Мигрирующие элементы генома: транспозоны и ретротранспозоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харьковский национальный университет им.В.Н. Каразина

Мигрирующие элементы генома: транспозоны и ретротранспозоны

Выполнила:

Никитенко Дарья гр. БФ-31

Проверила:

Орлова Ольга Викторовна

Харьков 2010

Содержание

Ген

Геном вирусов

Мигрирующие генетические элементы

Транспозоны

Роль транспозонов

Ретротранспозоны

Ген

Ген представляет собой последовательность нуклеотидов ДНК размером от нескольких сотен до миллиона пар нуклеотидов, в которых закодирована генетическая информация о первичной структуре белка (число и последовательность аминокислот). Для регулярного правильного считывания информации в гене должны присутствовать: кодон инициации, множество смысловых кодонов и кодон терминации. Три подряд расположенных нуклеотида представляют собой кодон, который и определяет, какая аминокислота будет располагаться в данной позиции в белке.

Для прокариот характерна относительно простая структура генов. Так, структурный ген бактерии, фага или вируса, как правило, контролирует одну ферментативную реакцию. Специфичным для прокариот является оперонная система организации нескольких генов. Гены одного оперона (участка генетического материала, состоящего из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита; в оперон эукариот входит, как правило, 1 структурный ген; оперон содержит регуляторные элементы) расположены в кольцевой хромосоме бактерии рядом и контролируют ферменты, осуществляющие последовательные или близкие реакции синтеза (лактозный, гистидиновый и др. опероны).

Структура генов у бактериофагов и вирусов в основном схожа с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом хозяев. Например, у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, а полная зависимость вирусов эукариот от метаболизма клетки-хозяина привела к появлению экзон-интронной структуры генов.

Геном вирусов

Геном вирусов, заключенный внутри вирионов, может быть представлен одноцепочечными или двухцепочечными ДНК или РНК. Гены вирусов могут быть заключены в одной хромосоме или разделены на несколько блоков (хромосом), которые все вместе и составляют геном таких вирусов. Например, у реовирусов геном представлен двухцепочечной РНК и состоит из десяти сегментов. Геномы вирусов, содержащих одноцепочечную РНК, также могут быть либо цельными (например, у ретровирусов ), либо сегментированными (например, у ортомиксовирусовили аренавирусов ).

Геном РНК-содержащих вирусов представлен только линейными молекулами РНК. Все известные ДНК- содержащие вирусы позвоночных имеют геном, заключенный в одной хромосоме, линейной или кольцевой, одно- или двухцепочечной. У некоторых вирусов, например, у вируса гепатита В , геном представлен кольцевой ковалентно замкнутой молекулой двухцепочечной ДНК, в обеих цепях которой в разных местах обнаружены одноцепочечные участки. У нескольких родов, например, адено-ассоциированных вирусов , комплементарные цепи ДНК находятся в различных вирусных частицах.

Геном вирусов включает:

· Структурные гены, которые кодируют белки. Занимают примерно 95 % вирусной хромосомы. Белки вирусов можно разделить на несколько групп: структурные, ферменты, регуляторы.

· Регуляторные последовательности, которые не кодируют белки: промоторы, операторы и терминаторы.

· Прочие некодирующие участки (сайты), в том числе:

-участок attP, обеспечивающий интеграцию вирусной хромосомы в хромосому клетки-хозяина;

-участки cos - липкие концевые участки линейных вирусных хромосом, обеспечивающие замыкание линейной хромосомы в кольцевую форму.

Гены, кодирующие рРНК и тРНК, в геноме вирусов обычно отсутствуют. Однако в геноме крупного фага Т4 имеются гены, кодирующие несколько тРНК.

Геном вирусов отличается высокой плотности упаковки информации. Например, у фага ц Х174 в пределах одного гена может располагаться еще один ген (на рисунке кольцевая ДНК представлена в линейной форме). В частности, ген В находится в пределах гена А, а ген Е - в пределах гена D:

Мигрирующие генетические элементы.

Мигрирующие генетические элементы (мобильные гены, прыгающие гены), дискретные фрагменты (сегменты) ДНК, способные встраиваться в разные участки генома; их расположение на хромосомах может меняться как в процессе исторического развития мира организмов, так и в пределах жизни одного индивидуума. Найдены практически во всех изученных организмах - от бактерий до человека. Они весьма различаются по своему нуклеотидному составу и той роли, которую они играют в клетке.

Вирус, как известно, способен переносить значительное число генетического материала и тем самым вызывать резкое, скачкообразное изменение сразу многих признаков того или иного вида. На настоящий момент достоверно подтверждено наличие у вирусов мигрирующих (мобильных генов) .

Механизм подобной замены генов осуществляется с помощью фермента, получившего название «обратной транскриптазы». Данный фермент был открыт в 1970 году Темином и Балтимором независимо друг от друга. После проникновения вируса в клетку обратная транскриптаза осуществляет синтез сначала одноцепочейной комплиментарной ДНК, а затем, по её матрице - двухцепочейной ДНК-копии.

Данная теория лучше позволяет объяснить одновременное возникновение достаточного числа особей нового вида из старого. Схожую концепцию развивал генетик Виталий Кордюм. В монографии «Биосфера и эволюция» он утверждал ведущее значение горизонтального переноса генов в эволюционном процессе. Однако горизонтальный перенос осуществляется не только посредством вирусом, а целым классом мобильных элементов.

Транспозоны

Транспозон - последовательность ДНК, способная реплицироваться и внедрять одну из копий в новое место генома.

Транспозоны и IS-элементы входят, как правило, в состав хромосом, но способны переходить из хромосомы в плазмиду, поэтому также могут быть отнесены к нехромосомным генетическим элементам.

Мигрирующие элементы могут встраиваться в разные участки бактериальной хромосомы или мигрировать с бактериальной хромосомы на плазмиду; их репликация осуществляется под контролем тех же механизмов, что и у соответствующей хромосомы или плазмиды . Частота переносов (транспозиции) мигрирующих элементов колеблется от 10^-4 до 10^-7 .

IS-элементы содержат информацию, необходимую только для их переноса внутри клетки, никаких выявляемых признаков в них не закодировано. Транспозоны устроены более сложно: в них включены некоторые гены, не имеющие отношения к процессу транспозиции.

Известно много транспозонов, в состав которых входят гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и др. ядам. При этом один и тот же транспозон иногда несет целый набор Детерминант резистентности (т. наз. V-детерминанты). Такие транспозоны наиболее широко распространены, т.к. представляют ценность для селекции бактерий.

Существуют транспозоны, содержащие гены, которые кодируют токсины, а также свойственные данному организму ферменты. Как правило, Tn-элементы несут на концах целые или частично измененные IS-элементы, которые сообщают им способность перемещаться по геному и вызывать в нем те же изменения, что и свободные IS-элементы. При этом 2 концевые IS-подобные терминальные последовательности в зависимости от типа транспозона могут иметь прямую или инвертируемую последовательность нуклеотидов. Разные транспозоны часто содержат одинаковые терминальные последовательности нуклеотидов.

Транспозоны вместе с плазмидами и фагами (в которые они легко интегрируются) способны осуществлять обмен различных заключенных в них генов между весьма отдаленными видами бактерий, поэтому они играют чрезвычайно важную роль в эволюции бактерий, включая адаптацию их к лекарственным веществам и продуцирования ими новых токсинов.

Транспозиция Tn-элементов осуществляется по такому же механизму, как и IS-элементов, и также включает стадию трансляции. Большинство транспозонов не выбирает для своего включения строго определенные последовательности в ДНК. Однако обычно они предпочитают некоторые районы хромосом и даже специфические участки, причем разные Тn-элементы различаются по специфичности выбора мест интеграции.

Частота и характер перемещений IS- и Тn-элементов варьируют в весьма широких пределах и зависят прежде всего от свойств самих элементов. Например, ТnЗ плазмиды перемещаются чаще в др. плазмиды, чем в хромосому. На транспозиции влияют не только генетические, но и различные внешние факторы, например УФ облучение. По-видимому, яды, инактивация которых обусловлена генами транспозонов, могут индуцировать синтез ферментов, необходимых для транспозиции этих транспозонов.

Для переноса мигрирующих элементов между клетками нужен переносчик, которым могут быть определенные плазмиды или фаги . Встраивание мигрирующих элементов в бактериальную хромосому оказывает мутагенное действие, так как при этом происходит включение фрагмента ДНК, приводящее к изменению порядка расположения нуклеотидов в триплете и, как следствие этого, нарушению процесса транскрипции .

Транспозоны - это мобильные элементы, обычно имеющие длину около 2500-7000 н.п., представленные в геноме в основном семействами диспергированных повторов. От ИЭ они отличаются тем, что переносят так называемые "экзогенные гены", то есть, гены, кодирующие некоторые функции, не имеющие отношения к транспозиции. (Следует отметить, что термин "транспозон" в литературе иногда используется для обозначения любых транспозиционных элементов, включая ИЭ, ретротранспозоны и т.д.) Бактериальные транспозоны обозначаются буквами Tn, за которыми следует номер типа. Некоторые из них являются комплексными (или композиционными) транспозонами (complex or composite transposons), и называются так потому, что два отдельных ИЭ, каждый из которых способен к независимой транспозиции, фланкируют один или более "экзогенных гена". Интересно то, что в композиционных транспозонах транспозиции может подвергаться не только весь комплекс в целом, но и один или оба фланговых ИЭ в отдельности. Поскольку транспозиционная активность кодируется в ИЭ, комплексные транспозоны обычно не содержат независимого гена транспозазы.

Некоторые бактериофаги фактически являются транспозонами или транспозиционными бактериофагами (transposing bacteriophages). Например, бактериофаг Mu является очень большим транспозоном (*38000 н.п.), который кодирует не только ферменты, ответственные за транспозицию, но также и большое число структурных белков, необходимых для упаковки его ДНК.

Транспозоны играют важную роль в процессах переноса лекарственной устойчивости среди микроорганизмов, рекомбинации, и обмена генетическим материалом между различными видами как в природе (горизонтальный перенос генов), так и в ходе генно-инженерных исследований.

Транспозоны были открыты в 1951 году Барбарой Мак-Клинток, которая в 1983 году была удостоена за эти исследования Нобелевской Премии. Транспозоны обычно состоят из двух прямых или инвертированных повторяющихся последовательностей ДНК, между которыми находятся гены, необходимые для транспозиции. Иногда в составе центральной части транспозонов находятся гены, обеспечивающие селективное преимущество для организма, содержащего мобильный элемент.

Роль транспозонов

Биологическая роль транспозонов определяется, прежде всего, их способностью индуцировать геномные перестройки и мутации, а также переносить гены.

Геномные перестройки. Два одинаковых транспозона, присутствующие в клеточной ДНК, могут вызвать внутрихромосомные перестройки. В зависимости от их направления относительно друг друга возможно образование делеций или инверсий участков ДНК, заключенных между ними. При этом один из концов этих перестроек фиксируется в любом концевом повторе, что свидетельствует об участии в этом процессе транспозазы. Как правило, сами элементы при этом сохраняются, и только у составных транспозонов, концевые повторы которых представлены IS-элементами, делеций и инверсии могут происходить и в центральной части. Протяженные инверсии выявлены, например, в ДНК клеток Е. coli и S. typhimurium.

Велика роль IS-элементов и в межхромосомных взаимодействиях. Например, гомологическая рекомбинация между одноименными элементами, находящимися в F-плазмиде и бактериальной хромосоме, приводит к образованию Hfr-клеток и F-плазмид (см. гл. 3). Hfr-клетки и F'-плазмиды могут образовываться и за счет транспозиционного механизма. Участки ДНК, заключенные между транспозонами, могут вести себя как самостоятельный транспозон. Перемещаясь внутри или между хромосомами, они в зависимости от механизма транспозиции вызывают транслокации или дупликации генов.

Мутации. Мутации, вызываемые интеграцией элементов, сильно полярны и ревертируют чрезвычайно редко, так как чаще всего копия транспозируемого элемента остается в исходном сайте. Интересно отметить, что интеграция транспозонов может привести и к противоположному эффекту -- к экспрессии соседнего, "молчащего", гена. Это свойство впервые было обнаружено у 182-элемента, интегрированного в начало gaZ-оперона. В одном положении он инак-тивирует данный оперон, а в инвертированном может заменить дефектный промотор и способствовать экспрессии генов gal. Следовательно, многие транспозоны являются носителями "блуждающих" промоторов и в таком качестве, вероятно, неоднократно выступали при формировании оперонов в процессе эволюции (Kleckner, 1989). Исключение транспозона из хромосомы редко происходит с восстановлением прежней последовательности нуклеотидов. Если этот процесс сопровождается потерей или приобретением нуклеотидов без нарушения рамки считывания гена, то это ведет к появлению новой изо-формы белка, что может иметь селективные преимущества.

Перенос генов. Наиболее ярким проявлением природной функции бактериальных транспозонов является перенос ими генов, тем более что переносятся, главным образом, гены, определяющие устойчивость клеток к различным антиметаболитам. Правда, этот перенос, если не считать конъюгативных транспозонов, осуществляется только внутри клетки. Но именно благодаря ему данные гены включаются в плазмиды и вместе с ними распространяются в популяциях клеток разных видов, изменяя их способность к выживанию в неблагоприятных условиях. Конъюгативные транспозоны выполняют эту функцию самостоятельно. Например, первый найденный у энтеробактерий конъюгативный транспозон CTnscr 94 переносит локус ser, который придает клеткам способность использовать сахарозу как единственный источник углерода.

Различают два класса транспозонов:

§ Класс 1 включает ретротранспозоны, которые перемещаются по геному путём обратной транскрипции с их РНК;

§ ДНК-транспозоны, относящиеся ко второму классу транспозонов, перемещается путём прямого вырезания и вставки с использованием кодируемого транспозоном фермента транспозазы.

Ретротранспозоны

нуклеотид прокариот транспозон ретротранспозон

Ретротранспозоны представляют собой группу транспозонов, механизм перемещения которых во многом совпадает с жизненным циклом ретровирусов. Этот механизм включает в себя процесс копирования (транскрипции) транспозонов, обратное копирование образовавшейся РНК в дуплексы ДНК и внедрение последних в случайные участки клеточного генома. Обратное копирование происходит с помощью обратных транскриптаз, обнаруженных сначала у ретровирусов fTemin, Mizutani, 1970; Baltimor, 1970), а затем даже у Е. coli (Lim, Maas, 1989). По этому признаку группа ретротранспозонов включает в себя сами ретровирусы, ретропозоны и ретрогены.

Ретровирусы. Они содержат однонитевую РНК длиной 6--9 тысяч нуклеотидов, на концах которой расположены прямые повторы R и примыкающие к ним уникальные последовательности: U5 на 5'-конце и U3 на 3'-конце. Между ними находятся три локуса -- gag, pol и env, кодирующие полибелки Gag, Gag--Pol и Env. В капсиде находятся две молекулы РНК, интегра-за, обратная транскриптаза и клеточная тРНК (разная у разных вирусов). Молекулы тРНК служат праймерами в реакции обратной транскрипции для синтеза первой (-)-нити ДНК, связываясь для этого с вирусной РНК в сайте Р, расположенном в области \J5-gag. Для праймирования синтеза (+)-нити ДНК важен полипуриновый тракт Ри, находящийся в области e«v-U3. Сложная цепь полимераз-ных реакций завершается формированием линейной двунитевой ДНК, которая путем консервативной транспозиции с помощью интегразы внедряется в клеточную хромосому, образуя прови-рус. При этом, как и в случае фага Ми, генетические карты вирусной РНК и провируса оказываются одинаковыми. Всего в клеточном геноме появляется около десяти провирусов, через транскрипты которых и происходит размножение вирусов.

Провирусы ограничены длинными (250--1400 п.н.) концевыми повторами U3--R--U5, называемыми LTR (long terminal repeats), которые образуются в процессе обратной транскрипции за счет объединения и дупликации концевых участков вирусной РНК. На концах LTR, а следовательно, и провируса находятся короткие инвертированные повторы. Наличие прямых повторов ДНК-мишени (4--6 п.н.) дополнительно подчеркивает сходство провирусов с транспозонами.

LTR контролируют транскрипцию провирусной ДНК, так как в них находятся промотор (в U3), сайт полиаденилирования (в U5) и энхансер. Провирус транскрибируется в единую мРНК с промотора, находящегося в левом LTR, обеспечивая синтез полибелков Gag и Gag--Pol. Интересно заметить, что синтез полибелка Env происходит на субгеномной мРНК, которая образуется путем сплайсинга части вирусной РНК по сайтам Далее полибелки процессируются, превращаясь в десяток индивидуальных белков, в том числе структурных полипептидов и ферментов. В частности, интеграза, обратная транскриптаза и протеаза, которая ведет процессинг полибелков, кодируются областью pol. Транскрипты идентичны исходной вирусной РНК, поэтому они являются не только матрицами для синтеза вирусных белков, но и могут упаковываться в вирусные капсиды, инициатором чего служит сайт psi (*F) расположенный рядом с U5.

Инфекция клеток ретровирусами хотя и не вызывает их гибель, но и не безразлична для них. Провирус инактивирует ген, в который он интегрировался, и может активировать соседний с ним клеточный ген с помощью своего энхансера или транскрипции с промотора, находящегося в правом LTR. Подобная незапрограмми-рованная конститутивная экспрессия клеточного гена может привести к неконтролируемому делению клеток, если продукт гена каким-то образом влияет на их размножение. К такому же эффекту могут привести и мутации в некоторых генах. Подобные измененные гены называют клеточными онкогенами {с-опс), а их исходные аллели -- протоонкогенами. Онкоген может оказаться и в составе вирусного генома. Вирусные онкогены {v-onc) имеют своих гомологов среди клеточных генов, но в отличие от них не содержат интроны. Очевидно, что они произошли от мРНК клеточных (прото)он-когенов, а онкогенные вирусы выступают в этом случае как природные векторы-переносчики генов. У разных вирусов гены v-onc внедряются в различные участки вирусного генома и часто вызывают их дефектность. Такие вирусы могут размножаться только в присутствии родственных недефектных вирусов.

Размещено на http://www.allbest.ru/