Рибосомальная ДНК ( рДНК ) представляет собой последовательность ДНК , которая кодирует рибосомальную РНК . Эти последовательности регулируют инициацию и амплификацию транскрипции и содержат как транскрибируемые, так и нетранскрибируемые спейсерные сегменты.
В геноме человека имеется 5 хромосом с областями ядрышкового организатора: акроцентрические хромосомы 13 ( RNR1 ), 14 ( RNR2 ), 15 ( RNR3 ), 21 ( RNR4 ) и 22 ( RNR5 ). Гены, ответственные за кодирование различных субъединиц рРНК, расположены у человека на нескольких хромосомах. Но гены, кодирующие рРНК, высококонсервативны во всех доменах, и только число копий генов варьируется в зависимости от вида. [1] У бактерий , архей и хлоропластов рРНК состоит из различных (меньших) единиц: большой (23S) рибосомальной РНК , 16S рибосомальной РНК и 5S рРНК. 16S рРНК широко используется в филогенетических исследованиях. [2]
РРНК, транскрибируемая примерно из 600 р- повторов ДНК, образует наиболее распространенный участок РНК, обнаруженный в клетках эукариот . [1] Рибосомы представляют собой совокупности белков и молекул рРНК, которые транслируют молекулы мРНК для производства белков. Как показано на рисунке, рДНК эукариот состоит из тандемного повтора единичного сегмента, состоящего из участков NTS, ETS, 18S , ITS1 , 5.8S , ITS2 и 28S . рДНК имеет еще один ген, кодирующий 5S рРНК, расположенный в геноме большинства эукариот. [3] 5S рДНК также присутствует в независимых тандемных повторах, как у дрозофилы . [3] Повторяющиеся участки ДНК часто подвергаются событиям рекомбинации. Повторы рДНК имеют множество регуляторных механизмов, которые предотвращают мутации ДНК, тем самым сохраняя рДНК консервативной. [1]
В ядре участок рДНК хромосомы визуализируется как ядрышко , которое образует расширенные хромосомные петли с рДНК. Единицы транскрипции рРНК сгруппированы в тандемные повторы. Эти области рДНК также называются областями-организаторами ядрышка , поскольку они дают начало ядрышку. В рДНК тандемные повторы преимущественно обнаруживаются в ядрышке; но гетерохроматическая рДНК находится вне ядрышка. Однако транскрипционно активная рДНК находится внутри самого ядрышка. [1]
В большом массиве рДНК полиморфизм между повторяющимися единицами рДНК очень низок, что указывает на то, что тандемные массивы рДНК развиваются в результате согласованной эволюции . [3] Однако механизм согласованной эволюции несовершенен, так что полиморфизмы между повторами внутри индивидуума могут возникать на значительных уровнях и могут затруднить филогенетический анализ близкородственных организмов. [4] [5]
Последовательности 5S-тандемных повторов у нескольких дрозофил сравнили друг с другом; результат показал, что вставки и делеции часто происходили между видами и часто сопровождались консервативными последовательностями. [6] Они могут произойти в результате проскальзывания вновь синтезированной цепи во время репликации ДНК или в результате конверсии гена. [6]
Транскрипционные пути рДНК имеют низкий уровень полиморфизма среди видов, что позволяет проводить межвидовые сравнения для выяснения филогенетических взаимоотношений, используя лишь несколько образцов. Кодирующие области рДНК высококонсервативны среди видов, но области ITS изменчивы из-за инсерций, делеций и точковых мутаций. Сравнение последовательностей в участках ITS между отдаленными видами, такими как человек и лягушка, нецелесообразно. [7] Консервативные последовательности кодирующих областей рДНК позволяют сравнивать отдаленные виды, даже между дрожжами и человеком. 5.8S рРНК человека на 75% идентична дрожжевой 5.8S рРНК. [8] В случае видов-двойников сравнение сегмента рДНК, включая участки ITS, среди видов и филогенетический анализ проведены удовлетворительно. [9] [10] Различные кодирующие области повторов рДНК обычно демонстрируют разную скорость эволюции. В результате эта ДНК может предоставлять филогенетическую информацию о видах, принадлежащих к широким систематическим уровням. [11]
Фрагмент рДНК дрожжей, содержащий ген 5S, нетранскрибируемую спейсерную ДНК и часть гена 35S, обладает локализованной цис-действующей активностью, стимулирующей митотическую рекомбинацию . [12] Этот фрагмент ДНК содержит горячую точку митотической рекомбинации , называемую HOT1. HOT1 проявляет активность, стимулирующую рекомбинацию, когда он вставляется в новые места генома дрожжей . HOT1 включает промотор транскрипции РНК-полимеразы I (PolI) , который катализирует транскрипцию гена 35S рибосомальной рРНК . У мутанта с дефектом PolI активность, стимулирующая рекомбинацию горячих точек HOT1, отменена. Уровень транскрипции PolI в HOT1, по-видимому, определяет уровень рекомбинации . [13]
Заболевания могут быть связаны с мутациями ДНК, при которых ДНК может расширяться, например болезнь Хантингтона , или утрачиваться из-за делеционных мутаций. То же самое относится и к мутациям, возникающим в повторах рДНК; Было обнаружено, что если гены, связанные с синтезом рибосом, нарушаются или мутируют, это может привести к различным заболеваниям, связанным со скелетом или костным мозгом. Кроме того, любое повреждение или нарушение работы ферментов, защищающих тандемные повторы рДНК, может привести к снижению синтеза рибосом, что также приводит к другим дефектам в клетке. Неврологические заболевания также могут возникнуть в результате 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 в результате мутаций тандемных повторов рибосомальной ДНК. Клеточные линии могут стать злокачественными либо в результате перестройки тандемных повторов, либо в результате расширения повторов в рДНК. [14]