ДНК-транспозон
ДНК-транспозоны — это последовательности ДНК, иногда называемые «прыгающими генами», которые могут перемещаться и интегрироваться в разные места генома . [ 1 ] Это (TE) класса II мобильные элементы , которые перемещаются через промежуточное соединение ДНК , в отличие от TE класса I, ретротранспозонов , которые перемещаются через промежуточное соединение РНК . [ 2 ] ДНК-транспозоны могут перемещаться в ДНК организма через одно- или двухцепочечные промежуточные соединения ДНК. [ 3 ] ДНК-транспозоны были обнаружены как у прокариотических , так и у эукариотических организмов. Они могут составлять значительную часть генома организма, особенно у эукариот. У прокариот ТЕ могут способствовать переносу горизонтальному устойчивости к антибиотикам или другим генам, связанным с вирулентностью . После репликации и распространения в хозяине все копии транспозона инактивируются и теряются, если только транспозон не перейдет в геном, начав новый жизненный цикл с горизонтальным переносом. [ 4 ] Важно отметить, что ДНК-транспозоны не встраиваются в геном случайным образом, а скорее отдают предпочтение определенным сайтам.
Что касается движения, ДНК-транспозоны можно разделить на автономные и неавтономные. [ 5 ] Автономные могут двигаться самостоятельно, в то время как неавтономные требуют присутствия гена другого мобильного элемента, транспозазы , для перемещения. Существует три основные классификации движения ДНК-транспозонов: «вырезать и вставить». [ 6 ] « катящийся круг » (Гелитроны), [ 7 ] и «самосинтезирующиеся» (Полинтоны). [ 8 ] Эти различные механизмы движения позволяют им перемещаться по геному организма. Поскольку ДНК-транспозоны не могут синтезировать ДНК, они реплицируются с использованием механизма репликации хозяина. Эти три основных класса затем разбиваются на 23 различных суперсемейства, характеризующихся своей структурой, последовательностью и механизмом действия. [ 9 ]
ДНК-транспозоны являются причиной изменений экспрессии генов . Будучи вновь вставленными ДНК в активные кодирующие последовательности , они могут нарушать нормальные функции белков и вызывать мутации. TE класса II составляют около 3% генома человека. На сегодняшний день в геноме человека нет активных ДНК-транспозонов. Поэтому элементы, обнаруженные в геноме человека, называются окаменелостями.
Механизмы действия
[ редактировать ]Вырезать и вставить
[ редактировать ]Традиционно ДНК-транспозоны перемещаются по геному методом вырезания и вставки. Системе необходим фермент транспозаза , который катализирует перемещение ДНК из ее текущего местоположения в геноме и встраивает ее в новое место. Для транспозиции требуются три ДНК сайта на транспозоне : два на каждом конце транспозона, называемые терминальными инвертированными повторами , и один на целевом сайте. Транспозаза связывается с терминальными инвертированными повторами транспозона и опосредует синапсис концов транспозона. Затем фермент транспозаза отсоединяет элемент от фланкирующей ДНК исходного донорского сайта и опосредует реакцию соединения, которая связывает транспозон с новым сайтом вставки. Добавление новой ДНК в целевой сайт вызывает появление коротких пробелов по обе стороны от вставленного сегмента. [ 10 ] целевой последовательности Системы-хозяева устраняют эти пробелы, что приводит к дупликации (TSD), характерной для транспозиции. Во многих реакциях транспозон полностью вырезается из донорского участка методом так называемой «вырезания и вставки». [ 11 ] транспозицию и встраивают в целевую ДНК с образованием простой вставки. Иногда генетический материал, изначально не находившийся в мобильном элементе, также копируется и перемещается.
Гелитроны
[ редактировать ]Гелитроны также представляют собой группу TE эукариот II класса. Гелитроны не следуют классическому механизму «вырезать и вставить». Вместо этого предполагается, что они перемещаются по геному посредством механизма, напоминающего вращающийся круг. Этот процесс включает в себя создание разрыва кольцевой цепи с помощью фермента, который разделяет ДНК на две одиночные цепи. Затем инициирующий белок остается прикрепленным к 5'-фосфату на разорванной цепи, обнажая 3'-гидроксил комплементарной цепи. Это позволяет ферменту полимеразы начать репликацию на неповрежденной цепи. В конце концов вся цепь реплицируется, после чего вновь синтезированная ДНК диссоциирует и реплицируется параллельно с исходной цепью матрицы. [ 12 ] Гелитроны кодируют неизвестный белок, который, как полагают, обладает эндонуклеазной функцией HUH, а также активностью 5'-3'- хеликазы . Этот фермент может сделать одноцепочечный разрез ДНК, что объясняет отсутствие дублирования целевого сайта, обнаруженного у гелитронов. Гелитроны также были первым классом мобильных элементов, открытых с помощью вычислений, и ознаменовали сдвиг парадигмы в способах изучения целых геномов. [ 13 ]
Полинтоны
[ редактировать ]Полинтоны также представляют собой группу TE эукариот II класса. Являясь одними из самых сложных известных транспозонов ДНК у эукариот, они составляют геномы простейших , грибов и животных , таких как энтамеба , соевая ржавчина и курица соответственно. Они содержат гены, вирусным гомологичные белкам . и часто встречающиеся в эукариот геномах , такие полимераза и ретровирусная интеграза как Однако не существует известного белка, функционально аналогичного белкам вирусного капсида или оболочки . Они имеют много общих структурных характеристик с линейными плазмидами , бактериофагами и аденовирусами , которые реплицируются с помощью ДНК-полимераз с белком. Было высказано предположение, что полинтоны проходят аналогичный самосинтез с помощью своей полимеразы. Полинтоны длиной 15–20 т.п.н. кодируют до 10 отдельных белков. Для репликации они используют ДНК- полимеразу B , ретровирусную интегразу , цистеиновую протеазу и АТФазу . Во-первых, во время репликации генома хозяина одноцепочечный внехромосомный элемент Полинтона вырезается из ДНК хозяина с помощью интегразы, образуя структуру, подобную ракетке. Во-вторых, Полинтон подвергается репликации с использованием ДНК-полимеразы B, причем инициация начинается с терминального белка, который может кодироваться в некоторых линейных плазмидах. Как только образуется двухцепочечный Полинтон, интеграза служит для вставки его в геном хозяина. Полинтоны демонстрируют высокую изменчивость между разными видами и могут жестко регулироваться, что приводит к низкой частоте встречаемости во многих геномах. [ 14 ]
Классификация
[ редактировать ]По данным последнего обновления в 2015 году, 23 суперсемейства ДНК-транспозонов были признаны и аннотированы в Repbase, база данных повторяющихся элементов ДНК, поддерживаемая Научно-исследовательским институтом генетической информации : [ 15 ]
Эффекты транспозонов
[ редактировать ]ДНК- транспозоны , как и все транспозоны, весьма влияют на экспрессию генов. Последовательность ДНК может встроиться в ранее функционирующий ген и вызвать мутацию . Это может произойти тремя различными способами: 1. изменение функции, 2. хромосомная перестройка и 3. источник нового генетического материала. [ 16 ] Поскольку транспозоны ДНК могут захватить с собой части геномных последовательностей, может произойти перетасовка экзонов. Перетасовка экзонов — это создание новых генных продуктов за счет нового размещения двух ранее неродственных экзонов посредством транспозиции. [ 17 ] Из-за своей способности изменять экспрессию ДНК транспозоны стали важной целью исследований в области генной инженерии .
Примеры
[ редактировать ]кукуруза
[ редактировать ]Барбара МакКлинток впервые обнаружила и описала ДНК- транспозоны у Zea mays . [ 18 ] в 1940-е годы; за это достижение она получила Нобелевскую премию в 1983 году. Она описала систему Ac/Ds , в которой единица Ac (активатор) была автономной, но геномная единица Ds требовала присутствия активатора для движения. Этот TE является одним из наиболее очевидных визуально, поскольку он способен вызвать изменение цвета кукурузы с желтого на коричневый/пятнистость на отдельных зернах.
Плодовые мухи
[ редактировать ]Mariner /Tc1 Транспозон , обнаруженный у многих животных, но изученный у дрозофилы, был впервые описан Якобсоном и Хартлом. [ 19 ] Mariner хорошо известен своей способностью вырезать и вставлять в новый организм горизонтально. [ 20 ] Тысячи копий ТЕ были обнаружены в геноме человека, а также других животных.
Транспозоны Hobo у дрозофилы были тщательно изучены из-за их способности вызывать дисгенезию гонад . [ 21 ] Вставка и последующая экспрессия бродячих последовательностей приводит к потере зародышевых клеток в гонадах развивающихся мух.
Бактерии
[ редактировать ]Бактериальные транспозоны особенно хороши в облегчении горизонтального переноса генов между микробами. Транспозиция облегчает перенос и накопление устойчивости к антибиотикам генов . У бактерий мобильные элементы могут легко перемещаться между хромосомным геномом и плазмидами . с множественной лекарственной устойчивостью В исследовании 1982 года, проведенном Дево и др., был выделен и исследован штамм Acinetobacter . Имеющиеся данные указывали на перенос плазмиды в бактерию, где гены устойчивости были транспонированы в хромосомный геном. [ 22 ]
Генетическое разнообразие
[ редактировать ]Транспозоны могут способствовать увеличению генетического разнообразия многих организмов. ДНК-транспозоны могут стимулировать эволюцию геномов, способствуя перемещению участков последовательностей ДНК. В результате это может изменить регуляторные области и фенотипы генов. [ 23 ] Открытие транспозонов было сделано Барбарой МакКлинток , которая заметила, что эти элементы действительно могут изменять цвет растений кукурузы , которые она изучала, что предоставило быстрое доказательство одного из результатов движения транспозонов. [ 24 ] Другим примером является ДНК-транспозон Tol2 у рыб медака, который, как говорят, является результатом их разнообразия в образцах пигментации. [ 25 ] Эти примеры показывают, что транспозоны могут сильно влиять на процесс эволюции , быстро вызывая изменения в геноме.
Инактивация
[ редактировать ]Все ДНК- транспозоны неактивны в геноме человека . [ 26 ] Инактивированные или молчащие транспозоны не приводят к фенотипическому результату и не перемещаются по геному. Некоторые из них неактивны, поскольку имеют мутации , влияющие на их способность перемещаться между хромосомами, в то время как другие способны перемещаться, но остаются неактивными из-за эпигенетической защиты, такой как метилирование ДНК и ремоделирование хроматина . Например, химические модификации ДНК могут сузить определенные области генома так, что транскрипции ферменты не смогут их достичь. РНКи , в частности, молчание миРНК и микроРНК , представляет собой естественный механизм, который, помимо регуляции экспрессии эукариотических генов, предотвращает транскрипцию ДНК-транспозонов. Другим способом инактивации является торможение перепроизводства. Когда транспозаза превышает пороговую концентрацию, активность транспозонов снижается. [ 27 ] Поскольку транспозаза может образовывать неактивные или менее активные мономеры, которые в целом снижают активность транспозиции, снижение производства транспозазы также будет происходить, когда в геноме хозяина увеличивается количество больших копий этих менее активных элементов.
Горизонтальный перенос
[ редактировать ]Горизонтальный перенос относится к перемещению информации ДНК между клетками разных организмов. Горизонтальный перенос может включать перемещение ТЕ из одного организма в геном другого. Сама вставка позволяет TE стать активированным геном нового хозяина. Горизонтальный перенос используется ДНК-транспозонами для предотвращения инактивации и полной потери транспозона. Эта инактивация называется вертикальной инактивацией, что означает, что ДНК-транспозон неактивен и остается в виде ископаемого. Этот тип переноса не является наиболее распространенным, но он наблюдался в случае белка вирулентности пшеницы ToxA, который передавался между различными грибковыми патогенами Parastagonospora nodorum , Pyrenophora tritici-repentis и Bipolaris sorokiniana. [ 28 ] Другие примеры включают передачу между морскими ракообразными , насекомыми разных отрядов и организмами разных типов , такими как люди и нематоды . [ 29 ]
Эволюция
[ редактировать ]Геномы эукариот различаются по содержанию TE. Недавнее исследование различных суперсемейств TE показало, что между группами существует поразительное сходство. Была выдвинута гипотеза, что многие из них представлены в двух или более супергруппах эукариот. Это означает, что дивергенция суперсемейств транспозонов могла даже предшествовать дивергенции супергрупп эукариот. [ 30 ]
V(D)J рекомбинация
[ редактировать ]Рекомбинация V(D)J , хотя и не является TE ДНК, удивительно похожа на транспозоны . Рекомбинация V(D)J — это процесс, посредством которого создаются большие различия в сайтах связывания антител. В этом механизме ДНК рекомбинируется для создания генетического разнообразия. [ 31 ] В связи с этим была выдвинута гипотеза, что эти белки, особенно Rag1 и Rag2, [ 32 ] являются производными от мобильных элементов. [ 33 ]
Вымирание в геноме человека
[ редактировать ]Есть данные, свидетельствующие о том, что по крайней мере 40 семейств ДНК-транспозонов человека были активны во время облучения млекопитающих и ранних приматов. Затем на более позднем этапе облучения приматов произошла пауза в транспозиционной активности с полной остановкой движения транспозонов у антропоидного предка приматов. Нет никаких свидетельств существования какого-либо мобильного элемента моложе 37 миллионов лет. [ 34 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Транспозон | генетика» . Британская энциклопедия . Проверено 28 октября 2019 г.
- ^ Уикер, Томас; Сабо, Франсуа; Хуа-Ван, Орели; Беннетцен, Джеффри Л.; Капи, Пьер; Чалхуб, Булос; Флавелл, Эндрю; Лерой, Филипп; Морганте, Мишель (2007). «Единая система классификации эукариотических мобильных элементов». Обзоры природы Генетика . 8 (12): 973–982. дои : 10.1038/nrg2165 . ПМИД 17984973 . S2CID 32132898 .
- ^ Фешотт, Седрик; Притам, Эллен Дж. (декабрь 2007 г.). «ДНК-транспозоны и эволюция геномов эукариот» . Ежегодный обзор генетики . 41 (1): 331–368. дои : 10.1146/annurev.genet.40.110405.090448 . ПМК 2167627 . ПМИД 18076328 .
- ^ Муньос-Лопес, Мартин; Гарсиа-Перес, Хосе Л. (апрель 2010 г.). «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике» . Современная геномика . 11 (2): 115–128. дои : 10.2174/138920210790886871 . ISSN 1389-2029 . ПМЦ 2874221 . ПМИД 20885819 .
- ^ «Транспозоны | Изучайте науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 28 октября 2019 г.
- ^ Крейг, Нэнси Л. (13 октября 1995 г.). «Единство в реакциях транспозиции». Наука . 270 (5234): 253–4. Бибкод : 1995Sci...270..253C . дои : 10.1126/science.270.5234.253 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 7569973 . S2CID 29930180 .
- ^ Капитонов Владимир Владимирович; Юрка, Ежи (17 июля 2001 г.). «Транспозоны катящегося круга у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (15): 8714–8719. Бибкод : 2001PNAS...98.8714K . дои : 10.1073/pnas.151269298 . ISSN 0027-8424 . ПМК 37501 . ПМИД 11447285 .
- ^ Капитонов Владимир Владимирович; Юрка, Ежи (21 марта 2006 г.). «Самосинтезирующие ДНК-транспозоны у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (12): 4540–4545. Бибкод : 2006PNAS..103.4540K . дои : 10.1073/pnas.0600833103 . ISSN 0027-8424 . ПМК 1450207 . ПМИД 16537396 .
- ^ Капитонов Владимир Владимирович; Юрка, Ежи (21 марта 2006 г.). «Самосинтезирующие ДНК-транспозоны у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (12): 4540–4545. Бибкод : 2006PNAS..103.4540K . дои : 10.1073/pnas.0600833103 . ISSN 0027-8424 . ПМК 1450207 . ПМИД 16537396 .
- ^ Берг и Хоу, Дуглас Э. и Марта М. (1989). Мобильная ДНК II . АСМ Пресс. п. 98. ИСБН 9781555812096 .
- ^ Мэдиган М., Мартинко Дж., ред. (2006). Брок Биолог микроорганизмов (11-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-144329-1 .
- ^ «Репликация по катящемуся кругу — Школа биомедицинских наук Wiki» . учить.ncl.ac.uk . Проверено 6 октября 2019 г.
- ^ Томас Дж., Притам Э.Дж. (август 2015 г.). «Гелитроны, эукариотические мобильные элементы катящегося круга» . Микробиологический спектр . 3 (4): 893–926. doi : 10.1128/microbiolspec.MDNA3-0049-2014 . ISBN 9781555819200 . ПМИД 26350323 .
- ^ Капитонов В.В., Юрка Дж. (март 2006 г.). «Самосинтезирующие ДНК-транспозоны у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (12): 4540–5. Бибкод : 2006PNAS..103.4540K . дои : 10.1073/pnas.0600833103 . ПМК 1450207 . ПМИД 16537396 .
- ^ Бао В., Кодзима К.К., Кохани О (2 июня 2015 г.). «Обновление Repbase, базы данных повторяющихся элементов в геномах эукариот» . Мобильная ДНК . 6 (1): 11. дои : 10.1186/s13100-015-0041-9 . ПМК 4455052 . ПМИД 26045719 .
- ^ Фешотт С., Притам Э.Дж. (2007). «ДНК-транспозоны и эволюция геномов эукариот» . Ежегодный обзор генетики . 41 : 331–68. дои : 10.1146/annurev.genet.40.110405.090448 . ПМК 2167627 . ПМИД 18076328 .
- ^ Морганте М., Бруннер С., Пи Г., Фенглер К., Зукколо А., Рафальски А. (сентябрь 2005 г.). «Дупликация генов и перестановка экзонов с помощью гелитроноподобных транспозонов создают внутривидовое разнообразие кукурузы». Природная генетика . 37 (9): 997–1002. дои : 10.1038/ng1615 . ПМИД 16056225 . S2CID 10401931 .
- ^ МакКлинток, Барбара (1950). «Происхождение и поведение мутабельных локусов кукурузы» . Proc Natl Acad Sci США . 36 (6): 344–55. Бибкод : 1950ПНАС...36..344М . дои : 10.1073/pnas.36.6.344 . ПМЦ 1063197 . ПМИД 15430309 .
- ^ Джейкобсон, Дж.В.; Медхора, ММ; Хартл, Д.Л. (ноябрь 1986 г.). «Молекулярная структура соматически нестабильного мобильного элемента у дрозофилы» . Proc Natl Acad Sci США . 83 (22): 8684–8. Бибкод : 1986PNAS...83.8684J . дои : 10.1073/pnas.83.22.8684 . ПМЦ 386995 . ПМИД 3022302 .
- ^ Лоэ, Арканзас; Морияма, EN; Лидхольм, округ Колумбия; Хартл, Д.Л. (1995). «Горизонтальная передача, вертикальная инактивация и стохастическая потеря мобильных элементов, подобных морским» . Мол. Биол. Эвол . 12 (1): 62–72. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040191 . ПМИД 7877497 .
- ^ Депра, М; Валенте, ВЛ; Маргис, Р; Лорето, Эль (2009). «Транспозон бродяги и родственные бродягам элементы экспрессируются как гены развития у дрозофилы» . Джин . 448 (1): 57–63. дои : 10.1016/j.gene.2009.08.012 . ПМИД 19720121 .
- ^ Дево, М; Кайзер, Ф.Х.; Бачи, Б. (август 1982 г.). «Множественная устойчивость штаммов Acinetobacter к антибиотикам, опосредованная транспозонами» . Противомикробные средства Химиотер . 22 (2): 323–9. дои : 10.1128/aac.22.2.323 . ЧВК 183733 . ПМИД 6100428 .
- ^ «Транспозоны | Изучайте науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 1 ноября 2019 г.
- ^ «Барбара МакКлинток и открытие прыгающих генов (транспозонов) | Изучайте науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 7 октября 2019 г.
- ^ Кога, Акихико; Иида, Ацуо; Хори, Хироши; Симада, Ацуко; Сима, Акихиро (июль 2006 г.). «Транспозон ДНК позвоночных как естественный мутатор: элемент Tol2 рыбы медака способствует генетической изменчивости без узнаваемых следов» . Молекулярная биология и эволюция . 23 (7): 1414–1419. дои : 10.1093/molbev/msl003 . ISSN 0737-4038 . ПМИД 16672286 .
- ^ «Транспозоны | Изучайте науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 1 ноября 2019 г.
- ^ Муньос-Лопес, Мартин; Гарсиа-Перес, Хосе Л. (апрель 2010 г.). «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике» . Современная геномика . 11 (2): 115–128. дои : 10.2174/138920210790886871 . ISSN 1389-2029 . ПМЦ 2874221 . ПМИД 20885819 .
- ^ Макдональд, Меган С.; Таранто, Адам П.; Хилл, Эрин; Швессингер, Бенджамин; Лю, Чжаохуэй; Симпфендорфер, Стивен; Милгейт, Эндрю; Соломон, Питер С. (29 октября 2019 г.). «Опосредованный транспозоном горизонтальный перенос специфичного для хозяина белка ToxA между тремя грибковыми патогенами пшеницы» . мБио . 10 (5). дои : 10.1128/mBio.01515-19 . ISSN 2150-7511 . ПМЦ 6737239 . ПМИД 31506307 .
- ^ Муньос-Лопес, Мартин; Гарсиа-Перес, Хосе Л. (апрель 2010 г.). «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике» . Современная геномика . 11 (2): 115–128. дои : 10.2174/138920210790886871 . ISSN 1389-2029 . ПМЦ 2874221 . ПМИД 20885819 .
- ^ Фешотт С., Притам Э.Дж. (2007). «ДНК-транспозоны и эволюция геномов эукариот» . Ежегодный обзор генетики . 41 : 331–68. дои : 10.1146/annurev.genet.40.110405.090448 . ПМК 2167627 . ПМИД 18076328 .
- ^ Юнг Д., Alt FW (январь 2004 г.). «Раскрытие рекомбинации V(D)J; понимание регуляции генов» . Клетка . 116 (2): 299–311. дои : 10.1016/S0092-8674(04)00039-X . ПМИД 14744439 . S2CID 16890458 .
- ^ Бурк Г., Бернс К.Х., Геринг М., Горбунова В., Селуанов А., Хэммелл М. и др. (ноябрь 2018 г.). «Десять вещей, которые вам следует знать о мобильных элементах» . Геномная биология . 19 (1): 199. дои : 10.1186/s13059-018-1577-z . ПМК 6240941 . ПМИД 30454069 .
- ^ Муньос-Лопес М., Гарсия-Перес Х.Л. (апрель 2010 г.). «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике» . Современная геномика . 11 (2): 115–28. дои : 10.2174/138920210790886871 . ПМЦ 2874221 . ПМИД 20885819 .
- ^ Пейс Дж.К., Фешотт К. (апрель 2007 г.). «Эволюционная история транспозонов ДНК человека: свидетельства интенсивной активности в линии приматов» . Геномные исследования . 17 (4): 422–32. дои : 10.1101/гр.5826307 . ПМЦ 1832089 . ПМИД 17339369 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Dfam — база данных повторяющихся последовательностей ДНК.
- Repbase — база данных и система классификации повторяющихся последовательностей ДНК.
- Гены, полученные из ДНК-транспозонов , в базе данных HGNC