Мобильные элементы генома - BioinforMatix.ru - портал по биоинформатике, имейджингу и биософту

Мобильные элементы генома

Печать E-mail
Автор Неизвестен   
03.12.2008 г.
Открытие и классификация мобильных элементов
Мобильными генетическими элементами (МГЭ) называют подвижные фрагменты генома клеток, способные к самостоятельным перемещениям внутри генома. Мобильные генетические элементы были открыты американским генетиком Барбарой Мак-Клинток на кукурузе в 1951 году,   а  в 1983 году это открытие получило Нобелевскую премию.

В начале 40-х гг. американская исследова­тельница Б. МакКлинток открыла существование гена, или локуса, который вы­зывал повышение частоты хромосомных пере­строек у кукурузы. Среди потомков от скрещи­вания, в котором оба родителя несли такие перестройки, появлялись нестабильные мута­ции с неожиданно высокой частотой. В 1948 г. она опубликовала результаты исследований этого локуса, «вызывающего разрывы хромо­сом, сделав вывод, что он является совершен­но необычным, поскольку может перемещать­ся из одного участка хромосомы в другой. Б. МакКлинток назвала эти перемещения транспозицией,  а  сами локусы — контролирующими элементами (КЭ). Эти элементы характеризуются следующими свойствами:

1) Они могут перемещаться из одного сай­та в другой;

2)   Их встраивание в данный район влияет на активность генов, расположенных рядом;

3)  Утрата КЭ в данном локусе превращает прежде мутабильный локус в стабильный;

4)   В сайтах, в которых присутствуют КЭ, могут возникать делеции, транслокации, транс­позиции, инверсии,  а  также разрывы хромосом.

В 60-х годах МГЭ были открыты также у микроорганизмов. В конце 70-х годов одновременно в СССР (группой советских генетиков во главе с Г.П. Георгиевым) и США (группой американских генетиков Д. Хогнесс) были открыты МГЭ у дрозофилы. С того момента исследования ускорились. Кроме того, различные МГЭ были найдены также у дрожжей, млекопитающих, включая человека. Иначе говоря, мир МГЭ оказался велик и многолик.

МГЭ подвижны в геноме хозяина, причем содержат внутри себя гены, обеспечивающие транспозицию. Опыт построения генетических карт твердо указывал, что положение генов на карте очень стабильное (с точностью до редких хромосомных перестроек) устойчиво наследуется,  а  сами карты являются специфичными для видов. Однако, оказалось что это относится лишь к части генома, действительно преобладающей и стабильной. Значительная часть генома представлена различными МГЭ, среди которых многие копии способны к относительно частым перемещениям (со скоростями до 103-105 событий на копию за поколение, что значительно выше скоростей возникновения мутаций и перестроек). Таким образом, генетический материал генома пришлось разделить на две сопоставимые части:

1.     Устойчивую – совокупность устойчивых генов и других элементов генома;

2.     Подвижную – совокупность копий МГЭ генома, способных к перемещениям со всеми генетическими последствиями (мутациями генов, перестройками).   

По механизмам транспозиции мобильные элементы перемещаются, используя обратную транскриптазу, т.е. на РНК-матрице мобильного элемента синтезируется ДНК. Обратная транскриптаза (ревертаза) не только ведет синтез нити ДНК на РНК, но и осуществляет синтез второй комплементарной нити ДНК,  а  РНК-матрица распадается и удаляется. Двунитевая ДНК синтезируется в цитоплазме,  а  затем перемещается в ядро и может встроиться в геном, образуя провирус. Такие мобильные элементы называют ретротранспозонами. Некоторые элементы перемещаются непосредственно как ДНКовые элементы и называются транспозонами.

 

Транспозоны млекопитающих

У млекопитающих в составе генома обна­ружено несколько классов умеренно повторен­ных последовательностей: SINE (short inter­spersed nuclear elements) и LINE (long intersper­sed nuclear elements). Элементы SINE — это фрагменты длиной 100-300 п.н., чередующиеся с уникальными последовательностями от 1000 до 2000 п.н. Элементы LINE имеют длину бо­лее 5 тпн, они чередуются с уникальными по­следовательностями до 35 т.п.н. длиной. Как SINE, так и LINE представлены семействами, состоящими из одинаковых элементов.

В геноме человека SINE широко представ­лены семейством элементов Alu. Члены этого семейства имеют длину 300 п.н. и повторены в геноме от 300 000 до 500 000 раз. Около 3 % генома человека приходится на долю этих по­второв. Наименование Alu этот элемент полу­чил, поскольку содержит сайт узнавания рес-триктазы Alul. Каждая /i/м-последовательность фланкирована прямыми повторами длиной от 7 до 20 п.н. По этой причине полагают, что Alu-повторы являются мобильными элементами, скорее всего ретротранспозонами.

 

Фукциональное значение мобильных элементов

Наличие мобильных элементов в гено­мах имеет разнообразные генетические по­следствия.

 

1. Перемещения и внедрение мобильных элементов в гены может вызывать мутации.

Так, большинство «спонтанных» мутаций в локусе white у дрозофилы индуцированы инсерциями мобильных генетических элементов. Около 80% спонтанных мутаций, изученных в разных локусах дрозофилы, вы­звано инсерциями мобильных элементов. Вне­дряясь в ген, мобильный элемент может повре­дить экзон, разорвав его. В таком случае ген будет лишен возможности кодировать белок. Попадая в район промоторов или энхансеров, мобильный элемент может повредить регуляторную зону гена. Наконец, инсерция в район интрона может оказаться безвредной, посколь­ку вся последовательность интрона вместе с мобильным элементом будет вырезана во вре­мя процессинга мРНК,  а  соседние экзоны бес­препятственно сплайсируются. В случае встра­ивания мобильных элементов в участки интро-нов, контролирующих процесс сплайсинга, может произойти мутация.

 

2. Изменение состояния активности генов.

Длинные концевые повторы являются про­моторами ретротранспозона, причем как LTR, так и сам ретротранспозон содержат нуклео-тидные последовательности, являющиеся энхансерами транскрипции. Поэтому перемеще­ние этих сигналов в геноме может изменять регуляцию активности генов. Например, если мобильный элемент оказался около протоонкогена, то результатом может быть сверхпродук­ция белка и злокачественное перерождение клетки.

 

3. Формирование хромосомных перестроек.

В результате кроссинговера между одина­ково ориентированными элементами возника­ет делеция и дупликация материала, располо­женного между инсерциями. Если инсерции ориентированы в противопо­ложном направлении, возникает инверсия.

 

4. Формирование теломер.

У дрозофилы отсутствует теломеразная машина, но концы ДНК удлиняются за счет перемещений ретро­ транспозонов.

 

5.   Участие в горизонтальном переносе ге­нов.

Инфекционные ретровирусы способны за­ражать организмы, принадлежащие разным ви­дам, и переносить собственный генетический материал, образуя копии ДНК, встраивающие­ся в геном. Таким образом могли распростра­няться ретротранспозоны. Подобный способ передачи генов получил название горизонталь­ного в отличие от вертикального наследования генов из поколения в поколение.

 

6.   Транспозоны на основе Р-элемента ис­пользуют для трансформации у эукариот, клонирования генов, поиска энхансеров и т.д.

 

Читайте также:

Геномика личности

Последнее обновление ( 06.04.2009 г. )
 
« Пред.   След. »