Informacija

10.4: Transposonai – „šokantys genai“ – biologija

10.4: Transposonai – „šokantys genai“ – biologija

We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Wb Qh Tw hU mJ KY tF Xr cf hp ck

Transpozonai yra DNR segmentai, kurie gali judėti į skirtingas vienos ląstelės genomo pozicijas. Proceso metu jie gali sukelti mutacijas ir padidinti (arba sumažinti) DNR kiekį ląstelės genome, o jei ląstelė yra gametos pirmtakas, bet kokių palikuonių genomuose. Šie mobilieji DNR segmentai kartais vadinami „šokantys genai“ ir yra du skirtingi tipai. II klasės transpozonai susideda iš DNR, kuri juda tiesiai iš vienos vietos į kitą. I klasės transpozonai yra retrotranspozonai kurie pirmiausia transkribuoja DNR į RNR, o tada naudoja atvirkštinę transkriptazę, kad padarytų RNR DNR kopiją, kurią būtų galima įterpti į naują vietą.

II klasės transpozonai

II klasės transpozonai juda "Iškirpti ir įklijuotiProcesas: transpozonas pašalinamas iš savo vietos (pvz., komanda/kontrolė-X kompiuteryje) ir įdėta į naują vietą (komanda/kontrolė-V). Šiam procesui reikalingas fermentas – a perkėlimas - kuris yra užkoduotas kai kuriuose iš šių transpozonų.

10.4.1 pav. Transpozonai

Transpozazė jungiasi prie abiejų transpozono galų, kuriuos sudaro apverstas kartojimas; tai yra identiškos sekos, skaitomos priešingomis kryptimis. Jie taip pat jungiasi prie DNR sekos, kuri sudaro tikslinę vietą. Kai kurioms transpozazėms reikalinga tam tikra seka kaip tikslinė vieta; kiti gali įterpti transpozoną bet kurioje genomo vietoje.

Taikinio vietoje esanti DNR nupjaunama kompensuotu būdu (kaip „lipnūs galai“, kuriuos gamina kai kurie restrikcijos fermentai). Po to, kai transpozonas yra susietas su šeimininko DNR, tarpai užpildomi Watson-Crick bazių poravimu. Taip sukuriama identiška tiesioginiai pakartojimai kiekviename transpozono gale. Dažnai transpozonai praranda savo transpozazės geną. Tačiau kol kažkur ląstelėje yra transpozonas, galintis sintetinti fermentą, atpažįstami jų atvirkštiniai pasikartojimai ir jie taip pat gali būti perkelti į naują vietą.

Miniatiūriniai atvirkštiniai pasikartojantys perkeliami elementai (MITE)

Neseniai užbaigta ryžių genomo seka ir C. elegans atskleidė, kad jų genomuose yra tūkstančiai pasikartojančio motyvo kopijų, susidedančių iš beveik identiškų maždaug 400 bazinių porų sekų, šalia kurių yra charakteristikos. apverstas kartojimas apie 15 bazinių porų, tokių kaip

5' GGCCAGTCACAATGG..~400 nt..CCATTGTGACTGGCC 3'
3' CCGGTCAGTGTTACC..~400 nt..GGTAACACTGACCGG 5'

MITE yra per mažos, kad koduotų bet kokį baltymą. Vis dar neaišku, kaip jie nukopijuojami ir perkeliami į naujas vietas. Tikriausiai atsakingi didesni transpozonai, kurie koduoja reikiamą fermentą ir atpažįsta tuos pačius apverstus pasikartojimus. Ryžių genome yra daugiau nei 100 000 MITE (tai sudaro apie 6% viso genomo). Keletas iš mutacijos randami tam tikrose ryžių padermėse, atsiranda dėl MITE įterpimo į geną. MITE taip pat buvo aptikta žmonių, Xenopus ir obuolių genomuose.

Transpozonai kukurūzuose

Pirmuosius transpozonus 1940-aisiais atrado Barbara McClintock, dirbusi su kukurūzais.Zea Mays, JAV vadinamas „kukurūzais“). Ji nustatė, kad jie buvo atsakingi už įvairius tipus genų mutacijos, dažniausiai įterpimai ir ištrynimai (indeliai) ir translokacijos. Kai kurios mutacijos (c, bz), naudojami kaip pavyzdžiai, kaip genų lokusai atvaizduojami chromosomoje, sukėlė transpozonai. Vystantis somatiniams audiniams, tokiems kaip kukurūzų branduoliai, atsiranda mutacija (pvz. c), kuris pakeičia spalvą, bus perduotas visoms palikuonių ląstelėms. Taip gaunamas margas raštas, kuris taip vertinamas „indiškuose kukurūzuose“. (Nuotrauka suteikta Whalls Farms.) Prireikė maždaug 40 metų, kol kiti mokslininkai suprato Barbaros McClintock atradimų svarbą. Galiausiai 1983 metais jai buvo įteikta Nobelio premija.

Transposonai Drosofiloje

P elementai yra II klasės transpozonai rasta į Drosophila. Jie daro mažai žalos, nes jų transpozazės geno ekspresija paprastai yra slopinama. Tačiau kai musių patinėliai su P elementais poruojasi su patelėmis, kurių trūksta, transpozazė suaktyvėja gemalo linijoje ir sukelia tiek daug mutacijų, kad jų palikuonys yra sterilūs. Gamtoje tai nebėra problema. Atrodo, kad P elementai pirmą kartą pasirodė Drosophila melanogaster maždaug prieš 50 metų. Nuo tada jie paplito visose rūšies populiacijose. Šiandien musių, kuriose nėra P elementų, galima rasti tik senose laboratorijoje laikomose atmainose. P elementai suteikė vertingų įrankių Drosophila genetikams. Transgenines muses, turinčias bet kurį norimą geną, galima pagaminti ankstyvam embrionui suleidus inžinerijos būdu sukurtą P elementą, turintį tą geną. Kiti transpozonai yra tiriami dėl jų gebėjimo sukurti transgeninius vabzdžius, svarbius žemės ūkio ir visuomenės sveikatai.

Transpozonai bakterijose

Kai kurie bakterijų transpozonai, be transpozazės geno, turi vieno ar kelių (dažniausiai daugiau) baltymų, suteikiančių atsparumą antibiotikams, genus. Kai toks transpozonas yra įtrauktas į plazmidę, jis gali palikti ląstelę šeimininką ir pereiti į kitą. Taip sparčiai plinta nerimą keliantis atsparumo daugeliui vaistų antibiotikams reiškinys. Tokiais atvejais perkėlimas atliekamas naudojant "Kopijuoti ir įklijuoti" mechanizmas. Tam reikia papildomo fermento - a rezoliucija - tai taip pat užkoduota pačiame transpozone. Originalus transpozonas lieka pradinėje vietoje, o jo kopija įterpiama į naują vietą.

Retrotranspozonai

Retrotranspozonai taip pat juda "Kopijuoti ir įklijuoti" mechanizmą, tačiau, priešingai nei aukščiau aprašyti transpozonai, kopija yra pagaminta iš RNR, o ne iš DNR. Tada RNR kopijos perrašomos atgal į DNR (naudojant atvirkštinę transkriptazę) ir įterpiamos į naujas genomo vietas. Daugelis retrotranspozonų turi ilgi terminalo kartojimai (LTR) jų galuose, kurių kiekvienoje gali būti daugiau nei 1000 bazinių porų. Kaip ir DNR transpozonai, retrotranspozonai sukuria tiesioginius pasikartojimus naujose jų įterpimo vietose. Tiesą sakant, būtent šių tiesioginių pasikartojimų buvimas dažnai rodo, kad tarpinė DNR atkarpa ten pateko retrotranspozicijos būdu. Apie 50% viso žmogaus genomo sudaro retrotranspozonai.

LINIJAS (ilgai įsiterpę elementai)

Žmogaus genome yra daugiau nei vienas milijonas LINE (tai sudaro 19% genomo). Gausiausios iš jų priklauso šeimai, vadinamai LINE-1 (L1). Šie L1 elementai yra DNR sekos, kurių ilgis svyruoja nuo kelių šimtų iki net 9000 bazinių porų. Tik apie 50 L1 elementų yra funkciniai „genai“; tai yra, galima perrašyti ir išversti. Funkciniai L1 elementai yra maždaug 6500 bp ilgio ir koduoja tris baltymus, įskaitant endonukleazę, kuri supjausto DNR, ir atvirkštinę transkriptazę, kuri sukuria RNR nuorašo DNR kopiją.

L1 veikla

L1 veikla vyksta taip:

  1. RNR polimerazė II transkribuoja L1 DNR į RNR.
  2. RNR citoplazmoje esančios ribosomos paverčia baltymais.
  3. Baltymai ir RNR susijungia ir vėl patenka į branduolį.
  4. Endonukleazė nupjauna „tikslinės“ DNR grandinę, dažnai geno introne.
  5. Atvirkštinė transkriptazė nukopijuoja L1 RNR į L1 DNR, kuri įterpiama į tikslinę DNR, sudarydama ten naują L1 elementą.

Per tai Kopijuoti įklijuoti mechanizmas, LINE skaičius genome gali padidėti. LINE įvairovė tarp atskirų žmogaus genomų daro juos naudingais žymenimis DNR „pirštų atspaudams“. L1 elementų ilgis skiriasi: aktyvaus L1 elemento transkripcija kartais tęsiasi pasroviui į papildomą DNR, gamindama ilgesnį perkeltą elementą. Atvirkščiai L1 RNR transkripcija dažnai baigiasi per anksti ir susidaro sutrumpintas perkeltas elementas.

Nors L1 elementai neveikia, jie gali turėti įtakos reguliuojant geno, kuriame jie gyvena, transkripcijos efektyvumą. Kartais L1 veikla sukuria ir įterpia ląstelinės mRNR (taigi natūralios cDNR) kopiją. Trūkstant intronų ir būtinų valdymo elementų, tokių kaip promotoriai, šie genai nėra išreikšti. Jie atstovauja vienai kategorijai pseudogenas.

SINE (trumpi elementai

SINE yra trumpos DNR sekos (100–400 bazinių porų), kurios atstovauja atvirkštinė transkribuota RNR molekulės, iš pradžių transkribuotos RNR polimerazės III; tai yra tRNR, 5S rRNR ir kai kurių kitų mažų branduolinių RNR molekulės. Gausiausios SINE yra Aliuminio elementai. Žmogaus genome yra daugiau nei vienas milijonas kopijų (tai sudaro 9% visos mūsų DNR). Alu elementai susideda iš 260 bazių porų sekos, kurioje yra vieta, kurią atpažįsta restrikcijos fermentas AluI. Atrodo, kad jie yra atvirkštiniai 7S RNR, signalo atpažinimo dalelės, transkriptai. Dauguma SINE nekoduoja jokių funkcinių molekulių ir priklauso nuo transponuojamų aktyvių L1 elementų mechanizmų; ty nukopijuoti ir įklijuoti naujose vietose.

ŽIV-1

ŽIV-1 – AIDS priežastis – ir kiti žmogaus retrovirusai (pvz., HTLV-1, žmogaus T ląstelių leukemijos/limfomos virusas) elgiasi kaip retrotranspozonai. ŽIV-1 RNR genome yra genas, skirtas atvirkštinė transkriptazė ir vienas už integrazė. Integrazė atlieka tą pačią funkciją kaip ir DNR transpozonų transpozazės. DNR kopijos gali būti įterptos bet kurioje genomo vietoje. Abiejų fermentų molekulės yra įtrauktos į viruso dalelę.

Transpozonai ir mutacijos

Transpozonai yra mutagenai ir gali sukelti mutacijas keliais būdais. Jei transpozonas įterpia save į funkcinį geną, jis tikriausiai jį sugadins. Įterpimas į egzonus, intronus ir net į DNR, esančią šalia genų (kuriose gali būti promotorių ir stiprintuvų), gali sunaikinti arba pakeisti geno aktyvumą. Netinkamas tarpo, likusio senoje vietoje, taisymas (perkeliant ir įklijuojant) gali sukelti mutaciją. Identiškų pasikartojančių sekų eilutės buvimas sukelia tikslaus poravimo problemą mejozės metu. Kaip, tarkime, trečioji iš penkių Alu sekų eilutės vienos chromatidės „invazijos grandinėje“ užtikrins, kad ji susiporuotų su trečiąja kitos grandinės seka? Jei jis netyčia susiporuoja su viena iš kitų Alu sekų, rezultatas bus nevienodas kryžminimas – viena iš dažniausių dubliavimosi.

Pastaba

Manoma, kad retrotransposoną įterpus į DNR, esančią šalia pigmento sintezės geną, iš juodaodžių protėvių atsirado baltos vynuogės. Vėliau, praradus šį retrotransposoną, atsirado šiandien auginamos raudonos spalvos vynuogių veislės.

SINE (dažniausiai Alu sekos) ir LINE sukelia tik nedidelę dalį žmogaus mutacijų. (Gali būti net mechanizmas, pagal kurį jie vengia įsiterpti į funkcinius genus.) Tačiau buvo nustatyta, kad jie yra mutacijų, atsakingų už kai kurie žmogaus genetinių ligų atvejų, įskaitant:

  • Hemofilija A (VIII faktorius genas) ir hemofilija B [IX faktorius genas]
  • Su X susietas sunkus kombinuotas imunodeficitas (SCID) [dalies IL-2 receptoriaus genas]
  • porfirija
  • polinkis į storosios žarnos polipus ir vėžį [APC genas]
  • Diušeno raumenų distrofija [distrofinas genas]

Kuo naudingi transpozonai?

Transposonai buvo vadinami „šiukšlinėmis“ DNR ir „savanaudiškomis“ DNR. Jie yra „savanaudiški“, nes atrodo, kad jų vienintelė funkcija yra daugiau kopijuoti save ir „šiukšlą“, nes nėra akivaizdžios naudos jų šeimininkui. Dėl visų LINE ir SINE sekų panašumų jie taip pat sudaro didelę dalį "pasikartojanti DNR" ląstelės. Retrotransposonai negali būti tokie savanaudiški, kad sumažintų savo šeimininko išgyvenimą. Ir dabar atrodo, kad daugelis bent jau duoda tam tikrą naudą. ENCODE projektas nustatė, kad maždaug 75% mūsų pasikartojančios DNR yra sekose arba sutampa su jomis, pavyzdžiui, stiprikliais, kurie reguliuoja genų ekspresiją.

Kai kurios kitos galimybės:

  • Retrotransposonai dažnai turi keletą papildomų sekų savo 3' gale, kai jie įterpiami į naują vietą. Galbūt jie kartais sukuria naujus egzonų, promotorių ir stiprintuvų derinius, kurie naudingi šeimininkui.

Pavyzdys:

  • Tūkstančiai mūsų Alu elementų yra genų intronuose.
  • Kai kuriose iš jų yra sekos, kurias transkribuojant į pirminį nuorašą atpažįsta spliceosoma.
  • Tada jie gali būti sujungti į brandžią mRNR, sukuriant naują egzoną, kuris bus transkribuotas į naują baltyminį produktą.
  • Alternatyvus sujungimas gali suteikti ne tik naują mRNR (taigi ir baltymą), bet ir seną.
  • Tokiu būdu gamta gali išbandyti naujus baltymus, nerizikuodama atsisakyti išbandyto ir senojo.
  • L1 elementai, įterpti į funkcinių genų intronus, sumažina tų genų transkripciją nepakenkdami geno produktui – kuo ilgesnis L1 elementas, tuo žemesnis genų ekspresijos lygis. Maždaug 79% mūsų genų turi L1 elementų ir galbūt jie yra mechanizmas, leidžiantis nustatyti pradinį genų aktyvumo lygį.
  • Telomerazė, fermentas, būtinas palaikyti chromosomų ilgį, yra glaudžiai susijęs su atvirkštine LINE transkriptaze ir galėjo išsivystyti iš jos.
  • RAG-1 ir RAG-2. Šių genų koduojami baltymai reikalingi adaptyviosios imuninės sistemos naudojamų antikūnų ir T-ląstelių receptorių (TCR) repertuarui surinkti. Mechanizmas panašus į II klasės transpozonų iškirpimo ir įklijavimo metodą, o RAG genai galėjo išsivystyti iš jų. Jei taip, įvykis įvyko maždaug prieš 450 milijonų metų, kai žandikaulio stuburiniai gyvūnai išsivystė iš bežandikaulių protėvių. Tik žandikaulio stuburiniai turi RAG-1 ir RAG-2 genai.
  • Į Drosophila, transpozonų įterpimas į genus buvo susijęs su atsparumo DDT ir organofosfatiniams insekticidams išsivystymu.

Transpozonai ir C vertės paradoksas

Genomas iš Arabidopsis thaliana yra ~1,2x108 bazinių porų (bp) DNR. Apie 14 % to sudaro transpozonai; likusieji funkciniai genai (iš jų 25 498). Kukurūzų (kukurūzų) genome yra 20 kartų daugiau DNR (2,4 x 109 bp), bet tikrai nereikia 20 kartų daugiau genų. Tiesą sakant, 60% kukurūzų genomo sudaro transpozonai (žmonėms šis skaičius yra 42%). Taigi panašu, kad ryšio tarp genomo dydžio ir funkcinių genų skaičiaus nebuvimą – C vertės paradoksą – sukelia genome sukauptas transpozono DNR kiekis.

Žiūrėti video įrašą: Lituanicon XXVII. Genetinė inžinerija fantastikoje (Lapkritis 2024).