Автор — Сергей Бусыгин, студент факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М.В. Ломоносова, сотрудник ИБГ РАН, преподаватель кафедры биологии АПО. Под редакцией сотрудников кафедры.
В начале ХХ века Уолтер Саттон, Теодор Бовери и Томас Морган, опираясь на наблюдения и проведённые эксперименты, разработали и представили миру хромосомную теорию наследственности. Основное её положение состоит в том, что наследственная информация передается в ряду поколений за счет хромосом, в которых линейно и в определённой последовательности расположены гены. Вплоть до семидесятых годов учёные-генетики считали непоколебимым представление о стационарном, неподвижном положении генов в хромосоме, не считая мутаций. Они нарушают структуру хромосом: может происходить утрата или удвоение участков. Перенос фрагментов одной хромосомы на другую и повороты участков хромосомы на 180 градусов обычно возникают в процессе нарушения репарации ДНК после двухцепочечных разрывов. Американская исследовательница Барбара Мак-Клинток, изучая мозаицизм в семенах кукурузы, подвергшихся самооплодотворению (рис. 1), пришла к выводу, что существуют отклонения от принятой учёными парадигмы и в геноме могут существовать элементы, способные к перемещению. Их назвали транспозонами, а за их открытие учёная была удостоена Нобелевской премии.
Транспозоны — это одна из разновидностей, встречающихся в геноме мобильных генетических элементов — последовательностей ДНК, способных к перемещению внутри генома. В самых разных организмах встречается большое количество схожих и различных транспозонов, которые можно отличать по размеру, свойствам и эволюционной истории. По современным оценкам, до 50% генома высших эукариот занимают именно транспозоны.
Классификация транспозонов
Транспозоны разделены на два класса в зависимости от механизма их перемещения (рис. 2). В первом классе находятся ретротранспозоны, составляющие подавляющее большинство транспозонов в геноме человека. При их транспозиции транспозон полностью транскрибируется с образованием его РНК-копии («копировать и вставить», репликативная транспозиция). По этой копии идёт синтез комплементарной нити ДНК на матрице РНК при помощи фермента обратной транскриптазы. Затем достраивается вторая цепочка ДНК — получается продукт, полностью идентичный транспозону. Эта копия транспозона при помощи специальных ферментов интеграз встраивается в основную ДНК организма. В результате в геноме появляется дополнительная копия транспозона. Описанный здесь «жизненный цикл» транспозона очень похож на процесс репликации ретровирусов — типа вирусов, которые способны внедрять ДНК копию последовательности своего РНК генома в хромосомы позвоночных, причем встроенный таким образом геном может передаваться по наследству. К ретровирусам относятся вирус иммунодефицита человека и множество различных онкогенных вирусов позвоночных. Вирус, который интегрирован в геном клетки, называют эндогенным вирусным элементом, а если он способен приводить к синтезу вирусных частиц и инфицированию других клеток – провирусом. В процессе эволюции провирус может терять свои различные компоненты и утрачивать способность к синтезу в клетке вирусных частиц либо другие важные для его самовоспроизводства функции. Аналогичный механизм приводит к тому, что из автономных транспозонов в ходе эволюции получаются неавтономные, которые не кодируют белки, необходимые для своего распространения. Вследствие чего они нуждаются в том, чтобы в геноме присутствовали другие транспозоны, содержащие гены соответствующей молекулярной машинерии. Можно провести параллель между зависимостью двух видов транспозона друг от друга и отношениями между сателлитами (неспособными к самостоятельному размножению вирусами) и вспомогательными вирусами, благодаря белкам которых сателлиты могут размножаться в клетках хозяина, инфицированных вспомогательным вирусом. До сих пор не до конца понятно, что было первоначально: встраивание ретровирусов в геном и превращение их в ретротранспозоны или появление ретровирусов из LTR-транспозонов, речь о которых пойдёт дальше.
Среди ретротранспозонов наиболее важны три группы. Первая — LTR (Long Terminal Repeats) ретротранспозоны. Их основная характеристика — наличие длинных (несколько сотен пар нуклеотидов) конечных повторов и образование вирусоподобных частиц из транскриптов и белковых продуктов генов ретротранспозона (РНКаза, обратная полимераза, интеграза) в процессе их самовоспроизводства, а также интеграция двухцепочечной ДНК в геном. По эволюционным данным, они ближе всех транспозонов к свободно встречающимся ретровирусам. Вторая группа – LINE (Long Interspersed Nuclear Elements), длиной до 6 тысяч п.н. (пар нуклеотидов), они содержат две открытые рамки считывания. Открытые рамки считывания — последовательности нуклеотидов, потенциально способные кодировать белок. В транспозоне LINE с них синтезируются связывающий нуклеиновые кислоты белок и обратная транскриптаза/эндонуклеаза, ответственная за расщепление фосфодиэфирной связи между не крайними нуклеотидами ДНК. Эти белки и осуществляют встраивание транспозона в новое место генома, причём синтез ДНК с РНК матрицы происходит уже напрямую в том локусе, в который произойдет вставка. Третья — SINE (Short Interspersed Nuclear Elements), длиной менее 700 п.н. без открытых рамок считывания. Они неавтономные и зависят от белковых продуктов LINE, которые могут узнавать транскрипты SINE и осуществлять вставку их последовательностей в геном.
Второй класс — ДНК-транспозоны. У подавляющего большинства из них наблюдается механизм «вырезать и вставить» (консервативная транспозиция). Передвижение осуществляется при помощи ферментного комплекса транспозазы (рис. 2, справа). При узнавании концевого повтора транспозаза вырезает мобильный генетический элемент и производит перемещение его в другое место, а разъединённые участки ДНК сшиваются. В исходном локусе остается след от транспозона — специфическая последовательность ДНК. Такие действия и выбор места для «подшивания» гена часто носят ненаправленный, случайный характер. В человеческом геноме на данный момент отсутствуют активные ДНК-транспозоны. Это происходит из-за мутаций, нейтрализующих способность транспозона к перемещению, эпигенетической регуляции локусов, где они расположены, и деградации РНК, синтезируемой с транспозона с помощью систем РНК-интерференции.
Биологическое значение транспозонов
Несмотря на то, что изначально транспозоны считали «мусорной» частью ДНК, их роль в организме разнообразна и крайне важна. Сегменты ДНК, которые могут перемещаться в другие части генома (локусы), зачастую существенно изменяют экспрессию (процесс преобразования наследственной информации от гена в белок или РНК) соседних генов. Эффект мобильного элемента зависит от позиции в геноме. Если элемент встраивается непосредственно перед кодирующей последовательностью гена, он может изменить промотор — область, с которой связывается РНК-полимераза перед началом транскрипции. Копии элемента на некотором расстоянии от гена могут выступать в роли энхансеров или сайленсеров: последовательностей, которые через взаимодействие с белками усиливают или ослабляют транскрипцию гена соответственно. Другое изменение, которое может вносить в геном присутствие мобильных элементов, – перестройка экзон-интронной структуры генов. После транскрипции РНК созревает: из неё удаляются фрагменты последовательности — интроны, и остаются экзоны в ходе процесса сплайсинга. Интроны и экзоны могут соединяться в разных сочетаниях, что позволяет получать несколько продуктов с одного геномного локуса. Встраивающиеся в ген транспозоны увеличивают количество синтезируемых с него изоформ РНК. В результате происходит изменение концентрации белков, регулирующих различные процессы в клетках. Это приводит и к заболеваниям, например, к гемофилии, иммунодефициту, порфирии и повышенной склонности к злокачественным опухолям.
Кроме того, транспозоны способны не только переносить собственный генетический материал, но и захватывать другие последовательности ДНК и осуществлять их перенос как внутри генома организма, так и между разными видами. Процесс передачи генетического материала не от родителей к детям, а между репродуктивно изолированных видами называется горизонтальным переносом генов. Транспозоны обычно переносят гены устойчивости к антибиотикам и вирулентности, что чаще всего встречается у прокариот.
Еще один способ влияния транспозонов на структуру генома — перегруппировка участком хромосом в ходе гомологичной рекомбинации, при которой происходит обмен генетическим материалом, находящимся рядом с очень схожими последовательностями (рис. 3). В результате фрагмент хромосомы может удвоиться, поменять своё направление или исчезнуть из генома.
Эволюционный эффект транспозонов состоит в том, что они обеспечивают создание измененных вариантов генов, на которые потом действует естественный отбор. В ходе эволюции закрепляется не только эффект от перестроенных генетических последовательностей, но и от побочных влияний закодированных в транспозонах белков. К примеру, ключевые ферменты системы V(D)J рекомбинации, которая обеспечивает гипервариабельность антител позвоночных и функционирование приобретенного иммунитета, происходят от ДНК-транспозонов.
Современная наука изучает транспозоны для решения широкого спектра задач. Наиболее обширная область исследований — участие мобильных элементов в сетях регулирования экспрессии генов. Другое перспективное направление научных изысканий — появление новых генов в результате распространения транспозонов. Мобильные генетические элементы часто используют при редактировании генома или для мутагенеза с последующим изучением модифицированных организмов. Наконец, данные о последовательностях транспозонов и закономерностях их распространения в различных организмах — ценный источник информации о древних эволюционных процессах.
Источники:
- Pray, L. (2008) Transposons: The jumping genes. Nature Education 1(1):204.
- Ågren JA, Clark AG (2018) Selfish genetic elements. PLOS Genetics 14(11): e1007700.
- Muñoz-López, M., & García-Pérez, J. L. (2010). DNA transposons: nature and applications in genomics. Current genomics, 11(2), 115–128.
- Прыгающие гены, или Зачем эволюция замусорила ДНК?.
Рекомендуемые материалы:
- Alu: история одной последовательности — всестороннее описание изучения транспозонов, их эволюционной истории и эффектов на организм на примере одного из транспозонов типа SINE.
- Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов — рассказ о широком разнообразии мобильных генетических элементов у прокариот.
- Генетические паразиты помогли млекопитающим «изобрести» беременность — описание влияния транспозонов на появление новых анатомических структур и особенностей жизненного цикла.
- Курс лекций по молекулярной биологии Даниила Никитина — лекции 19-21 затрагивают связанные с транспозонами биологические процессы.