Мобильные элементы в геномах эукариот Лекции 5

Автономные и не автономные элементы влияют на активность генов Не активный Ds Активные Ds + Ас Активный Ас

Гибридный дисгенез у дрозофилы. Три системы дисгенеза: P-M (p-элементы), H-E (Hobo), I-R (I-элемент) P-M система: Р-линии (30-60 копий Р элемента, часть дефектные), М-линии (нет Р элементов, или все дефектные (М линии). Скрещивание самцов Р с самками М вызывает гибридный дисгенез (множественные мутации и фенотипические изменения, потомство частично стерильно).

Контроль мобильности клеткой

1Метилирование CpGБлок транскрипции 2Незавершённая транскрипция Нефункциональная РНК 3Отсутствие сигнала полиаденилирования Не стабильная РНК, не распознаётся ORF2 LINE1. 4ГетерохроматинизацияБлок транскрипции 5RISCРНК-интерференцияДеградация РНК 6Выведение продуктов синтеза в стресс-гранулах Нарушение формирования РНП комплекса 7TREX1Деградация однонитевой ДНК. Деградация продуктов обратной транскрипции 8ADARРНК-эдитингНарушение формирования РНП комплекса 9APOBEC3Механизм неизвестенБлокирует ретропозицию в клеточных культурах. 10MAELМеханизм неизвестенЗащита от ретропозиции во время мейоза

Piwi-РНК - специфический агент против транспозиции Piwi-РНК, как правило, получается из кластера Piwi генов, имеющих двунаправленную экспрессию. Первичные Piwi-РНК транскрибируются и созревает в клетках герминативного пути. Помимо стандартного для miRNA пути созревания, Piwi РНК имеет свой собственный путь, основанный на последовательном расщеплении сенс- и антисенс-транскриптов. Следующим этапом является специфическое метилирование 3 нуклеотидов в Piwi-RNA.

Цикл воспроизводства piRNA.

Piwi-РНК - специфический агент против транспозиции Piwi-РНК часто образуются из генов бывших транспозонов, транскрибирующихся в антисенс ориентации. В этом случае путь Piwi амплификации включает активные транспозоны. У дрозофилы, специализированный ген flamenco содержит РНК составленную из кусочков активных мобильных элементов. и продуцирует первичную Piwi-РНК. Связываясь с РНК мобильных элементов она запускает накопление Piwi РНК, которые в дальнейшем могут блокировать транспозоны на разных уровнях.

Нокаут системы Piwi-РНК вызывает стерильность у самок дрозофилы. Для правильного формирования ооцита Дрозофилы необходима определённая субклеточная локализация мРНК гена osk, определяющая в дальнейшем ось личинки. Нарушение системы Piwi приводит к тому, что, через каскад событий, блокируется формирование системы микротрубочек, направляющих osk РНК в нужный компартмент ооцита и личинка гибнет на начальных этапах развития. Формирование нормального ооцита Нарушение транспорта osk РНК в мутанте по Piwi системе

Метилирование ДНК Метилирование ДНК – воспроизводимое в цикле репликации метилирование цитозина в СрG группах. Метилирование ДНК является эволюционно древним механизмом защиты от нежелательных повторяющихся элементов.

Метилирование ДНК Метилированные основания в ДНК обнаружены свыше 50 лет назад. Метилирование осуществляется ферментативно в первые минуты после репликации ДНК, т.е. пострепликативно. Поскольку нуклеотидная последовательность ДНК при этом не меняется, метилирование по сути - событие эпигенетическое. Метилирование, хотя и является стабильной и наследуемой модификацией, в принципе обратимо под воздействием ферментов и тем самым принципиально отличается от мутаций ДНК. Метилирование остатков цитозина имеет место у бактерий, растений, животных, в том числе млекопитающих (включая человека), насекомых но отсутствует у дрожжей и нематод.

Метилирование ДНК Благодаря существующей в бактериях системе метилирования- рекогниции (рестрикции-модификации) клетки способны идентифицировать свой генетический материал и отличать его от инородных молекул, проникших в клетку тем или иным способом. Некоторые плесневые грибы элиминируют нежелательные повторяющиеся последовательности посредством интенсивного их метилирования, за которым следует накопление точковых мутаций из- за высокой мутабельности остатков 5-метилцитозина. В клетках грызунов и человека интегрированные вирусные последовательности могут подвергаться метилированию и обусловленному им стабильному блоку транскрипции. Гиперметилирование CpG-островков приводит к устойчивой репрессии транскрипции с данного участка ДНК, которая опосредована белками, способными связываться с метилированными CpG-динуклеотидами. Эти белки, называются метилцитозин-связывающими белками, и привлекают деацетилазу гистонов (HDAC) и другие факторы, участвующие в ремоделировании хроматина и образовании гетерохроматина.

Функции мобильных элементов: реорганизация генома в результате рекомбинации по повторам 1.Делеция нуклеотидной последовательности между двумя сонаправленными элементами. 2.Инверсия нуклеотидной последовательности между двумя противонаправленными элементами. 3.Транслокация нуклеотидной последовательности между двумя участками генома в результате негомологичной рекомбинации. 4.Хромосомные абберации и транслокации. (4)

Функции мобильных элементов: взаимодействие с генами 1.Встраивание в экзон – нарушение рамки считывания. 2.Разрушение сплайс-сайта – пропуск экзона. 3.Дополнительный сплайс-сайт – короткая форма мРНК 4.Экзонизация – дополнительный экзон, возможно, с нарушением рамки считывания и/или стоп-кодоном.

Функции мобильных элементов: взаимодействие с генами LTR – усиление транскрипции гена и/или его альтернативный старт. Встраивание транспозона между энхансорами или регуляторами может приводить к нарушению регуляции гена, блоку экспрессии или оверэкспрессии. LTR, встроившийся перед протоонкогеном может вызвать его экспрессию и перерождение клетки в раковую.

Функции мобильных элементов: взаимодействие с генами Мобильный элемент в интроне гена в антисенс ориентации может блокировать экспрессию гена через конфликт полимераз. Интеграция мобильного элемента в UTR может приводить siРНК интерференции и блокированию трарнсляции мРНК. Гиперметилирование ДНК в районе интеграции мобильных элементов может блокировать активность близлежащих генов.

Функции мобильных элементов: теломеры Теломеры эукариот содержат однонитевую ДНК Специфические «мобильные элементы (LINE)» дефектные по эндонуклеазе имеют на 3конце область, комплиментарную повтору теломеразы. Теломераза достраивает теломеру после интеграции элемента. При этом теломера существенно удлиняется.

Функции мобильных элементов: экзонизация Экзонизацией называется образование новых экзонов, включающих в себя часть или целый мобильный элемент. Экзонизация возникает, в результате образования дополнительного сплайс-сайта. Как правило возникает альтернативный сплайс- вариант мРНК. Если образовавшийся экзон полезен, отбор может отселектировать один вариант из двух или оставить оба.

Функции мобильных элементов: новые функции в клетке ID – элемент, только у грызунов, произошёл, вероятно из тРНК аланина. Не автономный, использует LINE1 для ретропозиции. ВС1 – это ID – элемент с добавлением специфического участка. Активен только в мозгу, только в гипоталамусе. Функция до конца не понятна, вероятно регуляция синтеза белков в дендритах нервных клеток. У приматов есть полный аналог BC1 – это BC200, расположенный в ином локусе, но так же активный в мозгу и сформировавшийся из Alu элемента.

Роль мобильных элементов в жизни эукариот. Мобильные элементы в геноме эукариот в основном являются мутагенами. Стратегии защиты клетки от активности мобильных элементов включают инактивацию транскрипции, блокирование трансляции, нарушение структуры РНК мобильного элемента. В принципе, эти механизмы работают по отношению к любому многокопийному гену в составе генома, за исключением облигаторных клеточных компонентов. Дополнительные уровни защиты от активности мобильных элементов включаются при формировании гамет. Это Piwi-РНК система и блокировка формирования яйцеклеток при обнаружении активности мобильных элементов. Помимо прямой мутагенной активности, мобильные элементы могут вызывать различные эффекты на экспрессию генов через взаимодействие с элементами структуры гена. Некоторые мобильные элементы были рекрутированы отбором на исполнение особых, специфических функций (например RAG система или BC1 и BC200, достройка теломер). Некоторые мобильные элементы имеют функцию внутри кодовой части или в окружении гена. Рекрутированная функция мобильных элементов в ORF части гена чаще всего является спейсерной сигнальной. Мобильные элементы рекрутированные в функцию целиком часто работают буфером.