Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в царстве растений.

Мобильные элементы (транспозоны, TE, «прыгающие гены») представляют собой короткие нити повторяющейся ДНК , которые могут самореплицироваться и перемещаться внутри эукариотического генома и обычно воспринимаются как паразитические по своей природе. Их транскрипция может привести к образованию дцРНК (двухцепочечных РНК), которые напоминают транскрипты ретровирусов . В то время как большая часть клеточной РНК хозяина имеет единственную, непарную смысловую цепь, дцРНК обладает спаренными смысловыми и антисмысловыми транскриптами, и это различие в структуре позволяет организму-хозяину обнаруживать выработку дцРНК и, следовательно, присутствие транспозонов. Растения не имеют четкого разделения между соматическими и репродуктивными клетками, а также, как правило, имеют более крупные геномы, чем животные, что делает их интригующим царством тематических исследований, которое можно использовать в попытках лучше понять эпигенетическую функцию мобильных элементов. ^{[ 1 ]}

Классы транспозонов

Транспозоны различаются по своей структуре и способу распространения, что помогает определить их классификацию. Каждый класс содержит автономные элементы — подразновидность, отличающуюся способностью к саморазмножению, а также неавтономные элементы, лишенные такой способности.

Класс I

Также известные как ретротранспозоны , они используют стратегию самокопирования с помощью РНК-транскриптазы и последующего внедрения в новый сайт в геноме хозяина. Наличие или отсутствие транскриптазы (фермента, обеспечивающего самокопирование) в кодировании транспозона определяет элементы класса I как автономные или неавтономные. ^{[ 2 ]} Транспозоны класса I могут принимать форму:

LTR, длинные концевые повторы, которые содержат чрезвычайно повторяющийся код (сотни или тысячи одних и тех же нескольких нуклеотидов).
Не-LTR, которым не хватает длительного повторяющегося кодирования, и могут быть LINE , длинными вкраплениями ядерных элементов, которые кодируют свой собственный транспозиционный механизм, и SINE, короткими вкраплениями ядерных элементов, которые соединяются с механизмами LINE.

Любопытно, что ретротранспозоны оказались преобладающей формой транспозиционного элемента у растений с большими геномами, таких как кукуруза и пшеница , что потенциально указывает на быстрый успех этого класса транспозонов в создании гибридов , таких как пшеница, мята перечная и, в частности, далекое прошлое, кукуруза. Гибридизация растений часто создает полиплоиды с двойным, тройным, четырехкратным или более количеством хромосом, присутствующих в родительском поколении. Полиплоидные гибриды, по-видимому, особенно восприимчивы к генетическому вторжению ретротранспозонов, что подтверждается исследованием гибридизации подсолнечника, которое показало, что гибридизированные цветы обладали геномами, которые были примерно на 50% больше, чем у их родителей, причем большая часть этого увеличения связана с амплификация одного класса ретротранспозонов ^{[ 3 ]}

Класс II

Также известные как ДНК-транспозоны , они используют стратегию, при которой транспозон вырезается из своего положения с помощью транспозазы и реинтегрируется в другом месте генома. ^{[ 2 ]} Их можно определить по следующему:

TIR, терминальные инвертированные повторы, которые позволяют транспозазе распознавать транспозон и удалять/реинтегрировать его.
TSD, дупликации целевого сайта, которые генерируются во время реинтеграции и, как полагают, усложняют распознавание транспозонов.

Те ДНК-транспозоны, которым не хватает кодирования, необходимого для синтеза транспозазы, функционируют неавтономно, вероятно, подключаясь к механизму, генерируемому соседними транспозонами того же класса. Примером этого могут быть MITE, миниатюрные мобильные элементы с инвертированными повторами, которые, имея как TIR, так и TSD, не могут продуцировать транспозазу. Они особенно распространены у растений и, как полагают, возникают в результате делеций в более автономных транспозонах ДНК. Точно так же эти типы транспозонов могут стать неавтономными, захватывая или реплицируя фрагменты ДНК хозяина. ^{[ 3 ]}

Гелитроны

Еще одна разновидность транспозонов, открытая в 2001 году, которая также потенциально может захватывать ДНК хозяина. Считается, что гелитроны реплицируются по «катящемуся кругу», в котором транспозаза связывает гелитрон одновременно с двумя различными областями генома, используя в процессе геликазу, лигазу и нуклеазу для распутывания задействованных нитей, репликации гелитрона и впоследствии лигируйте реплицированный материал в новый сайт. Считается, что во время этого процесса гелитроны часто кодируют окружающую ДНК и интегрируют ее в свой собственный материал. Неавтономные гелитроны могут отсутствовать транспозазу, геликазу, лигазу или нуклеазу. Считается, что все они необходимы для этого сложного процесса транспозиции. ^{[ 3 ]}

Замалчивание транспозонов

Из-за своей инвазивной природы и потенциально разрушительного производства нкРНК большинство транспозонов опасны как для растений, так и для многоклеточных животных . Учитывая отсутствие различия между зародышевой линией и соматическими клетками в царстве растений, это вдвойне справедливо, поскольку изменения генетического и эпигенетического кода будут легче наследоваться. ^{[ 4 ]}^{[ 3 ]} Хотя мобильные элементы могут влиять на любое количество различных типов клеток у животного, будь то клетка кожи, клетка печени, клетка мозга, эти изменения не передаются по наследству из-за того, что животное наследует только гаметный генетический код родителей. Однако у растений такого различия нет; цветок развивается из меристемы, которая представляет собой форму соматической клетки и которая передает цветку и, следовательно, потомству любые генетические или эпигенетические изменения. Поскольку каждая меристема развивается по-разному, каждый цветок из каждой меристемы одного и того же растения потенциально может иметь разные модификации. Однако, в отличие от животных, растения не подвергаются ремоделированию хроматина между поколениями, что делает поддержание и наследование молчания совершенно другим процессом. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 3 ]} Существуют различные и идентифицируемые механизмы поддержания инактивации транспозонов в растениях, но, к сожалению, имеется значительно меньше информации об инициации указанной инактивации. ^{[ 3 ]}

Признание

Хотя эффекты транспозиции иногда могут проявляться фенотипически, и действительно, этот эффект привел к их открытию , клеточным механизмам может быть трудно обнаружить транспозоны. Многие ТЕ содержат участки подлинной кодирующей ДНК, скопированной с хозяина, и не существует четкой структуры, кода или какой-либо идентифицирующей характеристики, которая позволила бы клетке с точностью распознавать весь спектр мобильных элементов. Даже помимо кодирования функциональных белков или РНК, некоторые транспозоны, например элементы класса II, содержат код, скопированный из соседней цепи, что позволяет им сливаться. их структура. Таким образом, существует клеточный механизм, описанный в следующем разделе, который способен обнаруживать транскрипты, нетипичные для геномов хозяина, такие как:

Двухцепочечные РНК (дцРНК), которые характерны как для ретровирусов, так и для транспозонов.

и, более конкретно:

Малые интерферирующие РНК ( миРНК ), которые процессируются из дцРНК, транскрибируемой из инвертированных повторяющихся элементов в коде транспозона; создаются короткая смысловая и антисмысловая цепь, которые образуют дсРНК
МикроРНК ( миРНК ), которые похожи на миРНК, но имеют несовершенный комплемент пар оснований; они обычно образуются в результате общей комплементарности между транспозоном и транскриптом мРНК гена-хозяина.

Методы

Замалчивание транспозонных транспозонов может различаться по полноте молчания, а также по продолжительности изменения. Растения используют ряд методов, от устранения транскриптов до полного эпигенетического молчания. В целом их можно разделить на две «стратегии»:

Посттранскрипционное молчание генов , при котором миРНК или микроРНК, полученные в результате активности транспозонов, загружаются в РНК-индуцированный комплекс молчания (RISC), который расщепляет целевые транскрипты мРНК. ^{[ 4 ]}^{[ 3 ]}
Замалчивание транскрипционных генов , при котором транспозон миРНК загружается в комплекс РНК-направленного метилирования ДНК , который метилирует область ДНК, которая реагирует на миРНК, используемую в комплексе. Это может привести к модификации гистонов и, если произойдет дальнейшая эпигенетическая модификация, к образованию гетерохроматина. Этот процесс недостаточно изучен, поскольку почти вся информация о нем получена нами в результате изучения гена FWA у Arabidopsis thaliana , относительно бедного TE экземпляра в царстве растений. Этот недостаток информации еще больше осложняется относительно небольшим геномом и низкой изменчивостью эпигенетического кода Arabidopsis. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 3 ]}

В общем, инициация молчания транспозонов еще полностью не объяснена. Например, зафиксированы случаи ^{[ написание? ]} спонтанного молчания у кукурузы, которая несет большое количество транспозонов (~85% генома), хотя механизм, посредством которого это происходит, неизвестен. ^{[ 3 ]} Хотя известно, что происходит наследственное метилирование, оно должно происходить с определенной частотой и должно быть инициировано каким-то определенным фактором, единственным известным примером этого является случай Mu-киллера (Muk), гена в кукурузе, который подавляет MuDR. , автономный передвижной элемент II класса. Muk кодирует природное инвертированное производное последовательности, кодирующей транспозазу, в MuDR, которая при транскрипции образует дцРНК, которая впоследствии разрезается на миРНК, что делает MUDR неспособным к «разрезанию и вставке» себя посредством РНКи-интерференции транспозазы. Мук также использует РНКи-направленное метилирование для создания стабильного и наследственного подавления. ^{[ 2 ]}^{[ 6 ]}

Мутуалистические/паразитические взаимодействия

Хотя мобильные элементы были обнаружены во многом из-за их вредного воздействия, эпигенетические исследования показали, что в некоторых случаях они могут быть полезны для организма-хозяина. ^{[ 3 ]}(1,5) Это исследование показывает, что различие между этими двумя аспектами, мутуализмом и паразитизмом, возможно, труднее точно описать, чем считалось ранее. ^{[ 3 ]}

мутуализм

Первичное мутуалистическое взаимодействие между транспозоном и организмом-хозяином заключается в образовании эпиаллелей. Как следует из названия, эпиаллель — это своего рода эпигенетический мутант определенного аллельного типа, который дает явные морфологические отличия от дикого типа. ^{[ 3 ]} Преимущественное исследование по этому вопросу было проведено на Arabidopsis thaliana, который имеет два недостатка: он беден TE и является чрезмерно генетически стабильным организмом. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 3 ]} Способ образования эпиаллелей до некоторой степени неясен, но считается, что это связано с тем, что некоторые мобильные элементы, похищая фрагменты генетического кода из своего организма-хозяина, сливаются с ним настолько, что сбивают с толку клеточный механизм хозяина, заставляя его думать, что его собственные гены являются транспозонами, что приводит к эпигенетическому молчанию определенных аллелей, образуя эпиаллель. Некоторые примеры этого:

FWA, доминантный аллель Arabidopsis, «выключен» элементами регуляции транспозонов. Общий эффект этого наследственного молчания заключается в задержке цветения.
BNS, рецессивный аллель у Arabidopsis, гиперметилируется посредством кооптации siRNA комплекса RISC, что приводит к молчанию. Общим эффектом этого является потеря предполагаемого сложного гена, способствующего анафазе.
FLC, ген локуса цветения C, который подавляет время цветения у Arabidopsis, может быть частично инактивирован путем вставки Mu-подобного элемента (MULE) в первый интрон гена, что приводит к более раннему времени цветения.

Имеются также данные, позволяющие предположить, что транспозоны играют более общую роль, чем считалось ранее, в формировании miRNAs, а также в подавлении центромер. ^{[ 7 ]}^{[ 2 ]}

Паразитизм

Хотя большая часть информации о транспозонах связана с их паразитарным действием, иногда неясно, как именно они повреждают организм хозяина. Внесем ясность: существует несколько способов негативного воздействия мобильных элементов. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 2 ]}^{[ 6 ]}

Производство миРНК или микроРНК, которые нацелены на определенные клеточные мРНК, что приводит к их разрушению или ингибированию их трансляции посредством механизма, связанного с РНКи.
Производство миРНК или микроРНК, которые стимулируют РНК-направленное метилирование ДНК (RdDM) и подавление аналогично закодированного гена.
Вставка в определенный ген, прерывающая его нормальную функцию

Любой из них может иметь экстремальный или минимальный эффект, в зависимости от того, на какие системы влияет мутация. Например, если бы транспозон прервал кодирование фермента, который позволяет семенам переваривать питательный эндосперм, то семя вообще не смогло бы размножаться, а это означало бы, что мутация была, по сути, фатальной. В качестве противоположного примера, транспозон может быть вставлен в некодирующую область (которая, вероятно, является остатком теперь неактивного транспозона) и не оказывать никакого эффекта.

Будущие исследования

Очень мало известно об инициации эпигенетического молчания мобильных элементов, и помимо редкого исключения из этого правила, такого как ген Muk, присутствующий в качестве инициатора регуляторной эпигенетической модификации у кукурузы, существует много других неясных аспектов того, как транспозоны регулируются в геномах растений. Могут ли они стать первым шагом в эволюции, о котором мы никогда не знали? [1] Могут ли они быть просто перегибом в цепи генетического кодирования, который в конечном итоге будет устранен? Опять же, учитывая недостаток информации, трудно сказать. Будущие исследования в этой области так или иначе увидят изменение наших представлений о транспозонах и их роли в развитии эукариот.

Ссылки

^ Цзян, Нин, Чжижун Бао, Сяоюй Чжан и др. «Мобильные элементы Pack-MULE опосредуют эволюцию генов растений». Природа. 431. (2004). Веб. 20 марта 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Гарсиа-Перес, Хосе Л. и Мартин Муньос-Лопес. «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике». Текущая геномика : 115-128
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Лиш, Дэймон. «Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в растениях». Биология растений. 60 (2009). Веб. 21 марта 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Бушер, Этьен, Джон Рейндерс и Мари Мируз. «Эпигенетический контроль транскрипции и подвижности транспозонов у арабидопсиса». Биология растений. 15. (2012). Веб. 20 марта 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Зильберман, Дэниел, Терри Д. Брайсон, Стивен Хеникофф и др. «Пути хроматина и миРНК взаимодействуют, поддерживая метилирование ДНК небольших мобильных элементов у арабидопсиса». Геномная биология. (2005). Веб. 8 марта 2014 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Слоткин, Р. Кейт, Майкл Фрилинг и Дэймон Лиш. «Мю-киллер вызывает наследственную инактивацию семейства мутаторов мобильных элементов у Zea mays». Генетическое общество Америки
^ Лиш, Дэймон. «Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в растениях». Биология растений. 60 (2009). Веб. 21 марта 2014 г. Лиш, Дэймон. «Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в растениях». Биология растений. 60 (2009). Веб. 21 марта 2014 г.

[1] Цзян, Нин, Чжижун Бао, Сяоюй Чжан и др. «Мобильные элементы Pack-MULE опосредуют эволюцию генов растений». Природа. 431. (2004). Веб. 20 марта 2014 г.

[autogenerated1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Гарсиа-Перес, Хосе Л. и Мартин Муньос-Лопес. «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике». Текущая геномика : 115-128

[autogenerated2-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Лиш, Дэймон. «Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в растениях». Биология растений. 60 (2009). Веб. 21 марта 2014 г.

[autogenerated5-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Бушер, Этьен, Джон Рейндерс и Мари Мируз. «Эпигенетический контроль транскрипции и подвижности транспозонов у арабидопсиса». Биология растений. 15. (2012). Веб. 20 марта 2014 г.

[autogenerated3-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Зильберман, Дэниел, Терри Д. Брайсон, Стивен Хеникофф и др. «Пути хроматина и миРНК взаимодействуют, поддерживая метилирование ДНК небольших мобильных элементов у арабидопсиса». Геномная биология. (2005). Веб. 8 марта 2014 г.

[autogenerated4-6] Перейти обратно: ^а ^б Слоткин, Р. Кейт, Майкл Фрилинг и Дэймон Лиш. «Мю-киллер вызывает наследственную инактивацию семейства мутаторов мобильных элементов у Zea mays». Генетическое общество Америки

[7] Лиш, Дэймон. «Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в растениях». Биология растений. 60 (2009). Веб. 21 марта 2014 г. Лиш, Дэймон. «Эпигенетическая регуляция мобильных элементов в растениях». Биология растений. 60 (2009). Веб. 21 марта 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]