Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Транспозоны ДНК - это последовательности ДНК, иногда называемые «прыгающими генами», которые могут перемещаться и интегрироваться в разные участки генома . [1] Они представляют собой мобильные элементы (TE) класса II, которые перемещаются через промежуточный ДНК , в отличие от TE класса I, ретротранспозоны , которые перемещаются через промежуточный продукт РНК . [2] Транспозоны ДНК могут перемещаться в ДНК организма через одно- или двухцепочечные промежуточные соединения ДНК. [3] Транспозоны ДНК были обнаружены как у прокариот, так и у эукариот.организмы. Они могут составлять значительную часть генома организма, особенно у эукариот. У прокариот, ТЕ может облегчить горизонтальный перенос на устойчивость к антибиотикам или другим генов , ассоциированных с вирулентностью . После репликации и распространения в хозяине все копии транспозона становятся инактивированными и теряются, если транспозон не переходит в геном, начиная новый жизненный цикл с горизонтальным переносом. [4] Важно отметить, что ДНК-транспозоны не вставляются в геном случайным образом, а предпочитают определенные сайты.

Что касается движения, транспозоны ДНК можно разделить на автономные и неавтономные. [5] Автономные могут перемещаться сами по себе, в то время как неавтономные для перемещения требуют наличия гена другого мобильного элемента, транспозазы . Существует три основных классификации движения транспозонов ДНК: «вырезать и вставить» [6], « катящийся круг » (гелитроны), [7] и «самосинтезирующийся» (полинтоны). [8]Эти различные механизмы движения позволяют им перемещаться по геному организма. Поскольку ДНК-транспозоны не могут синтезировать ДНК, они реплицируются с помощью репликационного аппарата хозяина. Эти три основных класса затем разбиваются на 23 различных суперсемейства, характеризующихся их структурой, последовательностью и механизмом действия. [9]

Транспозоны ДНК являются причиной изменений экспрессии генов . Будучи недавно вставленной ДНК в активные кодирующие последовательности , они могут нарушать нормальные функции белка и вызывать мутации. ТЕ класса II составляют около 3% генома человека. Сегодня в геноме человека нет активных транспозонов ДНК. Поэтому элементы, обнаруженные в геноме человека, называют окаменелостями.

Механизмы действия [ править ]

Вырезать и вставить [ редактировать ]

Механизм "вырезать и вставить" сменный элемент для удаления и вставки в целевой участок.

Традиционно транспозоны ДНК перемещаются в геноме методом вырезания и вставки. Системе требуется фермент транспозаза, который катализирует перемещение ДНК из текущего местоположения в геноме и вставляет ее в новое место. Для транспозиции требуются три участка ДНК на транспозоне : два на каждом конце транспозона, называемые концевыми инвертированными повторами, и один на целевом сайте. Транспозаза будет связываться с концевыми инвертированными повторами транспозона и опосредовать синапс.концов транспозона. Затем фермент транспозаза отключает элемент от фланкирующей ДНК исходного донорного сайта и опосредует реакцию присоединения, которая связывает транспозон с новым сайтом встраивания. Добавление новой ДНК в целевой сайт вызывает короткие промежутки по обе стороны от вставленного сегмента. [10] Хост-системы восстанавливают эти пробелы, что приводит к дупликации целевой последовательности (TSD), которая характерна для транспозиции. Во многих реакциях транспозон полностью вырезается из донорского сайта в ходе так называемой транспозиции «вырезать и вставить» [11] и вставляется в ДНК-мишень, чтобы сформировать простую вставку. Иногда генетический материал, который изначально не находился в перемещаемом элементе, также копируется и перемещается.

Гелитроны [ править ]

Репликация кольцевой ДНК плазмиды по вращающемуся кругу.

Гелитроны также являются группой эукариотических ТЕ класса II. Гелитроны не следуют классическому механизму «вырезать и вставить». Вместо этого предполагается, что они перемещаются по геному через механизм, подобный катящемуся кругу. Этот процесс заключается в создании надреза кольцевой цепи ферментом, который разделяет ДНК на две отдельные цепи. Тогда инициирующий белок остается прикрепленным к 5'-фосфату на разорванной цепи, обнажая 3'-гидроксил комплементарной цепи. Это позволяет ферменту полимеразы начать репликацию на нити без разрывов. В конце концов вся цепь реплицируется, после чего вновь синтезированная ДНК диссоциирует и реплицируется параллельно с исходной цепочкой матрицы. [12] Гелитроны кодируют неизвестный белок, который, как полагают, обладает функцией эндонуклеазы HUH, а также 5'-3'- геликазной активностью. Этот фермент будет делать одноцепочечный разрез в ДНК, что объясняет отсутствие дубликатов целевых сайтов, обнаруженных в гелитронах. Гелитроны также были первым классом мобильных элементов, обнаруженных с помощью вычислений, и ознаменовали сдвиг парадигмы в изучении целых геномов. [13]

Полинтоны [ править ]

Самосинтезирующий механизм транспозиции для полинтонов.

Полинтоны также являются группой ТЭ эукариот II класса. Как один из наиболее сложных известных транспозонов ДНК у эуркариот, они составляют геномы простейших , грибов и животных , таких как энтамоеба , соевая ржавчина и курица , соответственно. Они содержат гены с гомологией к вирусным белкам и которые часто встречаются в эукариотических геномах , как полимеразы и ретровирусной интегразы . Однако не существует известного белка, функционально аналогичного вирусному.капсид или белки оболочки . Они имеют много общих структурных характеристик с линейными плазмидами , бактериофагами и аденовирусами , которые реплицируются с использованием ДНК-полимераз, примированных белками. Было предложено, чтобы полинтоны подвергались подобному самосинтезу с помощью своей полимеразы. Полинтоны длиной 15–20 т.п.н. кодируют до 10 индивидуальных белков. Для репликации они используют примированную белком ДНК-полимеразу B , ретровирусную интегразу , цистеиновую протеазу и АТФазу.. Во-первых, во время репликации генома хозяина одноцепочечный внехромосомный элемент Polinton вырезается из ДНК хозяина с помощью интегразы, образуя структуру, подобную ракетке. Во-вторых, Polinton подвергается репликации с использованием ДНК-полимеразы B, инициация которой начинается с концевого белка, который может кодироваться в некоторых линейных плазмидах. После образования двухцепочечного полинтона интеграза служит для встраивания 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 [ править ]

На момент последнего обновления в 2015 году 23 суперсемейства ДНК-транспозонов были распознаны и аннотированы в Repbase, базе данных повторяющихся элементов ДНК, поддерживаемой Институтом исследования генетической информации : [15]

  • Академ
  • Криптон
  • Дадаизм
  • EnSpm / CACTA
  • Имбирь1
  • Имбирь2
  • Предвестник
  • шляпа
  • Helitron
  • IS3EU
  • ISL2EU
  • Колобок
  • Маринер / Tc1
  • Мерлин
  • MuDR
  • Новосиб
  • п
  • Свинка
  • Полинтон
  • Sola
  • Transib
  • Затор
  • Zisupton

Эффекты транспозонов [ править ]

Пятна на зернах кукурузы показывают активацию транспозонов ДНК.

Транспозоны ДНК , как и все транспозоны, весьма эффективны в отношении экспрессии генов. Последовательность ДНК может вставляться в ранее функционирующий ген и вызывать мутацию . Это может происходить тремя разными способами: 1. изменение функции, 2. хромосомная перестройка и 3. источник нового генетического материала. [16] Поскольку транспозоны ДНК могут забирать с собой части геномных последовательностей, может происходить перетасовка экзонов. Перетасовка экзонов - это создание новых генных продуктов из-за нового размещения двух ранее не связанных экзонов посредством транспозиции. [17] Из-за своей способности изменять экспрессию ДНК транспозоны стали важной целью исследований вгенная инженерия .

Барбара МакКлинток первой обнаружила существование транспозонов ДНК в растениях кукурузы в лаборатории Колд-Спринг-Харбор . В 1983 году она была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине .

Примеры [ править ]

Кукуруза [ править ]

Барбара МакКлинток впервые обнаружены и описаны ДНК транспозонов в Zea Mays , [18] в 1940 - х; за это достижение она получила Нобелевскую премию в 1983 году. Она описала систему Ac / Ds , в которой блок Ac (активатор) был автономным, а геномная единица Ds требовала присутствия активатора для движения. Этот TE является одним из наиболее визуально очевидных, поскольку он может вызывать изменение цвета кукурузы с желтого на коричневый / пятнистость на отдельных зернах.

Плодовые мушки [ править ]

Mariner / Тс1 транспозоны , во многих животных , но учились в дрозофиле был впервые описан Якобсоном и Hartl. [19] Маринер хорошо известен тем, что может вырезать и вставлять горизонтально в новый организм. [20] Тысячи копий ТЕ были обнаружены вкраплениями в геноме человека, а также других животных.

Транспозоны Hobo у Drosophila были широко изучены из-за их способности вызывать дисгенезию гонад . [21] Вставка и последующая экспрессия хобо-подобных последовательностей приводит к потере половых клеток в гонадах развивающихся мух.

Бактерии [ править ]

Бактериальные транспозоны особенно хороши для облегчения горизонтального переноса генов между микробами. Транспозиция облегчает перенос и накопление генов устойчивости к антибиотикам . В бактериях мобильные элементы могут легко переключаться между хромосомным геномом и плазмидами . В исследовании 1982 года, проведенном Devaud et al., Был выделен и исследован штамм Acinetobacter с множественной лекарственной устойчивостью . Доказательства указывают на перенос плазмиды в бактерию, где гены устойчивости были перенесены в хромосомный геном. [22]

Генетическое разнообразие [ править ]

Транспозоны могут оказывать влияние на продвижение генетического разнообразия многих организмов. Транспозоны ДНК могут управлять эволюцией 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 изменить цвет растений кукурузы, которые она изучала, что быстро предоставило доказательства одного результата движения транспозонов. [24] Другой пример - ДНК-транспозон Tol2 у рыб медака, который, как говорят, является результатом их разнообразия в пигментации. [25] Эти примеры показывают, что транспозоны могут сильно влиять на процессэволюция , быстро вызывая изменения в геноме.

Деактивация [ править ]

Все транспозоны ДНК неактивны в геноме человека . [26] Инактивированные или заглушенные транспозоны не приводят к фенотипическому результату и не перемещаются в геноме. Некоторые из них неактивны, потому что у них есть мутации, которые влияют 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 сжимать определенные области генома, так что ферменты транскрипции не могут до них добраться. РНКи , в частностисайленсинг миРНК и миРНК - это естественный механизм, который, помимо регуляции экспрессии эукариотических генов, предотвращает транскрипцию транспозонов ДНК. Другой способ инактивации - подавление перепроизводства. Когда концентрация транспозазы превышает пороговую, активность транспозона снижается. [27] Так как транспозаза может образовывать неактивные или менее активные мономеры, которые будут снижать активность транспозиции в целом, снижение продукции транспозазы также будет происходить, когда в геноме хозяина увеличиваются большие копии этих менее активных элементов.

Горизонтальный перенос [ править ]

Горизонтальная передача относится к перемещению информации ДНК между клетками разных организмов. Горизонтальный перенос может включать перемещение ТЕ от одного организма в геном другого. Сама вставка позволяет TE стать активированным геном в новом хозяине. Горизонтальный перенос используется транспозонами ДНК для предотвращения инактивации и полной потери транспозона. Эта инактивация называется вертикальной инактивацией, что означает, что транспозон ДНК неактивен и остается в ископаемом виде. Этот тип передачи не является наиболее распространенным, но был замечен 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 [ править ]

Геномы эукариот различаются по содержанию ТЕ. Недавно исследование различных суперсемейств TE обнаружило поразительное сходство между группами. Было высказано предположение, что многие из них представлены в двух или более эукариотических супергруппах. Это означает, что расхождение суперсемейств транспозонов могло даже предшествовать расхождению супергрупп эукариот. [30]

V (D) J рекомбинация [ править ]

Рекомбинация V (D) J , хотя и не является TE ДНК, очень похожа на транспозоны . Рекомбинация V (D) J - это процесс, с помощью которого создается большое разнообразие сайтов связывания антител. В этом механизме ДНК рекомбинируется для создания генетического разнообразия. [31] Из-за этого была выдвинута гипотеза, что эти белки, особенно Rag1 и Rag2 [32] , происходят из мобильных элементов. [33]

Вымирание в геноме человека [ править ]

Имеются данные, свидетельствующие о том, что по крайней мере 40 семейств транспозонов ДНК человека были активны во время облучения млекопитающих и при происхождении ранних приматов. Затем произошла пауза в транспозиционной активности во время более поздней части облучения приматов с полной остановкой движения транспозонов у антропоидных предков приматов. Нет никаких свидетельств существования какого-либо подвижного элемента моложе 37 миллионов лет. [34]

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Транспозон | генетика» . Британская энциклопедия . Проверено 28 октября 2019 .
  2. ^ Плетеный, Томас; Сабо, Франсуа; Хуа-Ван, Орели; Беннетцен, Джеффри Л .; Капи, Пьер; Чалхуб, Булос; Флавелл, Эндрю; Лерой, Филипп; Морганте, Микеле (2007). «Единая система классификации эукариотических мобильных элементов». Природа Обзоры Генетики . 8 (12): 973–982. DOI : 10.1038 / nrg2165 . PMID 17984973 . S2CID 32132898 .  
  3. ^ Фешотт, Седрик; Притам, Эллен Дж. (Декабрь 2007 г.). «Транспозоны ДНК и эволюция геномов эукариот» . Ежегодный обзор генетики . 41 (1): 331–368. DOI : 10.1146 / annurev.genet.40.110405.090448 . PMC 2167627 . PMID 18076328 .  
  4. ^ Муньос-Лопес, Мартин; Гарсиа-Перес, Хосе Л. (апрель 2010 г.). «Транспозоны ДНК: природа и применение в геномике» . Текущая геномика . 11 (2): 115–128. DOI : 10.2174 / 138920210790886871 . ISSN 1389-2029 . PMC 2874221 . PMID 20885819 .   
  5. ^ «Транспозоны | Изучите науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 28 октября 2019 .
  6. ^ Крейг, Нэнси Л. (1995-10-13). «Единство в транспозиционных реакциях». Наука . 270 (5234): 253–4. Bibcode : 1995Sci ... 270..253C . DOI : 10.1126 / science.270.5234.253 . ISSN 0036-8075 . PMID 7569973 .  
  7. ^ Капитонов, Владимир В .; Юрка, Ежи (17 июля 2001 г.). «Транспозоны катящегося круга у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (15): 8714–8719. Bibcode : 2001PNAS ... 98.8714K . DOI : 10.1073 / pnas.151269298 . ISSN 0027-8424 . PMC 37501 . PMID 11447285 .   
  8. ^ Капитонов, Владимир В .; Юрка, Ежи (21 марта 2006 г.). «Самосинтезирующие транспозоны ДНК у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (12): 4540–4545. Bibcode : 2006PNAS..103.4540K . DOI : 10.1073 / pnas.0600833103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1450207 . PMID 16537396 .   
  9. ^ Капитонов, Владимир В .; Юрка, Ежи (21 марта 2006 г.). «Самосинтезирующие транспозоны ДНК у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (12): 4540–4545. Bibcode : 2006PNAS..103.4540K . DOI : 10.1073 / pnas.0600833103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1450207 . PMID 16537396 .   
  10. ^ Берг и Хоу, Дуглас Э. и Марта М. (1989). Мобильная ДНК II . ASM Press. п. 98. ISBN 9781555812096.
  11. ↑ Madigan M, Martinko J, ред. (2006). Брок Биолог микроорганизмов (11-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-144329-1.
  12. ^ "Репликация катящегося круга - Школа биомедицинских наук Wiki" . training.ncl.ac.uk . Проверено 6 октября 2019 .
  13. ^ Томас J, Pritham EJ (август 2015). "Гелитроны, подвижные элементы эукариотического катящегося круга" . Спектр микробиологии . 3 (4): 893–926. DOI : 10.1128 / microbiolspec.MDNA3-0049-2014 . ISBN 9781555819200. PMID  26350323 .
  14. ↑ Капитонов В.В., Юрка Дж. (Март 2006 г.). «Самосинтезирующие транспозоны ДНК у эукариот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (12): 4540–5. Bibcode : 2006PNAS..103.4540K . DOI : 10.1073 / pnas.0600833103 . PMC 1450207 . PMID 16537396 .  
  15. Перейти ↑ Bao W, Kojima KK, Kohany O (2 июня 2015 г.). «Repbase Update, база данных повторяющихся элементов в геномах эукариот» . Мобильная ДНК . 6 (1): 11. DOI : 10,1186 / s13100-015-0041-9 . PMC 4455052 . PMID 26045719 .  
  16. ^ Feschotte C, Pritham EJ (2007). «Транспозоны ДНК и эволюция геномов эукариот» . Ежегодный обзор генетики . 41 : 331–68. DOI : 10.1146 / annurev.genet.40.110405.090448 . PMC 2167627 . PMID 18076328 .  
  17. ^ Morgante M, S Brunner, Горох G, Fengler K, Zuccolo A, Rafalski A (сентябрь 2005). «Дублирование генов и перетасовка экзонов с помощью гелитроноподобных транспозонов создают внутривидовое разнообразие кукурузы». Генетика природы . 37 (9): 997–1002. DOI : 10.1038 / ng1615 . PMID 16056225 . S2CID 10401931 .  
  18. ^ Макклинток, Барбара (1950). «Происхождение и поведение изменчивых локусов кукурузы» . Proc Natl Acad Sci USA . 36 (6): 344–55. Bibcode : 1950PNAS ... 36..344M . DOI : 10.1073 / pnas.36.6.344 . PMC 1063197 . PMID 15430309 .  
  19. ^ Якобсон, JW; Медхора, ММ; Хартл, Д.Л. (ноябрь 1986 г.). «Молекулярная структура соматически нестабильного мобильного элемента у дрозофилы» . Proc Natl Acad Sci USA . 83 (22): 8684–8. Bibcode : 1986PNAS ... 83.8684J . DOI : 10.1073 / pnas.83.22.8684 . PMC 386995 . PMID 3022302 .  
  20. ^ Lohe, AR; Морияма, EN; Лидхольм Д.А.; Хартл, DL (1995). «Горизонтальная передача, вертикальная инактивация и стохастическая потеря морских подвижных элементов» . Мол. Биол. Evol . 12 (1): 62–72. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a040191 . PMID 7877497 . 
  21. ^ Deprá, M; Валенте, ВЛ; Маргис, Р. Лорето, EL (2009). «Транспозон хобо и элементы, связанные с хобо, выражены как гены развития у дрозофилы». Джин . 448 (1): 57–63. DOI : 10.1016 / j.gene.2009.08.012 . PMID 19720121 . 
  22. ^ Devaud, M; Kayser, FH; Bächi, B (август 1982 г.). «Транспозон-опосредованная множественная устойчивость к антибиотикам в штаммах Acinetobacter» . Антимикробные агенты Chemother . 22 (2): 323–9. DOI : 10.1128 / aac.22.2.323 . PMC 183733 . PMID 6100428 .  
  23. ^ «Транспозоны | Изучите науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 1 ноября 2019 .
  24. ^ «Барбара МакКлинток и открытие прыгающих генов (транспозоны) | Изучите науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 7 октября 2019 .
  25. ^ Кога, Акихико; Иида, Ацуо; Хори, Хироши; Шимада, Ацуко; Шима, Акихиро (июль 2006 г.). «Транспозон ДНК позвоночных как естественный мутатор: элемент Tol2 рыбы медака вносит свой вклад в генетические вариации без видимых следов» . Молекулярная биология и эволюция . 23 (7): 1414–1419. DOI : 10.1093 / molbev / msl003 . ISSN 0737-4038 . PMID 16672286 .  
  26. ^ «Транспозоны | Изучите науку в Scitable» . www.nature.com . Проверено 1 ноября 2019 .
  27. ^ Муньос-Лопес, Мартин; Гарсиа-Перес, Хосе Л. (апрель 2010 г.). «Транспозоны ДНК: природа и применение в геномике» . Текущая геномика . 11 (2): 115–128. DOI : 10.2174 / 138920210790886871 . ISSN 1389-2029 . PMC 2874221 . PMID 20885819 .   
  28. ^ Макдональд, Меган С .; Таранто, Адам П .; Хилл, Эрин; Швессингер, Бенджамин; Лю, Чжаохуэй; Симпфендорфер, Стивен; Милгейт, Эндрю; Соломон, Питер С. (2019-10-29). «Транспозон-опосредованный горизонтальный перенос специфичного для хозяина вирулентного белка ToxA между тремя грибковыми патогенами пшеницы» . mBio . 10 (5). DOI : 10,1128 / mBio.01515-19 . ISSN 2150-7511 . PMC 6737239 . PMID 31506307 .   
  29. ^ Муньос-Лопес, Мартин; Гарсиа-Перес, Хосе Л. (апрель 2010 г.). «Транспозоны ДНК: природа и применение в геномике» . Текущая геномика . 11 (2): 115–128. DOI : 10.2174 / 138920210790886871 . ISSN 1389-2029 . PMC 2874221 . PMID 20885819 .   
  30. ^ Feschotte C, Pritham EJ (2007). «Транспозоны ДНК и эволюция геномов эукариот» . Ежегодный обзор генетики . 41 : 331–68. DOI : 10.1146 / annurev.genet.40.110405.090448 . PMC 2167627 . PMID 18076328 .  
  31. ↑ Jung D, Alt FW (январь 2004 г.). «Раскрытие рекомбинации V (D) J; понимание регуляции генов» . Cell . 116 (2): 299–311. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (04) 00039-X . PMID 14744439 . S2CID 16890458 .  
  32. ^ Bourque G, Burns KH, Gehring M, Gorbunova V, Seluanov A, Hammell M и др. (Ноябрь 2018 г.). «Десять вещей, которые вы должны знать о сменных элементах» . Геномная биология . 19 (1): 199. DOI : 10.1186 / s13059-018-1577-z . PMC 6240941 . PMID 30454069 .  
  33. Перейти ↑ Muñoz-López M, García-Pérez JL (апрель 2010 г.). «Транспозоны ДНК: природа и применение в геномике» . Текущая геномика . 11 (2): 115–28. DOI : 10.2174 / 138920210790886871 . PMC 2874221 . PMID 20885819 .  
  34. ^ Pace JK, Feschotte C (апрель 2007). «Эволюционная история транспозонов ДНК человека: свидетельства интенсивной активности в линии приматов» . Геномные исследования . 17 (4): 422–32. DOI : 10.1101 / gr.5826307 . PMC 1832089 . PMID 17339369 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Dfam , база данных повторяющихся последовательностей ДНК
  • Repbase , база данных и система классификации повторяющихся последовательностей ДНК
  • Гены , полученные из ДНК-транспозонов , в базе данных HGNC