Мобилни генетски елементи

Мобилните генетски елементи (MGE) понекогаш наречени себични генетски елементи се вид на генетски материјал кој можел да се движи наоколу во геномот или кој може да се пренесе од еден вид или репликон на друг. MGE се наоѓале во сите организми. Кај луѓето, се сметало дека приближно 50% од геномот е MGE. MGEs играле посебна улога во еволуцијата. Настаните за удвојување на гените можеле да се случат и преку механизмот на MGE. MGE, исто така, можеле да предизвикаат мутации во регионите за кодирање на протеини, што ги менувало функциите на протеините. Овие механизми, исто така, можеле да ги преуредат гените во варијацијата што генерира геном на домаќинот. Овие механизми можеле да ја зголемат кондицијата со стекнување нови или дополнителни функции. Пример за MGEs во еволутивен контекст е тоа што факторите на вирулентност и гените за отпорност на антибиотици на MGE можеле да се транспортираат за да го споделат генетскиот код со соседните бактерии. Сепак, MGE можеле да ја намалат кондицијата со воведување алели или мутации кои предизвикувале болест. Множеството МГЕ се нарекува мобилом, кој што е составен од голем број плазмиди, транспозони и вируси.
1 Видови
* Плазмиди: Ова се генерално кружни екстрахромозомски молекули на ДНК кои се реплицираат и се пренесуваат независно од хромозомската ДНК. Овие молекули се присутни во прокариотите (бактерии и археи), а понекогаш и во еукариотските организми како што е квасецот. Фитнесот на плазмидот се одредува според неговата подвижност. Првиот фактор на кондицијата на плазмидот е неговата способност да реплицира ДНК. Вториот фитнес фактор е способноста на плазмидот за хоризонтално пренесување. Плазмидите во текот на нивниот циклус носат гени од еден организам до друг преку процес наречен конјугација. Плазмидите обично содржат збир на гени за мобилност кои се неопходни за конјугација. Некои плазмиди користат формирање на парење парови поврзани со мембрана (MPF). Плазмидот што содржи свои MPF гени се смета дека е самопренослив или конјугативен. Плазмидите може дополнително да се поделат на мобилизирани и немобилизирани класи. Плазмидите кои користат други генетски елементи MFP во клетката се мобилизирани.
* Вектори за клонирање: Ова се типови на хибридни плазмиди со бактериофаги, кои се користат за пренос и реплицирање на ДНК. Фрагменти од ДНК може да се вметнат со рекомбинантна ДНК техники. Одржливиот вектор мора да може да се реплицира заедно со фрагментите на ДНК што ги носи. Овие вектори може да ги содржат саканите гени за вметнување во геномот на организмот. Примери се космиди и фагемиди.* Транспозони: Ова се ДНК секвенци кои можат да се движат и да се реплицираат во различни делови од геномот на клетката. Исто така наречени „гени за скокање“, тие можат да се пренесат хоризонтално помеѓу организмите кои живеат во симбиоза. Транспозоните се присутни во сите живи суштества и во гигантските вируси.* ДНК транспозони: Тоа се транспозони кои се движат директно од една до друга позиција во геномот со помош на транспоза за сечење и залепување на друг локус. Овие генетски елементи се расцепуваат на четири едноверижни места во ДНК со помош на транспоза. Со цел да се постигне максимална стабилност на средниот транспозон, се случува едно единечно расцепување на целната ДНК. Истовремено донорската жичка се врзува со целната нишка по расцепувањето оставајќи една нишка да се надвиснува на двата краја на целната низа. Овие места обично содржат настрешница од 5 до 9 базни парови што може да создаде кохезивен крај. Потоа, транспозазата ја држи низата во вкрстена формација и ја лигатура донорската жичка со целната нишка. Структурата формирана од дуплексот на ДНК и транспозазата во репликативните транспозони е позната како Shapiro Intermediate. Настрешницата од 5 до 9 базни парови е оставена на двете страни од целната низа што му овозможува да се приклучи на целната низа во која било ориентација. Редоследот на овие настрешници може да ја одреди ориентацијата на спојување. Пред да може да се случи рекомбинација специфична на локацијата, олигонуклеотидните краеви мора да се пополнат. Поврзувањето на овие краеви генерира виљушка за репликација на секој крај од преносливиот елемент. Поместувањето на единечната жичка предизвикува синтеза од нелигираната 3' хидроксилна група за да формира долги едноверижни делови во непосредна близина на 5' крајот. Затоа, спротивната нишка се секвенционира дисконтинуирано додека двете виљушки за репликација се приближуваат до центарот на преносливиот елемент. Ова резултира со два рекомбинантни дуплекси кои го содржат полуконзервираниот пренослив елемент, опкружен со претходниот настрешница од 5 до 9 базни парови. Специфичната реципрочна рекомбинација на локацијата се одвива помеѓу двата транспонирани елементи олеснети од протеините. Оваа реципрочна репликација се преклопува во времето и се јавува помеѓу дупликатите сегменти на елементот за репликација пред да се заврши репликацијата. Целната молекула како резултат го содржи вметнатиот елемент опкружен со секвенците од 5 до 9 базни парови. Транспонирањето на овие елементи го дуплира елементот за транспозиција оставајќи елемент на транспозиција на неговата оригинална локација и нов транспозон на местото на реципрочната репликација. Притоа, се зголемуваат вкупните базни парови на организмите во нивниот геном. Појавите на транспозиција се зголемуваат со текот на времето и како што стареат организмите.
* Ретротранспонзони: Ова се транспозони кои се движат во геномот, транскриптирајќи се во РНК, а подоцна во ДНК со реверзна транскриптаза. Многу ретротранспозони, исто така, покажуваат репликативна транспозиција. Ретротранспонзоните се присутни исклучиво во еукариотите. Ретротранспозоните се состојат од два главни типа, долги терминални повторувања (LTRs) и non-LTR транспозони. Транспозоните кои не се LTR може дополнително да се класифицираат во Долг прошаран јадрен елемент (ЛИНИИ) и Кратки прошарани јадрени елементи (SINEs). Овие ретротранспонзони се регулирани од фамилија на кратки некодирачки РНК наречени како PIWI [Р-елемент индуцирани за мрсен тестис]-интерактивни РНК (piRNAs). пиРНК е неодамна откриена класа на ncRNA, кои се во должина од ~24-32 нуклеотиди. Првично, пиРНК биле опишани како siRNA поврзани со повторување (rasiRNAs) поради нивното потекло од повторувачките елементи како што се транспонираните секвенци на геномот. Сепак, подоцна било идентификувано дека тие дејствувале преку PIWI-протеин. Покрај тоа што имаат улога во сузбивањето на геномските транспозони, неодамна биле пријавени различни улоги на пиРНК како регулација на 3' UTR на гените за кодирање на протеини преку RNAi, трансгенерациско епигенетско наследување за да се пренесе меморија од мината транспозонска активност и РНК-индуцирано епигенетско замолчување.* Интегрони: Ова се генски касети кои обично носат гени отпорни на антибиотици до бактериски плазмиди и транспозони.* Интрони: Интроните од I и II група се нуклеотидни секвенци со каталитичка активност кои се дел од транскриптите на домаќинот и делуваат како рибозими кои можат да ги нападнат гените кои кодираат tRNA, rRNA и протеините. Тие се присутни во сите клеточни организми и вируси.* Интронери: Секвенци слични на транспозоните кои можат да скокаат во геномот оставајќи нови интрони таму каде што биле, тие се посочени како можен механизам за зголемување на интроните во еволуцијата на еукариотите каде што се присутни во најмалку 5% од сите видови, особено во водените таксони најверојатно поради хоризонталниот трансфер на гени што се јавува почесто кај овие животни. Тие првпат биле опишани во 2009 година во едноклеточните зелени алги micromonas.* Вирусни агенси: ова се претежно инфективни ацелуларни агенси кои се реплицираат кај клеточните домаќини. За време на нивниот инфективен циклус тие можат да носат гени од еден домаќин до друг. Тие исто така можат да носат гени од еден организам до друг во случај вирусниот агенс да зарази повеќе од два различни видови. Традиционално тие се сметаат за посебни ентитети, но вистината е дека многу истражувачи кои ги проучувале нивните карактеристики и еволуција ги нарекуваат мобилни генетски елементи. Ова се заснова на фактот дека вирусните агенси се едноставни честички или молекули кои се реплицираат и се пренесуваат помеѓу различни домаќини како што се преостанатите невирусни мобилни генетски елементи. Според оваа гледна точка, вирусите и другите вирусни агенси не треба да се сметаат за живи суштества и треба подобро да се сфатат како мобилни генетски елементи. Вирусните агенси се еволутивно поврзани со различни мобилни генетски елементи. Се смета дека овие вирусни агенси настанале од секретирани или исфрлени плазмиди на други организми. Транспозоните исто така даваат увид во тоа како овие елементи можеби првично започнале. Оваа теорија е позната како хипотеза за скитници предложена од Барбара Меклинток во 1950 година.** Вируси: Овие се вирусни агенси составени од молекула на генетски материјал (ДНК или РНК) и со способност да формираат сложени честички наречени вириони за да можат лесно да се движат помеѓу нивните домаќини. Вирусите се присутни во сите живи суштества. Вирусните честички се произведени од репликативната машина на домаќинот за хоризонтално пренесување.** Сателитски нуклеински киселини: тоа се молекули на ДНК или РНК, кои се инкапсулирани како крак во вирионите на одредени помошни вируси и кои зависат од нив за да можат да се реплицираат. Иако понекогаш се сметаат за генетски елементи на нивните помошни вируси, тие не секогаш се наоѓаат во нивните помошни вируси.** Вироиди: Тоа се вирусни агенси кои се состојат од мали кружни РНК молекули кои инфицираат и се реплицираат во растенијата. Овие мобилни генетски елементи немаат заштитна протеинска обвивка. Поточно, овие мобилни генетски елементи се наоѓаат во ангиоспермите.** Ендоген вирусен елемент: Ова се вирусни нуклеински киселини интегрирани во геномот на клетката. Тие можат да се движат и да се реплицираат повеќе пати во клетката домаќин без да предизвикаат болест или мутација. Тие се сметаат за автономни форми на транспозони. Примери се провируси и ендогени ретровируси.
2 Примери за истражување
Системите CRISPR-Cas во бактериите и археите биле адаптивни имунолошки системи за заштита од смртоносни последици од MGE. Користејќи компаративна геномска и филогенетска анализа, истражувачите откриле дека варијантите на CRISPR-Cas биле поврзани со различни типови на MGE, како што се транспонирани елементи. Во транспозоните поврзани со CRISPR, CRISPR-Cas контролирал транспонирани елементи за нивно ширење.
MGE како што се плазмидите со хоризонтална трансмисија генерално биле корисни за организмот. Способноста за пренос на плазмиди (споделување) е важна во еволутивна перспектива. Тазиман и Бонхофер откриле дека фиксацијата (приемот) на пренесените плазмиди во нов организам е исто толку важна како и способноста за нивно пренесување. Корисните ретки и преносливи плазмиди имале поголема веројатност за фиксација, додека штетните преносливи генетски елементи имале помала веројатност за фиксација бидејќи биле смртоносни за организмите домаќини.
Еден тип на MGE, имено Интегративните конјугативни елементи (ICEs) биле централни за хоризонталниот генски трансфер кој ги обликувал геномите на прокариотите што овозможувало брзо стекнување на нови адаптивни карактеристики.
Како репрезентативен пример на ICE, ICE ''Bs1'' бил добро карактеризиран за неговата улога во глобалното оштетување на ДНК SOS одговорот на Bacillus subtilis и, исто така, неговата потенцијална врска со отпорноста на зрачење и сушење на спорите ''Bacillus pumilus'' SAFR-032, изолиран од објектите за чиста просторија за вселенски летала.
Транспонирањето со транспонирани елементи било мутагено. Така, организмите еволуирале за да ги потиснат настаните на транспозиција, а неуспехот да се потиснат настаните предизвикувало рак во соматските клетки. Цецо открил дека за време на раната возраст, транскрипцијата на ретротранспонзивните елементи била минимална кај глувците, но во напредната возраст нивото на транскрипција се зголемува. Ова ниво на изразување на транспонирани елементи зависно од возраста е намалено со диета за ограничување на калориите. Репликацијата на транспонираните елементи често резултира со повторени секвенци кои се додаваат во геномот. Овие секвенци често не се кодираат, но можат да се мешаат со кодираните секвенци на ДНК. Иако по природа се мутагени, транспозоните го зголемуваат геномот на организмот во кој се транспонираат. Треба да се спроведат повеќе истражувања за тоа како овие елементи можат да послужат како алатка за брза адаптација што ја користат организмите за да генерираат варијабилност. Многу елементи за транспозиција се неактивни или бараат активирање. Исто така, треба да се забележи дека сегашните вредности за кодирање на секвенци на ДНК би биле повисоки доколку елементите за транспозиција што шифрираат за нивната сопствена транспозициска машинерија се сметаат за кодни секвенци.
Некои други истражувани примери вклучуваат Маверикс, Ѕвездени бродови и Вселенски напаѓачи (или СПИН)
3 Болести
Последиците од мобилните генетски елементи можат да ги променат моделите на транскрипција, што често доведува до генетски нарушувања како што се имунолошки нарушувања, рак на дојка, мултиплекс склероза и амиотрофична латерална склероза. Кај луѓето, стресот може да доведе до трансакциско активирање на MGE, како што се ендогени ретровируси, и ова активирање е поврзано со невродегенерација.
4 Други белешки
Вкупниот број на сите мобилни генетски елементи во геномот може да се нарече мобилом.
Барбара Меклинток ја добила Нобеловата награда за физиологија или медицина во 1983 година „за нејзиното откритие на мобилни генетски елементи“ (транспонирачки елементи).
Мобилните генетски елементи играат клучна улога во ширењето на вирулентните фактори, како што се егзотоксините и егзоензимите, меѓу бактериите. Предложени се стратегии за борба против одредени бактериски инфекции со таргетирање на овие специфични вирулентни фактори и мобилни генетски елементи.
5 Поврзано
* Фузија на гени
* Хоризонтален трансфер на гени
* Вирулентни фактори
* Минијатурни транспонирани елементи со превртено повторување
6 Библиографија
**