Транспозонная система «Спящая красавица»
![]() | Судя по всему, основной автор этой статьи тесно связан с ее предметом. ( Май 2011 г. ) |
Транспозонная красавица» система « представляет собой синтетический транспозон ДНК, предназначенный для введения точно определенных последовательностей ДНК в хромосомы позвоночных Спящая животных с целью введения новых признаков и открытия новых генов и их функций. Это система типа Tc1/mariner , в которой транспозаза воскресла из множества неактивных последовательностей рыб.
Механизм действия
[ редактировать ]
Верхняя линия: транспозон, обозначенный зеркальными наборами красных двойных стрелок (IR/DR), показан как содержащийся в другой молекуле ДНК (например, плазмиде, показанной синими линиями). Транспозон в этом примере содержит кассету экспрессии, состоящую из промотора (синий овал), который может управлять транскрипцией гена или другой последовательности ДНК, помеченной как «генетический груз». Средние линии: транспозаза «Спящей красавицы » (SB) связывается с IR/DR, как показано, и вырезает транспозон из плазмиды (места разреза обозначены двумя черными пунктирными линиями в оставшейся плазмиде). Две нижние линии: еще одна молекула ДНК ( зеленый) с последовательностью ТА может стать реципиентом транспонированного транспозона. При этом последовательность ТА в месте вставки дублируется.
Транспозонная система «Спящая красавица» состоит из «Спящая красавица » (SB) транспозазы и транспозона , который был разработан в 1997 году для вставки определенных последовательностей ДНК в геномы позвоночных животных. ДНК-транспозоны перемещаются из одного участка ДНК в другой простым способом «вырезать и вставить» (рис. 1). Транспозиция — это точный процесс, при котором определенный сегмент ДНК вырезается из одной молекулы ДНК и перемещается в другой участок той же или другой молекулы ДНК или генома . [ 1 ]
Как и все другие транспозазы типа Tc1/mariner , транспозаза SB встраивает транспозон в пару оснований динуклеотида ТА в последовательности ДНК реципиента. [ 2 ] Сайт вставки может находиться в другом месте той же молекулы ДНК или в другой молекуле ДНК (или хромосоме). В геномах млекопитающих, включая человека, насчитывается около 200 миллионов сайтов ТА. Сайт вставки ТА дублируется в процессе интеграции транспозона. Такое дублирование последовательности ТА является признаком транспозиции и используется для выяснения механизма в некоторых экспериментах. Однако недавнее исследование показало, что SB также интегрируется в динуклеотиды, не относящиеся к ТА, с низкой частотой. [ 3 ] Транспозаза может кодироваться либо внутри транспозона (например, предполагаемого транспозона, показанного на фиг. 2), либо транспозаза может поступать из другого источника, и в этом случае транспозон становится неавтономным элементом. Неавтономные транспозоны (например, рис. 1) наиболее полезны в качестве генетических инструментов, поскольку после вставки они не могут самостоятельно продолжать вырезать и повторно вставлять. Все ДНК-транспозоны, идентифицированные в геноме человека и других млекопитающих, не являются автономными, поскольку, хотя они и содержат гены транспозазы, эти гены нефункциональны и не способны генерировать транспозазу, которая может мобилизовать транспозоны.
Строительство
[ редактировать ]
Полипептид, состоящий из 360 аминокислот, имеет три основных субдомена: аминоконцевой домен распознавания ДНК, который отвечает за связывание с последовательностями DR в зеркальных последовательностях IR/DR транспозона, последовательность ядерной локализации (NLS) и DDE. домен, который катализирует набор реакций «вырезать и вставить», включающих транспозицию. Домен распознавания ДНК имеет две парные боксерские последовательности, которые могут связываться с ДНК и связаны с различными мотивами, обнаруженными в некоторых факторах транскрипции; две парные коробки помечены PAI и RED. Каталитический домен имеет характерные аминокислоты DDE (иногда DDD), которые встречаются во многих ферментах транспозазах и рекомбиназах. Кроме того, существует область, которая сильно обогащена аминокислотами глицином (G).
Этот возрожденный ген транспозазы был назван « Спящая красавица (SB) », потому что он был возвращен к активности после длительного эволюционного сна. [ 4 ] Система транспозонов SB является синтетической, поскольку транспозаза SB была реконструирована из вымерших (ископаемых) последовательностей транспозаз, принадлежащих к классу транспозонов Tc1/mariner. [ 5 ] [ 6 ] обнаружен в геномах лососевых рыб. [ 7 ] Как и у людей, где около 20 000 инактивированных транспозонов типа Tc1/маринера составляют почти 3% человеческого генома , [ 8 ] [ 9 ] гены транспозазы, обнаруженные у рыб, были неактивны более 10 миллионов лет из-за накопленных мутаций. Реконструкция транспозазы SB была основана на представлении о существовании первичного Tc1-подобного транспозона, который был предком последовательностей, обнаруженных в геномах рыб. Хотя во всех изученных геномах рыб было много последовательностей, которые выглядели как транспозоны Tc-1, все последовательности транспозонов были неактивны из-за мутаций. Предположив, что вариации в последовательностях были вызваны независимыми мутациями, которые накапливались в различных транспозонах, был постулирован предполагаемый предковый транспозон (рис. 2). [ 10 ]
Конструирование транспозазы началось со слияния частей двух неактивных последовательностей транспозонов атлантического лосося ( Salmo salar ) и одной неактивной последовательности транспозонов радужной форели ( Oncorhynchus mykiss транспозазы ) с последующим восстановлением небольших дефицитов в функциональных доменах фермента (рис. 3). ). Каждая аминокислота в первой завершенной транспозазе, названной SB10, была определена с помощью « консенсусной последовательности по правилу большинства», основанной на 12 частичных генах, обнаруженных у восьми видов рыб. Первые шаги (1->3 на рис. 3) заключались в восстановлении полного белка путем заполнения пробелов в последовательности и изменения местами терминирующих кодонов, которые препятствовали бы синтезу предполагаемого полипептида из 360 аминокислот. Следующим шагом (4 на рис. 3) было обращение мутаций в сигнале ядерной локализации (NLS), который необходим для импорта фермента транспозазы из цитоплазмы , где он вырабатывается, в ядро , где он действует. Аминоконец транспозазы, содержащий ДНК-связывающие мотивы для распознавания прямых повторов (DR), восстанавливали на этапах 5->8. Последние два шага восстановили каталитический домен, характеристики которого сохранились. аспарагиновая кислота ( D ) и глутаминовая кислота ( E ) — аминокислоты со специфическим расположением, обнаруженные в интегразах и рекомбиназах . [ 11 ] Результатом стал SB10, который содержит все мотивы, необходимые для функционирования. [ 4 ]

Шаг 1: Схема вымерших Tc1/mariner -подобных транспозонов в геномах современных лососевых рыб; х — миссенс-мутации; S, терминационные мутации; F — мутации сдвига рамки считывания; G — основной пробел/отсутствующие аминокислоты.
Шаг 3: Устранение разрыва (G), а также мутаций терминации и сдвига рамки считывания.
Шаг 4: реконструкция двудольной последовательности NLS (подчеркнуто оранжевым цветом).
Шаги 5–8: реконструкция N-концевого ДНК-связывающего домена (подчеркнуто оранжевым).
Шаги 9–10: реконструкция каталитического домена (подчеркнуто оранжевым цветом), включая характерные остатки DDE (зеленые прямоугольники).
Транспозаза SB10 была улучшена за десять лет с момента ее создания за счет увеличения консенсуса за счет большего количества вымерших последовательностей транспозона Tc1 и тестирования различных комбинаций изменений. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Дальнейшая работа показала, что ДНК-связывающий домен состоит из двух парных последовательностей, которые гомологичны мотивам последовательностей, обнаруженным в некоторых факторах транскрипции. Парные субдомены транспозазы SB были обозначены PAI и RED. Субдомен PAI играет доминирующую роль в распознавании последовательностей DR в транспозоне. Субдомен RED перекрывается с сигналом ядерной локализации, но его функция остается неясной. [ 18 ] Самая последняя версия транспозазы SB, SB100X, имеет примерно в 100 раз большую активность, чем SB10, что было определено с помощью анализов транспозиции генов устойчивости к антибиотикам, проведенных в культивируемых тканевых клетках человека HeLa. [ 16 ] Международное общество молекулярной и клеточной биологии, а также биотехнологических протоколов и исследований (ISMCBBPR) назвало SB100X молекулой 2009 года за признание ее потенциала в будущей геномной инженерии. [ 19 ]
Транспозон, распознаваемый транспозазой SB, был назван Т, поскольку он был выделен из генома другой лососевой рыбы, Tanichthys albonubes . Транспозон состоит из представляющей интерес генетической последовательности, фланкированной инвертированными повторами (IR), которые сами содержат короткие прямые повторы (DR) (тандемные наконечники стрелок IR-DR на рис. 1 и 2). T имел последовательность IR/DR, наиболее близкую к консенсусной последовательности вымерших Tc-1-подобных транспозонов у рыб. Консенсусный транспозон имеет IR из 231 пары оснований. Самые внутренние DR имеют длину 29 пар оснований, тогда как самые внешние DR имеют длину 31 пару оснований. Разница в длине имеет решающее значение для максимальной скорости транспозиции. [ 20 ] Исходный компонент Т-транспозонов системы транспозонов SB был улучшен с небольшими изменениями, чтобы соответствовать консенсусу многих родственных вымерших и активных транспозонов. [ 20 ] [ 21 ]
Приложения
[ редактировать ]
За последнее десятилетие транспозоны SB были разработаны как невирусные векторы для введения генов в геномы позвоночных животных и для генной терапии . Генетический груз может представлять собой кассету экспрессии — трансген и связанные с ним элементы, которые обеспечивают регуляцию транскрипции для экспрессии на желаемом уровне в конкретной ткани (тканях). Альтернативное использование транспозонов SB — обнаружение функций генов, особенно тех, которые вызывают рак . [ 22 ] [ 23 ] путем доставки последовательностей ДНК, которые максимально нарушают экспрессию генов вблизи места вставки. Этот процесс называется инсерционным мутагенезом или транспозонным мутагенезом . Когда ген инактивируется вставкой транспозона (или другим механизмом), этот ген «выключается». Нокаутные мыши и нокаутные крысы были получены с помощью системы SB. [ 24 ] [ 25 ] Рисунок 4 иллюстрирует эти два использования транспозонов SB.
Транспозоны SB сочетают в себе преимущества вирусов и голой ДНК как для доставки генов, так и для их разрушения. Вирусы были отобраны эволюционным путем на основе их способности инфицировать и размножаться в новых клетках-хозяевах. В то же время клетки развили основные механизмы молекулярной защиты, позволяющие защитить себя от вирусных инфекций. Для некоторых применений генной инженерии, таких как некоторые формы генной терапии, [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] отказ от использования вирусов также важен по социальным и нормативным причинам. Использование невирусных векторов позволяет избежать многих, но не всех, защитных механизмов, которые клетки используют против векторов.
Плазмиды , кольцевые ДНК, показанные на рис. 1, обычно используются для доставки невирусных генов. Однако у большинства методов доставки ДНК в клеточные хромосомы с использованием плазмид, наиболее распространенной формы невирусной доставки генов, есть две основные проблемы. Во-первых, экспрессия трансгенов из плазмид кратковременна из-за отсутствия интеграции и клеточных реакций, которые отключают экспрессию. Во-вторых, поглощение плазмидных молекул клетками затруднено и неэффективно. Транспозонная система «Спящая красавица» была разработана для решения первой проблемы. ДНК-транспозоны точно вставляют определенные последовательности ДНК (рис. 1) почти случайным образом в геномы хозяина, тем самым увеличивая продолжительность экспрессии генов (даже в течение нескольких поколений). Более того, транспозиция позволяет избежать образования множественных тандемных интеграций, что часто приводит к отключению экспрессии трансгена. В настоящее время вставка трансгенов в хромосомы с помощью плазмид гораздо менее эффективна, чем с помощью вирусов. Однако, используя мощные промоторы для регулирования экспрессии трансгена, доставка транспозонов в несколько клеток может обеспечить полезные уровни секретируемых генных продуктов для всего животного. [ 29 ] [ 30 ]
Вероятно, наиболее интересным потенциальным применением транспозонов « Спящей красавицы» будет генная терапия человека. Широкое применение генной терапии на людях в странах первого мира, а также в странах с развивающейся экономикой можно предвидеть, если стоимость векторной системы будет доступной. Поскольку система SB состоит исключительно из ДНК, затраты на производство и доставку значительно снижаются по сравнению с вирусными векторами. Первые клинические испытания с использованием транспозонов SB в генетически модифицированных Т-клетках проверят эффективность этой формы генной терапии у пациентов с риском смерти от запущенных злокачественных опухолей. [ 31 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пластерк Р.Х. (сентябрь 1993 г.). «Молекулярные механизмы транспозиции и ее контроль». Клетка . 74 (5): 781–786. дои : 10.1016/0092-8674(93)90458-3 . ПМИД 8397072 . S2CID 28784300 .
- ^ Пластерк Р.Х., Изсвак З., Ивикс З. (август 1999 г.). «Постоянные инопланетяне: суперсемейство мобильных элементов Tc1/mariner» . Тенденции в генетике . 15 (8): 326–332. дои : 10.1016/S0168-9525(99)01777-1 . ПМИД 10431195 .
- ^ Го Ю, Чжан Ю, Ху К (2018). «Транспозон «Спящей красавицы» интегрируется в динуклеотиды, отличные от ТА» . Мобильная ДНК . 9 :8. дои : 10.1186/s13100-018-0113-8 . ПМК 5801840 . ПМИД 29445422 .
- ^ Jump up to: а б Ивикс З., Хакетт П.Б., Пластерк Р.Х., Изсвак З. (ноябрь 1997 г.). «Молекулярная реконструкция Спящей красавицы, Tc1-подобного транспозона рыбы, и его транспозиция в клетках человека» . Клетка . 91 (4): 501–510. дои : 10.1016/S0092-8674(00)80436-5 . ПМИД 9390559 .
- ^ Доак Т.Г., Доердер Ф.П., Ян К.Л., Херрик Дж. (февраль 1994 г.). «Предлагаемое суперсемейство генов транспозазы: транспозоноподобные элементы у мерцательных простейших и общий мотив «D35E»» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 91 (3): 942–946. Бибкод : 1994PNAS...91..942D . дои : 10.1073/pnas.91.3.942 . ПМК 521429 . ПМИД 8302872 .
- ^ Радиче А.Д., Бугай Б., Фитч Д.Х., Эммонс С.В. (сентябрь 1994 г.). «Широко распространенное распространение семейства транспозонов Tc1: Tc1-подобные транспозоны костистых рыб». Молекулярная и общая генетика . 244 (6): 606–612. дои : 10.1007/bf00282750 . ПМИД 7969029 . S2CID 11381762 .
- ^ Гудье Дж.Л., Дэвидсон В.С. (август 1994 г.). «Транспозоноподобные последовательности Tc1 широко распространены у лососевых». Журнал молекулярной биологии . 241 (1): 26–34. дои : 10.1006/jmbi.1994.1470 . ПМИД 8051704 .
- ^ Вентер Дж.К., Адамс М.Д., Майерс Э.В., Ли П.В., Мурал Р.Дж., Саттон Г.Г. и др. (февраль 2001 г.). «Последовательность генома человека» . Наука . 291 (5507): 1304–1351. Бибкод : 2001Sci...291.1304V . дои : 10.1126/science.1058040 . ПМИД 11181995 .
- ^ Ландер Э.С., Линтон Л.М., Биррен Б., Нусбаум С., Зоди М.К., Болдуин Дж. и др. (февраль 2001 г.). «Первичное секвенирование и анализ генома человека» . Природа . 409 (6822): 860–921. Бибкод : 2001Natur.409..860L . дои : 10.1038/35057062 . hdl : 2027.42/62798 . ПМИД 11237011 .
- ^ Ивикс З., Изсвак З., Минтер А., Хакетт П.Б. (май 1996 г.). «Идентификация функциональных доменов и эволюция Tc1-подобных мобильных элементов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (10): 5008–5013. Бибкод : 1996PNAS...93.5008I . дои : 10.1073/pnas.93.10.5008 . ПМК 39397 . ПМИД 8643520 .
- ^ Крейг Н.Л. (октябрь 1995 г.). «Единство в реакциях транспозиции». Наука . 270 (5234): 253–254. Бибкод : 1995Sci...270..253C . дои : 10.1126/science.270.5234.253 . ПМИД 7569973 . S2CID 29930180 .
- ^ Гертс А.М., Ян Й., Кларк К.Дж., Лю Г., Цуй З., Дюпюи А.Дж. и др. (июль 2003 г.). «Перенос генов в геномы клеток человека с помощью транспозонной системы спящей красавицы» . Молекулярная терапия . 8 (1): 108–117. дои : 10.1016/S1525-0016(03)00099-6 . ПМИД 12842434 .
- ^ Заид Х., Изсвак З., Валиско О., Ивикс З. (февраль 2004 г.). «Разработка векторов гиперактивных транспозонов спящей красавицы путем мутационного анализа» . Молекулярная терапия . 9 (2): 292–304. дои : 10.1016/j.ymthe.2003.11.024 . ПМИД 14759813 .
- ^ Янт С.Р., Пак Дж., Хуан Й., Миккельсен Дж.Г., Кей М.А. (октябрь 2004 г.). «Мутационный анализ N-концевого ДНК-связывающего домена транспозазы спящей красавицы: критические остатки для связывания ДНК и гиперактивности в клетках млекопитающих» . Молекулярная и клеточная биология . 24 (20): 9239–9247. дои : 10.1128/MCB.24.20.9239-9247.2004 . ПМК 517896 . ПМИД 15456893 .
- ^ Баус Дж., Лю Л., Хеггестад А.Д., Санс С., Флетчер Б.С. (декабрь 2005 г.). «Гиперактивные транспозазные мутанты транспозона Спящей красавицы» . Молекулярная терапия . 12 (6): 1148–1156. дои : 10.1016/j.ymthe.2005.06.484 . ПМИД 16150650 .
- ^ Jump up to: а б Матес Л., Чуа М.К., Белай Е., Джерчоу Б., Маной Н., Акоста-Санчес А. и др. (июнь 2009 г.). «Молекулярная эволюция новой гиперактивной транспозазы «Спящей красавицы» обеспечивает надежный стабильный перенос генов у позвоночных» (PDF) . Природная генетика . 41 (6): 753–761. дои : 10.1038/ng.343 . ПМИД 19412179 . S2CID 27373372 .
- ^ Грабундзия И., Ирганг М., Матеш Л., Белай Е., Матрай Дж., Гоголь-Деринг А. и др. (июнь 2010 г.). «Сравнительный анализ векторных систем мобильных элементов в клетках человека» . Молекулярная терапия . 18 (6): 1200–1209. дои : 10.1038/mt.2010.47 . ПМЦ 2889740 . ПМИД 20372108 .
- ^ Изсвак З., Харе Д., Бельке Дж., Хайнеманн У., Пластерк Р.Х., Ивикс З. (сентябрь 2002 г.). «Участие бифункционального парного ДНК-связывающего домена и транспозиционного энхансера в транспозиции Спящей красавицы» . Журнал биологической химии . 277 (37): 34581–34588. дои : 10.1074/jbc.M204001200 . ПМИД 12082109 .
- ^ Вэнс Т. « Спящая красавица названа молекулой года» . mdc-berlin.de . Проверено 10 мая 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Цуй З., Гертс А.М., Лю Г., Кауфман К.Д., Хакетт П.Б. (май 2002 г.). «Структурно-функциональный анализ инвертированных концевых повторов транспозона спящей красавицы». Журнал молекулярной биологии . 318 (5): 1221–1235. дои : 10.1016/S0022-2836(02)00237-1 . ПМИД 12083513 .
- ^ Изсвак З., Ивикс З., Пластерк Р.Х. (сентябрь 2000 г.). «Спящая красавица, транспозонный вектор широкого спектра хозяев для генетической трансформации позвоночных». Журнал молекулярной биологии . 302 (1): 93–102. дои : 10.1006/jmbi.2000.4047 . ПМИД 10964563 .
- ^ Карлсон CM, Ларгаэспада DA (июль 2005 г.). «Инсерционный мутагенез у мышей: новые перспективы и инструменты». Обзоры природы. Генетика . 6 (7): 568–580. дои : 10.1038/nrg1638 . ПМИД 15995698 . S2CID 3194633 .
- ^ Дюпюи AJ (август 2010 г.). «Скрининг на основе транспозонов для обнаружения генов рака на моделях мышей» . Семинары по биологии рака . 20 (4): 261–268. doi : 10.1016/j.semcancer.2010.05.003 . ПМЦ 2940989 . ПМИД 20478384 .
- ^ Ивикс З., Изсвак З. (январь 2005 г.). «Происходит много всего: новые транспозонные инструменты для функциональной геномики позвоночных». Тенденции в генетике . 21 (1): 8–11. дои : 10.1016/j.tig.2004.11.008 . ПМИД 15680506 .
- ^ Джейкоб Х.Дж., Лазар Дж., Дуинелл М.Р., Морено С., Гертс А.М. (декабрь 2010 г.). «Нацеливание на гены у крыс: достижения и возможности» . Тенденции в генетике . 26 (12): 510–518. дои : 10.1016/j.tig.2010.08.006 . ПМК 2991520 . ПМИД 20869786 .
- ^ Изсвак З., Ивичс З. (февраль 2004 г.). «Транспозиция спящей красавицы: биология и применение молекулярной терапии» . Молекулярная терапия . 9 (2): 147–156. дои : 10.1016/j.ymthe.2003.11.009 . ПМИД 14759798 .
- ^ Хакетт П.Б., Эккер С.С., Ларгаэспада Д.А., МакИвор Р.С. (2005). «Генная терапия, опосредованная транспозонами Спящей красавицы, для длительной экспрессии». Невирусные векторы для генной терапии, второе издание: Часть 2 . Достижения генетики. Том. 54. стр. 189–232. дои : 10.1016/S0065-2660(05)54009-4 . ISBN 978-0-12-017654-0 . ПМИД 16096013 .
- ^ Аронович Э.Л., МакИвор Р.С., Хакетт П.Б. (апрель 2011 г.). «Транспозонная система «Спящей красавицы»: невирусный вектор для генной терапии» . Молекулярная генетика человека . 20 (R1): R14–R20. дои : 10.1093/hmg/ddr140 . ПМК 3095056 . ПМИД 21459777 .
- ^ Аронович Э.Л., Белл Дж.Б., Белур Л.Р., Гюнтер Р., Кониар Б., Эриксон Д.С. и др. (май 2007 г.). «Длительная экспрессия лизосомального фермента в печени мышей после доставки гена, опосредованной транспозоном Спящей красавицы: значение для невирусной генной терапии мукополисахаридозов» . Журнал генной медицины . 9 (5): 403–415. дои : 10.1002/jgm.1028 . ПМЦ 1868578 . ПМИД 17407189 .
- ^ Аронович Э.Л., Белл Дж.Б., Хан С.А., Белур Л.Р., Гюнтер Р., Кониар Б. и др. (июль 2009 г.). «Системная коррекция болезни накопления у мышей MPS I NOD/SCID с использованием транспозонной системы «Спящая красавица»» . Молекулярная терапия . 17 (7): 1136–1144. дои : 10.1038/mt.2009.87 . ПМЦ 2835207 . ПМИД 19384290 .
- ^ Хакетт П.Б., Ларгаэспада Д.А., Купер Л.Дж. (апрель 2010 г.). «Система транспозонов и транспозаз для применения у человека» . Молекулярная терапия . 18 (4): 674–683. дои : 10.1038/mt.2010.2 . ПМЦ 2862530 . ПМИД 20104209 .