Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

Имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Химико-технологический институт

Кафедра технологии органического синтеза

Домашняя контрольная работа №2

по дисциплине «Биохимия»

На тему «Мобильные генетические элементы эукариот: транспозоны и ретротранспозоны

Студент Мартюшова Г.П. группы Х-320802

Преподаватель Садчикова Е.В. доцент, к.х.н.

Екатеринбург 2015

Оглавление

• транспозон эукариот цитогенетический
• Введение
• Классификация подвижных генетических элементов, их структура и способы перемещения
• Роль мобильных элементов в геноме эукариот
• Заключение
• Библиографический список


Введение

В начале 1950_х гг. Б. Мак-Клинток на основе генетических экспериментов, выполненных на кукурузе, постулировала наличие в геноме высших эукариот подвижных генетических элементов. Спустя два десятилетия при анализе некоторых мутаций дрозофилы предположили наличие у нее аналогичных генетических элементов. В результате экспериментов по гибридизации политенных хромосом слюнных желез Drosophila melanogaster с клонированными повторяющимися последовательностями хромосомной ДНК дрозофилы удалось доказать, что эти последовательности могут менять свое положение в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Подвижные элементы включают примерно от тысячи до десятков тысяч нуклеотидных пар ДНК. Размеры подвижных элементов сопоставимы с сильно изменчивыми длинами настоящих генов, локализация которых в геноме стабильна [1,2].

Открытие подвижных (мобильных) элементов показало, что последовательность нуклеотидов ДНК по длине хромосомы не неизменна, она может изменяться благодаря перемещению этих элементов. Оказалось, что подвижные элементы, встраиваясь в гены или окрестности генов, вызывают мутации. Так, например, у плодовой мушки дрозофилы подавляющая часть (более 80%) мутаций, возникающих спонтанно (то есть не вызванных облучением или химическими агентами), обусловлены внедрением подвижных элементов. Достаточно неожиданной оказалась способность подвижных элементов изменять и даже повышать уровень активности близлежащих генов. Эти открытия позволили по-новому взглянуть на природу мутационных процессов и молекулярных механизмов эволюции генома.

Открытие подвижных элементов нисколько не посягает на классические представления хромосомной теории наследственности о стабильном расположении генов по длине хромосом. Перемещения подвижных элементов - это достаточно редкие события: у бактерий один акт перемещения обычно удается зарегистрировать примерно на десять тысяч - один миллион клеток (частоты перемещений сильно варьируют). Частоты транспозиций у дрозофилы настолько малы, что их трудно заметить и оценить. Только в особых ситуациях, вызванных внешними воздействиями или мутациями генов хозяина или самих подвижных элементов, частоты перемещений могут резко (на два-три порядка) увеличиваться, достигая, например, у дрозофилы одного события на 10 - 100 особей за поколение [2].

Классификация подвижных генетических элементов, их структура и способы перемещения

Различают два основных класса подвижных элементов: транспозоны и ретротранспозоны. Такая классификация основана на молекулярных механизмах, с помощью которых перемещаются подвижные элементы.

Транспозоны перемещаются с участием комплекса белков, обеспечивающего активность фермента транспозазы, которая «узнает» элемент и обеспечивает его перенос на новое место. Мобильные элементы обычно фланкированы короткими повторами генома хозяина, служащими целевой последовательностью для их интеграции, причем они часто оканчиваются инвертированными повторами. Инвертированные повторы - это последовательности, направленные навстречу друг другу. Они необходимы для перемещения элемента, которое осуществляется благодаря их сближению друг с другом и узнаванию транспозазами. Инвертированные повторы сближаются и точно отрезаются от соседних участков ДНК хозяина [2,3].

Успешному вырезанию элемента способствует дополнительная сверхспирализация двухнитевой спирали ДНК, обеспечивающая изгибы двойной спирали и сближение отдельных ее участков. Вырезанный транспозон внедряется в район вносимого транспозазой разрыва в молекуле-мишени и сшивается с ДНК хозяина в новом месте (см. рис. 1). Разрыв и зашивание осуществляются транспозазой и вспомогательными белками. Транспозаза может кодироваться как самим подвижным элементом, который будет перемещаться, так и другой копией элемента, локализованной в том же геноме в отдалении.

Рис.1. Механизм перемещения ДНК-транспозона [4]

Брешь в ДНК, оставляемая после вырезания транспозона, может залечиваться - застраиваться с участием гомологичного участка, например сестринской, только что редуплицированной молекулы ДНК[2].

Число ДНК транспозонов не увеличивается при транспозиции, но число их копий в видовом геноме обычно может достигать от нескольких штук до нескольких сот. Эти элементы кодируют один или несколько белков, достаточных для того, чтобы транспозиция осуществилась. Структура их концевых последовательностей является более сложной, чем у ретротранспозонов, поскольку содержит два типа последовательностей, действующих в cis - положении, таких, как концевые инвертированные повторы (КИП) и субконцевые последовательности, которые совместно регулируют механизм вырезания-сшивания [1].

Другой большой класс подвижных элементов - это ретротранспозоны, они не вырезаются из хромосомы, как это делают транспозоны. Механизм их перемещения основан на существовании открытой в 1970 году Г. Теминым и Д. Балтимором реакции обратной транскрипции - синтеза нити ДНК на РНК. Химическая реакция протекает так же, как при образовании нити комплементарной ДНК на ДНК-матрице при репликации двухнитевой молекулы ДНК. Ретротранспозоны используют РНК в качестве посредника (рис.1) [3,5].

Рис.2. Tранспозиция в новый сайт генома хозяина двух типов мобильных элементов посредством вырезания и последующей интеграции участа ДНК (слева) и с помощью РНК-посредника, сопровождаемая обратной транскрипцией кДНК и ее вставкой в новый сайт генома (справа) [3]

Ретротранспозоны транскрибируются подобно другим последовательностям генома, и полученная РНК используется в качестве матрицы для синтеза кДНК с помощью фермента обратной траскриптазы, кодируемого ДНК транспозона [3]. Новосинтезированный ретротранспозон встраивается в другой участок генома.

Активные ретротранспозоны млекопитающих делятся на три основные семьи: Alu-повторы, ДДП-1, SVA.

ДДП-1 ретротранспозоны - длинные диспергированные повторы - тип ретротранспозонов, который широко распространён у млекопитающих и составляет до 20 % генома. ДДП-1 элементы имеют длину около 6 тысяч пар оснований. Большинство этих ретротранспозонов в геноме представлено неполно, хотя существует примерно 150 полных и потенциально мобильных ДДП-1 элементов в последовательности ДНК человека и примерно 3000 - у мыши [6].

ДКП - длинные концевые повторы - ретротранспозоны, имеющие конечные повторяющиеся последовательности, которые играют важную роль в транскрипции и обратной транскрипции РНК транспозона. ДКП-элементы кодируют белки pol и gag, которые близки к белкам ретровирусов, но, в отличие от последних, ДКП не хватает белков, которые смогли бы сформировать внешнюю оболочку (суперкапсид) и выйти из клетки.

КДП - короткие диспергированные повторы, являются неавтономными ретротранспозонами: они требуют активности ДДП-1 элементов для передвижения, в ДНК последовательности КДП содержат только участок связывания РНК-полимеразы. В число КДП входят Alu-ретротранспозоны [7].

Alu-повтор (Alu от Arthrobacter luteus) -- широко распространённые мобильные элементы в геноме человека. Alu-элементы имеют длину около 300 пар оснований и часто расположены в интронах, участках генома, которые не транслируются, и межгенных участках. Приставку Alu- ретротранспозоны получили за то, что они содержат последовательность распознавания рестрикционного энзима AluI. Анализ последовательностей показал, что Alu - элементы возникли у приматов примерно 65 миллионов лет назад от гена 7SL РНК, который входит в рибосомный комплекс. Alu-ретротранспозоны не имеют собственной обратной транскриптазы, поэтому для передвижения им необходимые ферменты ДДП-1 элементов [8].

SVA - мобильные элементы длиной в 2-3 тысячи пар оснований ДНК, состоящие из нескольких частей. SVA элементы значительно варьируют в длину из-за разного количества составляющих повторов. Они не являются автономными и нуждаются в белках, закодированных в ДДП1 ретротранспозонах для передвижения, но они активны в геноме человека. SVA-элементы претерпевают высокий уровень метилирования ДНК в большинстве тканей человека[6].

Ретротранспозоны широко распространены у эукариот, населяя геномы дрожжей, растений, насекомых и позвоночных, включая человека. Ретротранспозоны пока не обнаружены у прокариот. Тысячи различных семейств ретротранспозонов могут занимать до 70-85% ядерной ДНК растений и животных. Около 75% генома кукурузы представлено ретротранспозонами, главным образом ДКП типа. В то же время маленький геном дрожжей Saccharomices cerevisiae содержит только лишь пять семейств ДКП ретротранспозонов, занимающих лишь 3% их геномной ДНК. В геноме Arabidopsis обнаружено несколько сот семейств ДКП и без ДКП ретротранспозонов, которые составляют около 14% его ядерной ДНК. У млекопитающих число LINE и SINE может достигать сотни тысяч копий, составляя 35% величины их генома. В целом разнообразие и численность мобильных элементов в геномах растений выше, чем у представителей других царств. На рис.2. отображена представленность различных типов транспозонов в геноме человека [1,2,3,9].

Рис.3. Представленность транспозонов в геноме человека [9]

Роль мобильных элементов в геноме эукариот

Присутствие мобильных элементов в геноме является необходимым для генерирования генетического разнообразия посредством гомологической рекомбинации в неаллельных локусах, возникновения хромосомных пере-строек и изменения экспрессии генов путем инсерций в их регуляторные последовательности или путем разрушения генов посредством инсерций в их кодирующие последовательности. ДНК транспозоны способны вызывать нестабильные мутации благодаря процессу вырезания и вставки своих нуклеотидных последовательностей в новые сайты.

Мобильные элементы как относительно автономные последовательности ДНК со своими собственными генами, обеспечивающими транспозицию, могут размножаться в видовом геноме, одновременно увеличивая при этом груз вредных мутаций, которые снижают его среднюю приспособленность. Передвижение транспозонов может вызвать ряд цитогенетических эффектов, включая разрывы хромосом и инверсии.

Ранние наблюдения МакКлинток и других исследователей показали, что транспозоны могут содействовать переносу генов не только в рамках видового генома, но также могут облегчать и горизонтальный перенос генов между разными видовыми геномами.

Многочисленные мобильные элементы, встроенные в видовые геномы, играют свою роль в горизонтальном переносе ДНК как внутри отдельного вида, так и между видовыми геномами. Этот процесс сопровождает и дополняет процесс вертикальной передачи видовых геномов из одного поколения в другое и вносит свой вклад в реорганизацию геномов и изменение их размеров в ходе колонизации и эволюции. Существуют также механизмы, которые ограничивают подвижность мобильных элементов и их накопление в видовых геномах, способствуя таким образом сохранению организации генома и его приспособленности [3].

Ретротранспозоны залечивают двухнитевые разрывы ДНК. Обычно двухнитевой разрыв залечивается с помощью гомологичной молекулы ДНК, например сестринской, только что реплицированной нити. Однако, если клетка лишена обычной системы залечивания двухнитевого разрыва, то в качестве заплатки может быть использована подвижная ДНК. Оказалось, что в роли такой подвижной ДНК может выступать реплицирующаяся ДНК ретротранспозонов. В этом случае спасательную функцию осуществляет класс ретротранспозонов, содержащих ДКП. Заплатка позволит хромосоме сохранить целостность и не утратить концевого фрагмента. Правда, брешь в двухнитевой спирали ДНК будет залеплена заплаткой из ретротранспозона, то есть исходная нуклеотидная последовательность не будет восстановлена. Однако если район разрыва не содержал существенного гена, то клетка, а возможно, и организм сохранят жизнеспособность. Возможность участия ретротранспозонов, содержащих длинные концевые повторы, в процессе заживления двухнитевых разрывов была обнаружена в клетках дрожжей недавно, поэтому молекулярные механизмы обнаруженного явления остаются пока невыясненными [2].

Ретротранспозоны выступают как компоненты генома, спасающие хромосому от укорачивания. При воспроизведении ДНК перед клеточным делением синтез ДНК начинается с образования затравки РНК, поскольку фермент ДНК-полимераза способен только добавлять дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу полинуклеотидной цепи, но неспособен начинать синтез цепи ДНК. Затравка затем удаляется, и бреши застраиваются. Однако на одном из концов реплицирующихся молекул останется брешь, которую не удается заделать с помощью ДНК-полимеразы, работающей в 5'-3' направлении. Возникает опасность, что одиноко выступающий однонитевый конец ДНК будет уничтожен каким-либо ферментом, в результате чего молекула укоротится с конца. Если не принять соответствующих мер, то при каждом акте репликации ДНК хромосома будет укорачиваться с концов. В конечном итоге могут быть утрачены важные гены и клетка погибнет. В качестве спасателей в ряде случаев выступают ретротранспозоны, относящиеся к семействам, без длинных концевых повторов. Ретротранспозоны перемещаются, образуя повторяющуюся структуру, в которой элементы соединены друг с другом по типу «голова к хвосту». Таким образом, если эти ретротранспозоны и существовали когда-то как элементы-паразиты, то впоследствии геном хозяина приспособил их для выполнения столь важной функции, как сохранение концевых участков хромосом. Эти ретротранспозоны стали уже не эгоистами, а бесценными помощниками, спасающими хромосому от потери генов [2].

Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания. По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых является de novo внедрение мобильных генетических элементов. Alu-повторы часто вызывают хромосомные аберрации и являются причиной 50 разновидностей заболеваний. Так, у нейрофиброматоза I типа было найдено 18 случаев встроенных ретротранспозонов, 6 из которых происходят в 3 специфических местах. Активность ДДП-1 мобильных элементов в соматических тканях зафиксирована у пациентов с раком легких.

Если транспозиция, которая вызывает заболевания, происходит в гаметах, то следующие поколения наследуют болезни. Так, гемофилия может возникать из-за встраивания ретротранспозона ДДП-1 в участок ДНК, кодирующий ген VIII фактора свертывания крови. У мышей были зафиксированы случаи онкогенеза, остановки развития и стерильность в связи со встраиванием мобильных элементов генома[10,11].

Естественный отбор способствует возникновению динамического баланса между положительными и отрицательными воздействиями мобильных элементов на приспособленность генома. Те видовые геномы, которые не способны противостоять вторжению генетических паразитов, неизбежно вытесняются из биосферы. Однако в процессе коэволюции большинство видов выработало компромиссную стратегию для защиты генома от неограниченного размножения мобильных элементов. Увеличение размера генома, например, ограничено оптимальным соотношением между ядром и объемом клетки, способным поддерживать установившийся темп метаболических процессов.

Поэтому лишь те мобильные элементы, которые приобрели отрицательную обратную связь на эффект дозы, сохранились в ходе эволюции, в то время как более агрессивные ДНК-паразиты исчезли [3].

Поскольку мобильные элементы генома способны к встраиванию в хроматин, они используются в генной инженерии для специального и контролируемого встраивания генов или участков ДНК, которые изучают учёные. Транспозоны используются для мутагенеза и для определения регуляторных элементов генома в лабораториях. Наиболее изученные транспозоны с успехом используют в качестве молекулярных векторов (молекула нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК, используемая в генетической инженерии для передачи генетического материала другой клетке) [1, 9].

Кроме использования транспозонов в генной инженерии, изучение активности транспозонов является методом филогенетики. Путём анализа и сопоставления нуклеотидных последовательностей геномов различных видов можно найти транспозоны, которые имеются у одних видов, но отсутствуют у других. Виды, у которых есть одинаковый ретротранспозон, скорее всего получили его от общего предка. Таким образом, можно получить информацию об эволюционном развитии видов и строить филогенетические деревья[8].

Заключение

В 70-х годах в области молекулярной генетики были сделаны существенные открытия: оказалось, что отдельные фрагменты ДНК, имеющие специальную структурную организацию, могут перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они были названы подвижными элементами. Подвижные элементы включают примерно от тысячи до десятков тысяч нуклеотидных пар ДНК.

Некоторые элементы, называемые транспозонами, меняют сайт интеграции самостоятельно с помощью ДНК-посредника, в то время как другие, называемые ретротранспозонами, используют РНК в качестве посредника. Подвижные элементы эукариот представлены отдельными семействами, сходными по своей структуре и поведению. Внутри семейства различают подсемейства идентичных или очень сходных подвижных элементов, число которых колеблется от нескольких копий до нескольких тысяч копий на геном. В целом подвижные элементы обычно составляют 10-30% всей массы ДНК.

Огромное число ретротранспозонов у всех видов эукариот отражает пластичность и допустимые отклонения в организации их геномов. Ретротранспозоны пока не обнаружены у прокариот.

Присутствие мобильных элементов в геноме является необходимым для генерирования генетического разнообразия, возникновения хромосомных перестроек и изменения экспрессии генов. ДНК транспозоны способны вызывать нестабильные мутации благодаря процессу вырезания и вставки своих нуклеотидных последовательностей в новые сайты. Передвижение транспозонов может вызвать ряд цитогенетических эффектов, включая разрывы хромосом и инверсии. Некоторые транспозоны вызывают заболевания.

Мобильные генетические элементы применяются в генной инжененрии, изучаются в филогенетике.

Библиографический список

1. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: учебно-справочное пособие / С.Н. Щелкунов. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2010. - 514 с.

2. Гвоздев В.А. Подвижная ДНК эукариот // Соросовский Образовательный Журнал. - 1996. - №2. - С. 22 - 31.

3. Савченко В.К. Геогеномика: организация геосферы / В.К. Савченко. - Минск: Беларус. навука, 2009. - 405 с.

4. Сиволоб, А.В. Молекулярна біологія : підручник / А.В. Сиволоб. Київ: Видавничополіграфічний центр мКиївський університето, 2008. - 384 с.

5. Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: репликация ДНК // Соросовский Образовательный Журнал. - 1996. - №4. С. 11 - 17.

6. Singer Tatjana,

7. McConnell M. J., Marchetto M.C.N., LINE-1 retrotransposons: mediators of somatic variation in neuronal genomes? // Trends in Neurosciences. - 2010. - Vol. 33 (8). - P. 345-354.

8. Levin Henry L., Moran John V., Dynamic interactions between transposable elements and their hosts // Nature Reviews Genetics. - 2011 - Vol. 12 (9). - P. 615-627.

9. Batzer Mark A., Deininger Prescott L., Alu repeats and human genomic diversity // Nature Reviews Genetics. - 2002. - Vol. 3 (5). - P. 370-379.

10. Транспозоны [электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%8B (дата обращения 15.05.15).

11. Hancks Dustin C., Kazazian Haig H., Active human retrotransposons: variation and disease // Current Opinion in Genetics & Development. - 2012. - Vol. 22 (3). - P. 191-203.

12. Zamudio N, Bourc'his D., Transposable elements in the mammalian germline: a comfortable niche or a deadly trap // Heredity. - 2010. - Vol. 105 (1). - P. 92-104.

Размещено на Allbest.ru