Консервативная некодирующая последовательность
Консервативная некодирующая последовательность ( ЦНС ) — последовательность некодирующей ДНК консервативная эволюционно это . Эти последовательности представляют интерес из-за их способности регулировать продукцию генов . [1]
ЦНС у растений [2] и животные [1] тесно связаны с сайтами связывания транскрипционных факторов и другими цис -действующими регуляторными элементами . Консервативные некодирующие последовательности могут быть важными участками эволюционного расхождения. [3] поскольку мутации в этих регионах могут изменить регуляцию консервативных генов , создавая видоспецифичные паттерны экспрессии генов . Эти особенности сделали их бесценным ресурсом в сравнительной геномике .
Источники
[ редактировать ]Все ЦНС, вероятно, выполняют некоторую функцию, чтобы иметь ограничения на их эволюцию, но их можно различать в зависимости от того, где в геноме они находятся и как они туда попали.
Интроны
[ редактировать ]Интроны — это участки последовательности, встречающиеся в основном у эукариотических организмов, которые прерывают кодирующие области генов, причем длина пар оснований варьируется на три порядка. Последовательности интронов могут быть консервативными, часто потому, что они содержат элементы, регулирующие экспрессию, которые накладывают функциональные ограничения на их эволюцию . [4] Паттерны консервативности интронов между видами разных царств использовались для того, чтобы сделать выводы о плотности интронов в разные моменты эволюционной истории. Это делает их важным ресурсом для понимания динамики прироста и потери интронов у эукариот (1,28). [4] [5]
Непереведенные регионы
[ редактировать ]Некоторые из наиболее консервативных некодирующих областей обнаружены в нетранслируемых областях (UTR) на 3'-конце зрелых транскриптов РНК , а не в интронах. Это предполагает важную функцию, действующую на посттранскрипционном уровне. Если эти регионы выполняют важную регуляторную функцию, увеличение длины 3'-UTR с течением времени эволюции предполагает, что консервативные UTR способствуют усложнению организма. Регуляторные мотивы в UTR, часто консервативные в генах, принадлежащих к одному и тому же метаболическому семейству, потенциально могут быть использованы для разработки высокоспецифичных лекарств, нацеленных на транскрипты РНК. [4]
Мобильные элементы
[ редактировать ]Повторяющиеся элементы могут накапливаться в геноме организма в результате нескольких различных процессов транспозиции . Степень, в которой это происходило в ходе эволюции эукариот, сильно различается: повторяющаяся ДНК составляет всего 3% генома мухи , но составляет 50% генома человека . [4]
Существуют разные теории, объясняющие сохранение мобильных элементов . Одни считают, что, как и псевдогены , они служат источником нового генетического материала, позволяющего быстрее адаптироваться к изменениям окружающей среды. Более простая альтернатива состоит в том, что, поскольку эукариотические геномы могут не иметь средств для предотвращения распространения мобильных элементов, они могут свободно накапливаться до тех пор, пока они не вставлены в ген или рядом с ним таким образом, что это может нарушить основные функции. [6] Недавнее исследование показало, что транспозоны составляют по меньшей мере 16% ЦНС, специфичных для плаценты , что делает их «главной творческой силой» в эволюции регуляции генов у млекопитающих . [7] Существует три основных класса мобильных элементов, различающихся механизмами их размножения. [6]
Классы
[ редактировать ]ДНК-транспозоны кодируют белок транспозазу , фланкированный инвертированными повторяющимися последовательностями. Транспозаза вырезает последовательность и реинтегрирует ее в другом месте генома. Путем вырезания сразу после репликации ДНК и вставки в целевые сайты, которые еще не реплицировались, количество транспозонов в геноме может увеличиться. [6]
Ретротранспозоны используют обратную транскриптазу для генерации кДНК из транскрипта TE. Далее они делятся на с длинными концевыми повторами ретротранспозоны (LTR), длинные вкрапленные ядерные элементы (LINE) и короткие вкрапленные ядерные элементы (SINE). В ретротранспозонах LTR после разрушения матрицы РНК цепь ДНК, комплементарная обратно транскрибируемой кДНК, возвращает элемент в двухцепочечное состояние. Интеграза , фермент, кодируемый ретротранспозоном LTR, затем повторно включает элемент в новый целевой сайт. Эти элементы окружены длинными концевыми повторами (300–500 п.н.), которые опосредуют процесс транспозиции. [6]
В LINE используется более простой метод, при котором кДНК синтезируется в , кодируемой LINE целевом сайте после расщепления эндонуклеазой . Обратная транскриптаза, кодируемая LINE, не обладает высокой специфичностью последовательности. Включение несвязанных транскриптов РНК с помощью LINE-машины приводит к образованию нефункциональных процессированных псевдогенов. небольшого гена Если промотор включен в транскрибируемую часть гена, стабильный транскрипт можно дублировать и повторно вставлять в геном несколько раз. Элементы, полученные в результате этого процесса, называются SINE. [6]
Консервативные регуляторные мобильные элементы
[ редактировать ]Когда консервативные регуляторные мобильные элементы активны в геноме, они могут вводить новые промоторные области, нарушать существующие регуляторные сайты или, если они вставлены в транскрибируемые области, изменять паттерны сплайсинга . Конкретный транспонированный элемент будет выбран положительно, если измененное выражение, которое он производит, дает адаптивное преимущество. Это привело к тому, что некоторые консервативные области обнаружены у людей. Около 25% охарактеризованных промоторов у человека содержат транспонированные элементы. [8] Это представляет особый интерес в свете того, что большинство мобильных элементов у человека больше не активны. [6]
Псевдогены
[ редактировать ]Псевдогены — это остатки некогда функциональных генов, отключенных в результате делеций, вставок или мутаций последовательностей . Основным доказательством этого процесса является наличие полностью функционирующих ортологов этих инактивированных последовательностей в других родственных геномах. [4] Псевдогены обычно возникают в результате дупликации генов или полиплоидизации . При наличии двух функциональных копий гена нет селективного давления для поддержания экспрессивности обеих, что позволяет одной из них накапливать мутации в качестве нефункционирующего псевдогена. Это типичный случай, когда нейтральный отбор позволяет псевдогенам накапливать мутации, служащие «резервуарами» нового генетического материала, который потенциально может быть повторно включен в геном. Однако было обнаружено, что некоторые псевдогены консервативны у млекопитающих. [9] Простейшее объяснение этому состоит в том, что эти некодирующие области могут выполнять какую-то биологическую функцию, и это, как было обнаружено, справедливо для нескольких консервативных псевдогенов. Например, было обнаружено, что мРНК Makorin1 стабилизируется с помощью паралогичного псевдогена Makorin1-p1, который консервативен у нескольких видов мышей. Было также обнаружено, что другие псевдогены сохраняются между людьми и мышами, а также между людьми и шимпанзе , возникая в результате событий дупликации, предшествовавших дивергенции видов . Данные о транскрипции этих псевдогенов также подтверждают гипотезу о том, что они выполняют биологическую функцию. [10] Обнаружение потенциально функциональных псевдогенов затрудняет их определение, поскольку этот термин изначально предназначался для вырожденных последовательностей, не имеющих биологической функции. [11]
Примером псевдогена является ген L-гулонолактоноксидазы — фермента печени, необходимого для биосинтеза L-аскорбиновой кислоты (витамина С) у большинства птиц и млекопитающих, но который мутирован у haplorrini приматов подотряда , включая человека, которым требуется аскорбиновая кислота или аскорбат из пищи. Остатки этого нефункционального гена со множеством мутаций до сих пор присутствуют в геномах морских свинок и человека. [12]
Ультраконсервативные регионы
[ редактировать ]Ультраконсервативные регионы (UCR) — это регионы длиной более 200 пар оснований со 100% идентичностью между видами. Эти уникальные последовательности в основном встречаются в некодирующих областях. До сих пор не до конца понятно, почему отрицательное селективное давление на эти области намного сильнее, чем отбор в областях, кодирующих белок. [13] [14] Хотя эти регионы можно рассматривать как уникальные, различие между регионами с высокой степенью консервативности последовательности и регионами с идеальной консервативностью последовательности не обязательно имеет биологическое значение. Одно исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что все чрезвычайно консервативные некодирующие последовательности выполняют важные регуляторные функции независимо от того, является ли их консервация идеальной, в результате чего различие между ультраконсервативностью кажется несколько произвольным. [14]
В сравнительной геномике
[ редактировать ]Консервация как функциональных, так и нефункциональных некодирующих областей представляет собой важный инструмент для сравнительной геномики , хотя сохранение цис-регуляторных элементов оказалось особенно полезным. [4] Наличие ЦНС в некоторых случаях может быть связано с отсутствием времени дивергенции, [15] хотя более распространено мнение, что они выполняют функции, которые в той или иной степени ограничивают их эволюцию. В соответствии с этой теорией, цис-регуляторные элементы обычно обнаруживаются в консервативных некодирующих регионах. Таким образом, сходство последовательностей часто используется в качестве параметра для ограничения пространства поиска при попытке идентифицировать регуляторные элементы, консервативные у разных видов, хотя это наиболее полезно при анализе отдаленно родственных организмов, поскольку более близкие родственники также имеют консервативность последовательности среди нефункциональных элементов. [4] [16] [17]
Ортологи с высоким сходством последовательностей могут не иметь одни и те же регуляторные элементы. [18] Эти различия могут объяснять различные модели экспрессии у разных видов. [19] Сохранение некодирующей последовательности важно и для анализа паралогов внутри одного вида. ЦНС, общие для паралогичных кластеров Hox-генов, являются кандидатами на роль областей, регулирующих экспрессию, возможно, координируя сходные паттерны экспрессии этих генов. [16]
Сравнительные геномные исследования промоторных областей ортологичных генов позволяют также обнаружить различия в наличии и взаимном расположении сайтов связывания транскрипционных факторов в промоторных областях. [20] Ортологи с высоким сходством последовательностей могут не иметь одни и те же регуляторные элементы. [18] Эти различия могут объяснять различные модели экспрессии у разных видов. [19]
Считается, что регуляторные функции, обычно связанные с консервативными некодирующими областями, играют роль в эволюции сложности эукариот. В среднем растения содержат меньше ЦНС на один ген, чем млекопитающие. Считается, что это связано с тем, что они подверглись большей полиплоидизации или дублированию генома. Во время субфункционализации, которая возникает в результате дупликации генов, существует вероятность более высокой скорости потери ЦНС на каждый ген. Таким образом, события дупликации генома могут объяснить тот факт, что растения имеют больше генов, каждый из которых имеет меньшее количество ЦНС. Если предположить, что количество ЦНС является показателем регуляторной сложности, это может объяснить разницу в сложности между растениями и млекопитающими. [21]
Поскольку считается, что изменения в регуляции генов объясняют большую часть различий между людьми и шимпанзе, исследователи обратились к ЦНС, чтобы попытаться доказать это. Часть ЦНС между людьми и другими приматами имеет обогащение специфичных для человека однонуклеотидных полиморфизмов , что предполагает положительный отбор этих SNP и ускоренную эволюцию этих ЦНС. Многие из этих SNP также связаны с изменениями в экспрессии генов, что позволяет предположить, что эти ЦНС играли важную роль в эволюции человека . [22]
Онлайн-биоинформатическое программное обеспечение
[ редактировать ]| Программа | Веб-сайт [4] |
|---|---|
| Состоять | http://consite.genereg.net/. Архивировано 5 января 2009 г. в Wayback Machine. |
| Все еще | http://ancora.genereg.net/ |
| FootPrinter | http://bio.cs.washington.edu/software. Архивировано 22 ноября 2011 г. в Wayback Machine. |
| ГеномТрафак | http://genometrafac.cchmc.org/genome-trafac/index.jsp. Архивировано 12 августа 2020 г. в Wayback Machine. |
| рВИСТА | http://rvista.dcode.org/ |
| Тукан | http://homes.esat.kuleuven.be/~saerts/software/toucan.php |
| Трафак | http://trafac.chmcc.org/trafac/index.jsp |
| UCNEbase | http://ccg.vital-it.ch/UCNEbase/ |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хардисон, RC. (сентябрь 2000 г.). «Консервативные некодирующие последовательности являются надежными проводниками регуляторных элементов» . Тенденции Жене . 16 (9): 369–72. дои : 10.1016/s0168-9525(00)02081-3 . ПМИД 10973062 . Архивировано из оригинала 4 декабря 2000 г. Проверено 18 февраля 2011 г.
- ^ Фрилинг, М; Субраманиам, С. (апрель 2009 г.). «Консервативные некодирующие последовательности (ЦНС) у высших растений». Карр Опин Растительная Биол . 12 (2): 126–32. дои : 10.1016/j.pbi.2009.01.005 . ПМИД 19249238 .
- ^ Прабхакар, С.; Нунан, Япония; Паабо, С.; Рубин, ЕМ. (ноябрь 2006 г.). «Ускоренная эволюция консервативных некодирующих последовательностей у людей». Наука . 314 (5800): 786. doi : 10.1126/science.1130738 . ПМИД 17082449 . S2CID 15049725 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Джегга, AG.; Аронов, Б.Дж. (апрель 2008 г.). Эволюционно консервативная некодирующая ДНК . дои : 10.1002/9780470015902.a0006126.pub2 . ISBN 978-0470016176 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Рогозин, ИБ.; Вольф, Ю.И.; Сорокин А.В.; Миркин, Б.Г.; Кунин, ЕВ. (сентябрь 2003 г.). «Замечательное сохранение позиций интронов между королевствами и массовая, специфичная для каждой линии потеря и прирост интронов в эволюции эукариот» . Современная биология . 13 (17): 1512–1517. дои : 10.1016/S0960-9822(03)00558-X . ПМИД 12956953 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Эйкбуш, штат Техас; Эйкбуш, диджей. (июль 2006 г.). «Мобильные элементы: эволюция». ЭЛС . дои : 10.1038/npg.els.0005130 . ISBN 9780470016176 .
- ^ Миккельсен, Т.С.; и др. (2007). «Геном сумчатого Monodelphis Domestica обнаруживает инновации в некодирующих последовательностях» . Природа . 447 (7141): 167–177. Бибкод : 2007Natur.447..167M . дои : 10.1038/nature05805 . ПМИД 17495919 .
- ^ Фешотт, Седрик (май 2008 г.). «Мобильные элементы и эволюция регуляторных сетей» . Обзоры природы Генетика . 9 (5): 397–405. дои : 10.1038/nrg2337 . ПМК 2596197 . ПМИД 18368054 .
- ^ Купер, Д.Н. Эволюция генов человека . Оксфорд: Издательство BIOS Scientific Publishers, сентябрь 1988 г., стр. 265–292.
- ^ Свенссон, О.; Арвестад, Л.; Лагергрен, Дж. (май 2005 г.). «Полногеномный обзор биологически функциональных псевдогенов» . ПЛОС Компьютер. Биол . 2 (5): 46. doi : 10.1371/journal.pcbi.0020046 . ПМК 1456316 . ПМИД 16680195 .
- ^ Подлаха, Ондрей; Чжан, Цзяньчжи. (ноябрь 2010 г.). «Псевдогены и их эволюция». ЭЛС . дои : 10.1002/9780470015902.a0005118.pub2 . ISBN 9780470016176 .
- ^ Нисикими М., Каваи Т., Яги К. (октябрь 1992 г.). «Морские свинки обладают сильно мутированным геном L-гулоно-гамма-лактоноксидазы, ключевого фермента биосинтеза L-аскорбиновой кислоты, отсутствующего у этого вида» . Ж. Биол. Хим . 267 (30): 21967–72. дои : 10.1016/S0021-9258(19)36707-9 . ПМИД 1400507 .
- ^ Беджерано, Г.; Фазан, М.; Макунин И.; Стивен, С.; Кент, штат Вашингтон; Мэттик, Дж.С.; Хаусслер, Дэвид. (май 2004 г.). «Ультраконсервативные элементы в геноме человека». Наука . 304 (5675): 1321–1325. Бибкод : 2004Sci...304.1321B . CiteSeerX 10.1.1.380.9305 . дои : 10.1126/science.1098119 . ПМИД 15131266 . S2CID 2790337 .
- ^ Jump up to: а б Кацман, Сол .; Керн, А.Д.; Беджерано, Г.; Фьюэлл, Г.; Фултон, Л.; Уилсон, РК; Салама, СР; Хаусслер, Дэвид. (август 2007 г.). «Ультраконсервативные элементы генома человека являются ультраселектированными». Наука . 317 (5840): 915. Бибкод : 2007Sci...317..915K . дои : 10.1126/science.1142430 . ПМИД 17702936 . S2CID 35322654 .
- ^ Дубчак И.; Брудно, М.; Лутс, Г.Г.; Пахтер, Л .; Мэр, К.; Рубин, Э.М.; Фрейзер, К.А. (2000). «Активное сохранение некодирующих последовательностей, выявленное трехсторонним сравнением видов» . Геном Рез . 10 (9): 1304–1306. дои : 10.1101/гр.142200 . ПМК 310906 . ПМИД 10984448 .
- ^ Jump up to: а б Мацунами, М.; Сумияма, К.; Сайто, Н. (сентябрь 2010 г.). «Эволюция консервативных некодирующих последовательностей в Hox-кластерах позвоночных посредством двухраундовых дупликаций всего генома, выявленных с помощью анализа филогенетического следа». Журнал молекулярной эволюции . 71 (5–6): 427–463. Бибкод : 2010JMolE..71..427M . дои : 10.1007/s00239-010-9396-1 . ПМИД 20981416 . S2CID 9733304 .
- ^ Сантини, С.; Бур, младший; Мейер, А. (2003). «Эволюционная консервативность регуляторных элементов в кластерах генов Hox позвоночных» . Геном Рез . 13 (6А): 1111–1122. дои : 10.1101/гр.700503 . ПМК 403639 . ПМИД 12799348 .
- ^ Jump up to: а б Гривз, доктор медицинских наук; и др. (1998). «Функциональное сравнение мышиного макросиалина и промоутеров CD68 человека в макрофаговых и немакрофагальных клеточных линиях». Геномика . 54 (1): 165–168. дои : 10.1006/geno.1998.5546 . ПМИД 9806844 .
- ^ Jump up to: а б Марчезе, А.; и др. (1994). «Исследование картирования двух генов рецепторов, связанных с G-белком: разница в аминокислотах может обуславливать функциональные различия между рецептором человека и грызуна». Биохимия Биофиз Рес Коммьюнити . 205 (3): 1952–1958. дои : 10.1006/bbrc.1994.2899 . ПМИД 7811287 .
- ^ Маргарит, Эстер; и др. (1998). «Идентификация консервативных потенциально регуляторных последовательностей гена SRY у 10 различных видов млекопитающих». Биохимия Биофиз Рес Коммьюнити . 245 (2): 370–377. дои : 10.1006/bbrc.1998.8441 . ПМИД 9571157 .
- ^ Локтон, Стивен; Гаут, Б.С. (январь 2005 г.). «Консервативные некодирующие последовательности растений и эволюция паралогов». Тенденции в генетике . 21 (1): 60–65. дои : 10.1016/j.tig.2004.11.013 . ПМИД 15680516 .
- ^ Берд, Кристин П.; и др. (2007). «Быстро развивающиеся некодирующие последовательности в геноме человека» . Геномная биология . 8 (6): 118 р. дои : 10.1186/gb-2007-8-6-r118 . ПМК 2394770 . ПМИД 17578567 .