Перетасовка экзонов
Перетасовка экзонов — это молекулярный механизм образования новых генов. Это процесс, посредством которого два или более экзонов разных генов могут быть эктопически соединены вместе или один и тот же экзон может быть дублирован , чтобы создать новую структуру экзон-интрон. [1] Существуют различные механизмы, посредством которых происходит перетасовка экзонов: кроссинговер перетасовка экзонов, опосредованная транспозонами, во время половой рекомбинации родительских геномов и незаконная рекомбинация .
Перетасовка экзонов подчиняется определенным правилам рамки сплайсинга. Интроны могут прерывать рамку считывания гена, вставляя последовательность между двумя последовательными кодонами (интроны фазы 0), между первым и вторым нуклеотидом кодона (интроны фазы 1) или между вторым и третьим нуклеотидом кодона (интроны фазы 1). 2 интрона). Кроме того, экзоны можно разделить на девять различных групп в зависимости от фазы фланкирующих интронов (симметричные: 0–0, 1–1, 2–2 и асимметричные: 0–1, 0–2, 1–0, 1–2, и т. д.) Симметричные экзоны — единственные, которые могут встраиваться в интроны, подвергаться дупликации или удаляться без изменения рамки считывания. [2]
История [ править ]
Перетасовка экзонов была впервые описана в 1978 году, когда Уолтер Гилберт обнаружил, что существование интронов может играть важную роль в эволюции белков. [3] Было отмечено, что рекомбинация внутри интронов может помочь независимо сортировать экзоны и что повторяющиеся сегменты в середине интронов могут создавать горячие точки для рекомбинации, чтобы перемешать экзонные последовательности. Однако наличие этих интронов у эукариот и отсутствие у прокариот породило дискуссию о времени появления этих интронов. Возникли две теории: теория «ранних интронов» и теория «поздних интронов». Сторонники «ранней теории интронов» считали, что интроны и сплайсинг РНК были остатками мира РНК и, следовательно, как прокариоты, так и эукариоты изначально имели интроны. Однако прокариоты удалили свои интроны, чтобы получить более высокую эффективность, тогда как эукариоты сохранили интроны и генетическую пластичность предков. С другой стороны, сторонники теории «поздних интронов» считают, что гены прокариот напоминают предковые гены и интроны были вставлены позже в гены эукариот. Теперь ясно, что эукариотическая экзон-интронная структура не статична, интроны постоянно вставляются и удаляются из генов, а эволюция интронов развивается параллельно перетасовке экзонов. [ нужна ссылка ]
Для того чтобы перетасовка экзонов начала играть важную роль в эволюции белков, должно было произойти появление сплайсосомных интронов. Это произошло из-за того, что самосплайсинговые интроны мира РНК были непригодны для перетасовки экзонов путем интронной рекомбинации. Эти интроны выполняли важную функцию и поэтому не могли быть рекомбинированы. Кроме того, имеются убедительные доказательства того, что сплайсосомные интроны возникли сравнительно недавно и их эволюционное распространение ограничено. Таким образом, перетасовка экзонов стала играть важную роль в построении более молодых белков. [ нужна ссылка ]
Более того, чтобы более точно определить время, когда перетасовка экзонов стала значимой у эукариот, эволюционное распределение модульных белков, которые развились посредством этого механизма, было исследовано у различных организмов, таких как Escherichia coli , Saccharomyces cerevisiae и Arabidopsis thaliana . Эти исследования показали, что существует обратная зависимость между компактностью генома и долей интронных и повторяющихся последовательностей, и что перетасовка экзонов стала значимой после радиации многоклеточных животных. [4]
Механизмы [ править ]
родительских геномов половой рекомбинации при Кроссовер
Эволюция эукариот опосредована половой рекомбинацией родительских геномов, и поскольку интроны длиннее экзонов, большинство кроссинговеров происходит в некодирующих областях. В этих интронах имеется большое количество мобильных элементов и повторяющихся последовательностей, которые способствуют рекомбинации негомологичных генов. Кроме того, было также показано, что мозаичные белки состоят из мобильных доменов, которые в ходе эволюции распространились на разные гены и способны сворачиваться. [ нужна ссылка ]
Существует механизм формирования и перетасовки указанных доменов, это гипотеза модуляризации. Этот механизм разделен на три этапа. Первый этап — вставка интронов в позиции, соответствующие границам белкового домена. На втором этапе «протомодуль» подвергается тандемному дупликации путем рекомбинации внутри вставленных интронов. Третий этап - это когда один или несколько протомодулей переносятся в другой негомологичный ген путем интронной рекомбинации. Все состояния модуляризации наблюдались в различных доменах, например, в доменах гемостатических белков. [2]
Транспозон опосредованный [ править ]
Длинный элемент с вкраплениями (LINE)-1 [ править ]
Потенциальным механизмом перетасовки экзонов является 3'-трансдукция, опосредованная длинным вкрапленным элементом (LINE)-1. Однако важно сначала понять, что такое LINE . LINE — это группа генетических элементов, которые в большом количестве встречаются в геномах эукариот. [5] LINE-1 — наиболее распространенная LINE, встречающаяся у людей. Он транскрибируется РНК-полимеразой II с образованием мРНК , кодирующей два белка: ORF1 и ORF2, которые необходимы для транспозиции. [6]
При транспозиции L1 связывается с 3'-фланкирующей ДНК и переносит последовательность, отличную от L1, в новое место генома. Это новое местоположение не обязательно должно находиться в гомологичной последовательности или в непосредственной близости от последовательности донорской ДНК. Последовательность донорской ДНК остается неизменной на протяжении всего этого процесса, поскольку она действует по принципу копирования через промежуточные РНК; однако было доказано, что только те регионы, которые расположены в 3'-области L1, являются мишенью для дупликации. [ нужна ссылка ]
Тем не менее, есть основания полагать, что это не всегда верно, как показано в следующем примере. Ген ATM человека отвечает за аутосомно-рецессивное заболевание атаксия-телеангиэктазия человека и расположен на хромосоме 11. Однако частичная последовательность ATM обнаружена в хромосоме 7. Молекулярные особенности позволяют предположить, что эта дупликация была опосредована ретротранспозицией L1: полученная последовательность был фланкирован дупликациями целевой стороны (TSD) длиной 15 п.о., последовательность вокруг 5'-конца соответствовала консенсусной последовательности для сайта расщепления эндонуклеазой L1, а поли(А)-хвост предшествовал 3'-TSD. Но поскольку элемент L1 не присутствовал ни в ретротранспонированном сегменте, ни в исходной последовательности, мобилизацию сегмента нельзя объяснить 3'-трансдукцией. Дополнительная информация привела к убеждению, что трансмобилизация последовательности ДНК является еще одним механизмом L1 для перетасовки экзонов, но необходимо провести дополнительные исследования по этому вопросу. [7]
Гелитрон [ править ]
Другой механизм, посредством которого происходит перетасовка экзонов, заключается в использовании гелитронов . Гелитронные транспозоны были впервые обнаружены при изучении повторяющихся сегментов ДНК геномов риса, червей и гребня тале. Гелитроны были идентифицированы во всех царствах эукариот, но количество копий варьируется от вида к виду. [ нужна ссылка ]
Белки, кодируемые Helitron, состоят из инициатора репликации по катящемуся кругу (RC) (Rep) и домена ДНК-хеликазы (Hel). Домен Rep участвует в каталитических реакциях эндонуклеолитического расщепления, переноса ДНК и лигирования. Кроме того, этот домен содержит три мотива. Первый мотив необходим для связывания ДНК. Второй мотив имеет два гистидина и участвует в связывании ионов металлов. Наконец, третий мотив имеет два тирозина и катализирует расщепление и лигирование ДНК. [ нужна ссылка ]
Существует три модели захвата генов гелитронами: модель «сквозного чтения» 1 (RTM1), модель «сквозного чтения» 2 (RTM2) и модель ДНК-наполнителя (FDNA). Согласно модели RTM1, случайная «неисправность» терминатора репликации на 3'-конце Гелитрона приводит к транспозиции геномной ДНК. Он состоит из считываемого элемента Helitron и его нижестоящих геномных областей, окруженных случайным участком ДНК, служащим терминатором RC «de novo». Согласно модели RTM2 3'-конец другого гелитрона служит RC-терминатором транспозиции. Это происходит после неисправности RC терминатора. Наконец, в модели FDNA части генов или некодирующие области могут случайно служить матрицами во время репарации разрывов ds ДНК, происходящих в гелитронах. [8] Несмотря на то, что гелитроны оказались очень важным эволюционным инструментом, конкретные детали механизмов их транспозиции еще предстоит определить. [ нужна ссылка ]
Примером эволюции с использованием гелитронов является разнообразие, обычно встречающееся в кукурузе. Гелитроны в кукурузе вызывают постоянную смену генных и негенных областей за счет использования мобильных элементов, что приводит к разнообразию между различными линиями кукурузы. [ нужна ссылка ]
длинными концевыми повторами ( Ретротранспозоны с LTR )
с длинными концевыми повторами (LTR) Ретротранспозоны являются частью другого механизма, посредством которого происходит перетасовка экзонов. Обычно они кодируют две открытые рамки считывания (ORF). Первая ORF, названная gag, связана с вирусными структурными белками. Вторая ORF, названная pol, представляет собой полипротеин, состоящий из аспарагиновой протеазы (AP), которая расщепляет полипротеин, РНКазы H (RH), которая расщепляет гибрид DNR-РНК, обратной транскриптазы (RT), которая производит копию кДНК транспозонов РНК. и интеграза DDE, которая вставляет кДНК в геном хозяина. Кроме того, ретротранспонсоны LTR подразделяются на пять подсемейств: Ty1/copia, Ty3/gypsy, Bel/Pao, ретровирусы и эндогенные ретровирусы. [9]
Ретротранспонсонам LTR требуется промежуточная РНК в механизме их цикла транспозиции. Ретротранспонсоны синтезируют копию кДНК на основе цепи РНК с помощью обратной транскриптазы, родственной ретровирусной RT. Затем копия кДНК вставляется в новые геномные позиции с образованием ретрогена. [10] Доказано, что этот механизм важен в эволюции генов риса и других видов трав посредством перетасовки экзонов. [ нужна ссылка ]
Транспозоны с терминальными инвертированными повторами ( TIR )
ДНК-транспозон с терминальными инвертированными повторами (TIR) также может способствовать перетасовке генов. У растений некоторые неавтономные элементы, называемые Pack-TYPE, могут захватывать фрагменты генов во время их мобилизации. [11] Этот процесс, по-видимому, опосредован приобретением генной ДНК, расположенной между соседними транспозонами Pack-TYPE, и ее последующей мобилизацией. [12]
Незаконная рекомбинация [ править ]
Наконец, незаконная рекомбинация (IR) — еще один механизм, посредством которого происходит перетасовка экзонов. IR представляет собой рекомбинацию между короткими гомологичными последовательностями или негомологичными последовательностями. [13]
Существует два класса ИР: первый соответствует ошибкам ферментов, которые разрезают и соединяют ДНК (т. е. ДНКаз). Этот процесс инициируется белком репликации, который помогает генерировать праймер для синтеза ДНК. Пока одна цепь ДНК синтезируется, другая вытесняется. Этот процесс заканчивается, когда смещенная цепь соединяется своими концами тем же репликационным белком. Второй класс ИР соответствует рекомбинации коротких гомологичных последовательностей, не распознаваемых ранее упомянутыми ферментами. Однако их можно распознать неспецифическими ферментами, которые вводят разрезы между повторами. Концы затем удаляются экзонуклеазой, чтобы обнажить повторы. Затем повторы отжигаются, и полученная молекула восстанавливается с помощью полимеразы и лигазы. [14]
См. также [ править ]
- Опять генное рождение
- Слияние генов
- Дупликация генов
- Эволюция генома
- Горизонтальный перенос генов
- Мобильные генетические элементы
Ссылки [ править ]
- ^ Лонг М., Бетран Э., Торнтон К., Ван В. (ноябрь 2003 г.). «Происхождение новых генов: взгляды молодых и старых». Обзоры природы. Генетика . 4 (11): 865–875. дои : 10.1038/nrg1204 . ПМИД 14634634 . S2CID 33999892 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Колкман Дж. А., Стеммер В. П. (май 2001 г.). «Направленная эволюция белков путем перетасовки экзонов». Природная биотехнология . 19 (5): 423–428. дои : 10.1038/88084 . ПМИД 11329010 . S2CID 10629066 .
- ^ Гилберт, Уолтер (февраль 1978 г.). «Почему гены разбиты на кусочки?» . Природа . 271 (5645): 501. Бибкод : 1978Natur.271..501G . дои : 10.1038/271501a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 622185 . S2CID 4216649 .
- ^ Пэтти Л. (сентябрь 1999 г.). «Эволюция генома и эволюция перетасовки экзонов - обзор». Джин . 238 (1): 103–114. дои : 10.1016/S0378-1119(99)00228-0 . ПМИД 10570989 .
- ^ Певица М.Ф. (март 1982 г.). «SINE и LINE: сильно повторяющиеся короткие и длинные вкрапленные последовательности в геномах млекопитающих». Клетка . 28 (3): 433–434. дои : 10.1016/0092-8674(82)90194-5 . ПМИД 6280868 . S2CID 22129236 .
- ^ Богерд Х.П., Виганд Х.Л., Халм А.Э., Гарсия-Перес Дж.Л., О'Ши К.С., Моран Дж.В., Каллен Б.Р. (июнь 2006 г.). «Клеточные ингибиторы длинноперемежающегося элемента 1 и ретротранспозиции Alu» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (23): 8780–8785. Бибкод : 2006PNAS..103.8780B . дои : 10.1073/pnas.0603313103 . ПМЦ 1482655 . ПМИД 16728505 .
- ^ Эдзима Ю, Ян Л (июнь 2003 г.). «Транс-мобилизация геномной ДНК как механизм ретротранспозон-опосредованной перетасовки экзонов» . Молекулярная генетика человека . 12 (11): 1321–1328. дои : 10.1093/hmg/ddg138 . ПМИД 12761047 .
- ^ 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 .
- ^ Мужевска А., Хоффман-Зоммер М., Гринберг М. (2011). «LTR-ретротранспозоны у грибов» . ПЛОС ОДИН . 6 (12): e29425. Бибкод : 2011PLoSO...629425M . дои : 10.1371/journal.pone.0029425 . ПМЦ 3248453 . ПМИД 22242120 .
- ^ Ван В., Чжэн Х., Фань С., Ли Дж., Ши Дж., Цай Цз. и др. (август 2006 г.). «Высокая скорость возникновения химерных генов путем ретропозиции в геномах растений» . Растительная клетка . 18 (8): 1791–1802. дои : 10.1105/tpc.106.041905 . ПМЦ 1533979 . ПМИД 16829590 .
- ^ Цзян Н., Бао Z, Чжан X, Эдди С.Р., Весслер С.Р. (сентябрь 2004 г.). «Мобильные элементы Pack-MULE опосредуют эволюцию генов растений». Природа . 431 (7008): 569–573. Бибкод : 2004Natur.431..569J . дои : 10.1038/nature02953 . ПМИД 15457261 . S2CID 4363679 .
- ^ Катони М., Джонсман Т., Черрути Э., Пашковски Дж. (февраль 2019 г.). «Мобилизация транспозонов Pack-CACTA у арабидопсиса предполагает механизм перетасовки генов» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (3): 1311–1320. дои : 10.1093/nar/gky1196 . ПМК 6379663 . ПМИД 30476196 .
- ^ ван Рейк А., Блумендал Х. (июль 2003 г.). «Молекулярные механизмы перетасовки экзонов: незаконная рекомбинация». Генетика . 118 (2–3): 245–249. дои : 10.1023/A:1024138600624 . ПМИД 12868613 . S2CID 1754730 .
- ^ Эрлих С.Д., Бьерн Х., д'Алансон Э., Вилетт Д., Петранович М., Нуаро П., Мишель Б. (декабрь 1993 г.). «Механизмы незаконной рекомбинации». Джин . 135 (1–2): 161–166. дои : 10.1016/0378-1119(93)90061-7 . ПМИД 8276254 .