20 Мобильные генетические элементы (Лекции по генетике)

Лекция 20МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru20.1.0. Общие замечания.Мобильными генетическими элементами, менее строго называемыми такжетранспозонами, называются отрезки ДНК генома, способные:1) либо к перемещению в геноме путем транспозиции, то есть эксцизии (вырезанию) изодного места генома и инсерции (встраиванию) в другое,2) либо к экспансии в геноме за счет дупликаций путем копирования и инсерции копий вгеном.Пользуясь наиболее понятной в наши времена аналогии, можно сказать, что приэтом над генетическим тексном осуществляется одна из привычных нам операций – cutand paste (Ctrl X – Ctrl V) либо copy and paste (Ctrl C – Ctrl V).Как мы увидим, эти две способности довольно сильно различаются, и общего здесьтолько то, что мобильные генетические элементы способны появляться в тех позицияхгенома, где их раньше не было, практически в любой точке генома.

Полноценныемобильные элементы кодируют ферменты, необходимые для вышеуказанных функций, нонуждаются и в ферментной машине, кодируемой в геноме за пределами мобильныхэлементов. Здесь так и хочется сформулировать «в ферментной машине хозяина», имея ввиду, что мобильные элементы можно назвать геномными паразитами. Фактически, таконо и есть. Нас не должен смущать тот факт, что они присутствуют в геноме столь давно,что в некоторых случаях приобрели определенную функциональную нагрузку и сталижизненно необходимыми – вряд ли любой современный организм выжил бы, если быкаким-то образом удалось очистить его геном от всех мобильных элементов.

Но и в мирепаразитизма есть много примеров, когда хозяин теряет возможность жить без некоегопаразита (например, круглые черви филярии, вызывающие слоновую болезнь, уже немогут жить без внутриклеточной паразитической бактерии вольбахии, так что слоновуюболезнь теперь лечат антибиотиками).Однако большинство копий мобильных элементов в геноме дефектны – они либонеавтономны, то есть перемещаются или размножаются с использованием ферментов,кодируемых недефектными – автономными - копиями, либо вообще не способны кперемещению и постепенно деградируют за счет мутаций.Мобильные генетические элементы подразделяют на два больших класса и один(или больше) маленьких.Класс 1. Ретротранспозоны.Размножаются в геноме посредством копирования и инсерции копий – «попринципу Copy and Paste» (Ctrl C – Ctrl V). Копирование идет через РНК-посредники ифермент ревертазу (это русское название, по-английски – обратная транскриптаза, reversetranscriptase).

Этот фермент сначала строит цепь ДНК по матрице РНК, затем РНКгидролизуется тем же самым ферментом или отдельной РНКазой, и та же самая ревертазадостраивает вторую цепь ДНК. В геноме ДНК ретротранспозона всегда остается на месте.За счет этого: а) общая масса ретротранспозонов в геноме имеет тенденцию к увеличениюи б) индуцированные их инсерциями мутации стабильны.Подкласс 1.1. LTR-ретротранспозоныАббревиатура LTR означает Long Treminal Repeat – эти ретротранспозоны имеютдлинные (100 – 5000 пар оснований) прямые терминальные повторы. (В механизмеразмножения этих ретротранспозонов очень важно, что повторы именно прямые, а неинвертированные.) Они сходны с ретровирусами, но не образуют вирионов, чем,собственно, от них и отличаются. Встроенные в геном ретротранспозоны функциональноне отличаются от провирусов. Обычно ретротранспозон включает два гена.

Первыйсходен с геном gag ретровинусов, кодирующий белковые компонентынуклеопротеинового компонента вирионов, второй – с геном pol, ответственным за всеактивности, связанные с транспозицией: протеазную, ревертазную, РНК-азную иинтегразную. Ген pol транслируются как полипротеид, который затем разрезаютсяпротеазами на отдельные ферменты (иногда не до конца). Иногда оба гена gag и polтранслируются как единый полипротеид.

Иногда есть третий ген, позиция которогосовпадает с позицией гена ретровирусов env, кодирующего белки капсида, однакогомологии с этим геном не прослеживается. Потеря функционального гена env и отличаетLTR ретротранспозоны от ретровирусов.Ретротранспозон всегда транскрибируется как единая мРНК. LTR имеют триучастка – U3, R и U5; транскрипция идет от 5’конца левого R до 3’конца правого R, такчто образующаяся мРНК не несет копии левого U3 и правого U5. Обратная транскрипцияпроисходит в цитоплазме, поскольку первоначальной затравкой служит тРНК, к которой«правее» (примыкая к его 3’концу) левого LTR имеется комплементарный участок.

От неестроится комплементарная цепь ДНК до 5’-конца РНК. Затем РНК в ДНК-РНК дуплексеудаляется, но в месте посадки тРНК находится РНК-РНК дуплекс, который сохраняется.РНК ретротранспозона закольцовывается и одноцепочечная ДНК праймирует построениевторой цепи ДНК на оставшемся участке. В ходе этих событий новая ДНК-копиятранспозона приобретает недостающие вторые копии U3 и U5, при этом она остаетсялинейной, а не кольцевой.

Она перемещается в ядро и встраивается в геном.Встройка происходит под действием фермента интегразы, по одной молекулекоторого связываются с обоими концами транспозона, которые представляют собой оченькороткие инвертированные повторы. При этом они осуществляют процессинг 3’-концовтранспозона, удаляя 2-3 нуклеотида, так что укороченный 3’-конец с каждой стороныкончается динуклеотидом СА, а 5’-конец оказывается висячим и временно прикрепляетсяк 3’-концу, образуя шпильку. Обе молекулы интегразы образуют димер и вместе атакуютхозяйскую ДНК по специфическим очень коротким, вплоть до динуклеотида, напримерAT, сайтам-мишеням, обладающим симметрией в двуцепочечном состоянии.

По разнымсторонам этого сайта вносятся два однонитевых разрыва с образованием висящих 3’концов. При этом укороченные (!) 3’-концы транспозона атакуют хозяйскую ДНК, вносяоднонитевые разрывы по краям мишени, шпилька раскрывается, а висячие 5’-концыретротраспозона прикрепляются к образовавшимися 5’концами.У эукариот имеются три основных класса LTR-ретротранспозонов: Ty1- copia like,Ty-3 gypsy like и Pao BEL (эти имеются только у животных).1.2. Non-LTR Retrotransposones1.2.1. LINE (Long Interspersed Elements) – не имеют LTR.

В их кодирующей цепи на3’конце имеется сигнал полиаденилирования и поли-А. На первый взгляд они не имеютструктур, специализированных для восстановления собственной структуры послетранскрипции, а скорее выглядят как двуцепочечные ДНК реплики с «обычных» мРНК.Однако воспроизведение и встройка полноценной копии такого транспозонаобеспечиваются тем, что промотор к РНК-полимеразе II, с которого начинаетсятранскрипция LINE – внутренний, то есть транскрибируемый (тогда как обычно всепромоторы для этой полимеразы - внешние), то есть он транскрибирует в частностисамого себя.

Терминация транскрипции происходит в районе поли-А, но затем поли-Адостраивается, как и при процессинге обычной мРНК, так что первичная структуратранскрипта LINE приобретает полную гомологию самому ретротранспозону.Обратная транскрипция идет не в цитоплазме, а прямо в ядре, поскольку затравкойдля нее служит сама геномная ДНК в месте будущей втройки ретротранспозона. Для этогов нее вносится одноцепочечный разрыв по 3’-границе какого-нибудь поли-Т тракта.Образовавшийся одноцепочечный поли-Т-конец оказывается комплементарным поли-Атракту РНК-транскрипта ретротранспозона и затравкой для ее обратной транскрипции.Промотор для ревертазы находится у LINE-ретротранспозонов непосредственно передполи-А трактом.

Таким образом, в самом начале построения ДНК ретротранспозона оноказывается ковалентно связанным с местом своей будущей посадки. Такиеретротранспозоны могут залечивать собой уже имеющиеся разрывы в ДНК. Как и LTRретротранспозоны, LINE имеют ген, подобный гену gag и ген, ответственный за всефункции, необходимые для встраивания – связь с нуклеиновыми кислотами, ревертазную(с особым сродством к собственной РНК) и нуклеазную активности.Подкласс 1.2.2. SINE (Short Interspersed Elements) – это короткиепоследовательности, до 1500 пар оснований, но обычно меньше 500 пар.

Их первичнаяструктура обнаруживает сходство с тРНК, рРНК или прочими небольшими РНК,транскрибируемыми РНК-полимеразой III. Со всей очевидностью, SINE происходятименно от них: если у них перед поли-А случайно оказывается участок, похожий на 3’транскрибируемый район LINE, то ревертаза от LINE ошибочно распознает их кактранскрипт LINE, строит по их матрице двуцепочечную ДНК и встраивает ее в геном.Понятно, что чтобы после встройки они оставались способными к транскрипции идальнейшему размножению, необходимо, чтобы у таких встроенных копий сохранялсявнутренний промотор (то есть чтобы РНК-полимераза транскрибировала тот промотор, скоторым связалась).

И таким свойством действительно обладают промоторы к РНКполимеразе III, в норме транскрибирующей вышеупомянутые функциональные РНК.Поэтому SINE и происходят как правило от тРНК, рРНК или 7SL РНК (как широкоизвестный Alu-повтора), и ею же транскрибируются. Однако, не имея в своем составеникаких генов, ответственных за собственное размножение в геноме, они размножаютсяза счет ревертазы и интегразы, кодируемыми LINE.Разные группы организмов сильно различаются в отношении присутствия в своемгеноме SINE.