Мобильные элементы в геномах эукариот Лекция 1

Открытие мобильных элементов Барбара Мак-Клинток ( гг., лаборатория Колд-Спринг Харбор) В линии кукурузы с бесцветным эндоспермом на хромосоме 9 был обнаружен участок, связанный с рецессивными мутациями соседних генов. Из него выделили два доминантных локуса: Активатор (Ac) и Диссоциатор (Ds). Изучала мозаичную окраску эндосперма у кукурузы.

Открытие мобильных элементов Под действием активатора (Ac), ген диссоциатор (Ds) производит переключение. Ген диссоциатор (Ds) может встраиваться в ген окраски сDs + Ac + СDs - cDs + CDs - Ac +

Открытие мобильных элементов Обычная окраска Мозаичная окраска Выраженность мозаичной окраски зависит от дозы Активатора (Ac), чем больше активатора аллелей Ac+ присутствуют в эндосперме, тем чаще происходит переключение гена окраски. 3Ac+2Ac+0-1Ac+

Повторяющиеся последовательности в геномах Простые повторы мононуклеотидные (AAAAA, GGGGGGGGG) динуклеотидные (ATATATATAT, GCGCGCGCG) тринуклеотидые (AGTAGTAGT, GACGACGAC) тетрануклеотидные (AGTGAGTG, TTAGTTAGTTAG) Тандемные повторы Сателлитная ДНК: микро- и макро- сателлиты (TAGGGTTAGGGTTAGGGT...) «Мобильные» элементы (Interspersed repeats): транспозоны и ретроэлементы.

Прямые и инвертированные повторы Прямые повторы: 5agtcctgattcg agtcctgattcg 3 3tcaggactaagctcaggactaagc 5 Инвертированные повторы: 5agtcctgattcg cgaatcaggact 3 3tcaggactaagcgcttagtcctga 5

Повторяющиеся последовательности в геномах ОрганизмВсего повторов в геноме Сателлиты и простые повторы Мобильные элементы Кукуруза70%10%60% Рис35%9%26% Рожь87%15%72% Нематода16%7%9% Медовая пчела8%6%2% Дрозофила16%6%10% Москит95%11%84% Курица16%7%9% Мышь62%15%47% Человек64%17%46%

Мобильные элементы в геномах Геном человека: пример.

Два типа «Мобильности» Вырезание - встраивание (Транспозоны) Копирование - встраивание (Ретроэлементы)

Два варианта репликации мобильных элементов Консервативная транспозиция Репликативная транспозиция/ретропозиция

Общие свойства мобильных элементов Копии мобильных элементов, как правило, расположены в геноме равномерно-случайно, а не в кластерах, как сателлитная ДНК. Копии одинаковых мобильных элементов не идентичны в своей нуклеотидной последовательности. Мобильные элементы, относящиеся к одному семейству обладают сходными нуклеотидными последовательностями. Размер ДНК полных копий мобильных элементов разных семейств может быть от ~70 до нуклеотидов.

Общие свойства мобильных элементов Подавляющее большинство мобильных элементов в геноме не активно, т.е. не перемещаются и/или не генерируют новые копии. Большинство копий мобильных элементов являются не полными по длине и не имеют полноценных промоторов и ОРФ. Для копий мобильных элементов, проявляющих активность, принято название «мастер-копии».

Накопление мобильных элементов в геномах. Большинство мобильных элементов не активны. Только некоторые из них увеличивают количество своих копий. Со временем копии накапливают мутации и становятся разными.

Поиск мобильных элементов в геномах. «majority rule»

Классификация мобильных элементов. Автономные мобильные элементы: мобильные элементы, нуклеотидная последовательность которых кодирует основные протеины, необходимые для процесса их репликации и встраивания. Не автономные мобильные элементы: мобильные элементы, нуклеотидная последовательность которых, не кодирует протеинов, связанных с жизненным циклом мобильных элементов.

Классификация мобильных элементов. Транспозоны: мобильные элементы, репликация которых включает перемещение своей ДНК последовательности на новое место в геноме Ретроэлементы: мобильные элементы, синтезирующие новые копии, осуществляя реакцию обратной транскрипции, т.е. синтеза ДНК на матрице РНК.

Общая классификация транспозонов. Автономные ДНК элементы. Не автономные ДНК элементы (дериваты автономных ДНК элементов). MITE Helitrone (Хелитроны). Polintons (Полинтоны)

Общая классификация LTR элементов. Экзогенные ретровирусы. Эндогенные ретровирусы. Автономные LTR элементы. Не автономные LTR элементы. Одиночные LTR. «Псевдогены» LTR..

Общая классификация не LTR элементов. LINE (автономные). Не автономные дериваты LINE. SINE. Ретро-интроны. Псевдогены матричных РНК. Прочие, автономные и не автономные элементы.

Доля мобильных элементов в геномах эукариот. ВидыРазмер генома Содержание мобильных элементов Человек, мышь, собака 3.1 млрд. 46% Утконос, кенгуру2.8 млрд. 65% Курица, попугай2.1 млрд.10% Рыбы1.8 млрд.22% Дрозофила1.3 млрд.10% Пчела1.4 млрд.2% Комар (москит)2.2 млрд.84% Актиния0.8 млрд.7% Амёба0.4 млрд.4% Дрожжи0.6 млрд.0.8 % Кукуруза, пшеница.1.7 млрд.60-75%

Пропорция транспозонов и ретроэлементов в геномах эукариот. ГеномДНКРетроэлементы Человек, мышь10%90% Утконос3%97% Курица, попугай5%95% Дрозофила25%75% Пчела100%0% Комар80%20% Нематода90%10% Актиния80%20% Дрожжи0%100% Кукуруза, пшеница.60%40%

Пропорция автономных и не автономных мобильных элементов в геномах эукариот. ГеномАвтономныеНе автономные Человек, мышь40%60% Утконос60%40% Курица, попугай95%5% Дрозофила60%40% Пчела50% Комар90%10% Нематода70%30% Актиния40%60% Дрожжи100%0% Кукуруза, пшеница.80%20%

Транспозоны: структура. Инвертированные фланговые повторы (12-76 нт). Дупликация сайта встраивания (2-4 нт). Автономные: pol II промотор, ORF транспозазы и интегразы (часто – один белок), длина: тыс.нт., иногда есть интроны. Не автономные: нет промотора, и/или нет работающей рамки считывания, короткие: ( нт). MITE: A/T обогащенные, нет следов ORF, независимое происхождение, длина: нт. ДНК-транспозоны и MITE

Транспозоны: структура. Нет фланговых повторов и дупликаций сайта встраивания. Встраиваются всегда между A и T, консенсус содержит характерные структуры. Автономные: pol II промотор, ORF хеликазы, ДНК связывающий белок, длина: 2-3 тыс.нт., интронов нет. Вероятно происхождение от бактериальной ретро- плазмиды. Хелитроны Полинтоны Фланговые инвертированные повторы нт и дупликация сайта встраивания 5-6-нт. Очень большие, длина: от 11 до 25 тыс. нт, интронов в кодирующих последовательностях нет. Автономные: pol II промоторы, ORF специфической ДНК-ДНК полимеразы, ATP-азы, транспозазы и ещё до 5-и доплнительных ORF, интронов нет, разнонаправленные ORF. Происхождение от сложных ДНК-овых вирусов или фагов.

LTR ретроэлементы: структура. Длинные фланговые повторы LTR: нт. Дупликация сайта встраивания: 2-6 нт. Автономные: вирусный pol II промотор в LTR, набор вирусных ORF, длина: тыс.нт. Не автономные: вирусный pol II промотор в LTR, нет работающей рамки считывания для обратной транскриптазы, ( нт). Обратная транскрипция происходит в цитоплазме и осуществляется с помощью LTR. Одиночные LTR – результат гомологичной рекомбинации длинных фланговых повторов.

Автономные не LTR ретроэлементы: структура. Дупликация сайта встраивания (0-120 нт.). Внутренний pol II промотор. 1-2 ORF (один из продуктов – обязательно обратная транскриптаза, как правило объединённая с рестриктазой- интегразой). Иногда есть интроны и инвертированные повторы на концах структуры. Для запуска обратной транскрипции необходимы последние нт на 3конце элемента. Длина: тыс.нт. Большинство копий в геноме представляют собой 3фрагменты целого элемента.

Не автономные не LTR ретроэлементы: структура. Дупликация сайта встраивания (0-120 нт). Внутренний pol III (SINE) или заимствованный pol II (внешний) промотор. Не кодирующая последовательность, часто заимствованная у функциональной, некодирующей РНК. Длина: от 70 до 3000 нт.

Элементы жизненного цикла мобильных элементов. ПроцессКакие элементы используют ТранскрипцияВсе автономные и все ретро- элементы. ТрансляцияВсе автономные элементы. Вырезание ДНКВсе транспозоны. Встраивание ДНКВсе транспозоны и LTR элементы. Обратная транскрипция Все ретроэлементы. Репликация кольцевой ДНК Некоторые ретровирусы, Хелитроны, Полинтоны.

Транскрипция - элементы ЭлементПромоторСигнал полиаденилирования ДНК автономныеPol II как часть ДНК структуры часть ДНК структуры ДНК не автономныеопционально MITEне требуются Хелитроны и ПолинтоныPol II как часть ДНК структуры часть ДНК структуры LTRPol II как часть LTRзакодирован в LTR DIRSPol II как часть РНКзакодирован в LTR LINEPol II как часть РНКзаимствованный PenelopePol II как часть РНКчасть РНК ретроинтронPol II, заимствованный у гена-хозяина не требуется SINEPol III как часть РНКзаимствованный, как и терминатор pol III псевдогенPol II внешний, часть геначасть гена

Появление новых мобильных элементов. Автономные элементы: LTR элементы: Ретровирусы – Эндогенные ретровирусы (дефект оболочки) – LTR элементы. Транспозоны, LINE: подозрение на горизонтальный перенос (например, с ДНК-овыми вирусами). Рекомбинация последовательностей автономных мобильных элементов одного класса. Не автономные элементы: Дефектные автономные элементы (например, не автономные LTR элементы) Появление новых элементов в результате комбинации частей автономных элементов и клеточных РНК. Рекомбинация последовательностей неавтономных элементов между собой, димеризация (гомо- и гетеро- димеры). Рекомбинация последовательностей автономных и не автономных элементов между собой. Образование новых мобильных элементов из копий функциональных, не кодирующих клеточных РНК, имеющих внутренний (pol III) промотор. Образование новых мобильных элементов из мутировавших копий родственных элементов.

Волны активности мобильных элементов Активность Alu повторов на разных этапах эволюции приматов

Волны активности мобильных элементов Различие в активности Alu повторов у человекообразных обезьян и обезьян Нового света

Заключение Мобильные элементы составляют существенную часть геномной ДНК у высших позвоночных и растений. Мобильные элементы сохраняют активность в ряду поколений, миллионы лет, и медленно накапливаются в геномах. Большинство копий мобильных элементов не активны, Активные копии называются мастер-элементы. В начальный момент времени все копии похожи на мастер-элементы, но со временем накапливают мутации и становятся разными. Мастер- элементы так же накапливают и распространяют мутации. По способности воспроизводить свои копии самостоятельно или при помощи ферментов, кодируемых другими мобильными элементами, выделяют автономные и не автономные мобильные элементы. По наличию в жизненном цикле мобильных элементов этапа обратной транскрипции их разделяют на транспозоны (ДНК элементы) и ретроэлементы. Мобильные элементы могут попадать в клетки разными путями (как правило вместе с вирусной ДНК или РНК) или появляться в геноме в результате рекомбинации существующих активных мобильных элементов. Со временем мастер-элементы инактивируются за счёт мутаций или иных механизмов и активность элемента прекращается.