Транспозонов (англ. Transposable element, transposon) — это участки ДНК организмов, способных к передвижению (транспозиции) и размножения в пределах генома. Транспозонов также известны под названием «прыгающие гены» и являются примерами мобильных генетических элементов.

Транспозонов формально относятся к так называемой некодирующей части генома — той, что в последовательности пар оснований ДНК не несет информацию о аминокислотные последовательности белков, хотя некоторые классы мобильных элементов содержат в своей последовательности информацию о ферментах, которые транскрибируются и катализируют передвижения, например, ДНК-транспозонов и LINE-1 кодируют белки транспозазы, ORF1p и ORF2p. У разных видов транспозонов распространенные в разной степени, так у человека транспозонов составляют до 45% всей последовательности ДНК, у плодовой мухи Drosophila melanogaster часть мобильных элементов составляет лишь 15-20% всего генома. У растений транспозонов могут занимать основную часть генома, так у кукурузы (Zea mays) с размером генома в 2300000000 пар оснований по крайней мере 85% составляют различные мобильные элементы.

История открытия

Барбара МакКлинток (англ. Barbara McClintock) исследовала вариации окраски зерна и листья кукурузы, Но в 1948 году путем цитологических и генетических исследований пришла к выводу, что мобильные участки ДНК, Ac / Ds-элементы, приводят к соматического мозаицизма растений. Она была первой, кто доказал, что геном эукариот не постоянен, а содержит участки, которые могут передвигаться. 1983 за этот труд Барбара МакКлинток получила Нобелевскую премию (единственная женщина, получившая премию по физиологии и медицине самостоятельно, без соавторов).

Хотя транспозонов были открыты в 1940-х годах, спустя полвека стало понятно, насколько масштабным является их вклад в геном организмов. Так, получение первой нуклеотидной последовательности (секвенирование) генома человека показало, что мобильных элементов в последовательности ДНК не менее 50%. Точную оценку получить трудно, ведь некоторые транспозонни участка со временем настолько изменились, что их нельзя уверенно идентифицировать.

Поскольку транспозонов потенциально способны вызывать вредные мутации и поломки хроматина, с начала открытия мобильных элементов считалось, что их действие сводится к геномной-паразитической. Но в начале XXI века появляется все больше данных о возможных благоприятные эффекты транспозонов для организмов, эволюционный влияние ретротранспозонов на геном плацентарных млекопитающих. Идентифицируют случаи использования транспозонов организмами. Например, РНК L1-ретротранспозона участвует в образовании гетерохроматина при инактивации X-хромосомы. Плодовая муха не имеет теломеразы, а взамен использует обратной транскриптазы ретротранспозонов для продления теломерные участков, которые в Drosophila melanogaster представлены повторами транспозонов.

Типы транспозонов и механизмы их передвижения

Мобильные генетические элементы относятся к повторяющихся элементов генома — имеющих несколько копий в последовательности ДНК клетки. Повторяющиеся элементы генома могут располагаться в тандеме (микросателлиты, теломеры и т.д.) и могут быть рассеяны по геному (мобильные элементы, псевдогены т.д.).

Мобильные генетические элементы по типу транспозиции можно разделить на два класса: ДНК-транспозонов, которые применяют метод «вырезать и вставить», и Ретротранспозон, передвижения которых имеет в своем алгоритме синтез РНК с ДНК и последующим обратным синтезом ДНК с молекулы РНК, то есть, метод «копировать и вставить».

Транспозонов можно разделить по степени автономности. Как ДНК-транспозонов, так и Ретротранспозон имеют автономные и неавтономные элементы. Неавтономные элементы для транспозиции потребует ферменты, кодируемые автономными элементами, часто содержат значительно измененные участки транспозонов и дополнительные последовательности. Количество неавтономных транспозонов в геноме может значительно превышать количество автономных.

ДНК-транспозонов

ДНК-транспозонов передвигаются по геному путем «вырезать и вставить» благодаря комплексу ферментов под названием транспозазы. Информация о аминокислотную последовательность белка транспозазы закодирована в последовательности транспозонов. Кроме того, этот участок ДНК может содержать другие, не связанные с транспозонов последовательности, например гены или их части. Большинство ДНК-транспозонов имеют неполную последовательность. Такие транспозонов не является автономными и передвигаются по геному благодаря транспозазы, что закодирована другим, полным, ДНК-транспозонов.

На концах участков ДНК-транспозонов расположены инвертированные повторы, которые являются особыми сайтами узнавания транспозазы, таким образом отличая эту часть генома от остальных. Транспозазы способна делать дволанцюгови разрезы ДНК, вырезать и вставлять в ДНК-мишень транспозон.

К ДНК-транспозонов принадлежат Ac / Ds-элементы растений, были впервые открыты Барбарой МакКлинток в кукурузе. Ac -элемент (англ. Activator) является автономным и кодирует транспозазы. Есть несколько типов Ds-элементов, которые способны к формированию разрывов хромосом и которые перемещаются по геному благодаря Ac-элементам.

Хелитроны (англ. Helitron) — тип транспозонов, что у растений, животных и грибов, но широко представлен в геноме кукурузы, где он, в отличие от других организмов, находящихся в частных ДНК, богатые гены. Хелитроны транспозуються с помощью механизма «круг, катится» (англ. «Rolling circle»). Процесс начинается с разрыва одной цепи ДНК-транспозонов. Высвобождена участок ДНК вторгается в последовательность-мишень, где формируется гетеродуплекс. С помощью репликации ДНК завершается встраивания транспозонов в новый участок.

Хелитроны при транспозиции могут захватывать соседние последовательности.

Ретротранспозон

Ретротранспозон — это мобильные генетические элементы, применяют метод «копировать и вставить» для распространения в геноме животных. По крайней мере 45% генома человека составляют Ретротранспозон и их производные. Процесс передвижения включает промежуточную стадию молекулы РНК, считывается с участка Ретротранспозон, и которая затем в свою очередь используется как матрица для обратной транскрипции в последовательность ДНК. Новосинтезированные Ретротранспозон встраивается в другой области генома.

Активные Ретротранспозон млекопитающих делятся на три основные семьи: Alu-повторы, LINE-1, SVA.

Ретротранспозон LINE-1 — LINE-1, L1 (англ. Long INterspersed Elements), длинные диспергированные повторы — тип ретротранспозонов, широко распространенный у млекопитающих и составляет до 20% генома. L1-элементы имеют длину около 6000 пар оснований. Большинство этих ретротранспозонов в геноме представлена ​​неполно, хотя существует около 150 полных и потенциально мобильных L1-элементов в последовательности ДНК человека и примерно трёхтысячную мыши.

Процесс передвижения начинается с чтения молекулы РНК с элемента L1. РНК транспортируется в цитоплазму, где из нее транслируются белки ORF1p (что является РНК-связывающим белком) и ORF2p (что ендонуклеазну и возвратно-транскриптазной активность). ORF1p, ORF2p и РНК транспозонов формируют рибонуклеопротеин и импортируются в ядро, где происходит обратная транскрипция ретротранспозона.

Большинство случаев вставки L1-элементов происходит не до конца, и такие копии больше не способны к самостоятельной мобилизации.

Существуют сведения о неканонические функции L1-элементов при инактивации X-хромосомы.

LTR — длинные концевые повторы (англ. Long Terminal Repeat) — Ретротранспозон, имеющих конечные повторяющиеся последовательности, которые играют важную роль в транскрипции и обратной транскрипции РНК транспозонов. LTR-элементы кодируют белки pol и gag, что близкие к белкам ретровирусов, но, в отличие от последних, LTR не хватает белков, которые смогли бы сформировать внешнюю оболочку (суперкапсид) и выйти из клетки.

SINE — короткие диспергированные элементы (англ. Short INterspersed Elements) — является неавтономными Ретротранспозон: для передвижения они нуждаются активности L1-элементов. В ДНК-последовательности SINE содержат только сайт связывания РНК-полимеразы. К SINE принадлежат Alu-Ретротранспозон.

Alu-элементы — широко распространенные в геноме человека мобильные элементы. Alu-элементы имеют длину ~ 300 пар оснований и часто расположены в интронов, участках генома, не транслируются, и межгенных участках. Название Alu-Ретротранспозон получили из-за того, что они содержат последовательность распознавания рестрикционного энзима Alu I. Анализ последовательностей показал, что Alu-элементы возникли у приматов примерно 65000000 лет назад от гена 7SL РНК, входит в рибосомного комплекса. Alu-Ретротранспозон не имеют собственной обратной транскриптазы, поэтому для передвижения им необходимые ферменты элементов LINE-1.

В Alu-элементам происходит до 90% всех случаев редактирования РНК с преобразованием A на I.

SVA (англ. SINE-R-VNTR-Alu) — мобильные элементы длиной в 2-3 тысячи пар оснований ДНК, состоящие из нескольких частей: коротких разбросанных элементов (SINE), переменного количества тандемных повторов (англ. Variable number of tandem repeat, VNTR), Alu-последовательности и CT-богатого повтора, с последовательностью CCCTCT, что встречается чаще всего и называется гексамеров (Hex). Длина SVA-элементов значительно варьирует через разное количество составляющих повторов. Они не являются автономными и требуют белков, закодированные в L1-Ретротранспозон для передвижения, но они активны в геноме человека. SVA-элементы испытывают высокого уровня метилирования ДНК в большинстве тканей человека. Интересным фактом является заниженное метилирования ДНК SVA-ретротранспозонов в мужских половых клетках человека, тогда как у шимпанзе SVA последовательности сперматозоидов высоко метилированных.

Механизмы блокировки транспозонов

Мобильные генетические элементы достаточно широко представлены в растительных растительных геномах. Их высокая активность является риском для стабильности генома, поэтому их экспрессия жестко регулируется, особенно в тех тканях, которые участвуют в формировании гамет и передачи наследственной информации потомкам. У растений и животных регуляция активности мобильных элементов генома происходит путем метилирования последовательности ДНК de novo и активности некодирующих РНК вместе с белковыми комплексами Аргонавт.

Основная роль малых некодирующих РНК, взаимодействуют с Пиви-комплексом, или пиРНК (англ. PiRNA, PIWI-interacting RNA), заключается в Подавление мобильных элементов генома в зародышевых тканях. Эта роль пиРНК достаточно высоко консервативная среди животных.

У мышей мобильные элементы генома в течение онтогенеза находятся преимущественно в неактивном состоянии, достигается путем эпигенетических взаимодействий и активности некодирующих РНК. В период эмбрионального развития Эпигенетическая метка метилирования ДНК претерпевает репрограммирования: родительские метки стираются, а новые устанавливаются. В этот период часть белков аргонавты — PIWI-белки (Mili и Miwi2) — и некодирующие РНК, с ними взаимодействуют — пиРНК — играют ключевую роль в подавления de novo ретротранспозонов мышей путем метилирования ДНК, и пинг-понг-цикла амплификации пиРНК и подавления мишени. Если у мышей возникает нехватка белков Mili и Miwi2, это приводит к активации LINE-1 и LTR и остановки гаметогенеза и стерильности у самцов. Последние работы установили, что у мухи Drosophila melanogaster активным кофактором в Подавление является белок GTSF1 (англ. Gametocyte-specific factor 1, или Asterix).

Механизм пиРНК-индуцированного подавления транспозонов окончательно не выяснено, но схематично его можно подать такой модели:

  • первичное накопление одноцепочечных молекул РНК, пиРНК-прекурсоров
  • созревания пиРНК и их амплификация с помощью PIWI-белков (пинг-понг-цикл)
  • подавления целевого транспозонов, что может происходить несколькими путями: деградация РНК (с помощью РНКазнои активности H-образного домена белков-аргонавтов), подавление трансляции и привлечения хроматин-модифицирующих систем (таких, как белки SWI / SNF) и дальнейшее Эпигенетическое подавления транспозонов.

В отличие от вирусов, которые используют организм хозяина для размножения и способны его оставить, мобильные генетические элементы существуют исключительно в организме хозяина. До некоторой степени транспозонов способны регулировать собственную активность. Примером этого является ДНК-транспозонов Ac — автономные мобильные элементы растений, кодирующих собственную транспозазы. Ac-элементы проявляют способность снижать активность транспозазы при увеличении ее копий.

Также подавления растительных автономных ДНК-транспозонов MuDR может происходить с помощью Muk. Muk является вариантом MuDR и имеет в своей последовательности несколько палиндромный участков ДНК. Когда Muk транскрибируется, такая РНК формирует шпильку, что потом режется комплексом ферментов на малые интерферирующие РНК (миРНК), которые заглушают активность MuDR с помощью процесса РНК-интерференции.

Болезни

По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых является встраивание de novo мобильных генетических элементов. Alu-повторы часто вызывают хромосомные аберрации и является причиной 50 разновидностей заболеваний. Так в нейрофиброматозе 1 типа было найдено 18 случаев встраиваемых ретротранспозонов, 6 из которых происходят в 3 специфических местах. Активность мобильных элементов L1 в соматических тканях зафиксирована у пациентов с раком легких.

Если транспозиция, вызывающий заболевание, происходит в гамет, то следующие поколения наследуют болезни. Так гемофилия может возникать из-за встраивания ретротранспозона L1 в участок ДНК, кодирующий ген VIII фактора свертывания крови. У мышей были зафиксированы случаи онкогенеза, остановки развития и стерильность в связи с встраиванием мобильных элементов генома.

Эволюционная роль транспозонов

Некоторые этапы эволюционирования организмов были вызваны активностью мобильных элементов генома. Уже первая нуклеотидная последовательность генома человека доказала, что многие гены являются производными транспозонов. Мобильные генетические элементы могут влиять на организацию генома путем рекомбинации генетических последовательностей и входя в состав таких фундаментальных структурных элементов хроматина, как центромеры и теломеры. Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, изменяя узоры (паттерны) сплайсинга и полиаденилирование или выполняя функции энхансер или промоторов. Транспозонов могут влиять на структуру и функции генов путем выключения и изменения функций, изменении структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и изменение эпигенетического контроля генов.

Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания, но, несмотря на это, в процессе эволюции транспозонов не исчезли и остались в ДНК-последовательностях многих организмов или в виде целых копий, имели возможность передвигаться по ДНК, или в укороченном виде, потеряв способность к передвижению . Но укороченные копии также могут принимать участие в таких процессах как пост-транскрипционных регуляция генов, рекомбинация и тому подобное. Также важным моментом в потенциальной способности транспозонов влиять на темпы эволюции является то, что их регуляция зависит от эпигенетических факторов. Это приводит к возможности транспозонов реагировать на изменения окружающей среды и вызывать генетическую нестабильность. На стресс транспозонов активируются или прямо, или путем снижения их подавления белками комплекса Аргонавт и пиРНК. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленные абиотические и биотические факторы, среди которых соленость, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции.

Еще одним возможным механизмом эволюции геномов организмов является горизонтальный перенос генов — процесс передача генов между организмами, которые не находятся в отношениях «предки-потомки». Есть сведения о том, что взаимодействия паразитических организмов и животных-хозяев могут повлечь горизонтальный перенос генов с помощью транспозонов, который состоялся между позвоночными и беспозвоночными организмами.

Примеры эволюционной роли мобильных генетических элементов

Считается, что приобретенный иммунитет млекопитающих возник в челюстных рыб примерно 500000000 лет назад. Приобретенный иммунитет позволяет формировать антитела для многих видов патогенов, попадающих в организм млекопитающих, в частности человека. Для формирования различных антител клетки иммунной системы изменяют последовательность ДНК путем соматической рекомбинации с помощью системы, которая возникла и эволюционировала благодаря мобильным элементам генома.

Нейроны, клетки нервной системы, могут иметь мозаичный геном, то есть последовательность ДНК в них отличается от последовательности ДНК других клеток, хотя все они сформировались из одной клетки-предшественника — зиготы. Доказано, что у крыс специально вставлены L1-Ретротранспозон человека активные даже в зрелом возрасте. Также зафиксировано увеличение копий L1-ретротранспозонов в нейронах некоторых участков мозга, в частности гипоталамуса, по сравнению с другими тканями у взрослых людей. Также установлено, что мобильные элементы приводят к разнородности в нейронах мухи Drosophila melanogaster. Активность мобильных элементов в нейронах может вызвать синаптическую пластичность и большую вариабельность поведенческих реакций.

Последовательности ДНК генов теломеразы и LINE-1-ретротранспозонов имеют высокую гомологию, что свидетельствует о возможности происхождения теломераз от ретротранспозонов.

У растений очень большая скорость эволюции геномов, поэтому лучше известны те влияния мобильных элементов, возникших в результате одомашнивания, поскольку оно произошло недавно, и изменения легко идентифицировать, поскольку известные черты, по которым велась селекция культурных растений. Примерами может быть получение овальной формы Римских томатов Solanum lycopersicum. Ген, находится в локусе SUN, был перемещен путем ретротранспозиции в другой участок ДНК, где он регулируется другими промоторной последовательностями в овальных томатов.

Использование транспозонов

Генная инженерия

Поскольку мобильные элементы генома способны к встраиванию в хроматин, они используются в генной инженерии для специального и контролируемого вставки генов или участков ДНК, которые изучают ученые. Транспозонов используются для мутагенеза и для определения регуляторных элементов генома в лабораториях.

Наиболее известна система для введенного мутагенеза in vivo — P-мобильный элемент мухи D. melanogaster, с помощью которого можно изучать функции генов, налаживание хромосомных аберраций и тому подобное.

У позвоночных животных долгое время не было эффективной методики транспозоннои модификации генома. Сейчас есть система мобильной элемента Tol2, полученная с японской рыбы Oryzias latipes, и используется как у мышей, так и на клеточных линиях человека. Также успешной является система транспозонов Minos.

Система транспозонов Спящая Красавица (англ. Sleeping Beauty) была создана на основе последовательности ДНК транспозазы из рыбы. Удачное использовании этой системы на мышах позволило определить кандидатов в онкогены рака кишечника человека.

Филогенетика

Кроме использования транспозонов в генной инженерии, изучение активности транспозонов является методом филогенетики. Путем анализа и сопоставления нуклеотидных последовательностей геномов различных видов можно найти транспозонов, что имеющиеся у одних видов, но отсутствуют в других. Виды, в которых одинаковый Ретротранспозон, скорее всего получили его от общего предка. Таким образом можно получить информацию об эволюционном развитии видов и строить филогенетические деревья.