Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Консервативная последовательность некодирующая ( ЦНС ) представляет собой ДНК - последовательность из некодирующей ДНК , которая эволюционна консервативная . Эти последовательности представляют интерес из-за их способности регулировать продукцию генов . [1]

ЦНС растений [2] и животных [1] тесно связаны с сайтами связывания факторов транскрипции и другими цис- действующими регуляторными элементами . Консервативные некодирующие последовательности могут быть важными участками эволюционной дивергенции [3], поскольку мутации в этих областях могут изменять регуляцию консервативных генов , создавая видоспецифические паттерны экспрессии генов . Эти особенности сделали их бесценным ресурсом в сравнительной геномике .

Источники [ править ]

Все ЦНС, вероятно, будут выполнять какую-то функцию, чтобы иметь ограничения на их эволюцию, но их можно различить в зависимости от того, где в геноме они обнаружены и как они туда попали.

Интроны [ править ]

Интроны представляют собой 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 консервативных интронов между видами из разных царств использовались, чтобы сделать выводы о плотности интронов в разные моменты эволюционной истории. Это делает их важным ресурсом для понимания динамики увеличения и потери интронов у эукариот (1,28). [4] [5]

Непереведенные регионы [ править ]

Некоторые из наиболее высококонсервативных некодирующих областей находятся в нетранслируемых областях (UTR) на 3'-конце транскриптов зрелой РНК , а не в интронах. Это предполагает важную функцию, действующую на посттранскрипционном уровне. Если эти области выполняют важную регуляторную функцию, увеличение длины 3'-UTR за время эволюции предполагает, что консервативные UTR вносят вклад в сложность 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]

Переносные элементы [ править ]

Повторяющиеся элементы могут накапливаться в геноме организма в результате нескольких различных процессов транспозиции . Степень, в которой это произошло во время эволюции эукариот, сильно варьируется: повторяющаяся ДНК составляет всего 3% генома мухи , но составляет 50% генома человека . [4]

Существуют разные теории, объясняющие сохранение мобильных элементов . Один считает, что, подобно псевдогенам , они предоставляют источник нового генетического материала, позволяя быстрее адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Более простой альтернативой является то, что, поскольку геномы эукариот 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, чтобы нарушить основные функции. [6] Недавнее исследование показало , что транспозоны способствуют по крайней мере , 16% от плацентарного -специфических НФСА, пометив их как «основную творческую силу» в эволюции регуляции генов вмлекопитающие . [7] Существует три основных класса мобильных элементов, различающихся механизмами их размножения. [6]

Классы [ править ]

Транспозоны ДНК кодируют белок транспозазы , который фланкирован инвертированными повторяющимися последовательностями. Транспозаза вырезает последовательность и реинтегрирует ее в другое место генома. Путем удаления сразу после репликации ДНК и вставки в целевые сайты, которые еще не реплицировались, количество транспозонов в геноме может увеличиваться. [6]

Ретротранспозоны используют обратную транскриптазу для создания кДНК из транскрипта TE. Они далее делятся на ретротранспозоны с длинными концевыми повторами (LTR), длинные вкрапленные ядерные элементы (LINE) и короткие вкрапленные ядерные элементы (SINE). В ретротранспозонах LTR после разрушения матрицы РНК цепь ДНК, комплементарная обратно транскрибированной кДНК, возвращает элемент в двухцепочечное состояние. Интеграза , фермент, кодируемый ретротранспозоном LTR, затем повторно включает элемент в новый сайт-мишень. Эти элементы фланкированы длинными концевыми повторами (300-500 п.н.), которые обеспечивают процесс транспозиции. [6]

LINE используют более простой метод, в котором кДНК синтезируется в целевом сайте после расщепления эндонуклеазой, кодируемой LINE . Обратная транскриптаза, кодируемая LINE, не очень специфична для последовательности. Включение механизма LINE неродственных РНК-транскриптов приводит к нефункциональным процессированным псевдогенам. Если промотор небольшого гена 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]

Консервированные регуляторные подвижные элементы [ править ]

Когда в геноме активны консервативные регуляторные мобильные элементы, они могут вводить новые промоторные области, нарушать существующие регуляторные сайты или, если они вставлены в транскрибируемые области, изменять паттерны сплайсинга . Конкретный транспонированный элемент будет положительно выбран, если измененное выражение, которое он производит, дает адаптивное преимущество. Это привело к появлению некоторых консервативных областей, обнаруженных у людей. Около 25% охарактеризованных промоторов у людей содержат транспонированные элементы. [8] Это представляет особый интерес в свете того факта, что большинство мобильных элементов у людей больше не активны. [6]

Псевдогены [ править ]

Псевдогены - это остатки некогда функционирующих 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 или полиплоидизации генов.мероприятие. При наличии двух функциональных копий гена отсутствует селективное давление для поддержания экспрессируемости обоих, оставляя одну свободную для накопления мутаций в качестве нефункционирующего псевдогена. Это типичный случай, когда нейтральный отбор позволяет псевдогенам накапливать мутации, выступая в качестве «резервуаров» нового генетического материала с потенциалом для повторного включения в геном. Однако было обнаружено, что некоторые псевдогены сохраняются у млекопитающих. [9]Самым простым объяснением этого является то, что эти некодирующие области могут выполнять некоторую биологическую функцию, и было обнаружено, что это имеет место для нескольких консервативных псевдогенов. Например, было обнаружено, что мРНК Makorin1 стабилизирована его паралогичным псевдогеном Makorin1-p1, который консервативен у нескольких видов мышей. Также было обнаружено, что другие псевдогены сохраняются между людьми и мышами, а также между людьми и шимпанзе , происходящие из событий дублирования до расхождения видов . Доказательства транскрипции этих псевдогенов также подтверждают гипотезу о том, что они имеют 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 в подотряде haplorrhini приматов, включая людей, которым требуется аскорбиновая кислота или аскорбат из продуктов питания. Остатки этого нефункционального гена с множеством мутаций все еще присутствуют в геномах морских свинок и человека. [12]

Ультраконсервированные регионы [ править ]

Ультраконсервативные области (UCR) - это области длиной более 200 п.н. со 100% идентичностью между видами. Эти уникальные последовательности чаще всего 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 области можно рассматривать как уникальные, различие между областями с высокой степенью сохранения последовательности и областями с идеальной сохранностью последовательности не обязательно имеет биологическое значение. Одно исследование, проведенное в Science, показало, что все чрезвычайно консервативные некодирующие последовательности выполняют важные регуляторные функции независимо от того, является ли сохранение идеальным, поэтому определение ультраконсервации кажется несколько произвольным.[14]

В сравнительной геномике [ править ]

Консервация как функциональных, так и нефункциональных некодирующих областей обеспечивает важный инструмент для сравнительной геномики , хотя консервация цис-регуляторных элементов оказалась особенно полезной. [4] Наличие ЦНС в некоторых случаях может быть связано с отсутствием времени расхождения, [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 областях. Таким образом, сходство последовательностей часто используется в качестве параметра для ограничения пространства поиска при попытке идентифицировать регуляторные элементы, сохраняемые у разных видов, хотя это наиболее полезно при анализе отдаленно родственных организмов, поскольку более близкие родственники также имеют консервацию 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 разные паттерны экспрессии у разных видов. [19] Сохранение некодирующей последовательности также важно для анализа паралогов внутри одного вида. ЦНС, общие для паралогичных кластеров Hox-генов, являются кандидатами в регионы, регулирующие экспрессию, возможно, координируя сходные паттерны экспрессии этих генов. [16]

Сравнительные геномные исследования промоторных областей ортологичных генов могут также обнаружить различия в наличии и относительном расположении сайтов связывания транскрипционных факторов в промоторных областях. [20] Ортологи с высоким сходством последовательностей могут не иметь одинаковых регуляторных элементов. [18] Эти различия могут объяснять разные паттерны экспрессии у разных видов. [19]

Считается, что регуляторные функции, обычно связанные с консервативными некодирующими областями, играют роль в эволюции эукариотической сложности. В среднем растения содержат меньше ЦНС на ген, чем млекопитающие. Считается, что это связано с тем, что они подверглись большей полиплоидизации или событиям дупликации генома. Во время субфункционализации, которая возникает после дупликации гена, существует вероятность более высокой скорости потери ЦНС на ген. Таким образом, случаи дублирования генома могут объяснять тот факт, что растения имеют больше генов, каждый с меньшим количеством ЦНС. Если предположить, что количество ЦНС является показателем сложности регулирования, это может объяснить различия 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 показать это. Часть ЦНС между людьми и другими приматами имеет обогащение специфическими для человека однонуклеотидными полиморфизмами , что предполагает положительный отбор по этим SNP и ускоренную эволюцию этих ЦНС. Многие из этих SNP также связаны с изменениями в экспрессии генов, предполагая, что эти ЦНС играли важную роль в эволюции человека . [22]

Интернет-биоинформатическое программное обеспечение [ править ]

ПрограммаВеб-сайт [4]
Consitehttp://consite.genereg.net/
Анкораhttp://ancora.genereg.net/
FootPrinterhttp://bio.cs.washington.edu/software
ГеномTrafachttp://genometrafac.cchmc.org/genome-trafac/index.jsp
rVISTAhttp://rvista.dcode.org/
Туканhttp://homes.esat.kuleuven.be/~saerts/software/toucan.php
Trafachttp://trafac.chmcc.org/trafac/index.jsp
UCNEbasehttp://ccg.vital-it.ch/UCNEbase/

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Хардисон, RC. (Сентябрь 2000 г.). «Консервативные некодирующие последовательности - надежные проводники регуляторных элементов» . Тенденции Genet . 16 (9): 369–72. DOI : 10.1016 / s0168-9525 (00) 02081-3 . PMID  10973062 . Архивировано из оригинала на 2000-12-04 . Проверено 18 февраля 2011 .
  2. ^ Фрилинг, М; Субраманиам, С. (апрель 2009 г.). «Консервативные некодирующие последовательности (ЦНС) у высших растений». Curr Opin Plant Biol . 12 (2): 126–32. DOI : 10.1016 / j.pbi.2009.01.005 . PMID 19249238 . 
  3. ^ Prabhakar, S .; Noonan, JP; Pääbo, S .; Рубин Э.М. (Ноябрь 2006 г.). «Ускоренная эволюция консервативных некодирующих последовательностей у людей». Наука . 314 (5800): 786. DOI : 10.1126 / science.1130738 . PMID 17082449 . 
  4. ^ a b c d e f g h Jegga, AG .; Ароноу, Б.Дж. (Апрель 2008 г.). Эволюционно консервативная некодирующая ДНК . eLS . DOI : 10.1002 / 9780470015902.a0006126.pub2 . ISBN 978-0470016176.
  5. ^ Рогозин, ИБ .; Wolf, YI .; Сорокин, А.В.; Миркин, БГ .; Кунин Э.В. (Сентябрь 2003 г.). «Замечательное межцарство сохранения положений интронов и массивных, зависящих от линии потери и усиления интронов в эукариотической эволюции». Текущая биология . 13 (17): 1512–1517. DOI : 10.1016 / S0960-9822 (03) 00558-X . PMID 12956953 . 
  6. ^ a b c d e е Эйкбуш, штат TH; Айкбуш, диджей. (Июль 2006 г.). «Сменные элементы: эволюция». eLS .
  7. ^ Mikkelsen, TS; и другие. (2007). «Геном сумчатого Monodelphis domestica обнаруживает нововведение в некодирующих последовательностях» . Природа . 447 (7141): 167–177. DOI : 10,1038 / природа05805 . PMID 17495919 . 
  8. ^ Feschotte, Седрик (май 2008). «Сменные элементы и эволюция регулирующих сетей» . Природа Обзоры Генетики . 9 (5): 397–405. DOI : 10.1038 / nrg2337 . PMC 2596197 . PMID 18368054 .  
  9. ^ Купер, DN. Эволюция человеческого гена . Oxford: BIOS Scientific Publishers, сентябрь 1988 г., стр. 265-292.
  10. ^ Svensson, O .; Arvestad, L .; Лагергрен, Дж. (Май 2005 г.). «Полногеномный обзор биологически функциональных псевдогенов» . PLoS Comput. Биол . 2 (5): 46. DOI : 10.1371 / journal.pcbi.0020046 . PMC 1456316 . PMID 16680195 .  
  11. ^ Подлаха, Ондрей .; Чжан, Цзяньчжи. (Ноябрь 2010 г.). «Псевдогены и их эволюция». eLS .
  12. ^ Nishikimi МЫ, Kawai 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». J. Biol. Chem . 267 (30): 21967–72. PMID 1400507 . 
  13. ^ Bejerano, G .; Фазан, М .; Макунин, И .; Стивен, S .; Кент, WJ; Mattick, JS; Хаусслер, Дэвид. (Май 2004 г.). «Ультраконсервированные элементы в геноме человека». Наука . 304 (5675): 1321–1325. CiteSeerX 10.1.1.380.9305 . DOI : 10.1126 / science.1098119 . PMID 15131266 .  
  14. ^ a b Кацман, Сол .; Kern, AD; Bejerano, G .; Fewell, G .; Fulton, L .; Уилсон, РК; Салама, SR; Хаусслер, Дэвид. (Август 2007 г.). «Ультраконсервированные элементы генома человека отбираются сверх меры». Наука . 317 (5840): 915. DOI : 10.1126 / science.1142430 . PMID 17702936 . 
  15. ^ Dubchack, I .; Брудно, М .; Loots, GG .; Pachter, L .; Мэр, Ц .; Рубин, ЭМ .; Фрейзер, К.А. (2000). «Активное сохранение некодирующих последовательностей, выявленных трехфакторным сравнением видов» . Genome Res . 10 (9): 1304–1306. DOI : 10.1101 / gr.142200 . PMC 310906 . PMID 10984448 .  
  16. ^ а б Мацунами, М .; Sumiyama, K .; Сайто, Н. (сентябрь 2010 г.). «Эволюция консервативных некодирующих последовательностей в кластерах Hox позвоночных посредством двухэтапных дупликаций всего генома, выявленных с помощью филогенетического анализа следов». Журнал молекулярной эволюции . 71 (5–6): 427–463. DOI : 10.1007 / s00239-010-9396-1 . PMID 20981416 . 
  17. ^ Сантини, S .; Boore, JL .; Мейер, А. (2003). «Эволюционное сохранение регуляторных элементов в кластерах генов Hox позвоночных» . Genome Res . 13 (6A): 1111–1122. DOI : 10.1101 / gr.700503 . PMC 403639 . PMID 12799348 .  
  18. ^ a b Наголенники, DR; и другие. (1998). «Функциональное сравнение промоторов мышиного макросиалина и человеческого CD68 в линиях макрофагов и немакрофагов». Геномика . 54 (1): 165–168. DOI : 10.1006 / geno.1998.5546 . PMID 9806844 . 
  19. ^ a b Marchese, A .; и другие. (1994). «Картирование исследований двух генов рецепторов, связанных с G-белками: разница в аминокислотах может свидетельствовать о функциональных вариациях между рецепторами человека и грызунов». Biochem Biophys Res Commun . 205 (3): 1952–1958. DOI : 10.1006 / bbrc.1994.2899 . PMID 7811287 . 
  20. ^ Маргарит, Эстер; и другие. (1998). «Идентификация консервативных потенциально регуляторных последовательностей гена SRY из 10 различных видов млекопитающих». Biochem Biophys Res Commun . 245 (2): 370–377. DOI : 10.1006 / bbrc.1998.8441 . PMID 9571157 . 
  21. ^ Локтон, Стивен .; Гаут, BS. (Январь 2005 г.). «Консервативные для растений некодирующие последовательности и эволюция паралогов». Тенденции в генетике . 21 (1): 60–65. DOI : 10.1016 / j.tig.2004.11.013 . PMID 15680516 . 
  22. ^ Птица, Кристин П .; и другие. (2007). «Быстро развивающиеся некодирующие последовательности в геноме человека» . Геномная биология . 8 (6): R118. DOI : 10.1186 / GB-2007-8-6-R118 . PMC 2394770 . PMID 17578567 .