14.5: Про еволюцію транспозонів, генів та геномів
- Page ID
- 6074
Ми зазначили, що транспозони у бактерій несуть гени резистентності до антибіотиків, наочний приклад переваг транспозиції у прокаріотів. Звичайно, прокаріотичні геноми невеликі, як і типова бактеріальна транспозонна навантаження. Дріжджові види також мають низьку транспозонную навантаження. Але, що ми можемо зробити з високого транспозонного навантаження в еукаріот?
Для багатьох той факт, що гени, що кодують білки, зазвичай представляють лише 1-2% еукаріотичного генома, означав, що решта генома була інформаційно несуттєвою. Незважаючи на те, що транспозони виявляються значною частиною некодуючої ДНК в деяких еукаріотичних геномах, вони, здавалося, не служили жодної мети, крім власної реплікації. Для багатьох організмів велика кількість транспозонної ДНК були охрещені егоїстичною ДНК та їх генами, егоїстичними генами.
Чи є транспозони просто небажана ДНК, якийсь інвазивний або залишковий геномний багаж? Враховуючи їхню схильність до стрибків і потенціал, щоб викликати хаос у геномах, як ми терпимо і виживаємо їх? Чи єдина «місія» транспозонів насправді просто відтворювати себе? Або транспозони переносяться, тому що вони не є ні егоїстичними, ні сміттєвими? За їх чистими пропорціями та активністю в еукаріотичних геномах ми побачимо, що транспозони розійшлися на геномні ландшафти та повторно сформували. Чи мають наслідки транспозиції (переміщення розсіювання через геном, структурна зміна та мутація генів) якесь функціональне чи еволюційне значення? Хоча всі ці питання є розумною відповіддю на явища стрибаючих генів, раціональною гіпотезою було б те, що, як і всі генетичні зміни, транспозони почалися випадково. Але їх поширення та повсюдне поширення в геномах вищих організмів повинні в довгостроковій перспективі були обрані в силу певної користі, яку вони надають своїм клітинам та організмам господаря. Давайте коротко розглянемо еволюційну історію транспозонів, щоб побачити, чи має це припущення деяку заслугу.
A. Загальні попередні ДНК та РНК (тобто всі) транспозони
Транспозази каталізують вирізати і вставити, а також реплікативну транспозицію транспозонів класу II (ДНК). Інтегрує каталізує вставку ретротранспозонів з зворотною транскрипцією. Підсумок: обидва ферменти закінчуються каталізацією вставки транспозонів у нові місця ДНК. Отже, не повинно дивуватися тому, що ферменти транспозонів I і II класу поділяють схожу амінокислотну послідовність і доменні структури. Ці подібності підтримують спільне походження транспозонів I та II класу. Послідовність порівнянь транспозіруемих елементів самі показують, що вони складають різні сімейства пов'язаних елементів.
Це дозволяє спекулювати на витоках цих сімейств у різних видів. Наприклад, TC1/Mariner (ДНК) транспозон зустрічається практично у всіх досліджуваних організмах (крім діатомових водоростей і зелених водоростей). Виходячи з аналізу послідовності, є навіть елемент вставки в бактерії, пов'язані з елементом мореплавця. Ця кількість та різноманітність збереження говорять про ранню еволюцію ферментів транспозиції та самої транспозиції, всередині та навіть між видами. Лінійний спуск, або «вертикальна» передача транспозонів від батьків до потомства, є правилом. Однак наявність подібних транспозонів у різних видів найкраще пояснюється міжвидовим ДНК («горизонтальним») перенесенням. Тобто транспозон в одному організмі, мабуть, був «даром» організму іншого виду! Про це далі йдеться нижче. Зрозуміло, що рухомі гени вже давно є частиною життя, говорячи більше про адаптивну цінність для організмів, ніж про паразитарну дію егоїстичної, шахрайської ДНК!
Б. ретровіруси та ретротранспозони LTR мають спільне походження
Домен «інтеграції» ретротранспозонів та ретровірусів має значні подібності, як показано нижче.
Питання, поставлене цими спостереженнями, таке: чи виникли транспозони (зокрема ретротранспозони) як дефектні версії інтегрованої ретровірусної ДНК (тобто зворотні стенограми ретровірусної РНК)? Або ретровіруси з'явилися, коли ретротранспозони еволюціонували спосіб залишити свої клітини господаря. Щоб підійти до цього питання, давайте спочатку порівняємо механізми ретровірусної інфекції та ретротранспозиції.
На додаток до структурної подібності між ферментами, кодованими ретротранспозоном та ретровірусними РНК, ретротранспозони LTR та ретровіруси містять флангові довгі кінцеві повтори. Однак ретротранспозиція відбувається в ядрі клітини, тоді як ретровіруси повинні спочатку інфікувати клітину-господаря, перш ніж ретровірусна ДНК може бути реплікована і вироблятися нові віруси (перевірте Візуалізація ретровірусної інфекції, щоб побачити, як була імунофлюоресцентна мікроскопія з використанням антитіл до одноланцюгових CDNA). використовується для відстеження етапів ВІЛ-інфекції!). Ключовою структурною відмінністю між ретротранспозонами та більшістю ретровірусів є ENV ген-кодована білкова оболонка, що оточує ретровірусну ДНК. Після зараження надходить ретровірус скидає білки своєї оболонки, а вірусна РНК транскрибується зворотною транскрипцією. Після зворотної транскрипції надходять в ядро, транскрипція генів і трансляція ферментів сюди.
- Ретровірусна ДНК, як і будь-яка геномна ДНК, є змінною. Якщо мутація інактивує один з генів, необхідних для інфекції та ретровірусного вивільнення, вона може стати ретротранспозоном LTR. Така генетично пошкоджена ретровірусна інтеграція все ще може бути транскрибована та переведена його мРНК. Якщо виявлено за допомогою власної зворотної транскриптази, колишні вірусні геноми будуть скопійовані. CDNA замість того, щоб упаковуватися в інфекційні вірусні частинки, стануть джерелом так званих ендогенних ретровірусів (ERV). Насправді, ERV існують, складаючи значну частину генома ссавців (8% у людей)... і насправді поводяться як ретротранспозони LTR!
- Дріжджові елементи TY транскрибують кілька генів під час ретротранспозиції (див. Список вище), виробляючи не тільки зворотну транскриптазу і інтегразу, але також протеазу і структурний білок під назвою Gag (Group-специфічний антиген). Всі перекладені білки потрапляють в ядро. Імітуючи ретровірусний білок ENV, білок Gag становить більшу частину білка пальто під назвою VLP (вірусоподібна частка). ВЛП інкапсулює додаткову ретротранспозонну РНК в цитоплазмі разом з іншими білками. Потім в межах VLP робляться дволанцюгові зворотні стенограми (CDNA) вірусної РНК. Але замість того, щоб вириватися з клітини, інкапсульовані CDNA (тобто нові ретротранспозони) скидають оболонку VLP і знову потрапляють в ядро, де вони тепер можуть інтегруватися в геномну ДНК мішені. Порівняйте це з описом ретровірусної інфекції. Під час інфекції білки ретровірусної оболонки прикріплюються до клітинних мембран і виділяють свою РНК в цитоплазму. Там зворотна транскриптаза копіює вірусну РНК в дволанцюгові CDNA, які потім потрапляють в ядро, де вони можуть інтегруватися в ДНК клітин господаря. При транскрипції інтегрована ретровірусна ДНК виробляє стенограми, які переводяться в цитоплазмі в білки, необхідні для формування інфекційної вірусної частинки. Отримані вірусні РНК інкапсулюються білком ENV (оболонки), кодованим у вірусному геномі. Звичайно, на відміну від РНК з ретротранспозоном, покритих VLP, обволікаючі вірусні РНК врешті-решт лізують клітину-господаря, вивільняючи інфекційні частинки. Тим не менш, хоча елементи Ty з покриттям VLP не є інфекційними, вони, безумовно, виглядають як ретровірус!
Загальні механізми реплікації та інтеграції ретровірусів та ретротранспозонів чітко підтримують їх спільне походження, але вони не вказують на походження. З одного боку, походження ЕРВ від ретровірусів може означати походження ретротранспозонів від ретровірусів. З іншого боку, транспозони були навколо з найдавніших прокаріотичних клітин, але ретротранспозони виникли з еукаріотами. У цьому випадку транспорувані елементи типу II (ДНК) були навколо перед ретровірусами.
Наведений нижче філогенетичний аналіз заснований на порівняннях послідовностей ДНК гена ретровірусної та ретротранспозонної зворотної транскриптази.
Порівняння узгоджених послідовностей ДНК дозволяють еволюційні аналізи, які відображають філогенетичні зв'язки генів (в даному випадку ретротранспозон і вірусні гени), майже так само еволюційні біологи історично демонстрували еволюційні відносини рослин і тварин, порівнюючи їх морфологічні характеристики. Дані в аналізі підтримують еволюцію ретровірусів від предків ретротранспозонів. З «дерева» TY3 та кілька інших ретротранспозонів мають спільне походження з Ted, 17.6 та Gypsy ERV (в коробці) у підгрупі «Gypsi-ty3». Крім того, ця підгрупа поділяє спільне походження з більш віддаленими ретровірусами (наприклад, MMTV, HTLV...), а також ще більш віддаленими (старші, довше розходяться!) Копія-ty1 транспозонна підгрупа. Цей та подібні аналізи настійно свідчать про те, що ретровіруси еволюціонували з ретротранспозонної лінії [Для огляду еволюції ретропозону/ретровірусу перевірте Lerat P. & Capy P. (1999, Ретротранспозони та ретровіруси: аналіз гена оболонки. Мол. Біол. Вид. 19 (9): 1198-1207).
C. транспозони можуть бути придбані шляхом «горизонтального перенесення генів»
Як зазначалося, транспозони успадковуються вертикально, що означає, що вони передаються від клітини до клітини або батьків потомству шляхом розмноження. Але вони також можуть поширитися між видами шляхом горизонтальної передачі генів. Це просто означає, що організми, що піддаються впливу ДНК, що містять транспозони, можуть ненавмисно підібрати таку ДНК і перетворитися, коли транспозон стає частиною генома. Випадкова рухливість транспозонів між видами була б рідкісною, але обмін генами шляхом горизонтальної передачі генів прискорився б з еволюцією ретровірусів. Знову ж таки, незважаючи на потенціал порушити здоров'я організму, ретровірусна активність також могла б підтримати ступінь геномного різноманіття, корисного для організмів.