10.4: Транспозони - «стрибаючі гени»

Транспозони - це сегменти ДНК, які можуть переміщатися в різні положення в геномі однієї клітини. У процесі вони можуть викликати мутації і збільшувати (або зменшувати) кількість ДНК в геномі клітини, а якщо клітина є попередником гамети, в геномах будь-яких нащадків. Ці рухливі сегменти ДНК іноді називають «стрибаючими генами», і існує два різних типи. Транспозони II класу складаються з ДНК, яка рухається безпосередньо з місця на місце. Транспозони класу I - це ретротранспозони, які спочатку транскрибують ДНК в РНК, а потім використовують зворотну транскриптазу, щоб зробити копію ДНК РНК для вставки в нове місце.

Транспозони класу II

Транспозони класу II переміщуються за допомогою процесу «вирізати і вставити»: транспозон вирізається з його розташування (як Command/Control-X на вашому комп'ютері) і вставляється в нове місце (Command/Control-V). Цей процес вимагає ферменту - транспозази - який кодується в межах деяких з цих транспозонів.

Рис.10.4.1 Транспонати

Транспозаза зв'язується з обома кінцями транспозон, які складаються з перевернутих повторів; тобто однакові послідовності читання в протилежних напрямках. Вони також зв'язуються з послідовністю ДНК, яка становить цільовий сайт. Деякі транспози вимагають певної послідовності в якості цільового сайту; інші можуть вставити транспозон в будь-якому місці геному.

ДНК на цільовому місці розрізається зміщеним способом (як «липкі кінці», що виробляються деякими рестрикційними ферментами). Після того, як транспозон перев'язаний до ДНК господаря, прогалини заповнюються сполученням бази Уотсона-Крика. Це створює однакові прямі повтори на кожному кінці транспозону. Часто транспозони втрачають свій ген для транспозази. Однак до тих пір, поки десь в клітці є транспозон, здатний синтезувати фермент, їх інвертовані повтори розпізнаються і їх теж можна перемістити на нове місце.

Мініатюрні перевернуті повторювані елементи, що переносяться (Mites)

Недавнє завершення послідовності генома рису та C. elegans показало, що їх геноми містять тисячі копій повторюваного мотиву, що складається з майже однакових послідовностей приблизно 400 пар основ, оточених характерними перевернутими повторами приблизно 15 пар основ, таких як

5' ГГККАТКА АГ.. ~ 40 nt. CCATTGACT ГКТГ ГКК 3'
3' КГТК ТГТК АКТГТ АКТГТ АКТГК АКТГ. ~ 40 nt.

Кліщі занадто малі, щоб кодувати будь-який білок. Просто те, як вони копіюються і переміщуються в нові локації, все ще не визначено. Ймовірно, відповідальні більші транспозони, які кодують необхідний фермент і розпізнають ті ж перевернуті повтори. У геномі рису налічується понад 100 000 кліщів (що становить близько 6% від загального генома). Деякі мутації, виявлені в певних штамах рису, викликані введенням кліща в ген. Кліщі також були виявлені в геномах людини, ксенопуса та яблук.

Перекладання кукурудзи

Перші транспозони були виявлені в 1940-х роках Барбара МакКлінток, яка працювала з кукурудзою (Zea mays, називається «кукурудза» в США). Вона виявила, що вони відповідають за різноманітні типи генних мутацій, як правило, вставки та делеції (indels) та транслокації. Деякі мутації (c, bz), використовувані як приклади того, як генні локуси відображаються на хромосомі, були викликані транспозонами. При розробці соматичних тканин, таких як кукурудзяні ядра, мутація (наприклад, c), яка змінює колір, буде передана всім нащадкам клітин. Це дає строкатий візерунок, який так цінується в «індійській кукурудзі». (Фото люб'язно надано китобовими фермами.) Іншим вченим знадобилося близько 40 років, щоб повною мірою оцінити значення відкриттів Барбари МакКлінток. Нарешті вона була удостоєна Нобелівської премії в 1983 році.

Малюнок 10.4.2: Транспозони в кукурудзі

Транспозони в дрозофіли

P елементи - це транспозони класу II, виявлені в дрозофілах. Вони мало шкодять, оскільки експресія їх гена транспозази зазвичай пригнічується. Однак, коли чоловічі мухи з елементами P спаровуються з жіночими мухами, які їх не вистачає, транспозаза стає активною в зародковій лінії, виробляючи стільки мутацій, що їх потомство стерильне. У природі це вже не проблема. P елементи, здається, вперше з'явилися в Drosophila melanogaster близько 50 років тому. З тих пір вони поширилися по кожній популяції виду. Сьогодні мухи, які не мають елементів Р, можна знайти лише у старих штамах, що підтримуються в лабораторії. P-елементи забезпечили цінні засоби для генетиків дрозофіли. Трансгенні мухи, що містять будь-який бажаний ген, можуть бути отримані шляхом ін'єкції раннього ембріона з інженерним елементом P, що містить цей ген. Інші транспозони вивчаються на предмет їх здатності створювати трансгенних комах сільськогосподарського та громадського значення.

Транспозони у бактерій

Деякі транспозони в бактеріях несуть - на додаток до гена для транспозази - гени для одного або декількох (зазвичай більше) білків, що надають стійкість до антибіотиків. Коли такий транспозон включений в плазміду, він може покинути клітину-господаря і перейти до іншої. Таким чином, тривожне явище мультимедикаментозної стійкості до антибіотиків поширюється так швидко. Транспонування в цих випадках відбувається за допомогою механізму «копіювання та вставка». Для цього потрібен додатковий фермент - резольваза - який також кодується в самому транспозоні. Оригінальний транспозон залишається на оригінальному сайті, а його копія вставляється на новому сайті.

Ретро транспозони

Ретротранспозони також рухаються механізмом «копіювання та вставки», але на відміну від описаних вище транспозонів, копія зроблена з РНК, а не ДНК. Копії РНК потім транскрибуються назад в ДНК - за допомогою зворотної транскриптази - і вони вставляються в нові місця в геномі. Багато ретротранспозонів мають довгі термінальні повтори (LTR) на своїх кінцях, які можуть містити понад 1000 базових пар у кожному. Як і транспозони ДНК, ретротранспозони генерують прямі повтори на своїх нових місцях вставки. Насправді саме наявність цих прямих повторів часто є підказкою про те, що втручається ділянку ДНК прибув туди шляхом ретротранспозиції. Близько 50% всього генома людини складається з ретротранспозонів.

Lines (Довгі елементи з вкрапленням)

Геном людини містить понад мільйон ліній (що становить 19% генома). Найбільш поширені з них належать до сімейства під назвою LINE-1 (L1). Ці елементи L1 є послідовностями ДНК, які варіюються в довжину від декількох сотень до цілих 9000 пар основ. Лише близько 50 елементів L1 є функціональними «генами»; тобто можуть бути транскрибовані та перекладені. Функціональні елементи L1 мають довжину близько 6500 bp і кодують три білки, включаючи ендонуклеазу, яка розрізає ДНК, і зворотну транскриптазу, яка робить копію ДНК стенограми РНК.

Діяльність L1

Діяльність L1 протікає наступним чином:

1. РНК-полімераза II транскрибує ДНК L1 в РНК.
2. РНК перекладається рибосомами в цитоплазмі в білки.
3. Білки і РНК з'єднуються між собою і знову потрапляють в ядро.
4. Ендонуклеаза розрізає нитку «цільової» ДНК, часто в інтроні гена.
5. Зворотна транскриптаза копіює РНК L1 в ДНК L1, яка вставляється в цільову ДНК, утворюючи там новий елемент L1.

Завдяки цьому механізму копіювання-вставки кількість ліній може збільшуватися в геномі. Різноманітність ліній між окремими геномами людини робить їх корисними маркерами для ДНК «відбитків пальців». Варіація відбувається в довжині елементів L1: Транскрипція активного елемента L1 іноді триває нижче за течією в додаткову ДНК, що виробляє довший транспонований елемент. Зворотна транскрипція РНК L1 часто завершується передчасно і виробляє укорочений транспонований елемент.

Хоча елементи L1 не є функціональними, вони можуть відігравати певну роль у регулюванні ефективності транскрипції гена, в якому вони проживають. Іноді активність L1 робить і вставляє копію клітинної мРНК (таким чином, природної кДНК). Не маючи інтронів, а також необхідних контрольних елементів, таких як промотори, ці гени не виражені. Вони являють собою одну категорію псевдогенів.

SINES (Короткі вкраплення елементів)

SINE - це короткі послідовності ДНК (100—400 пар основ), які представляють собою молекули РНК з зворотною транскрипцією, спочатку транскрибувані РНК-полімеразою III; тобто молекули тРНК, 5S рРНК та деякі інші малі ядерні РНК. Найбільш поширені SINE - це елементи Alu. У геномі людини налічується понад мільйон копій (що становить 9% від загальної нашої ДНК). Елементи Alu складаються з послідовності усереднення 260 пар основи, яка містить ділянку, який розпізнається рестрикційним ферментом ALuI. Вони, як видається, є зворотними стенограмами 7S РНК, що є частиною частки розпізнавання сигналу. Більшість SINE не кодують жодних функціональних молекул і залежать від механізмів активних елементів L1, що підлягають транспонуванню; тобто копіюються та вставляються в нових місцях.

ВІЛ-1

ВІЛ-1 - причина СНІДу - та інші ретровіруси людини (наприклад, HTLV-1, вірус Т-клітинної лейкемії/лімфоми людини) поводяться як ретротранспозони. Геном РНК ВІЛ-1 містить ген зворотної транскриптази і один для інтегрази. Інтеграз виконує ту ж функцію, що і транспозази транспозонів ДНК. Копії ДНК можуть бути вставлені в будь-якому місці генома. Молекули обох ферментів включені в частку вірусу.

Транспозони та мутації

Транспозони є мутагенами і можуть викликати мутації декількома способами. Якщо транспозон вставляє себе в функціональний ген, це, ймовірно, пошкодить його. Введення в екзони, інтрони і навіть у ДНК, що фланкують гени (які можуть містити промотори та підсилювачі), може знищити або змінити активність гена. Несправний ремонт зазору, залишеного на старому місці (в розрізі і транспозиції пасти) може привести до мутації там. Наявність рядка однакових повторюваних послідовностей представляє проблему для точного спарювання під час мейозу. Як третій, скажімо, з рядка з п'яти послідовностей Alu на «вторгнення нитка» одного хроматида буде гарантувати, що він поєднується з третьою послідовністю в іншій пасма? Якщо він випадково з'єднається з однією з інших послідовностей Alu, результатом стане нерівний кросовер — одна з найпоширеніших причин дублювання.

Примітка

Введення ретротранспозону в ДНК, що фланкує ген для синтезу пігменту, як вважають, дав білий виноград від чорношкірого предка. Пізніше втрата цього ретротранспозону призвела до появи червоношкірих сортів винограду, культивованих сьогодні.

SINES (в основному послідовності Alu) і LineS викликають лише невеликий відсоток людських мутацій. (Може бути навіть механізм, за допомогою якого вони уникають введення себе в функціональні гени.) Однак було виявлено, що вони є причиною мутацій, відповідальних за деякі випадки генетичних захворювань людини, включаючи:

• Гемофілія А (ген фактора VIII) та гемофілія B [ген фактора IX]
• Х-зчеплений важкий комбінований імунодефіцит (SCID) [ген для частини рецептора IL-2]
• порфірія
• схильність до поліпів товстої кишки та раку [ген APC]
• М'язова дистрофія Дюшенна [ген дистрофіну]

Чим хороші транспозони?

Транспозони отримали назву «сміттєвої» ДНК та «егоїстичної» ДНК. Вони «егоїстичні», тому що їх єдина функція, здається, робить більше копій себе і «сміття», тому що немає очевидної користі для їх господаря. Через схожість послідовності всіх ліній і SINE вони також складають велику частину «повторюваної ДНК» клітини. Ретротранспозони не можуть бути настільки егоїстичними, що зменшують виживання свого господаря. І тепер виявляється, що багато хто, принаймні, надають якусь користь. Проект ENCODE виявив, що близько 75% нашої повторюваної ДНК відбувається всередині або перекривається з послідовностями, як підсилювачі, які регулюють експресію генів.

Деякі інші можливості:

• Ретротранспозони часто несуть деякі додаткові послідовності на їх 3' кінці, коли вони вставляються в нове місце. Можливо, вони іноді створюють нові комбінації екзонів, промоутерів та підсилювачів, які приносять користь господареві.

Приклад:

Малюнок 10.4.3 Ретротранспозони

• Тисячі наших елементів Alu відбуваються в інтрони генів.
• Деякі з них містять послідовності, які при транскрибуванні в первинну стенограму розпізнаються сплацеосомою.
• Потім вони можуть бути зрощені в зрілу мРНК, створюючи новий екзон, який буде транскрибуватися в новий білковий продукт.
• Альтернативне зрощування може забезпечити не тільки нову мРНК (і, отже, білок), але і стару.
• Таким чином природа може випробувати нові білки, не ризикуючи відмовитися від перевіреного старого.

• Елементи L1, вставлені в інтрони функціональних генів, зменшують транскрипцію цих генів, не завдаючи шкоди генному продукту — чим довше елемент L1, тим нижчий рівень експресії генів. Деякі 79% наших генів містять елементи L1, і, можливо, вони є механізмом встановлення базового рівня активності генів.
• Теломераза, фермент, необхідний для підтримки довжини хромосоми, тісно пов'язаний із зворотною транскриптазою LINes і, можливо, еволюціонував з неї.
• РАГ-1 і РАГ-2. Білки, кодовані цими генами, необхідні для складання репертуару рецепторів антитіл та Т-клітин (TCR), що використовуються адаптивною імунною системою. Механізм нагадує метод вирізання та вставки транспозонів класу II, і гени RAG, можливо, еволюціонували з них. Якщо так, то подія сталася близько 450 мільйонів років тому, коли щелепні хребетні еволюціонували від безщелепних предків. Тільки щелепні хребетні мають гени РАГ-1 і РАГ-2.
• У дрозофіл введення транспозонів в гени було пов'язане з розвитком резистентності до ДДТ та фосфорорганічних інсектицидів.

Транспозони та парадокс C-значення

Геном Arabidopsis thaliana містить ~1,2 х 10 ⁸ пар основ (bp) ДНК. Близько 14% з них складається з транспозонів; інші функціональні гени (з них 25 498). Геном кукурудзи (кукурудзи) містить в 20 разів більше ДНК (2.4 x 10 ⁹ bp), але, безумовно, не потребує в 20 разів більше генів. Насправді 60% геному кукурудзи складається з транспозонів (показник для людини становить 42%). Таким чином, здається імовірним, що відсутність зв'язку між розміром генома і кількістю функціональних генів - парадоксом С-значення - викликана кількістю транспозонної ДНК, накопиченої в геномі.