Транспозонные элементы составляют большую часть генома и отвечают за большую часть массы ДНК в эукариотической клетке . Хотя ТЕ являются эгоистичными генетическими элементами , многие из них важны для функционирования и эволюции генома. [5] Транспозоны также очень полезны для исследователей как средство изменения ДНК внутри живого организма.
Существует по крайней мере два класса ТЕ: ТЕ класса I или ретротранспозоны обычно функционируют посредством обратной транскрипции , в то время как ТЕ класса II или ДНК-транспозоны кодируют белок транспозазу , который им необходим для вставки и вырезания, а некоторые из этих ТЕ также кодируют другие белки. [6]
Зимой 1944–1945 годов МакКлинток посадила зерна кукурузы, которые были самоопыляемыми, что означало, что столбик ( столбик ) цветка получал пыльцу из собственного пыльника . [7] Эти зерна происходили от длинной линии растений, которые были самоопыляемы, что привело к поломке ветвей на конце их девятых хромосом. [7] Когда растения кукурузы начали расти, МакКлинток заметила необычные цветовые узоры на листьях. [7] Например, на одном листе было два альбиносных пятна почти одинакового размера, расположенных бок о бок на листе. [7] МакКлинток выдвинула гипотезу, что во время деления клеток некоторые клетки теряли генетический материал, в то время как другие приобретали то, что они потеряли. [8] Однако при сравнении хромосом текущего поколения растений с родительским поколением она обнаружила, что определенные части хромосомы поменялись местами. [8] Это опровергло популярную генетическую теорию того времени, согласно которой гены были зафиксированы в своем положении на хромосоме. МакКлинток обнаружила, что гены могут не только перемещаться, но и включаться или выключаться из-за определенных условий окружающей среды или на разных стадиях развития клеток. [8]
МакКлинток также показала, что мутации генов можно обратить вспять. [9] Она представила свой отчет о своих открытиях в 1951 году и опубликовала статью о своих открытиях в журнале Genetics в ноябре 1953 года под названием «Индукция нестабильности в выбранных локусах кукурузы». [10]
На симпозиуме в Колд-Спринг-Харборе 1951 года, где она впервые опубликовала свои результаты, ее доклад был встречен молчанием. [11] Ее работа была в значительной степени отвергнута и проигнорирована до конца 1960-х – 1970-х годов, когда после того, как ТЕ были обнаружены в бактериях, она была заново открыта. [12] Она была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1983 году за свое открытие ТЕ, более чем через тридцать лет после ее первоначального исследования. [13]
Классификация
Транспонируемые элементы представляют собой один из нескольких типов мобильных генетических элементов . Транспонированные элементы относятся к одному из двух классов в зависимости от их механизма транспозиции, который можно описать как копирование и вставка (транспонированные элементы класса I) или вырезание и вставка (транспонированные элементы класса II). [14]
Ретротранспозон
Класс I TE копируется в два этапа: сначала они транскрибируются с ДНК на РНК , а затем полученная РНК подвергается обратной транскрипции в ДНК. Затем эта скопированная ДНК вставляется обратно в геном в новом положении. Этап обратной транскрипции катализируется обратной транскриптазой , которая часто кодируется самим TE. Характеристики ретротранспозонов схожи с характеристиками ретровирусов , таких как ВИЧ .
Несмотря на потенциальные негативные эффекты ретротранспозонов, такие как встраивание в середину необходимой последовательности ДНК, что может сделать важные гены непригодными для использования, они по-прежнему необходимы для сохранения рибосомальной ДНК вида в целости и сохранности на протяжении поколений, предотвращая бесплодие. [15]
Ретротранспозоны обычно группируются в три основных порядка:
Ретротранспозоны с длинными концевыми повторами (LTR), которые кодируют обратную транскриптазу, подобно ретровирусам
Ретровирусы также можно считать ТЕ. Например, после преобразования ретровирусной РНК в ДНК внутри клетки-хозяина, вновь полученная ретровирусная ДНК интегрируется в геном клетки-хозяина. Эти интегрированные ДНК называются провирусами . Провирус — это специализированная форма эукариотического ретротранспозона, которая может производить РНК-интермедиаты, которые могут покидать клетку-хозяина и инфицировать другие клетки. Цикл транспозиции ретровирусов имеет сходство с циклом прокариотических ТЕ, что предполагает отдаленную связь между ними.
ДНК-транспозоны
A. Структура ДНК-транспозонов (тип Маринера). Два инвертированных тандемных повтора (TIR) фланкируют ген транспозазы. Две короткие тандемные дупликации сайтов (TSD) присутствуют по обе стороны вставки. B. Механизм транспозиции: две транспозазы распознают и связываются с последовательностями TIR, присоединяются и способствуют двухцепочечному расщеплению ДНК. Затем комплекс ДНК-транспозаза вставляет свой ДНК-груз в определенные мотивы ДНК в другом месте генома, создавая короткие TSD при интеграции. [16]
Механизм транспозиции методом вырезания и вставки ТЕ класса II не включает РНК-интермедиат. Транспозиции катализируются несколькими ферментами транспозазами . Некоторые транспозазы неспецифично связываются с любым целевым сайтом в ДНК, тогда как другие связываются со специфическими целевыми последовательностями. Транспозаза делает ступенчатый разрез в целевом сайте, производя липкие концы , вырезает ДНК-транспозон и лигирует его в целевой сайт. ДНК-полимераза заполняет образовавшиеся пробелы из липких концов, а ДНК-лигаза закрывает сахарофосфатный остов. Это приводит к дупликации целевого сайта, а сайты вставки ДНК-транспозонов могут быть идентифицированы короткими прямыми повторами (ступенчатый разрез в целевой ДНК, заполненный ДНК-полимеразой), за которыми следуют инвертированные повторы (которые важны для вырезания ТЕ транспозазой ).
Вырезанные и вставленные ТЕ могут дублироваться, если их транспозиция происходит во время фазы S клеточного цикла , когда донорский сайт уже был реплицирован, а целевой сайт еще не был реплицирован. [ необходима ссылка ] Такие дупликации в целевом сайте могут приводить к дупликации гена , которая играет важную роль в геномной эволюции . [17] : 284
Не все ДНК-транспозоны транспонируются через механизм вырезания и вставки. В некоторых случаях наблюдается репликативная транспозиция , при которой транспозон реплицируется в новый целевой сайт (например, гелитрон ).
ТЕ класса II составляют менее 2% генома человека, что делает оставшуюся часть Класса I. [18]
Автономные и неавтономные
Транспозиция может быть классифицирована как «автономная» или «неавтономная» как в TE класса I, так и в TE класса II. Автономные TE могут перемещаться сами по себе, тогда как неавтономным TE требуется присутствие другого TE для перемещения. Это часто происходит из-за того, что у зависимых TE отсутствует транспозаза (для класса II) или обратная транскриптаза (для класса I).
Элемент-активатор ( Ac ) является примером автономного TE, а элемент-диссоциатор ( Ds ) является примером неавтономного TE. Без Ac Ds не может транспонировать.
Класс III
Некоторые исследователи также выделяют третий класс мобильных элементов, [19] который описывается как «сборный мешок, состоящий из транспозонов, которые явно не вписываются в две другие категории». [20] Примерами таких TE являются элементы Foldback (FB) Drosophila melanogaster , элементы TU Strongylocentrotus purpuratus и миниатюрные инвертированные повторяющиеся мобильные элементы . [21] [22]
Распределение
Примерно 64% генома кукурузы состоит из ТЕ, [23] [24] как и 44% генома человека, [25] и почти половина геномов мышей . [26]
Новые открытия мобильных элементов показали точное распределение TE относительно их сайтов начала транскрипции (TSS) и энхансеров. Недавнее исследование показало, что промотор содержит 25% регионов, которые содержат TE. Известно, что более старые TE не встречаются в местах TSS, потому что частота TE начинается как функция, как только появляется расстояние от TSS. Возможная теория этого заключается в том, что TE могут мешать остановке транскрипции или сплайсингу первого интро. [27] Также, как упоминалось ранее, наличие TE, закрытых местами TSS, коррелирует с их эволюционным возрастом (количеством различных мутаций, которые TE могут развить за это время).
Примеры
Первые ТЕ были обнаружены в кукурузе ( Zea mays ) Барбарой МакКлинток в 1948 году, за что она позже была удостоена Нобелевской премии . Она заметила хромосомные вставки , делеции и транслокации, вызванные этими элементами. Эти изменения в геноме могли, например, привести к изменению цвета зерен кукурузы. Около 64% генома кукурузы состоит из ТЕ. [24] Система Ac/Ds, описанная МакКлинток, является ТЕ II класса. Транспозиция Ac в табаке была продемонстрирована Б. Бейкером. [28]
В микроорганизме пруда Oxytricha ТЭ играют настолько важную роль, что при их удалении организм перестает развиваться. [29]
Одно семейство ТЕ в плодовой мушке Drosophila melanogaster называется P-элементами . Кажется, они впервые появились у этого вида только в середине двадцатого века; в течение последних 50 лет они распространились по всем популяциям вида. Джеральд М. Рубин и Аллан К. Спрадлинг стали пионерами в технологии использования искусственных P-элементов для внедрения генов в Drosophila путем инъекции эмбриону . [30] [31] [32]
У бактерий ТЕ обычно несут дополнительный ген для функций, отличных от транспозиции, часто для устойчивости к антибиотикам . У бактерий транспозоны могут переходить от хромосомной ДНК к плазмидной ДНК и обратно, что позволяет переносить и постоянно добавлять гены, например, кодирующие устойчивость к антибиотикам (таким образом можно получить штаммы бактерий , устойчивые к нескольким антибиотикам ). Бактериальные транспозоны этого типа относятся к семейству Tn. Когда у транспозируемых элементов отсутствуют дополнительные гены, они известны как вставочные последовательности .
У людей наиболее распространенной ТЕ является последовательность Alu . Она имеет длину около 300 оснований и может быть обнаружена от 300 000 до одного миллиона раз в геноме человека . По оценкам, только Alu составляет 15–17% генома человека. [18]
Элементы типа Маринера — еще один известный класс транспозонов, обнаруженных у многих видов, включая людей. Транспозон Маринера был впервые обнаружен Якобсоном и Хартлом у Drosophila . [33] Этот транспозируемый элемент класса II известен своей сверхъестественной способностью передаваться горизонтально у многих видов. [34] [35] В геноме человека насчитывается около 14 000 копий Маринера, содержащих 2,6 миллиона пар оснований. [36] Первые транспозоны с элементами Маринера за пределами животных были обнаружены у Trichomonas vaginalis . [37]
В геномах дрожжей ( Saccharomyces cerevisiae ) существует пять различных семейств ретротранспозонов: Ty1, Ty2, Ty3, Ty4 и Ty5 . [38]
Гелитрон — это ТЕ, обнаруженный у эукариот, который, как полагают, реплицируется по механизму катящегося кольца .
В человеческих эмбрионах два типа транспозонов объединяются, образуя некодирующую РНК, которая катализирует развитие стволовых клеток. На ранних стадиях роста плода внутренняя клеточная масса эмбриона увеличивается по мере того, как эти стволовые клетки накапливаются. Увеличение этого типа клеток имеет решающее значение, поскольку стволовые клетки впоследствии меняют форму и дают начало всем клеткам в организме.
У березовых пядениц транспозон в гене под названием cortex заставил крылья мотыльков стать полностью черными. Это изменение окраски помогло мотылькам слиться с покрытыми пеплом и сажей территориями во время промышленной революции. [39]
Aedes aegypti переносит большое и разнообразное количество TE. Этот анализ Мэтьюса и др. 2018 также предполагает, что это свойственно всем комарам. [40]
Отрицательные эффекты
Транспозоны сосуществовали с эукариотами на протяжении тысяч лет и благодаря своему сосуществованию интегрировались в геномы многих организмов. Транспозоны, известные как «прыгающие гены», могут перемещаться внутри и между геномами, что позволяет им интегрироваться.
Хотя транспозоны оказывают множество положительных эффектов на геномы эукариот-хозяев, [ необходимы дополнительные пояснения ] существуют некоторые случаи мутагенного воздействия транспозонов на геномы, приводящего к заболеваниям и злокачественным генетическим изменениям. [41]
Механизмы мутагенеза
ТЕ являются мутагенами и из-за вклада в формирование новых цис-регуляторных элементов ДНК, которые связаны со многими факторами транскрипции, которые встречаются в живых клетках; ТЕ могут претерпевать множество эволюционных мутаций и изменений. Они часто являются причинами генетических заболеваний и дают потенциальные летальные эффекты эктопической экспрессии. [27]
ТЕ могут повреждать геном клетки-хозяина разными способами: [41]
Транспозон или ретротранспозон, который встраивается в функциональный ген, может отключить этот ген.
После того, как ДНК-транспозон покидает ген, образовавшийся разрыв может быть исправлен некорректно.
Множественные копии одной и той же последовательности, например, последовательности Alu , могут препятствовать точному спариванию хромосом во время митоза и мейоза , что приводит к неравным кроссинговерам , что является одной из основных причин дупликации хромосом.
ТЕ используют ряд различных механизмов, чтобы вызвать генетическую нестабильность и заболевания в геномах своих хозяев.
Экспрессия болезнетворных, повреждающих белков, которые подавляют нормальную клеточную функцию.
Вызвано вставкой транспозируемого элемента SVA в ген фукутина (FKTN), что делает ген неактивным. [43]
Болезнь Альцгеймера и другие тауопатии
Нарушение регуляции транспонируемых элементов может привести к гибели нейронов, что приводит к нейродегенеративным расстройствам [48]
Скорость транспозиции, индукции и защиты
В одном исследовании оценивалась скорость транспозиции конкретного ретротранспозона, элемента Ty1 в Saccharomyces cerevisiae . Используя несколько предположений, скорость успешного события транспозиции на один элемент Ty1 оказалась примерно раз в несколько месяцев или раз в несколько лет. [49] Некоторые TE содержат промоторы, подобные тепловому шоку , и их скорость транспозиции увеличивается, если клетка подвергается стрессу, [50] таким образом увеличивая скорость мутаций в этих условиях, что может быть полезно для клетки.
Клетки защищаются от пролиферации ТЕ несколькими способами. К ним относятся piRNA и siRNA , [51] , которые подавляют ТЕ после того, как они транскрибируются.
Если организмы в основном состоят из TE, можно предположить, что заболевания, вызванные неправильно расположенными TE, очень распространены, но в большинстве случаев TE подавляются эпигенетическими механизмами, такими как метилирование ДНК , ремоделирование хроматина и piRNA, так что фенотипические эффекты или перемещения TE не происходят, как в некоторых TE дикого типа растений. Было обнаружено, что некоторые мутировавшие растения имеют дефекты в ферментах, связанных с метилированием (метилтрансфераза), которые вызывают транскрипцию TE, тем самым влияя на фенотип. [6] [52]
Одна из гипотез предполагает, что активны только около 100 последовательностей, связанных с LINE1, несмотря на то, что их последовательности составляют 17% человеческого генома. В клетках человека подавление последовательностей LINE1 запускается механизмом РНК-интерференции (РНКi). Удивительно, но последовательности РНКi происходят из 5′ нетранслируемой области (UTR) LINE1, длинного конца, который повторяется. Предположительно, 5′ LINE1 UTR, которая кодирует смысловой промотор для транскрипции LINE1, также кодирует антисмысловой промотор для miRNA , которая становится субстратом для продукции siRNA. Ингибирование механизма подавления РНКi в этой области показало увеличение транскрипции LINE1. [6] [53]
Эволюция
ТЕ встречаются почти во всех формах жизни, и научное сообщество все еще изучает их эволюцию и их влияние на эволюцию генома. Неясно, произошли ли ТЕ от последнего универсального общего предка , возникли независимо несколько раз или возникли один раз, а затем распространились на другие царства путем горизонтального переноса генов . [54] Хотя некоторые ТЕ приносят пользу своим хозяевам, большинство из них считаются эгоистичными ДНК- паразитами . В этом смысле они похожи на вирусы . Различные вирусы и ТЕ также имеют общие черты в структурах генома и биохимических способностях, что приводит к предположению, что у них есть общий предок. [55]
Поскольку чрезмерная активность TE может повредить экзоны , многие организмы приобрели механизмы для подавления их активности. Бактерии могут подвергаться высоким темпам удаления генов как части механизма удаления TE и вирусов из своих геномов, в то время как эукариотические организмы обычно используют РНК-интерференцию для подавления активности TE. Тем не менее, некоторые TE генерируют большие семейства, часто связанные с событиями видообразования . [56] Эволюция часто деактивирует ДНК-транспозоны, оставляя их в виде интронов (неактивных последовательностей генов). В клетках позвоночных животных почти все 100 000+ ДНК-транспозонов на геном имеют гены, которые кодируют неактивные полипептиды транспозазы. [57] Первый синтетический транспозон, разработанный для использования в клетках позвоночных (включая человека), транспозонная система Sleeping Beauty , представляет собой транспозон типа Tc1/mariner. Его мертвые («ископаемые») версии широко распространены в геноме лососевых, и функциональная версия была сконструирована путем сравнения этих версий. [58] Человеческие транспозоны Tc1-подобные делятся на подсемейства Hsmar1 и Hsmar2. Хотя оба типа неактивны, одна копия Hsmar1, обнаруженная в гене SETMAR, находится под селекцией, поскольку она обеспечивает связывание ДНК для белка, модифицирующего гистон. [59] Многие другие человеческие гены аналогичным образом получены из транспозонов. [60] Hsmar2 был реконструирован несколько раз из ископаемых последовательностей. [61]
Частота и местоположение интеграций TE влияют на геномную структуру и эволюцию и влияют на регуляторные сети генов и белков во время развития и в дифференцированных типах клеток. [62] Однако большие количества TE в геномах все еще могут представлять эволюционные преимущества. Перемежающиеся повторы в геномах создаются в результате событий транспозиции, накапливающихся в течение эволюционного времени. Поскольку перемежающиеся повторы блокируют конверсию генов , они защищают новые последовательности генов от перезаписи аналогичными последовательностями генов и тем самым способствуют развитию новых генов. TE также могли быть кооптированы иммунной системой позвоночных в качестве средства производства разнообразия антител. Система рекомбинации V(D)J работает по механизму, аналогичному механизму некоторых TE. TE также служат для генерации повторяющихся последовательностей, которые могут образовывать dsRNA , чтобы действовать в качестве субстрата для действия ADAR при редактировании РНК. [63]
TE могут содержать множество типов генов, включая те, которые обеспечивают устойчивость к антибиотикам и способность транспонироваться в конъюгативные плазмиды. Некоторые TE также содержат интегроны , генетические элементы, которые могут захватывать и экспрессировать гены из других источников. Они содержат интегразу , которая может интегрировать генные кассеты . На кассетах идентифицировано более 40 генов устойчивости к антибиотикам, а также гены вирулентности.
Транспозоны не всегда точно вырезают свои элементы, иногда удаляя соседние пары оснований; это явление называется перетасовкой экзонов . Перетасовка двух неродственных экзонов может создать новый генный продукт или, что более вероятно, интрон. [64]
Некоторые неавтономные ДНК ТЕ, обнаруженные в растениях, могут захватывать кодирующую ДНК из генов и перетасовывать их по геному. [65] Этот процесс может дублировать гены в геноме (явление, называемое трансдупликацией), и может способствовать созданию новых генов путем перетасовки экзонов. [66]
Эволюционный стимул для ТЕ в геномном контексте
Существует гипотеза, которая утверждает, что TE могут предоставлять готовый источник ДНК, который может быть использован клеткой для помощи в регуляции экспрессии генов. Исследования показали, что многие разнообразные режимы совместной эволюции TE вместе с некоторыми факторами транскрипции, нацеленными на связанные с TE геномные элементы и хроматин, развиваются из последовательностей TE. В большинстве случаев эти конкретные режимы не следуют простой модели TE и регулирования экспрессии генов хозяина. [27]
Приложения
Мобильные элементы могут быть использованы в лабораторных и исследовательских условиях для изучения геномов организмов и даже для конструирования генетических последовательностей. Использование мобильных элементов можно разделить на две категории: для генной инженерии и в качестве генетического инструмента.
Генная инженерия
Инсерционный мутагенез использует особенности TE для вставки последовательности. В большинстве случаев это используется для удаления последовательности ДНК или для вызова мутации сдвига рамки считывания.
В некоторых случаях вставка ТЕ в ген может обратимо нарушить функцию этого гена, тогда как опосредованное транспозазой удаление ДНК-транспозона восстанавливает функцию гена.
В результате получаются растения, в которых соседние клетки имеют разные генотипы .
Эта особенность позволяет исследователям различать гены, которые должны присутствовать внутри клетки для функционирования (клеточно-автономные), и гены, которые производят наблюдаемые эффекты в клетках, отличных от тех, где ген экспрессируется.
Генетический инструмент
В дополнение к качествам, упомянутым для генной инженерии, генетический инструмент также:
Этот аналитический инструмент позволяет исследователям определять фенотипическую экспрессию последовательностей генов. Кроме того, этот аналитический метод мутирует желаемый интересующий локус, чтобы можно было сравнить фенотипы исходного и мутировавшего гена.
Конкретные приложения
TE также являются широко используемым инструментом для мутагенеза большинства экспериментально поддающихся изучению организмов. Система транспозонов Спящей Красавицы широко использовалась в качестве инсерционной метки для идентификации генов рака. [67]
Система транспозонов Tc1/mariner TEs Sleeping Beauty, удостоенная награды «Молекула года» в 2009 году, [68] активна в клетках млекопитающих и исследуется для использования в генной терапии человека. [69] [70] [71]
Транспозоны используются для реконструкции филогений с помощью анализа присутствия/отсутствия. [72] Транспозоны могут действовать как биологический мутаген в бактериях.
Распространенными организмами, для которых использование транспозонов хорошо развито, являются:
Идентификация повторов de novo представляет собой первоначальное сканирование данных последовательности, которое стремится найти повторяющиеся области генома и классифицировать эти повторы. Существует множество компьютерных программ для выполнения идентификации повторов de novo , все они работают по одним и тем же общим принципам. [68] Поскольку короткие тандемные повторы обычно имеют длину 1–6 пар оснований и часто являются последовательными, их идентификация относительно проста. [67] С другой стороны, рассеянные повторяющиеся элементы сложнее идентифицировать из-за того, что они длиннее и часто имеют приобретенные мутации. Однако важно идентифицировать эти повторы, поскольку они часто оказываются транспонируемыми элементами (TE). [68]
Идентификация транспозонов de novo включает три шага: 1) найти все повторы в геноме, 2) построить консенсус каждого семейства последовательностей и 3) классифицировать эти повторы. Существует три группы алгоритмов для первого шага. Одна группа называется подходом k-mer , где k-mer представляет собой последовательность длины k. В этом подходе геном сканируется на предмет перепредставленных k-mer; то есть k-mer, которые встречаются чаще, чем это вероятно, исходя только из вероятности. Длина k определяется типом искомого транспозона. Подход k-mer также допускает несовпадения, количество которых определяется аналитиком. Некоторые программы подхода k-mer используют k-mer в качестве основы и удлиняют оба конца каждого повторяющегося k-mer до тех пор, пока между ними не останется больше сходства, что указывает на концы повторов. [68] Другая группа алгоритмов использует метод, называемый самосравнением последовательностей. Программы самосравнения последовательностей используют базы данных, такие как AB-BLAST, для проведения начального выравнивания последовательностей . Поскольку эти программы находят группы элементов, которые частично перекрываются, они полезны для поиска сильно расходящихся транспозонов или транспозонов с лишь небольшой областью, скопированной в другие части генома. [69] Другая группа алгоритмов следует подходу периодичности. Эти алгоритмы выполняют преобразование Фурье на данных последовательностей, определяя периодичности, области, которые периодически повторяются, и могут использовать пики в результирующем спектре для поиска кандидатов на повторяющиеся элементы. Этот метод лучше всего подходит для тандемных повторов, но может использоваться и для рассеянных повторов. Однако это медленный процесс, что делает его маловероятным выбором для анализа в масштабе генома. [68]
Второй этап идентификации повторов de novo включает построение консенсуса каждого семейства последовательностей. Консенсусная последовательность — это последовательность, которая создается на основе повторов, составляющих семейство TE. Пара оснований в консенсусе — это та, которая чаще всего встречалась в последовательностях, сравниваемых для создания консенсуса. Например, в семействе из 50 повторов, где 42 имеют пару оснований T в одном и том же положении, консенсусная последовательность также будет иметь T в этом положении, поскольку пара оснований является репрезентативной для семейства в целом в этом конкретном положении и, скорее всего, является парой оснований, обнаруженной у предка семейства в этом положении. [68] После того, как консенсусная последовательность была создана для каждого семейства, можно перейти к дальнейшему анализу, такому как классификация TE и маскирование генома, чтобы количественно оценить общее содержание TE в геноме.
Адаптивные TE
Мобильные элементы были признаны хорошими кандидатами для стимулирования адаптации генов благодаря их способности регулировать уровни экспрессии близлежащих генов. [70] В сочетании с их «мобильностью» мобильные элементы могут перемещаться рядом с целевыми генами и контролировать уровни экспрессии гена в зависимости от обстоятельств.
Исследование, проведенное в 2008 году, «Высокая скорость недавней адаптации, вызванной мобильными элементами, у Drosophila melanogaster», использовало D. melanogaster , недавно мигрировавшую из Африки в другие части света, в качестве основы для изучения адаптаций, вызванных мобильными элементами. Хотя большинство ТЕ были расположены в интронах, эксперимент показал значительную разницу в экспрессии генов между популяцией в Африке и других частях света. Четыре ТЕ, вызвавшие селективную уборку, были более распространены у D. melanogaster из умеренного климата, что привело исследователей к выводу, что селективное давление климата вызвало генетическую адаптацию. [71] В результате этого эксперимента было подтверждено, что адаптивные ТЕ распространены в природе, позволяя организмам адаптировать экспрессию генов в результате нового селективного давления.
Однако не все эффекты адаптивных ТЕ полезны для популяции. В исследовании, проведенном в 2009 году, «Недавняя адаптивная вставка транспозируемого элемента вблизи высококонсервативных локусов развития у Drosophila melanogaster», ТЕ, вставленный между Jheh 2 и Jheh 3, выявил снижение уровня экспрессии обоих генов. Снижение регуляции таких генов привело к тому, что Drosophila продемонстрировала более длительное время развития и снизила жизнеспособность от яиц до взрослых особей. Хотя эта адаптация наблюдалась с высокой частотой во всех неафриканских популяциях, она не была зафиксирована ни в одной из них. [72] В это нетрудно поверить, поскольку логично, что популяция предпочитает более высокую жизнеспособность от яиц до взрослых особей, поэтому пытается избавиться от признака, вызванного этой конкретной адаптацией ТЕ.
В то же время было несколько отчетов, показывающих выгодную адаптацию, вызванную TE. В исследовании, проведенном с шелкопрядами, «Вставка адаптивного транспозируемого элемента в регуляторную область гена EO у одомашненного шелкопряда», вставка TE была обнаружена в цис-регуляторной области гена EO, который регулирует гормон линьки 20E, и была зафиксирована повышенная экспрессия. В то время как популяции без вставки TE часто неспособны эффективно регулировать гормон 20E в условиях голодания, популяции со вставкой имели более стабильное развитие, что привело к более высокой однородности развития. [74]
Все эти три эксперимента продемонстрировали различные способы, которыми вставки TE могут быть выгодными или невыгодными посредством регулирования уровня экспрессии соседних генов. Область адаптивных исследований TE все еще находится в стадии разработки, и в будущем можно ожидать новых результатов.
TE участвует в сетях генного контроля
Недавние исследования подтвердили, что TE могут способствовать генерации факторов транскрипции. Однако, как этот процесс вклада может повлиять на участие сетей контроля генома. TE более распространены во многих регионах ДНК и составляют 45% от общей ДНК человека. Кроме того, TE внесли вклад в 16% сайтов связывания факторов транскрипции. Большее количество мотивов также обнаружено в ДНК, не полученной из TE, и их количество больше, чем в ДНК, полученной из TE. Все эти факторы коррелируют с прямым участием TE во многих способах сетей контроля генов. [27]
Kidwell MG (2005). «Транспонируемые элементы». В TR Gregory (ред.). Эволюция генома. Сан-Диего: Elsevier. С. 165–221. ISBN 978-0-123-01463-4.
Craig NL, Craigie R, Gellert M и Lambowitz AM, ред. (2002). Мобильная ДНК II . Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN 978-1-555-81209-6.
Левин Б. (2000). Гены VII . Oxford University Press. ISBN 978-0-198-79276-5.
Ссылки
^ Бурк Г., Бернс К. Х., Геринг М., Горбунова В., Селуанов А., Хаммелл М. и др. (ноябрь 2018 г.). «Десять вещей, которые вы должны знать о мобильных элементах». Genome Biology . 19 (1): 199. doi : 10.1186/s13059-018-1577-z . PMC 6240941. PMID 30454069 .
^ Альтемосе, Николас; Логсдон, Гленнис А.; Бзикадзе Андрей Владимирович; Сидхвани, Прагья; Лэнгли, Саша А.; Калдас, Джина В.; Хойт, Саванна Дж.; Уральский, Лев; Рябов Федор Дмитриевич; Шью, Колин Дж.; Саурия, Майкл Э.Г.; Борчерс, Мэтью; Гершман, Ариэль; Михеенко Алла; Шепелев, Валерий А. (апрель 2022 г.). «Полные геномные и эпигенетические карты центромер человека». Наука . 376 (6588): eabl4178. дои : 10.1126/science.abl4178. ISSN 0036-8075. ПМЦ 9233505 . ПМИД 35357911.
^McClintock B (June 1950). "The origin and behavior of mutable loci in maize". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 36 (6): 344–55. Bibcode:1950PNAS...36..344M. doi:10.1073/pnas.36.6.344. PMC 1063197. PMID 15430309.
^Wellinger, RE, et al. (2022). "A new challenge for data analytics: transposons". BioData Mining. 15 (9): 9. doi:10.1186/s13040-022-00294-x. PMC 8957154. PMID 35337342.
^Bucher E, Reinders J, Mirouze M (November 2012). "Epigenetic control of transposon transcription and mobility in Arabidopsis". Current Opinion in Plant Biology. 15 (5): 503–10. doi:10.1016/j.pbi.2012.08.006. PMID 22940592.
^ a b cPray LA (2008). "Transposons: The jumping genes". Nature Education. 1 (1): 204.
^ a b c d eMcGrayne SB (1998). Nobel Prize Women in Science: Their Lives, Struggles, and Momentous Discoveries (2nd ed.). Carol Publishing. p. 165. ISBN 978-0-9702256-0-3.
^ a b cMcGrayne 1998, p. 166
^McGrayne 1998, p. 167
^McClintock B (November 1953). "Induction of Instability at Selected Loci in Maize". Genetics. 38 (6): 579–99. doi:10.1093/genetics/38.6.579. PMC 1209627. PMID 17247459.
^Ravindran, S. (2012). "Proceedings of the National Academy of Sciences Dec 2012, 109 (50) 20198-20199; DOI: 10.1073/pnas.1219372109". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (50): 20198–20199. doi:10.1073/pnas.1219372109. PMC 3528533. PMID 23236127.
^Des Jardins J (2010). The Madame Curie Complex: The Hidden History of Women in Science. Feminist Press at CUNY. p. 246. ISBN 978-1-55861-655-4.
^Fedoroff N, Botstein D, eds. (1 January 1992). The Dynamic Genome: Barbara McClintock's Ideas in the Century of Genetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press. p. 2. ISBN 978-0-87969-422-7.
^Kapitonov VV, Jurka J (May 2008). "A universal classification of eukaryotic transposable elements implemented in Repbase". Nature Reviews. Genetics. 9 (5): 411–2, author reply 414. doi:10.1038/nrg2165-c1. PMID 18421312. S2CID 1275744.
^A not-so-selfish “genetic parasite” helps to preserve fertility
^Walter M (2016). Transposon regulation upon dynamic loss of DNA methylation (Thesis). Université Pierre et Marie Curie. doi:10.13140/rg.2.2.18747.21286.
^Madigan M, Martinko J, eds. (2006). Brock Biolog of Microorganisms (11th ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-144329-7.
^ a bKazazian HH, Moran JV (May 1998). "The impact of L1 retrotransposons on the human genome". Nature Genetics. 19 (1): 19–24. doi:10.1038/ng0598-19. PMID 9590283. S2CID 33460203.
^Capy P (1998). Dynamics and evolution of transposable elements. New York: Chapman & Hall. ISBN 978-3-540-61190-5.
^Baez J (2005). "Subcellular Life Forms" (PDF).
^Boutanaev AM, Osbourn AE (July 2018). "Multigenome analysis implicates miniature inverted-repeat transposable elements (MITEs) in metabolic diversification in eudicots". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (28): E6650–E6658. Bibcode:2018PNAS..115E6650B. doi:10.1073/pnas.1721318115. PMC 6048515. PMID 29941591.
^Kaminker JS, Bergman CM, Kronmiller B, Carlson J, Svirskas R, Patel S, Frise E, Wheeler DA, Lewis SE, Rubin GM, Ashburner M, Celniker SE (2002). "The transposable elements of the Drosophila melanogaster euchromatin: a genomics perspective". Genome Biology. 3 (12): RESEARCH0084. doi:10.1186/gb-2002-3-12-research0084. PMC 151186. PMID 12537573.
^SanMiguel P, Tikhonov A, Jin YK, Motchoulskaia N, Zakharov D, Melake-Berhan A, et al. (November 1996). "Nested retrotransposons in the intergenic regions of the maize genome". Science. 274 (5288): 765–8. Bibcode:1996Sci...274..765S. doi:10.1126/science.274.5288.765. PMID 8864112. S2CID 33433647.
^ a bJiao Y, Peluso P, Shi J, Liang T, Stitzer MC, Wang B, et al. (June 2017). "Improved maize reference genome with single-molecule technologies". Nature. 546 (7659): 524–527. Bibcode:2017Natur.546..524J. doi:10.1038/nature22971. PMC 7052699. PMID 28605751.
^Mills RE, Bennett EA, Iskow RC, Devine SE (April 2007). "Which transposable elements are active in the human genome?". Trends in Genetics. 23 (4): 183–91. doi:10.1016/j.tig.2007.02.006. PMID 17331616.
^Bruno M, Mahgoub M, Macfarlan TS (December 2019). "The Arms Race Between KRAB-Zinc Finger Proteins and Endogenous Retroelements and Its Impact on Mammals". Annual Review of Genetics. 53 (1). Annual Reviews: 393–416. doi:10.1146/annurev-genet-112618-043717. PMID 31518518. S2CID 202572327.
^ a b c dZhou W, Liang G, Molloy PL, Jones PA (August 2020). "DNA methylation enables transposable element-driven genome expansion". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (32): 19359–19366. Bibcode:2020PNAS..11719359Z. doi:10.1073/pnas.1921719117. PMC 7431005. PMID 32719115.
^Plant Transposable Elements, ed. Nelson (Plenum Publishing, 1988), pp. 161–174.
^Nowacki M, Higgins BP, Maquilan GM, Swart EC, Doak TG, Landweber LF (May 2009). "A functional role for transposases in a large eukaryotic genome". Science. 324 (5929): 935–8. Bibcode:2009Sci...324..935N. doi:10.1126/science.1170023. PMC 3491810. PMID 19372392.
"'Junk' DNA Has Important Role, Researchers Find". ScienceDaily (Press release). 21 May 2009.
^Spradling AC, Rubin GM (October 1982). "Transposition of cloned P elements into Drosophila germ line chromosomes". Science. 218 (4570): 341–7. Bibcode:1982Sci...218..341S. doi:10.1126/science.6289435. PMID 6289435.
^Rubin GM, Spradling AC (October 1982). "Genetic transformation of Drosophila with transposable element vectors". Science. 218 (4570): 348–53. Bibcode:1982Sci...218..348R. doi:10.1126/science.6289436. PMID 6289436.
^Cesari F (15 October 2007). "Milestones in Nature: Milestone 9: Transformers, Elements in Disguise". Nature. 8: S10. doi:10.1038/nrg2254.
^Jacobson JW, Medhora MM, Hartl DL (November 1986). "Molecular structure of a somatically unstable transposable element in Drosophila". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83 (22): 8684–8. Bibcode:1986PNAS...83.8684J. doi:10.1073/pnas.83.22.8684. PMC 386995. PMID 3022302.
^Lohe AR, Moriyama EN, Lidholm DA, Hartl DL (January 1995). "Horizontal transmission, vertical inactivation, and stochastic loss of mariner-like transposable elements". Molecular Biology and Evolution. 12 (1): 62–72. doi:10.1093/oxfordjournals.molbev.a040191. PMID 7877497.
^Lampe DJ, Witherspoon DJ, Soto-Adames FN, Robertson HM (April 2003). "Recent horizontal transfer of mellifera subfamily mariner transposons into insect lineages representing four different orders shows that selection acts only during horizontal transfer". Molecular Biology and Evolution. 20 (4): 554–62. doi:10.1093/molbev/msg069. PMID 12654937.
^ Carlton JM, Hirt RP, Silva JC, Delcher AL, Schatz M, Zhao Q и др. (январь 2007 г.). «Проект последовательности генома возбудителя, передающегося половым путем, Trichomonas vaginalis». Science . 315 (5809): 207–12. Bibcode :2007Sci...315..207C. doi :10.1126/science.1132894. PMC 2080659 . PMID 17218520.
^ Kim JM, Vanguri S, Boeke JD, Gabriel A, Voytas DF (май 1998). «Транспозируемые элементы и организация генома: всеобъемлющее исследование ретротранспозонов, выявленных с помощью полной последовательности генома Saccharomyces cerevisiae». Genome Research . 8 (5): 464–78. doi : 10.1101/gr.8.5.464 . PMID 9582191.
^ Van't Hof, Arjen E.; Campagne, Pascal; Rigden, Daniel J. (1 июня 2016 г.). «Мутация промышленного меланизма у британских березовых пядениц — это транспозируемый элемент». Nature . 534 (7605). Springer : 102–105. Bibcode :2016Natur.534..102H. doi :10.1038/nature17951. ISSN 1476-4687. PMID 27251284. S2CID 3989607.
^ ab Belancio VP, Hedges DJ, Deininger P (март 2008 г.). «Ретротранспозоны млекопитающих non-LTR: к лучшему или к худшему, в болезни и в здоровье». Genome Research . 18 (3): 343–58. doi :10.1101/gr.5558208. PMID 18256243.
^ Dahlet T, Argüeso Lleida A, Al Adhami H, Dumas M, Bender A, Ngondo RP и др. (июнь 2020 г.). «Genome-wide analysis in the mouse egg reveals the important of DNA methylation for transcription integrity». Nature Communications . 11 (1): 3153. Bibcode :2020NatCo..11.3153D. doi :10.1038/s41467-020-16919-w. PMC 7305168 . PMID 32561758.
^ a b cKazazian HH, Wong C, Youssoufian H, Scott AF, Phillips DG, Antonarakis SE (March 1988). "Haemophilia A resulting from de novo insertion of L1 sequences represents a novel mechanism for mutation in man". Nature. 332 (6160): 164–6. Bibcode:1988Natur.332..164K. doi:10.1038/332164a0. PMID 2831458.
^Miki Y, Nishisho I, Horii A, Miyoshi Y, Utsunomiya J, Kinzler KW, Vogelstein B, Nakamura Y (February 1992). "Disruption of the APC gene by a retrotransposal insertion of L1 sequence in a colon cancer". Cancer Research. 52 (3): 643–5. PMID 1310068.
^Mustajoki S, Ahola H, Mustajoki P, Kauppinen R (June 1999). "Insertion of Alu element responsible for acute intermittent porphyria". Human Mutation. 13 (6): 431–8. doi:10.1002/(sici)1098-1004(1999)13:6<431::aid-humu2>3.0.co;2-y. PMID 10408772. S2CID 6218429.
^Kapitonov VV, Pavlicek A, Jurka J (2006). Anthology of Human Repetitive DNA. Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine. doi:10.1002/3527600906.mcb.200300166. ISBN 978-3527600908.
^Sun W, Samimi H, Gamez M, Zare H, Frost B (August 2018). "Pathogenic tau-induced piRNA depletion promotes neuronal death through transposable element dysregulation in neurodegenerative tauopathies". Nature Neuroscience. 21 (8): 1038–1048. doi:10.1038/s41593-018-0194-1. PMC 6095477. PMID 30038280.
^Paquin CE, Williamson VM (October 1984). "Temperature effects on the rate of ty transposition". Science. 226 (4670): 53–5. Bibcode:1984Sci...226...53P. doi:10.1126/science.226.4670.53. PMID 17815421. S2CID 39145808.
^Chung WJ, Okamura K, Martin R, Lai EC (June 2008). "Endogenous RNA interference provides a somatic defense against Drosophila transposons". Current Biology. 18 (11): 795–802. doi:10.1016/j.cub.2008.05.006. PMC 2812477. PMID 18501606.
^ a bMiura A, Yonebayashi S, Watanabe K, Toyama T, Shimada H, Kakutani T (May 2001). "Mobilization of transposons by a mutation abolishing full DNA methylation in Arabidopsis". Nature. 411 (6834): 212–4. Bibcode:2001Natur.411..212M. doi:10.1038/35075612. PMID 11346800. S2CID 4429219.
^Yang N, Kazazian HH (September 2006). "L1 retrotransposition is suppressed by endogenously encoded small interfering RNAs in human cultured cells". Nature Structural & Molecular Biology. 13 (9): 763–71. doi:10.1038/nsmb1141. PMID 16936727. S2CID 32601334.
^Kidwell MG (1992). "Horizontal transfer of P elements and other short inverted repeat transposons". Genetica. 86 (1–3): 275–86. doi:10.1007/BF00133726. PMID 1334912. S2CID 33227644.
^Villarreal L (2005). Viruses and the Evolution of Life. Washington: ASM Press.
^Ricci, Marco; Peona, Valentina; Guichard, Etienne; Taccioli, Cristian; Boattini, Alessio (31 May 2018). "Transposable Elements Activity is Positively Related to Rate of Speciation in Mammals". Journal of Molecular Evolution. 86 (5): 303–310. Bibcode:2018JMolE..86..303R. doi:10.1007/s00239-018-9847-7. PMC 6028844. PMID 29855654.
^Plasterk RH, Izsvák Z, Ivics Z (August 1999). "Resident aliens: the Tc1/mariner superfamily of transposable elements". Trends in Genetics. 15 (8): 326–32. doi:10.1016/S0168-9525(99)01777-1. PMID 10431195.
^Ivics Z, Hackett PB, Plasterk RH, Izsvák Z (November 1997). "Molecular reconstruction of Sleeping Beauty, a Tc1-like transposon from fish, and its transposition in human cells". Cell. 91 (4): 501–10. doi:10.1016/S0092-8674(00)80436-5. PMID 9390559. S2CID 17908472.
^Miskey C, Papp B, Mátés L, Sinzelle L, Keller H, Izsvák Z, Ivics Z (June 2007). "The ancient mariner sails again: transposition of the human Hsmar1 element by a reconstructed transposase and activities of the SETMAR protein on transposon ends". Molecular and Cellular Biology. 27 (12): 4589–600. doi:10.1128/MCB.02027-06. PMC 1900042. PMID 17403897.
^"Gene group: Transposable element derived genes". HUGO Gene Nomenclature Committee. Retrieved 4 March 2019.
^Gil E, Bosch A, Lampe D, Lizcano JM, Perales JC, Danos O, Chillon M (11 September 2013). "Functional characterization of the human mariner transposon Hsmar2". PLOS ONE. 8 (9): e73227. Bibcode:2013PLoSO...873227G. doi:10.1371/journal.pone.0073227. PMC 3770610. PMID 24039890.
^Ball, Hope C.; Ansari, Mohammad Y.; Ahmad, Nashrah; Novak, Kimberly; Haqqi, Tariq M. (November 2021). "A retrotransposon gag-like-3 gene RTL3 and SOX-9 co-regulate the expression of COL2A1 in chondrocytes". Connective Tissue Research. 62 (6): 615–628. doi:10.1080/03008207.2020.1828380. ISSN 1607-8438. PMC 8404968. PMID 33043724.
^Jin Y, Zhang W, Li Q (June 2009). "Origins and evolution of ADAR-mediated RNA editing". IUBMB Life. 61 (6): 572–578. doi:10.1002/iub.207. PMID 19472181.
^Jiang N, Bao Z, Zhang X, Eddy SR, Wessler SR (September 2004). "Pack-MULE transposable elements mediate gene evolution in plants". Nature. 431 (7008): 569–573. Bibcode:2004Natur.431..569J. doi:10.1038/nature02953. PMID 15457261. S2CID 4363679.
^Catoni M, Jonesman T, Cerruti E, Paszkowski J (February 2019). "Mobilization of Pack-CACTA transposons in Arabidopsis suggests the mechanism of gene shuffling". Nucleic Acids Research. 47 (3): 1311–1320. doi:10.1093/nar/gky1196. PMC 6379663. PMID 30476196.
^ a bSaha S, Bridges S, Magbanua ZV, Peterson DG (2008). "Computational Approaches and Tools Used in Identification of Dispersed Repetitive DNA Sequences". Tropical Plant Biol. 1: 85–96. doi:10.1007/s12042-007-9007-5. S2CID 26272439.
^ a b c d e fMakałowski W, Pande A, Gotea V, Makałowska I (2012). "Transposable elements and their identification". Evolutionary Genomics. Methods in Molecular Biology. Vol. 855. pp. 337–59. doi:10.1007/978-1-61779-582-4_12. ISBN 978-1-61779-581-7. PMID 22407715.
^ a bSaha S, Bridges S, Magbanua ZV, Peterson DG (April 2008). "Empirical comparison of ab initio repeat finding programs". Nucleic Acids Research. 36 (7): 2284–94. doi:10.1093/nar/gkn064. PMC 2367713. PMID 18287116.
^ a bMariño-Ramírez L, Lewis KC, Landsman D, Jordan IK (2005). "Transposable elements donate lineage-specific regulatory sequences to host genomes". Cytogenetic and Genome Research. 110 (1–4): 333–41. doi:10.1159/000084965. PMC 1803082. PMID 16093685.
^ a bGonzález J, Lenkov K, Lipatov M, Macpherson JM, Petrov DA (October 2008). "High rate of recent transposable element-induced adaptation in Drosophila melanogaster". PLOS Biology. 6 (10): e251. doi:10.1371/journal.pbio.0060251. PMC 2570423. PMID 18942889.
^ a bGonzález J, Macpherson JM, Petrov DA (September 2009). "A recent adaptive transposable element insertion near highly conserved developmental loci in Drosophila melanogaster". Molecular Biology and Evolution. 26 (9): 1949–61. doi:10.1093/molbev/msp107. PMC 2734154. PMID 19458110.
^Tempel S, Rousseau C, Tahi F, Nicolas J (September 2010). "ModuleOrganizer: detecting modules in families of transposable elements". BMC Bioinformatics. 11: 474. doi:10.1186/1471-2105-11-474. PMC 2955051. PMID 20860790.
^Sun W, Shen YH, Han MJ, Cao YF, Zhang Z (December 2014). "An adaptive transposable element insertion in the regulatory region of the EO gene in the domesticated silkworm, Bombyx mori". Molecular Biology and Evolution. 31 (12): 3302–13. doi:10.1093/molbev/msu261. PMID 25213334.
External links
"An immune system so versatile it might kill you". New Scientist (2556). 21 June 2006. – A possible connection between aberrant reinsertions and lymphoma.
Repbase – a database of transposable element sequences
Dfam - a database of transposable element families, multiple sequence alignments, and sequence models
RepeatMasker – a computer program used by computational biologists to annotate transposons in DNA sequences
Use of the Sleeping Beauty Transposon System for Stable Gene Expression in Mouse Embryonic Stem Cells
