеточного цикла, когда донорский сайт уже реплицирован, но целевой сайт еще не реплицирован. Такие дупликации в сайте-мишени могут приводить к дупликации гена, которая играет важную роль в геномной эволюции.
Не все транспозоны ДНК транспонируют посредством механизма вырезания и вставки. В некоторых случаях наблюдается репликативная транспозиция, при которой транспозон реплицируется на новый сайт-мишень (например, helitron ).
ТЕ класса II составляют менее 2% генома человека, что делает остальные классом I.
Транспозицию можно классифицировать как "автономную" "или" неавтономный "как в TE класса I, так и в классе II. Автономные TE могут перемещаться сами по себе, тогда как для неавтономных TE требуется присутствие другого TE. Часто это происходит потому, что в зависимых ТЕ отсутствуют транспозаза (для класса II) или обратная транскриптаза (для класса I).
Активаторный элемент (Ac) является примером автономного TE, а элементы диссоциации (Ds) являются примером неавтономного TE. Без Ac Ds не может транспонироваться.
Транспозоны сосуществовали с эукариотами в течение тысяч лет и благодаря их сосуществованию стали интегрированными во многих геномы организмов. В просторечии известные как «прыгающие гены», транспозоны могут перемещаться внутри и между геномами, обеспечивая такую интеграцию.
Хотя существует множество положительных эффектов транспозонов в геномах их эукариот-хозяев, есть несколько примеров мутагенных эффектов, которые TE оказывают на геномы, что приводит к заболеваниям и злокачественным генетическим изменениям.
TE являются мутагенами, и их перемещение часто является причиной генетических заболеваний. Они могут повредить геном своей клетки-хозяина по-разному:
ТЕ используют ряд различных механизмов, чтобы вызвать генетическую нестабильность и болезнь в геномах своего хозяина.
Заболевания, часто вызываемые TE, включают
В одном исследовании оценивалась скорость транспозиции конкретного ретротранспозона, элемента в Saccharomyces cerevisiae. Используя несколько предположений, частота успешного события транспозиции на один элемент Ty1 оказалась примерно от одного раза в несколько месяцев до одного раза в несколько лет. Некоторые ТЕ содержат промоторы теплового шока, подобные, и скорость их транспозиции увеличивается, если клетка подвергается стрессу, тем самым увеличивая скорость мутаций в этих условиях, что может быть полезно для клетки.
Клетки защищают от размножения ТЕ несколькими способами. К ним относятся пиРНК и миРНК, которые заглушают ТЕ после того, как они были транскрибированы.
Если организмы в основном состоят из ТЕ, можно предположить, что заболевание, вызванное неуместными ТЕ, очень распространено, но в большинстве случаев ТЕ подавляются с помощью эпигенетических механизмов, таких как метилирование ДНК, ремоделирование хроматина и piRNA, так что фенотипические эффекты или перемещения TE практически отсутствуют, как в некоторых TE растений дикого типа. Было обнаружено, что некоторые мутировавшие растения имеют дефекты в ферментах, связанных с метилированием (метилтрансфераза), которые вызывают транскрипцию ТЕ, влияя, таким образом, на фенотип.
Согласно одной гипотезе, активными являются только примерно 100 последовательностей, связанных с LINE1, несмотря на их последовательности составляют 17% генома человека. В клетках человека подавление последовательностей LINE1 запускается механизмом РНК-интерференции (РНКи). Неожиданно последовательности РНКи происходят из 5'-нетранслируемой области (UTR) LINE1, длинного конца, который повторяется. Предположительно, 5 'LINE1 UTR, который кодирует смысловой промотор для транскрипции LINE1, также кодирует антисмысловой промотор для miRNA, которая становится субстратом для продукции siRNA. Ингибирование механизма сайленсинга РНКи в этой области показало усиление транскрипции LINE1.
ТЕ обнаружены почти у всех форм жизни, и научное сообщество все еще изучает их эволюцию и их влияние об эволюции генома. Неясно, произошли ли TE от последнего универсального общего предка, возникли независимо несколько раз или возникли один раз, а затем распространились на другие царства посредством горизонтального переноса генов. Хотя некоторые TE приносят пользу своим хозяевам, большинство из них рассматриваются как эгоистичные ДНК паразиты. В этом смысле они похожи на вирусы. Различные вирусы и TE также имеют общие черты в структуре генома и биохимических способностях, что приводит к предположению, что у них есть общий предок.
Поскольку чрезмерная активность TE может повредить экзоны, многие организмы приобрели механизмы подавлять их активность. Бактерии могут подвергаться высокой степени делеции гена как части механизма удаления ТЕ и вирусов из своих геномов, тогда как эукариотические организмы обычно используют РНК-интерференцию для ингибирования ТЕ. деятельность. Тем не менее, некоторые TE генерируют большие семейства, часто связанные с событиями видообразования. Эволюция часто дезактивирует транспозоны ДНК, оставляя их в виде интронов (неактивные последовательности генов). В клетках позвоночных животных почти все 100 000+ транспозонов ДНК на геном имеют гены, кодирующие неактивные полипептиды транспозаз. Первый синтетический транспозон, разработанный для использования в клетках позвоночных (включая человека), система транспозонов Sleeping Beauty, представляет собой транспозон, подобный Tc1 / mariner. Его мертвые («ископаемые») версии широко распространены в геноме лососевых, и функциональная версия была создана путем сравнения этих версий. Человеческие Tc1-подобные транспозоны делятся на подсемейства Hsmar1 и Hsmar2. Хотя оба типа неактивны, одна копия Hsmar1, обнаруженная в гене SETMAR, находится в процессе отбора, поскольку она обеспечивает связывание ДНК для белка, модифицирующего гистоны. Многие другие гены человека аналогичным образом происходят от транспозонов. Hsmar2 был реконструирован несколько раз по ископаемым последовательностям.
Однако большие количества TE в геномах могут иметь эволюционные преимущества. Перемежающиеся повторы в геномах создаются событиями транспозиции, накапливающимися в течение эволюционного времени. Поскольку вкрапленные повторы блокируют преобразование гена, они защищают новые генные последовательности от перезаписи аналогичными генными последовательностями и тем самым облегчают разработку новых генов. ТЕ также могли быть задействованы иммунной системой позвоночных в качестве средства продуцирования разнообразия антител. Система V (D) J-рекомбинации работает по механизму, аналогичному механизму некоторых ТЕ.
TE могут содержать много типов генов, включая те, которые придают устойчивость к антибиотикам и способность переноситься в конъюгативные плазмиды. Некоторые TE также содержат интегроны, генетические элементы, которые могут захватывать и экспрессировать гены из других источников. Они содержат интегразу, которая может интегрировать генные кассеты . На кассетах идентифицировано более 40 генов устойчивости к антибиотикам, а также гены вирулентности.
Транспозоны не всегда точно иссекают свои элементы, иногда удаляя соседние пары оснований; это явление называется перетасовкой экзонов. Перестановка двух несвязанных экзонов может создать новый генный продукт или, что более вероятно, интрон.
Мобильные элементы можно использовать в лабораторных и исследовательских условиях для изучения геномов организмов и даже генетической инженерии. последовательности. Использование мобильных элементов можно разделить на две категории: в качестве генетического инструмента и для генной инженерии.
Идентификация повторений De novo - это начальное сканирование данных о последовательности, направленное на обнаружение повторяющихся областей генома и классификацию этих повторов. Многие компьютерные программы существуют для выполнения повторной идентификации de novo, и все они работают по одним и тем же общим принципам. Поскольку короткие тандемные повторы обычно состоят из 1–6 пар оснований и часто идут подряд, их идентификация относительно проста. С другой стороны, рассеянные повторяющиеся элементы сложнее идентифицировать из-за того, что они длиннее и часто имеют мутации. Однако важно идентифицировать эти повторы, поскольку они часто оказываются мобильными элементами (TE).
Идентификация транспозонов de novo включает три этапа: 1) найти все повторы в геноме, 2) построить консенсус каждого семейства последовательностей и 3) классифицируют эти повторы. Для первого шага есть три группы алгоритмов. Одна группа называется подходом k-mer, где k-мер представляет собой последовательность длины k. В этом подходе геном сканируется на наличие чрезмерно представленных k-мер; то есть k-мер, которые встречаются чаще, чем это возможно, исходя только из вероятности. Длина k определяется типом ищущего транспозона. К-мерный подход также допускает несовпадения, количество которых определяет аналитик. Некоторые программы подхода k-mer используют k-mer в качестве основы и удлиняют оба конца каждого повторяющегося k-mer до тех пор, пока между ними не исчезнет сходство, указывая на концы повторов. Другая группа алгоритмов использует метод, называемый самосравнением последовательностей. Программы самосравнения последовательностей используют базы данных, такие как AB-BLAST, для проведения первоначального выравнивания последовательностей . Поскольку эти программы находят группы элементов, которые частично перекрываются, они полезны для поиска сильно расходящихся транспозонов или транспозонов, в которых только небольшая область копируется в другие части генома. Другая группа алгоритмов придерживается подхода периодичности. Эти алгоритмы выполняют преобразование Фурье для данных последовательности, идентифицируя периодичности, области, которые периодически повторяются, и могут использовать пики в результирующем спектре для поиска возможных повторяющихся элементов. Этот метод лучше всего работает для тандемных повторов, но может быть использован и для дисперсных повторов. Однако это медленный процесс, что делает его маловероятным выбором для анализа в масштабе генома.
Второй этап идентификации повторов de novo включает построение консенсуса по каждому семейству последовательностей. Консенсусная последовательность - это последовательность, созданная на основе повторов, составляющих семейство TE. Пара оснований в консенсусе - это пара оснований, которая чаще всего встречается в последовательностях, сравниваемых для достижения консенсуса. Например, в семействе из 50 повторов, где 42 имеют пару оснований Т в одном и том же положении, консенсусная последовательность также будет иметь Т в этом положении, поскольку пара оснований представляет семейство в целом в этом конкретном положении., и, скорее всего, это пара оснований, обнаруженная у предка семейства в этой позиции. После того, как согласованная последовательность была создана для каждого семейства, можно переходить к дальнейшему анализу, например к классификации ТЕ и маскированию генома, чтобы количественно оценить общее содержание ТЕ в геноме.
Мобильные элементы были признаны хорошими кандидатами для стимуляции адаптации генов благодаря их способности регулировать уровни экспрессии близлежащих генов. В сочетании с их «мобильностью» мобильные элементы могут перемещаться рядом с их генами-мишенями и контролировать уровни экспрессии гена в зависимости от обстоятельств.
В исследовании, проведенном в 2008 г. «Высокая частота недавней адаптации, вызванной переносимыми элементами у Drosophila melanogaster», использовались D. melanogaster, недавно мигрировавшие из Африки в другие части мира, в качестве основы для изучения адаптаций. вызванные сменными элементами. Хотя большинство ТЕ были расположены на интронах, эксперимент показал значительную разницу в экспрессии генов между популяцией в Африке и других частях мира. Четыре ТЕ, которые вызывали селективный охват, были более распространены у D. melanogaster из умеренного климата, что привело исследователей к выводу, что селективное давление климата вызвало генетическую адаптацию. В этом эксперименте было подтверждено, что адаптивные TE преобладают в природе, позволяя организмам адаптировать экспрессию генов в результате нового давления отбора.
Однако не все эффекты адаптивных ТЕ полезны для населения. В исследовании, проведенном в 2009 году, «Недавняя вставка адаптивного переносного элемента, близкая к высококонсервативным локусам развития у Drosophila melanogaster», TE, вставленный между Jheh 2 и Jheh 3, выявило снижение уровня экспрессии обоих генов. Снижение регуляции таких генов привело к тому, что дрозофила демонстрирует увеличенное время развития и снижает жизнеспособность яйцеклеток до взрослого состояния. Хотя эта адаптация с высокой частотой наблюдалась во всех неафриканских популяциях, она не была зафиксирована ни в одной из них. В это нетрудно поверить, поскольку для популяции логично отдавать предпочтение более высоким яйцеклеткам по сравнению с жизнеспособностью взрослых особей, таким образом, пытаясь избавиться от признака, вызванного этой специфической адаптацией TE.
В то же время было несколько отчетов, показывающих выгодную адаптацию, вызванную TE. В исследовании, проведенном с шелкопрядами, «Вставка адаптивного мобильного элемента в регуляторную область гена EO у домашнего шелкопряда», вставка TE наблюдалась в цис-регуляторной области гена EO, который регулирует гормон линьки 20E, и была зафиксирована усиленная экспрессия. В то время как популяции без вставки TE часто неспособны эффективно регулировать гормон 20E в условиях голодания, популяции со вставкой имели более стабильное развитие, что приводило к более высокой однородности развития.
Все эти три эксперимента продемонстрировали разные способы, которыми Вставки TE могут быть выгодными или невыгодными из-за регуляции уровня экспрессии соседних генов. Область адаптивных исследований TE все еще находится в стадии разработки, и в будущем можно ожидать новых результатов.
