stringtranslate.com

Рибосомальная ДНК

Рибосомальная ДНК (сокращенно рДНК ) состоит из группы рибосомальных РНК , кодирующих гены и связанные с ними регуляторные элементы, и широко распространена в схожей конфигурации во всех доменах жизни. Рибосомальная ДНК кодирует некодирующую рибосомальную РНК , неотъемлемые структурные элементы в сборке рибосом , ее важность делает ее наиболее распространенным участком РНК, обнаруженным в клетках эукариот . [1] Кроме того, эти сегменты включают регуляторные участки, такие как промотор, специфичный для РНК-полимеразы I , а также как транскрибируемые, так и нетранскрибируемые спейсерные сегменты.

Из-за их высокой важности в сборке рибосом для биосинтеза белка , гены рДНК, как правило, высококонсервативны в молекулярной эволюции . Количество копий может значительно варьироваться в зависимости от вида. [1] Рибосомальная ДНК широко используется для филогенетических исследований. [2] [3]

Структура

Рибосомальная ДНК включает все гены, кодирующие некодирующие структурные молекулы рибосомальной РНК . Во всех доменах жизни это структурные последовательности малой субъединицы ( 16S или 18S рРНК ) и большой субъединицы ( 23S или 28S рРНК ). Сборка последней также включает 5S рРНК , а также дополнительную 5.8S рРНК у эукариот.

Гены рДНК обычно присутствуют в геноме в нескольких копиях, где они организованы в связанные группы у большинства видов, разделенные внутренним транскрибируемым спейсером (ITS) и предшествуемые внешним транскрибируемым спейсером (ETS) . 5S рРНК также связана с этими областями рДНК у прокариот, тогда как у большинства эукариот она расположена в отдельных повторяющихся областях. [4] Они транскрибируются вместе в предшественник РНК, который затем обрабатывается до равных количеств каждой рРНК.

Прокариоты

Первичные структурные молекулы рРНК у бактерий и архей меньше, чем их аналоги у эукариот, сгруппированные как 16S рРНК и 23S рРНК . Между тем, 5S рРНК, также присутствующая у прокариот, имеет схожий размер с эукариотами.

Значительное количество бактерий и архей отклоняются от канонической структуры оперона, содержащего гены рДНК, неся «несвязанные» гены в разных местах своего генома. [5]

Пластиды

Рибосомальная ДНК в хлоропластах повторяет структуру прокариотической рибосомальной ДНК.

Эукариоты

Генный сегмент эукариотической рДНК содержит тракты 18S, 5.8S и 28S и образует тандемный повторяющийся кластер; рДНК 5S кодируется отдельно. NTS — нетранскрибируемый спейсер, ETS — внешний транскрибируемый спейсер , ITS — внутренние транскрибируемые спейсеры 1 и 2, пронумерованные с 5'-конца.
Ядрышко с компонентами пре-рРНК, называемыми интронами и экзонами.

Генный кластер рДНК эукариот состоит из генов для 18S , 5.8S и 28S рРНК , разделенных двумя спейсерами ITS-1 и ITS-2 . Активный геном эукариот содержит несколько сотен копий транскрипционной единицы рДНК в виде тандемных повторов , они организованы в области организаторов ядрышка (NOR) , [4] , которые, в свою очередь, могут присутствовать в нескольких локусах в геноме. [6]

Подобно структуре прокариот, 5S рРНК присоединяется к кластеру рДНК у сахаромицетов (Hemiascomycetes) [6] , таких как Saccharomyces cerevisiae . [4] Однако большинство эукариот несут ген для 5S рРНК в отдельных повторах генов в разных локусах генома. [6] [4]

5S рДНК также присутствует в независимых тандемных повторах, как у Drosophila . [6] Поскольку повторяющиеся области ДНК часто подвергаются рекомбинационным событиям, повторы рДНК имеют множество регуляторных механизмов, которые предохраняют ДНК от мутаций, [ необходим пример ], таким образом сохраняя рДНК консервативной. [1]

В ядре регионы организаторов ядрышка дают начало ядрышку , где регионы рДНК хромосомы образуют расширенные хромосомные петли, доступные для транскрипции рРНК . В рДНК тандемные повторы в основном находятся в ядрышке; но гетерохроматиновая рДНК находится вне ядрышка. Однако транскрипционно активная рДНК находится внутри самого ядрышка. [1]

Люди

Геном человека содержит в общей сложности 560 копий [4] транскрипционной единицы рДНК, распределенных по пяти хромосомам с ядрышковыми организаторскими областями . Кластеры повторов расположены на акроцентрических хромосомах 13 ( RNR1 ), 14 ( RNR2 ), 15 ( RNR3 ), 21 ( RNR4 ) и 22 ( RNR5 ). [7]

Инфузории

У инфузорий наличие генеративного микронуклеуса рядом с вегетативным макронуклеусом позволяет уменьшить гены рДНК в зародышевой линии. Точное число копий в геноме ядра микронуклеуса варьируется от нескольких копий у Paramecium [8] до одной копии у Tetrahymena thermophila [4] и других видов Tetrahymena . Во время формирования макронуклеуса регионы, содержащие кластеры генов рДНК, амплифицируются, что значительно увеличивает количество доступных матриц для транскрипции до нескольких тысяч копий. У некоторых родов инфузорий, таких как Tetrahymena или род Hypotrich Oxytricha [8] , обширная фрагментация амплифицированной ДНК приводит к образованию микрохромосом, сосредоточенных на транскрипционной единице рДНК. [8] Аналогичные процессы наблюдаются у Glaucoma chattoni и в меньшей степени у Paramecium [8] .

Однородность последовательности

В большом массиве рДНК полиморфизмы между повторяющимися единицами рДНК очень низки, что указывает на то, что тандемные массивы рДНК развиваются посредством согласованной эволюции . [6] Однако механизм согласованной эволюции несовершенен, так что полиморфизмы между повторами в пределах особи могут возникать на значительных уровнях и могут затруднять филогенетический анализ близкородственных организмов. [9] [10]

Последовательности тандемных повторов 5S у нескольких дрозофил сравнивались друг с другом; результат показал, что вставки и делеции часто происходили между видами и часто были окружены консервативными последовательностями. [11] Они могли происходить из-за проскальзывания вновь синтезированной цепи во время репликации ДНК или из-за генной конверсии. [11]

Расхождение последовательности

Тракты транскрипции рДНК имеют низкую скорость полиморфизма среди видов, что позволяет проводить межвидовое сравнение для выяснения филогенетических отношений, используя всего несколько образцов. Кодирующие области рДНК высококонсервативны среди видов, но области ITS изменчивы из-за вставок, делеций и точечных мутаций. Между такими отдаленными видами, как человек и лягушка, сравнение последовательностей в трактах ITS нецелесообразно. [12] Консервативные последовательности в кодирующих областях рДНК позволяют проводить сравнения отдаленных видов, даже между дрожжами и человеком. Человеческая 5.8S рРНК имеет 75% идентичности с дрожжевой 5.8S рРНК. [13] В случаях с видами-братьями сравнение сегмента рДНК, включая тракты ITS среди видов, и филогенетический анализ проводятся удовлетворительно. [14] [15] Различные кодирующие области повторов рДНК обычно показывают различные скорости эволюции. В результате эта ДНК может предоставить филогенетическую информацию о видах, принадлежащих к широким систематическим уровням. [2]

Рекомбинационно-стимулирующая активность

Фрагмент рДНК дрожжей, содержащий ген 5S, нетранскрибируемую спейсерную ДНК и часть гена 35S, имеет локализованную цис-действующую стимулирующую митотическую рекомбинацию активность. [16] Этот фрагмент ДНК содержит митотическую рекомбинационную горячую точку , называемую HOT1. HOT1 проявляет стимулирующую рекомбинацию активность, когда она вставляется в новые места в геноме дрожжей . HOT1 включает транскрипционный промотор РНК-полимеразы I (PolI) , который катализирует транскрипцию гена рибосомальной рРНК 35S . У мутанта с дефектом PolI рекомбинационно-стимулирующая активность горячей точки HOT1 отменяется. Уровень транскрипции PolI в HOT1, по-видимому, определяет уровень рекомбинации . [17]

Клиническое значение

Заболевания могут быть связаны с мутациями ДНК, при которых ДНК может расширяться, например, болезнь Хантингтона , или теряться из-за делеционных мутаций. То же самое относится к мутациям, которые происходят в повторах рДНК; было обнаружено, что если гены, которые связаны с синтезом рибосом, нарушены или мутированы, это может привести к различным заболеваниям, связанным со скелетом или костным мозгом. Кроме того, любое повреждение или нарушение ферментов, которые защищают тандемные повторы рДНК, может привести к снижению синтеза рибосом, что также приводит к другим дефектам в клетке. Неврологические заболевания также могут возникать из-за мутаций в тандемных повторах рДНК, например, синдром Блума , который возникает, когда количество тандемных повторов увеличивается почти в сто раз; по сравнению с нормальным количеством тандемных повторов. Различные типы рака также могут возникать из-за мутаций тандемных повторов в рибосомной ДНК. Клеточные линии могут стать злокачественными либо из-за перестройки тандемных повторов, либо из-за расширения повторов в рДНК. [18]

Ссылки

  1. ^ abcd Warmerdam, Daniel O.; Wolthuis, Rob MF (2019-03-01). «Сохранение рибосомальной ДНК в целости: повторяющаяся проблема». Chromosome Research . 27 (1): 57–72. doi :10.1007/s10577-018-9594-z. ISSN  1573-6849. PMC 6394564 . PMID  30556094. 
  2. ^ ab Hillis DM, Dixon MT (декабрь 1991 г.). «Рибосомальная ДНК: молекулярная эволюция и филогенетический вывод». The Quarterly Review of Biology . 66 (4): 411–53. doi :10.1086/417338. PMID  1784710. S2CID  32027097.
  3. ^ Weisburg WG, Barns SM, Pelletier DA, Lane DJ (январь 1991 г.). «Амплификация рибосомальной ДНК 16S для филогенетического исследования». Журнал бактериологии . 173 (2): 697–703. doi : 10.1128/jb.173.2.697-703.1991. PMC 207061. PMID  1987160. 
  4. ^ abcdef Graw, Jochen (2015). Genetik [ Генетика ] (на немецком языке) (6-е изд.). Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. doi :10.1007/978-3-662-44817-5. ISBN 978-3-662-44816-8.
  5. ^ Брюэр Т.Э., Альбертсен М., Эдвардс А., Киркегор Р.Х., Роча Э.П., Фирер Н. (февраль 2020 г.). «Несвязанные гены рРНК широко распространены среди бактерий и архей». Журнал ISME . 14 (2): 597–608. Бибкод : 2020ISMEJ..14..597B. дои : 10.1038/s41396-019-0552-3. ПМК 6976660 . ПМИД  31712737. 
  6. ^ abcde Richard GF, Kerrest A, Dujon B (декабрь 2008 г.). «Сравнительная геномика и молекулярная динамика повторов ДНК у эукариот». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 72 (4): 686–727. doi :10.1128/MMBR.00011-08. PMC 2593564. PMID  19052325 . 
  7. ^ Шмидт, Олаф (2017). Фриче, Олаф (ред.). Genetik und Molekularbiologie [ Генетика и молекулярная биология ]. Kompaktwissen Biologie (на немецком языке). Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/978-3-662-50274-7. ISBN 978-3-662-50273-0.
  8. ^ abcd Прескотт, Дэвид М. (июнь 1994 г.). «ДНК реснитчатых простейших». Microbiological Reviews . 58 (2): 233–267. doi :10.1128/mr.58.2.233-267.1994. PMC 372963 . PMID  8078435. 
  9. ^ Альварес И, Вендель Дж. Ф. (декабрь 2003 г.). «Рибосомальные ITS-последовательности и филогенетический вывод растений». Молекулярная филогенетика и эволюция . 29 (3): 417–34. Bibcode :2003MolPE..29..417A. doi :10.1016/S1055-7903(03)00208-2. PMID  14615184.
  10. ^ Weitemier K, Straub SC, Fishbein M, Liston A (2015). «Внутригеномные полиморфизмы среди высококопийных локусов: общеродовое исследование ядерной рибосомной ДНК у Asclepias (Apocynaceae)». PeerJ . 3 : e718. doi : 10.7717/peerj.718 . PMC 4304868 . PMID  25653903. 
  11. ^ ab Päques F, Samson ML, Jordan P, Wegnez M (ноябрь 1995 г.). «Структурная эволюция рибосомных генов 5S дрозофилы». Журнал молекулярной эволюции . 41 (5): 615–21. Bibcode : 1995JMolE..41..615P. doi : 10.1007/bf00175820. PMID  7490776. S2CID  6911205.
  12. ^ Сумида М., Като Й., Курабаяши А. (апрель 2004 г.). «Секвенирование и анализ внутренних транскрибируемых спейсеров (ITS) и кодирующих областей фрагмента EcoR I рибосомальной ДНК японской прудовой лягушки Rana nigromaculata». Гены и генетические системы . 79 (2): 105–18. doi : 10.1266/ggs.79.105 . PMID  15215676.
  13. ^ Nazar RN, Sitz TO, Busch H (февраль 1976 г.). «Гомологии последовательностей в рибосомальной РНК млекопитающих 5.8S». Биохимия . 15 (3): 505–8. doi :10.1021/bi00648a008. PMID  1252408.
  14. ^ Fengyi MY, Jiannong X, Zheming Z (1998). «Различия в последовательностях рДНК-ITS2 и диагностический ПЦР-анализ видов Anopheles sinensis и Anopheles anthropophagus из Китая» (PDF) . J Med Coll PLA . 13 : 123–128.
  15. ^ Li, C; Lee, JS; Groebner, JL; Kim, HC; Klein, TA; O'Guinn, ML; Wilkerson, RC (2005). «Недавно признанный вид в группе Anopheles hyrcanus и молекулярная идентификация родственных видов из Республики Южная Корея (Diptera: Culicidae)» (PDF) . Zootaxa . 939 : 1–8. doi : 10.11646/zootaxa.939.1.1 . Архивировано из оригинала 1 октября 2012 г.
  16. ^ Keil RL, Roeder GS (декабрь 1984 г.). «Цис-действующая, стимулирующая рекомбинацию активность во фрагменте рибосомальной ДНК S. cerevisiae». Cell . 39 (2 Pt 1): 377–86. doi : 10.1016/0092-8674(84)90016-3 . PMID  6094015.
  17. ^ Serizawa N, Horiuchi T, Kobayashi T (апрель 2004 г.). «Транскрипционно-опосредованная гиперрекомбинация в HOT1». Genes to Cells . 9 (4): 305–15. doi :10.1111/j.1356-9597.2004.00729.x. PMID  15066122. S2CID  23978914.
  18. ^ Warmerdam DO, Wolthuis RM (март 2019). «Сохранение рибосомальной ДНК в целости: повторяющаяся проблема». Chromosome Research . 27 (1–2): 57–72. doi :10.1007/s10577-018-9594-z. PMC 6394564 . PMID  30556094.