Переносные элементы управления Ac/Ds
Передвижные управляющие элементы Ac/Ds были первой системой передвижных элементов, признанной в кукурузе . Элемент Ac Activator является автономным, тогда как элемент Ds Dissociation требует Activator . для транспонирования элемента [ 1 ] Ac Первоначально было обнаружено, что позволяет элементу Ds разрушать хромосомы . И Ac , и Ds также могут вставляться в гены, вызывая мутанты , которые могут вернуться к нормальному состоянию после удаления элемента. [ 2 ] Фенотипическим следствием Ac / Ds мобильного элемента является мозаичная окраска зерен и листьев кукурузы .
Открытие
[ редактировать ]Его открытие было основано на изучении его генетического поведения, то есть «прыгающих генов» у кукурузы, и опубликовано Барбарой МакКлинток . [ 3 ] [ 4 ] что привело к ее Нобелевской премии по медицине 1983 года . Мобильные элементы Ac/Ds были впервые выделены и секвенированы Fedoroff et al. 1983 год [ 5 ] с использованием вставок Ac и Ds в хорошо изученный ген Waxy(Wx1) . Было показано, что эти элементы функционируют и в других растениях, включая табак, [ 6 ] арабидопсис, [ 7 ] ) и рис. [ 8 ]
Геномный анализ кукурузы показывает, что эти элементы, которые имеют общие концевые несовершенные инвертированные повторяющиеся последовательности длиной 11 п.о., имеют большую гетерогенность последовательностей как по длине, так и по содержанию. Они также включают класс элементов ДНК, которые не транспонируются в присутствии элемента Ac (Du et al. 2011). Было показано, что свойство разрыва хромосом возникает из-за пар близко расположенных элементов. [ 9 ]
Наборы инструментов
[ редактировать ]Исследователи используют мутантные фенотипы для открытия функций генов. Ac/D предпочитают транспонироваться в близлежащие гены, что дает возможность мутагенизировать эти области генома и путем последующих генетических скрещиваний удалить Ac, который вызывает новые мутанты и нестабильность мутанта Ds. Коллекции элементов Ac/Ds, покрывающие геном и полезные для создания мутантов. [ 10 ] Применение наборов инструментов Ac/Ds также применялось к другим видам, таким как арабидопсис, дрожжи и даже рыбки данио. [ 1 ]
В кукурузе
[ редактировать ]Мобильные элементы активатора (Ac)/диссоциации (Ds) были обнаружены Барбарой МакКлинток, когда она изучала геномный состав короткого плеча хромосомы 9 кукурузы. Она заметила, что, когда хромосома 9 подверглась радикальным структурным модификациям, в потомстве произошли изменения. например, наличие нескольких копий короткого оружия или отсутствие одной или нескольких его частей, а также другие изменения. Она считала, что эти изменения произошли из-за транспозиции «мутабельных локусов» в геном и что эти спонтанные транслокации не были случайными из-за того, где происходили разрывы и где они сливались. [ 2 ]
Было замечено, что элементы Ac/Ds встраиваются в богатые генами области генома кукурузы, они изменяют регуляцию экспрессии генов и могут создавать нестабильные инсерционные аллели, стабильные производные или вырезаемые аллели из-за вставки мобильного элемента в ген. [ 11 ] Мобильные элементы, находящиеся в гене или рядом с ним, предотвращают экспрессию гена, а также могут привести к мутации, вызывающей проявление рецессивного фенотипа. [ 12 ] Удаление локуса мобильных элементов приводит к восстановлению организации и активности гена. [ 2 ] Ac имеет длину 4565 пар оснований и кодирует открытую рамку считывания размером 3,5 т.п.н., которая синтезирует фермент транспозазу длиной 807 аминокислот. [ 11 ] Элементы Ac автономны, и их перемещение приводит к вставке размером 4,3 КБ. [ 13 ] Элементы Ds не являются автономными, поскольку они не могут производить транспозазу, необходимую для транспозиции, и могут транспонировать только тогда, когда она обеспечивается элементом Ac. [ 13 ] Было показано, что элементы Ds вызывают вставки размером 4,1 КБ и 2,0 КБ. [ 13 ] Мобильные элементы были обнаружены в потомстве растений, подвергшихся стрессу, а мутации, вызванные вставкой, подобны мутациям, вызванным рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым светом или химическими веществами, вызывающими такие события, как разрыв и слияние хромосом. [ 2 ]
Существуют отдельные семейства элементов, контролирующих транспозоны, которые состоят из комбинации элементов, некоторые из которых могут, а некоторые не могут транспонировать. Семьи различаются по времени развития и частоте транспозиций, а также по другим типам генетических перестроек. [ 13 ] Вставка элемента Ac или Ds рядом с локусом вызывает нестабильные мутации. Элементы Ds считаются неавтономными, поскольку они не могут транспонироваться без присутствия элемента Ac, поскольку сами не могут продуцировать фермент транспозазу, необходимый для транспозиции. Однако, поскольку элементы Ds могут использовать фермент транспозазу, продуцируемый элементами Ac, это показывает, что они обладают структурной информацией, необходимой для транспозиции, и им не хватает только информации, необходимой для производства фермента. Ds-элементы были идентифицированы в месте разрыва хромосомы. [ 2 ] Элементы Ac и Ds структурно связаны, поскольку вставка любого элемента вызывает аналогичные мутации. Они также схожи, поскольку их карты сайтов расщепления эндонуклеазами рестрикции неотличимы друг от друга. [ 13 ]
Разные мутанты демонстрируют разные уровни экспрессии генов, что во многом зависит от присутствия или отсутствия мобильного элемента где-то еще в геноме. [ 12 ] Различная функция элементов выявляется как измененные временные или пространственные закономерности соматических реверсий или обратимая инактивация всего элемента. [ 12 ] Некоторые события удаления этих элементов восстанавливают функцию гена и могут быть обнаружены как соматические реверсии. [ 12 ] Если в экзоне вставляются Ac или Ds, а мобильные элементы вырезаются, оставляя некоторые из дуплицированных пар оснований, это изменяет структуру белка либо вызывая мутации, такие как мутации сдвига рамки считывания, либо добавление аминокислот. [ 12 ] В некоторых случаях нестабильный мутант, индуцированный Ds или Ac, может дать начало стабильному рецессивному мутанту. [ 12 ] Ac определяет процесс мутации и мутабельные локусы, а также время их появления. [ 2 ] Ac-транспозаза не влияет на выбор сайта инициации транскрипции, а большое количество Ac-элементов может ингибировать экспрессию Ds за счет снижения скорости инициации транскрипции вместо того, чтобы влиять на выбор сайта транскрипции. [ 11 ] Ac-транспозаза также способна подавлять экспрессию генов, когда Ac или Ds встраиваются в 5'-нетранслируемую область с использованием целевых сайтов. [ 11 ] Сайты вставки элементов Ac или Ds характеризуются наличием различных прямых дупликаций 6-10 пар оснований перед вставкой, что указывает на то, что Ac-транспозаза может отдавать предпочтение коротким дупликациям в качестве сайтов вставки. [ 12 ] Транспозиция Ac и Ds происходит во время развития ткани и находится под точным контролем, который определяется количеством присутствующих Ac локусов, их организацией и их положением в хромосомном наборе. [ 2 ] Мобильные элементы не только полностью удаляют или изменяют функцию гена посредством вставки, но также могут проявлять мутаторную активность, когда они покидают то положение, в котором они посетили хромосому. [ 12 ] Индуцированные нарушения количества и организации гетерохроматических элементов хромосомы могут привести к ряду изменений в ее структуре, поведении и генных реакциях, которые могут изменить фенотипическое выражение. [ 2 ]
Элементы Ac и Ds имеют два общих свойства, которые являются общими для мобильных элементов. [ 12 ] Во-первых, в месте их вставки короткая последовательность ДНК длиной 8 пар оснований дублируется и граничит точно с последовательностью Ac или Ds. [ 12 ] Во-вторых, последовательности нескольких элементов Ds оканчиваются инвертированным повтором нуклеотидной последовательности TAGGATGAAA. [ 12 ] Элементы Ds демонстрируют довольно некоторую степень сходства с элементами Ac, например, с элементом Ds9, который является комплементарным мутантом Ac и отличается только открытой рамкой считывания 1. [ 12 ] Другие элементы Ds отличаются от элемента Ac внутренними делециями. [ 12 ]
По мере увеличения числа копий Ac экспрессия генов, фланкирующих вставку промотора Ds, регулируется отрицательно, что называется эффектом отрицательной дозы. [ 14 ] Экспрессия гена, фланкирующего Ds, ингибируется в присутствии автономного элемента Ac. [ 11 ] По мере увеличения числа копий элемента Ac события транспозиции, требующие Ac, происходят в более позднее время во время развития эндосперма. [ 14 ] Ac не вызывает разрывов хромосом или вызывает их мало. В отсутствие Ac мутации, вызванные Ds, стабильны. [ 12 ] Идентифицировав аллели, подавляющие элемент Ac, их можно использовать для исследований функциональной геномики. [ 11 ] Свойства мобильных элементов также могут быть изменены клонально-наследственным образом. [ 12 ] Элементы Ds могут использоваться в качестве строительных блоков для сложных структур, таких как двойные Ds или транспозоноподобная вставка размером 30 КБ, которая заканчивается элементами Ds. [ 12 ] Элементы Ds могут генерировать длинные прямые инвертированные дубликаты сегмента хромосомы, что указывает на то, что элементы Ds способны мобилизовать несвязанные с ними последовательности ДНК, это может обеспечить механизм реаранжировки генетической информации. [ 12 ] Поскольку небольшие дупликации ДНК хозяина, созданные в результате вставки элементов, остаются в слегка измененной форме после удаления мобильного элемента, они могут указывать на то, что мобильные элементы растений играют роль в эволюции генов. [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Ак—Дс (Активатор-Диссоциатор)». Энциклопедия генетики, геномики, протеомики и информатики . Нидерланды: Спрингер. 2008. С. 8–9 . дои : 10.1007/978-1-4020-6754-9_76 . ISBN 9781402067532 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час МакКлинток Б. (июнь 1950 г.). «Происхождение и поведение мутабельных локусов кукурузы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 36 (6): 344–55. Бибкод : 1950ПНАС...36..344М . дои : 10.1073/pnas.36.6.344 . ПМЦ 1063197 . ПМИД 15430309 .
- ^ МакКлинток Б. (1947). «Цитогенетические исследования кукурузы и нейроспоры». Институт Карнеги. Вашингтонский ежегодник . 46 : 146–152.
- ^ МакКлинток Б. (1949). «Мутабельные локусы кукурузы». Институт Карнеги. Вашингтонский ежегодник . 48 : 142–154.
- ^ Федоров Н., Весслер С., Шур М. (ноябрь 1983 г.). «Выделение мобильных элементов управления кукурузой Ac и Ds» . Клетка . 35 (1): 235–42. дои : 10.1016/0092-8674(83)90226-х . ПМИД 6313225 .
- ^ Бейкер Б., Коупленд Г., Федоров Н., Старлингер П., Шелл Дж. (июнь 1987 г.). «Фенотипический анализ удаления контролирующего элемента Ac кукурузы в табаке» . Журнал ЭМБО . 6 (6): 1547–54. дои : 10.1002/j.1460-2075.1987.tb02399.x . ПМК 553523 . ПМИД 16453771 .
- ^ Ван Слейс М.А., Темпе Дж., Федоров Н. (декабрь 1987 г.). «Исследования внедрения и подвижности элемента-активатора кукурузы в Arabidopsis thaliana и Daucus carota» . Журнал ЭМБО . 6 (13): 3881–9. дои : 10.1002/j.1460-2075.1987.tb02728.x . ПМЦ 553865 . ПМИД 2832144 .
- ^ Мурай Н., Ли З.Дж., Кавагоэ Ю., Хаяшимото А. (февраль 1991 г.). «Транспозиция элемента-активатора кукурузы в трансгенные растения риса» . Исследования нуклеиновых кислот . 19 (3): 617–22. дои : 10.1093/нар/19.3.617 . ПМЦ 333657 . ПМИД 1849265 .
- ^ Хуан Дж.Т., Дунер Х.К. (август 2008 г.). «Макротранспозиция и другие сложные хромосомные перестройки кукурузы с помощью тесно связанных транспозонов в прямой ориентации» . Растительная клетка . 20 (8): 2019–32. дои : 10.1105/tpc.108.060582 . ПМЦ 2553603 . ПМИД 18708475 .
- ^ Воллбрехт Э., Дувик Дж., Шарес Дж.П., Ахерн К.Р., Деваттханавонг П., Сюй Л., Конрад Л.Дж., Кикучи К., Кубинец Т.А., Холл Б.Д., Уикс Р., Унгер-Уоллес Э., Мушински М., Брендель В.П., Брутнелл Т.П. (июнь 2010 г.) . «Распределение транспонированных элементов диссоциации по всему геному у кукурузы» . Растительная клетка . 22 (6): 1667–85. дои : 10.1105/tpc.109.073452 . ПМК 2910982 . ПМИД 20581308 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Бай Л., Брутнелл Т.П. (март 2011 г.). «Мобильные элементы активатора/диссоциации представляют собой двухкомпонентный регуляторный переключатель гена, который контролирует экспрессию эндогенных генов в кукурузе» . Генетика . 187 (3): 749–59. дои : 10.1534/genetics.110.124149 . ПМК 3063669 . ПМИД 21196519 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р Дёринг Х.П., Старлингер П. (декабрь 1984 г.). «Управляющие элементы Барбары МакКлинток: теперь на уровне ДНК» . Клетка . 39 (2, часть 1): 253–9. дои : 10.1016/0092-8674(84)90002-3 . ПМИД 6094008 .
- ^ Jump up to: а б с д и Федоров Н., Весслер С., Шур М. (ноябрь 1983 г.). «Выделение мобильных элементов управления кукурузой Ac и Ds» . Клетка . 35 (1): 235–42. дои : 10.1016/0092-8674(83)90226-X . ПМИД 6313225 .
- ^ Jump up to: а б Кунце Р., Сточай У., Лауфс Дж., Старлингер П. (июнь 1987 г.). «Транскрипция мобильного элемента-активатора (Ac) Zea mays L» . Журнал ЭМБО . 6 (6): 1555–63. дои : 10.1002/j.1460-2075.1987.tb02400.x . ПМЦ 553524 . ПМИД 16453772 .