Транспозоны

Транспозоны(англ.transposable element, transposon) — участкиДНКорганизмов, способные к передвижению (транспозиции) и размножению в пределахгенома. Транспозоны также известны под названием «прыгающие гены» и являются примерамимобильных генетических элементов.
Транспозоны формально относятся к так называемой некодирующей части генома — той, которая в последовательностипар оснований ДНКне несёт информацию об аминокислотных последовательностях белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию оферментах, транскрибируются и катализируют передвижения; например,ДНК-транспозоныиДДП-1кодируют белкитранспозаза,БОРС1иБОРС2. У разных видов транспозоны распространены в разной степени: так, у человека транспозоны составляют до 45 % всей последовательности ДНК, у плодовой мухиDrosophila melanogasterчасть мобильных элементов составляет лишь 15—20 % всего генома. Урастенийтранспозоны могут занимать основную часть генома — так, укукурузы(Zea mays) с размером генома в 2,3 миллиарда пар оснований по крайней мере 85 % составляют различные мобильные элементы.
Барбара Макклинтокисследовала вариации окраски зерна и листьев кукурузы, и в 1948 году путёмцитологическихигенетическихисследований пришла к выводу, что мобильные участки ДНК,Ac/Ds-элементы, приводят к соматическомумозаицизмурастений. Она была первой, кто доказал, что геномэукариотне статичен, а содержит участки, которые могут передвигаться. В 1983 году за эту работу Барбара Макклинток получилаНобелевскую премию.
Хотя транспозоны были открыты в1940-хгодах, только через полвека стало понятно, насколько велика их доля вгеномеорганизмов. Так, получение первой нуклеотидной последовательности (секвенирование) генома человека показало, что мобильных элементов в последовательности ДНК не менее 50 %. Точную оценку получить трудно, поскольку некоторые транспозонные участки со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать.
Поскольку транспозоны потенциально способны вызывать вредные мутации и поломкихроматина, с начала открытия мобильных элементов считалось, что их действие сводится к геномному паразитизму. Но в начале XXI столетия появляется всё больше данных о возможных благоприятных эффектах транспозонов для организмов, об эволюционном влиянииретротранспозоновна геномплацентарных млекопитающих. Идентифицируют случаи использования транспозонов организмами. Например,РНКретротранспозонаДДП-1участвует в образованиигетерохроматинаво времяинактивации X-хромосомы.Плодовая мухане имееттеломеразы, а вместо этого используетобратную транскриптазуретротранспозонов для продлениятеломерныхучастков, которые уDrosophila melanogasterпредставлены повторами транспозонов.
Мобильные генетические элементыотносятся к повторяющимся элементам генома — тем, которые имеют несколько копий в последовательности ДНКклетки. Повторяющиеся элементы генома могут располагаться втандеме(микросателлиты,теломерыи т. д.) и могут быть рассеяны по геному (мобильные элементы,псевдогеныи т. д.).
Мобильные генетические элементы по типу транспозиции можно разделить на два класса:ДНК-транспозоны, которые применяют метод «вырезать и вставить», иретротранспозоны, передвижение которых имеет в своем алгоритме синтезРНКизДНКс последующим обратным синтезом ДНК из молекулы РНК, то есть метод «копировать и вставить».
Транспозоны также можно разделить по степени автономности. Как ДНК-транспозоны, так и ретротранспозоны имеют автономные и неавтономные элементы. Неавтономные элементы для транспозиции нуждаются в ферментах, которые кодируются автономными элементами, которые часто содержат значительно изменённые участки транспозонов и дополнительные последовательности. Количество неавтономных транспозонов в геноме может значительно превышать количество автономных.
ДНК-транспозоны передвигаются погеномуспособом «вырезать и вставить» благодаря комплексу ферментов под названиемтранспозаза. Информация об аминокислотной последовательности белка транспозазы закодирована в последовательности транспозона. Кроме того, этот участок ДНК может содержать другие, связанные с транспозоном последовательности, например гены или их части. Большинство ДНК-транспозонов имеют неполную последовательность. Такие транспозоны не являются автономными и передвигаются по геному благодаря транспозазе, которая закодирована другим, полным, ДНК-транспозоном.
На концах участков ДНК-транспозона расположены инвертированные повторы, которые являются особыми участками узнавания транспозазы, таким образом отличая эту часть генома от остальных. Транспозаза способна делать двухцепочные разрезы ДНК, вырезать и вставлять в ДНК-мишень транспозон.
К ДНК-транспозонам принадлежатAc/Ds-элементы растений, которые были впервые открыты Барбарой Макклинток в кукурузе.Ac-элемент (англ.Activator) является автономным и кодирует транспозазу. Есть несколько типовDs-элементов, которые способны к формированию разрывовхромосоми которые перемещаются по геному благодаряAc-элементам.
Гелитроны (англ.Helitron) — тип транспозонов, который есть урастений,животныхигрибов, но который широко представлен в геноме кукурузы, где он, в отличие от других организмов, находится в частях ДНК, богатых генами. Гелитроны транспозируются по механизму «катящегося кольца» (англ.rolling circle). Процесс начинается с разрыва одной цепи ДНК-транспозоны. Высвобожденный участок ДНК вторгается в последовательность-мишень, где формируетсягетеродуплекс. С помощью ДНК-репликации завершается внедрение транспозона в новый участок.
Гелитроны могут захватывать соседние последовательности при транспозиции.
Ретротранспозоны — это мобильные генетические элементы, которые применяют метод «копировать и вставить» для распространения в геноме животных. По крайней мере 45 % генома человека составляют ретротранспозоны и их производные. Процесс передвижения включает промежуточную стадию молекулыРНК, которая считывается с участка ретротранспозона и которая затем, в свою очередь, используется как матрица дляобратной транскрипциив последовательность ДНК. Новосинтезированный ретротранспозон встраивается в другой участок генома.
Активные ретротранспозоны млекопитающих делятся на три основные семьи: Alu-повторы, ДДП-1, SVA.
Мобильные элементы генома достаточно широко представлены в растительных и животных геномах. Их высокая активность является риском для стабильностигенома, поэтому ихэкспрессияжестко регулируется, особенно в техтканях, которые принимают участие в формированиигамети передаченаследственной информациипотомкам. Урастенийиживотныхрегуляция активности мобильных элементов генома происходит путёмde novo-метилирования последовательности ДНКи активностинекодирующих РНКвместе с белковыми комплексами Аргонавт.
Основная роль малых некодирующих РНК, которые взаимодействуют с пиви-комплексом, илипиРНК, заключается в подавлении мобильных элементов генома в зародышевых тканях. Эта роль пиРНК достаточно высоко консервативна у животных.
Умышеймобильные элементы генома на протяжениионтогенезанаходятся преимущественно в неактивном состоянии, которое достигается путёмэпигенетическихвзаимодействий и активности некодирующих РНК. В периодэмбрионального развитияэпигенетическая метка метилирования ДНК подвергается репрограммированию: родительские метки стираются, а новые устанавливаются. В этот период часть белков-аргонавтов — пиви-белки (Mili и Miwi2) — и некодирующие РНК, которые с ними взаимодействуют — пиРНК — играют ключевую роль вde novoподавлении ретротранспозонов мышей путём метилирования ДНК, и пинг-понг-цикла амплификации пиРНК, и подавления мишени. Если умышейвозникает недостаток белков Mili и Miwi2, это приводит к активацииДДП-1иДКПи остановкегаметогенезаи стерильности у самцов. Недавние работы показали, что у мухиDrosophila melanogasterактивным кофактором в подавлении является белокСФГ-1.
МеханизмпиРНК-индуцированного подавления транспозонов окончательно не выяснен, но схематически его можно представить такой моделью:
В отличие отвирусов, которые используют организм хозяина для размножения и способны его покинуть, мобильные генетические элементы существуют исключительно в организме хозяина. До некоторой степени поэтому транспозоны способны регулировать свою активность. Примером этого являетсяAc-ДНК-транспозоны— автономные мобильные элементы растений, кодирующие собственную транспозазу.Ac-элементы проявляют способность снижать активность транспозазы при увеличении её копий.
Также подавление растительных автономных ДНК-транспозонов MuDR может происходить с помощью Muk. Muk является вариантом MuDR и имеет в своей последовательности несколькопалиндромныхучастков ДНК. Когда Muk транскрибируется, такая РНК формирует шпильку, затем режется комплексом ферментов намалые интерферирующие РНК(миРНК), которые заглушают активность MuDR с помощью процессаРНК-интерференции.
По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых являетсяde novoвнедрение мобильных генетических элементов. Alu-повторы часто вызываютхромосомные аберрациии являются причиной 50 разновидностей заболеваний. Так, унейрофиброматоза I типабыло найдено 18 случаев встроенныхретротранспозонов, 6 из которых происходят в 3 специфических местах. Активность мобильных элементовДДП-1в соматических тканях зафиксирована у пациентов с раком легких.
Если транспозиция, которая вызывает заболевания, происходит вгаметах, то следующие поколения наследуют болезни. Так,гемофилияможет возникать из-за встраивания ретротранспозона ДДП-1 в участок ДНК, кодирующий генVIII фактора свертывания крови. У мышей были зафиксированы случаи онкогенеза, остановки развития и стерильность в связи со встраиванием мобильных элементов генома.
Некоторые этапы эволюционирования организмов были вызваны активностью мобильных элементов генома. Уже первая нуклеотидная последовательность генома человека доказала, что многие гены были производными транспозонов. Мобильные элементы генома могут влиять на организацию генома путём рекомбинации генетических последовательностей и входя в состав таких фундаментальных структурных элементовхроматина, какцентромерыителомеры. Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, меняя узоры (паттерны)сплайсингаи полиаденилирования или выполняя функцииэнхансеровилипромоторов. Транспозоны могут влиять на структуру и функции генов путём выключения и изменения функций, изменения структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и измененияэпигенетическогоконтроля генов.
Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания, но, несмотря на это, в процессе эволюции транспозоны не были удалены и остались вДНК-последовательностях почти всех организмов, или в виде целых копий, которые имели возможность передвигаться по ДНК, или в укороченном виде, потеряв способность к передвижению. Но укороченные копии также могут принимать участие в таких процессах, как пост-транскрипционная регуляция генов, рекомбинация и т. п.Также важным моментом в потенциальной способности транспозонов влиять на темпы эволюции является то, что их регуляция зависит от эпигенетических факторов. Это приводит к возможности транспозонов реагировать на изменения окружающей среды и вызывать генетическую нестабильность. На стресс транспозоны активируются или прямо, или путём снижения их подавления белками-аргонавтами ипиРНК. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленныеабиотические и биотические факторы, среди которыхсолёность, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции.
Ещё одним возможным механизмом эволюции геномов организмов являетсягоризонтальный перенос генов— процесс передачи генов между организмами, которые не находятся в отношениях «предки-потомки». Есть сведения о том, что взаимодействияпаразитических организмовиживотных-хозяевмогут повлечь горизонтальный перенос генов с помощью транспозонов, который состоялся между позвоночными и беспозвоночными организмами.
Считается, чтоприобретённый иммунитетмлекопитающихвозник учелюстныхрыбпримерно 500 миллионов лет назад. Приобретённый иммунитет позволяет формироватьантителадля многих видовпатогенов, попадающих в организм млекопитающих, включая человека. Для формирования различных антител клеткииммунной системыизменяют последовательность ДНК путёмсоматической рекомбинациис помощью системы, которая возникла и эволюционировала благодаря мобильным элементам генома.
Нейроны, клетки нервной системы, могут иметьмозаичный геном, то есть последовательность ДНК у них отличается от последовательности ДНК других клеток, хотя все они сформировались из одной клетки-предшественника —зиготы. Доказано, что укрысспециально вставленныеДДП-1-ретротранспозоны человека активны даже в зрелом возрасте. Также зафиксировано увеличение копий ДДП-1-ретротранспозонов внейронахнекоторых участковмозга, в частностигипоталамуса, по сравнению с другими тканями у взрослых людей. Также установлено, что мобильные элементы приводят к разнородности в нейронах мухиDrosophila melanogaster. Активность мобильных элементов в нейронах может повлечьсинаптическую пластичностьи большую вариабельность поведенческих реакций.
Последовательности ДНК геновтеломеразыи ДДП-1-ретротранспозонов имеют высокую гомологию, что свидетельствует о возможности происхождения теломераз от ретротранспозонов.
У растений очень большая скорость эволюции геномов, поэтому лучше всего известны те влияния мобильных элементов, которые возникли вследствиеодомашнивания, поскольку оно произошло недавно, и эти изменения легко идентифицировать, поскольку известны черты, по которым веласьселекциякультурных растений. Примером может быть приобретение овальной формы римским помидоромSolanum lycopersicum. Ген, который находится влокусеSUN, был перемещён путём ретротранспозиции в другой участок ДНК, где он регулируется другимипромоторнымипоследовательностями у овальных томатов.
Поскольку мобильные элементы генома способны к встраиванию вхроматин, они используются вгенной инженериидля специального и контролируемого встраивания генов или участков ДНК, которые изучают учёные. Транспозоны используются длямутагенезаи для определения регуляторных элементов генома в лабораториях.
Наиболее известная система для введённого мутагенезаin vivo—P-мобильный элемент мухиD. melanogaster, с помощью которого можно изучать функции генов, налаживаниехромосомных аберрацийи т. п.
Упозвоночныхживотных долгое время не было эффективной методики транспозонной модификации генома. Сейчас есть система мобильного элемента Tol2, полученная из японской рыбыOryzias latipes, которая используется как у мышей, так и наклеточных линияхчеловека. Также успешной является система транспозонов Minos.
Система транспозонов «Спящая Красавица» (англ.Sleeping Beauty) была создана на основе последовательности ДНКтранспозазыиз рыбы. Удачное использовании этой системы намышахпозволило определить кандидатов в онкогены рака кишечника человека.
Кроме использования транспозонов в генной инженерии, изучение активности транспозонов является методомфилогенетики. 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 строитьфилогенетические деревья.