stringtranslate.com

Мобильные генетические элементы

ДНК-транспозоны, LTR-ретротранспозоны, SINE и LINE составляют большую часть генома человека.

Мобильные генетические элементы ( МГЭ ), иногда называемые эгоистичными генетическими элементами , [1] представляют собой тип генетического материала , который может перемещаться внутри генома или может передаваться от одного вида или репликона к другому. МГЭ встречаются во всех организмах. Считается, что у людей примерно 50% генома составляют МГЭ. [2] МГЭ играют особую роль в эволюции. События дупликации генов также могут происходить через механизм МГЭ. МГЭ также могут вызывать мутации в кодирующих белок областях, что изменяет функции белка. Эти механизмы также могут перестраивать гены в геноме хозяина, генерируя вариации. Эти механизмы могут повышать приспособленность за счет получения новых или дополнительных функций. Примером МГЭ в эволюционном контексте является то, что факторы вирулентности и гены устойчивости к антибиотикам МГЭ могут транспортироваться для совместного использования генетического кода с соседними бактериями. Однако МГЭ также могут снижать приспособленность, вводя аллели или мутации, вызывающие заболевания. [3] Набор МГЭ в организме называется мобиломом , который состоит из большого количества плазмид , транспозонов и вирусов . [4]

pBLU — это векторная плазмида размером 5437 п.н. Этот вектор содержит начало репликационной последовательности, сайт рестриктазы, ген lacZ и ген устойчивости к ампициллину.

Типы

Примеры мобильных генетических элементов в клетке (слева) и способы их приобретения (справа)
Транспозиция целевой последовательности в сайт рекомбинации в ДНК с помощью транспозазы. Репликация транспозируемой последовательности начинается, когда транспозаза разрезает отдельные нити на противоположных сторонах dsDNA. Репликация завершается в транспозоновом комплексе и вырезается в целевую последовательность для рекомбинации.
Механизм ретротранспозона, который использует обратную транскриптазу для преобразования мРНК-транспозона обратно в ДНК для интеграции.

Примеры исследований

Системы CRISPR-Cas у бактерий и архей являются адаптивными иммунными системами для защиты от смертельных последствий MGE. Используя сравнительный геномный и филогенетический анализ, исследователи обнаружили, что варианты CRISPR-Cas связаны с различными типами MGE, такими как транспозируемые элементы. В транспозонах, связанных с CRISPR , CRISPR-Cas контролирует транспозируемые элементы для их распространения. [28]

Такие МГЭ, как плазмиды, полученные путем горизонтальной передачи, обычно полезны для организма. Способность передавать плазмиды (обмениваться) важна с эволюционной точки зрения. Таззиман и Бонхёффер обнаружили, что фиксация (получение) переданных плазмид в новом организме так же важна, как и способность передавать их. [29] Полезные редкие и передаваемые плазмиды имеют более высокую вероятность фиксации, тогда как вредные передаваемые генетические элементы имеют более низкую вероятность фиксации, поскольку они смертельны для организмов-хозяев.

Один тип MGE, а именно интегративные конъюгативные элементы (ICE), играет центральную роль в горизонтальном переносе генов, формируя геномы прокариот, что позволяет быстро приобретать новые адаптивные черты. [30] [31]

В качестве репрезентативного примера ICE, ICE Bs1 хорошо охарактеризован по его роли в глобальном ответе SOS на повреждение ДНК Bacillus subtilis [32], а также по его потенциальной связи с устойчивостью к радиации и высыханию спор Bacillus pumilus SAFR-032 [33] , выделенных из чистых помещений космических аппаратов. [34] [35] [36]

Транспозиция с помощью транспозируемых элементов мутагенная. Таким образом, организмы эволюционировали, чтобы подавлять события транспозиции, и неспособность подавить события вызывает рак в соматических клетках. Чекко и др. обнаружили, что в раннем возрасте транскрипция ретротранспозируемых элементов минимальна у мышей, но в пожилом возрасте уровень транскрипции увеличивается. [37] Этот зависящий от возраста уровень экспрессии транспозируемых элементов снижается при диете с ограничением калорий. Репликация транспозируемых элементов часто приводит к добавлению повторяющихся последовательностей в геном. Эти последовательности часто не кодируют, но могут мешать кодирующим последовательностям ДНК. Хотя транспозоны мутагенетически по своей природе, они увеличивают геном организма, в который они транспозируют. Необходимо провести больше исследований того, как эти элементы могут служить инструментом быстрой адаптации, используемым организмами для создания изменчивости. Многие транспозиционные элементы находятся в состоянии покоя или требуют активации. Также следует отметить, что текущие значения для кодирующих последовательностей ДНК были бы выше, если бы транспозиционные элементы, которые кодируют свой собственный аппарат транспозиции, рассматривались как кодирующие последовательности.

Некоторые другие исследованные примеры включают Mavericks, [38] [39] [40] Starships [41] [40] и Space Invaders (или SPINs) [42] [43]

Заболевания

Последствия мобильных генетических элементов могут изменять транскрипционные паттерны, что часто приводит к генетическим нарушениям, таким как иммунные нарушения, рак груди, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз. У людей стресс может привести к транзакционной активации MGE, таких как эндогенные ретровирусы , и эта активация связана с нейродегенерацией . [44]

Другие заметки

Совокупность всех мобильных генетических элементов в геноме можно назвать мобиломом .

Барбара МакКлинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине 1983 года «за открытие мобильных генетических элементов» ( транспозируемых элементов ). [45]

Мобильные генетические элементы играют решающую роль в распространении факторов вирулентности, таких как экзотоксины и экзоферменты , среди бактерий. Были предложены стратегии борьбы с определенными бактериальными инфекциями путем воздействия на эти специфические факторы вирулентности и мобильные генетические элементы. [46]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Moreira D, López-García P (апрель 2009 г.). «Десять причин исключить вирусы из древа жизни». Nature Reviews. Microbiology . 7 (4): 306–311. doi :10.1038/nrmicro2108. PMID  19270719. S2CID  3907750.
  2. ^ Mu X, Ahmad S, Hur S (2016). Эндогенные ретроэлементы и врожденные иммунные сенсоры хозяина . Достижения в иммунологии. Т. 132. С. 47–69. doi :10.1016/bs.ai.2016.07.001. ISBN 9780128047972. PMC  5135014 . PMID  27769507.
  3. ^ Singh PK, Bourque G, Craig NL, Dubnau JT, Feschotte C, Flasch DA и др. (2014-11-18). «Мобильные генетические элементы и эволюция генома 2014». Mobile DNA . 5 : 26. doi : 10.1186/1759-8753-5-26 . PMC 4363357 . PMID  30117500. 
  4. ^ ab Koonin EV, Wolf YI (декабрь 2008 г.). «Геномика бактерий и архей: возникающий динамический взгляд на прокариотический мир». Nucleic Acids Research . 36 (21): 6688–6719. doi :10.1093/nar/gkn668. PMC 2588523. PMID  18948295 . 
  5. ^ abc Smillie C, Garcillán-Barcia MP, Francia MV, Rocha EP, de la Cruz F (сентябрь 2010 г.). «Подвижность плазмид». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 74 (3): 434–452. doi :10.1128/MMBR.00020-10. PMC 2937521. PMID  20805406 . 
  6. ^ Саммерс Д. (1996). «Глава 1 – Функция и организация плазмид». Биология плазмид (первое издание). Wiley-Blackwell. стр. 21–22. ISBN 978-0632034369.
  7. ^ Glick BR, Pasternak JJ (2005). Принципы молекулярной биотехнологии и применение рекомбинантной ДНК (3-е изд.). ASM Press. ISBN 9781555816124.
  8. ^ Макаловский В., Готя В., Панде А., Макаловский И. (2019). «Транспозируемые элементы: классификация, идентификация и их использование в качестве инструмента сравнительной геномики». В Анисимовой М. (ред.). Эволюционная геномика . Методы в молекулярной биологии. Т. 1910. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Humana. стр. 185–186. doi : 10.1007/978-1-4939-9074-0_6 . ISBN 978-1-4939-9074-0. PMID  31278665. S2CID  195814061.
  9. ^ Муньос-Лопес М., Гарсия-Перес Х. Л. (апрель 2010 г.). «ДНК-транспозоны: природа и применение в геномике». Current Genomics . 11 (2): 115–128. doi :10.2174/138920210790886871. PMC 2874221. PMID  20885819 . 
  10. ^ abc Shapiro JA (апрель 1979). «Молекулярная модель транспозиции и репликации бактериофага Mu и других мобильных элементов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (4): 1933–1937. Bibcode :1979PNAS...76.1933S. doi : 10.1073/pnas.76.4.1933 . PMC 383507 . PMID  287033. 
  11. ^ Бушмен Ф. (2002). Латеральный перенос ДНК: механизмы и последствия. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 0-87969-603-6. OCLC  47283049.
  12. ^ Richardson SR, Doucet AJ, Kopera HC, Moldovan JB, Garcia-Perez JL, Moran JV (апрель 2015 г.). «Влияние ретротранспозонов LINE-1 и SINE на геномы млекопитающих». Microbiology Spectrum . 3 (2): 1165–1208. doi :10.1128/microbiolspec.mdna3-0061-2014. ISBN 9781555819200. PMC  4498412 . PMID  26104698.
  13. ^ Макаловский В., Готя В., Панде А., Макаловский И. (2019). «Транспозируемые элементы: классификация, идентификация и их использование в качестве инструмента сравнительной геномики». В Анисимовой М. (ред.). Эволюционная геномика . Методы в молекулярной биологии. Т. 1910. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Humana. стр. 177–207. doi :10.1007/978-1-4939-9074-0_6. ISBN 978-1-4939-9074-0. PMID  31278665. S2CID  195814061.
  14. ^ ab Monga I, Banerjee I (ноябрь 2019 г.). «Вычислительная идентификация piRNA с использованием признаков, основанных на последовательности РНК, структуре, термодинамических и физико-химических свойствах». Current Genomics . 20 (7): 508–518. doi :10.2174/1389202920666191129112705. PMC 7327968 . PMID  32655289. 
  15. ^ Ковалевская НП (2002). «Мобильные генные кассеты и интегроны». Молекулярная биология . 36 (2): 196–201. doi :10.1023/A:1015361704475. S2CID  2078235.
  16. ^ Хауснер Г., Хафез М., Эджелл Д. Р. (март 2014 г.). «Интроны бактериальной группы I: мобильные РНК-катализаторы». Мобильная ДНК . 5 (1): 8. doi : 10.1186/1759-8753-5-8 . PMC 3984707. PMID  24612670. 
  17. ^ Gozashti L, Roy SW, Thornlow B, Kramer A, Ares M, Corbett-Detig R (ноябрь 2022 г.). «Транспозируемые элементы управляют усилением интронов у различных эукариот». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 119 (48): e2209766119. Bibcode : 2022PNAS..11909766G. doi : 10.1073/pnas.2209766119 . PMC 9860276. PMID  36417430. 
  18. ^ Buehler J (2023-03-30). «Как ДНК-«паразит» мог фрагментировать наши гены». Журнал Quanta . Получено 2023-03-31 .
  19. ^ Worden AZ, Lee JH, Mock T, Rouzé P, Simmons MP, Aerts AL и др. (апрель 2009 г.). «Зеленая эволюция и динамические адаптации, выявленные геномами морских пикоэукариот Micromonas». Science . 324 (5924): 268–272. Bibcode :2009Sci...324..268W. doi :10.1126/science.1167222. PMID  19359590. S2CID  206516961.
  20. ^ abcd Kuhn JH, Dolja VV, Krupovic M, Adriaenssens EM, Di Serio F, Dutilh BE и др. (2020). Расширить, изменить и дополнить Международный кодекс классификации и номенклатуры вирусов (ICVCN; «Кодекс») и Уставы, чтобы четко определить сферу деятельности ICTV (Отчет). doi :10.13140/RG.2.2.26202.26565.
  21. ^ abcd Koonin EV, Dolja VV, Krupovic M, Kuhn JH (декабрь 2021 г.). «Вирусы, определяемые положением виросферы в пространстве репликатора». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 85 (4): e0019320. doi :10.1128/MMBR.00193-20. PMC 8483706. PMID  34468181 . 
  22. ^ Кунин EV, Доля ВВ (июнь 2014). «Вирусный мир как эволюционная сеть вирусов и бескапсульных эгоистичных элементов». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 78 (2): 278–303. doi :10.1128/MMBR.00049-13. PMC 4054253. PMID 24847023  . 
  23. ^ Rankin DJ, Rocha EP, Brown SP (январь 2011 г.). «Какие черты передаются мобильными генетическими элементами и почему?». Наследственность . 106 (1): 1–10. doi :10.1038/hdy.2010.24. PMC 3183850. PMID 20332804  . 
  24. ^ Crawford D (2011). Вирусы: Очень краткое введение. Нью-Йорк: Oxford University Press. стр. 4. ISBN 978-0199574858.
  25. ^ Briddon RW, Ghabrial S, Lin NS, Palukaitis P, Scholthof KB, Vetten HJ. "3 - Satellites and Other Virus-dependent Nucleic Acids - Subviral Agents - Subviral Agents (2011)". Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV) . Архивировано из оригинала 13 января 2019 г.
  26. ^ Di Serio F, Owens RA, Li SF, Matoušek J, Pallás V, Randles JW, et al. (Ноябрь 2020 г.). "Вироиды". Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV). Архивировано из оригинала 2 декабря 2020 г.
  27. ^ Фешотт С, Гилберт С (март 2012 г.). «Эндогенные вирусы: взгляд на эволюцию вирусов и их влияние на биологию хозяина» (PDF) . Nature Reviews. Генетика . 13 (4): 283–296. doi :10.1038/nrg3199. PMID  22421730. S2CID  205485232.
  28. ^ Peters JE, Makarova KS, Shmakov S, Koonin EV (август 2017 г.). «Recruitment of CRISPR-Cas systems by Tn7-like transposons». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (35): E7358–E7366. Bibcode : 2017PNAS..114E7358P. doi : 10.1073/pnas.1709035114 . PMC 5584455. PMID  28811374 . 
  29. ^ Tazzyman SJ, Bonhoeffer S (декабрь 2013 г.). «Вероятность фиксации мобильных генетических элементов, таких как плазмиды». Теоретическая популяционная биология . 90 : 49–55. doi : 10.1016/j.tpb.2013.09.012 . PMID  24080312.
  30. ^ Guglielmini J, Quintais L, Garcillán-Barcia MP, de la Cruz F, Rocha EP (август 2011 г.). «Репертуар ICE у прокариот подчеркивает единство, разнообразие и повсеместность конъюгации». PLOS Genetics . 7 (8): e1002222. doi : 10.1371/journal.pgen.1002222 . PMC 3158045 . PMID  21876676. 
  31. ^ Возняк РА, Уолдор МК (август 2010 г.). «Интегративные и конъюгативные элементы: мозаичные мобильные генетические элементы, обеспечивающие динамический латеральный поток генов». Nature Reviews. Микробиология . 8 (8): 552–563. doi :10.1038/nrmicro2382. PMID  20601965. S2CID  21460836.
  32. ^ Auchtung JM, Lee CA, Garrison KL, Grossman AD (июнь 2007 г.). «Идентификация и характеристика репрессора иммунитета (ImmR), который контролирует мобильный генетический элемент ICEBs1 Bacillus subtilis». Молекулярная микробиология . 64 (6): 1515–1528. doi :10.1111/j.1365-2958.2007.05748.x. PMC 3320793. PMID 17511812  . 
  33. ^ Tirumalai MR, Fox GE (сентябрь 2013 г.). «Элемент, подобный ICEBs1, может быть связан с экстремальной устойчивостью спор Bacillus pumilus SAFR-032 к радиации и высыханию». Extremophiles . 17 (5): 767–774. doi :10.1007/s00792-013-0559-z. PMID  23812891. S2CID  8675124.
  34. ^ Link L, Sawyer J, Venkateswaran K, Nicholson W (февраль 2004 г.). «Экстремальная устойчивость спор к УФ-излучению изолятов Bacillus pumilus, полученных из сверхчистого завода по сборке космических аппаратов». Microbial Ecology . 47 (2): 159–163. Bibcode : 2004MicEc..47..159L. doi : 10.1007/s00248-003-1029-4. PMID  14502417. S2CID  13416635.
  35. ^ Newcombe DA, Schuerger AC, Benardini JN, Dickinson D, Tanner R, Venkateswaran K (декабрь 2005 г.). «Выживание микроорганизмов, связанных с космическим кораблем, при имитации марсианского УФ-облучения». Applied and Environmental Microbiology . 71 (12): 8147–8156. Bibcode :2005ApEnM..71.8147N. doi :10.1128/AEM.71.12.8147-8156.2005. PMC 1317311 . PMID  16332797. 
  36. ^ Kempf MJ, Chen F, Kern R, Venkateswaran K (июнь 2005 г.). «Повторяющаяся изоляция спор Bacillus pumilus, устойчивых к перекиси водорода, из объекта по сборке космических аппаратов». Astrobiology . 5 (3): 391–405. Bibcode :2005AsBio...5..391K. doi :10.1089/ast.2005.5.391. PMID  15941382.
  37. ^ De Cecco M, Criscione SW, Peterson AL, Neretti N, Sedivy JM, Kreiling JA (декабрь 2013 г.). «Транспозируемые элементы становятся активными и мобильными в геномах стареющих соматических тканей млекопитающих». Aging . 5 (12): 867–883. doi :10.18632/aging.100621. PMC 3883704 . PMID  24323947. 
  38. ^ Barreat JG, Katzourakis A (май 2021 г.). Battistuzzi FU (ред.). «Филогеномика мобильных генетических элементов позвоночных, подобных вирусу Maverick». Молекулярная биология и эволюция . 38 (5): 1731–1743. doi :10.1093/molbev/msaa291. PMC 8097293. PMID  33481003 . 
  39. ^ Widen SA, Bes IC, Koreshova A, Pliota P, Krogull D, Burga A (июнь 2023 г.). «Вирусоподобные транспозоны пересекают видовой барьер и управляют эволюцией генетической несовместимости». Science . 380 (6652): eade0705. doi :10.1126/science.ade0705. PMID  37384706. S2CID  250645873.
  40. ^ ab Bolakhe S (2023-08-03). «Эгоистичная вирусоподобная ДНК может переносить гены между видами». Журнал Quanta . Получено 2023-08-06 .
  41. ^ Gluck-Thaler E, Ralston T, Konkel Z, Ocampos CG, Ganeshan VD, Dorrance AE и др. (Май 2022 г.). Larracuente A (ред.). «Giant Starship Elements Mobilize Accessory Genes in Fungal Genomes». Молекулярная биология и эволюция . 39 (5). doi :10.1093/molbev/msac109. PMC 9156397. PMID  35588244 . 
  42. ^ Pace JK, Gilbert C, Clark MS, Feschotte C (ноябрь 2008 г.). «Повторный горизонтальный перенос ДНК-транспозона у млекопитающих и других четвероногих». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (44): 17023–17028. doi : 10.1073/pnas.0806548105 . PMC 2579371. PMID  18936483 . 
  43. ^ "ДНК космического захватчика перескочила через геномы млекопитающих". Science . 2008-11-03. Архивировано из оригинала 4 мая 2021 г. Получено 2023-08-06 .
  44. ^ Энтони Дж. М., ван Марле Г., Опий В., Баттерфилд ДА., Маллет Ф., Йонг В. В. и др. (октябрь 2004 г.). «Индукция окислительно-восстановительных реагентов, опосредованная эндогенным ретровирусом человека, вызывает гибель олигодендроцитов и демиелинизацию». Nature Neuroscience . 7 (10): 1088–1095. doi :10.1038/nn1319. PMID  15452578. S2CID  9882712.
  45. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1983 года". nobelprize.org . Получено 14 июля 2010 г. .
  46. ^ Keen EC (декабрь 2012 г.). «Парадигмы патогенеза: нацеливание на мобильные генетические элементы болезни». Frontiers in Cellular and Infection Microbiology . 2 : 161. doi : 10.3389/fcimb.2012.00161 . PMC 3522046. PMID 23248780  . 

Библиография