Ретротранспозоны LINE-1 и теломераза: эволюция и роль в клетке Виталий Клещевников

Ревертазы

LINE-1 Long Interspersed Nuclear Elements Длинные разбросанные ядерные повторы

Общая схема ретротранспозиции

Структура LINE 5UTR (906 н.п.) содержит промотор Две рамки считывания ORF1: --Лейцин-богатый участок(белок-белковые взаимодействия) --Домен связывающий НК ORF2: --Аpurinic/apyrimidinic endonuclease --Обратная транскриптаза --Цистеин-гистидин богатый домен 3UTR (206 н.п.) содержит последовательности для узнавания ORF2р, исключение - млекопитающие Транскрибируется как единое целое, один кеп(для ORF1), Internal Ribosomal Entry Site(для ORF2) 6000 н.п.

Функции ORF1 Связывание РНК LINE-1 РНК шаперон Наличие повышает эффективность, но не необходимо для транспозиции Возможно повышает эффективность связывания с ДНК в месте транспозиции, определяет специфичность к сайту интеграции Находится в составе рибонуклеопротеинового комплекса в составе стрессовых гранул

Функции ORF2 Разрез в ДНК в апуриновом/апиримидиновом сайте Обратная транскрипция, свободные концы ДНК в качестве праймеров 1300 АК

Target-primed reverse transcription

Транспозоны прыгают волнами 40 млн.лет назад делятся на подсемейства в геноме человека активных ретротраспозонов шесть «ведущих» элементов подсемейства L1-Ta обеспечивают большинство транспозиций

Эволюция элементов генома, кодирующих обратную транскриптазу Механизм tpRT

RT Некий предковый элемент Канонический PLE Терминальный PLE RT ORF1 RT EN RT + Теломераза ORF1 RT EN LINE-1/R2 GAG RT EN TART/TAHRE

RT Некий предковый элемент Терминальный PLE RT ORF1 RT + Теломераза Не имеют EN домена Могут «копироваться» только на имеющийся свободный 3-ОН конец: - на концы хромосом – на теломеры - на разрывы в середине хромосом: при работе репарации dsDNA разрывов, при работе репликационной вилки, использовать чужую EN + мутанты без EN

Канонический PLE RT EN Канонический PLE – EN мутант RT EN Прыгают в середину хромосом(хотя могут и на теломеры) Имеют тип EN домена отличный от других транспозонов Прыгают только на теломеры(+разрывы ДНК) при этом нарушена длина теломер и кэпирующая структура Отсутствуют у млекопитающих, для которых не характерно удлинение теломер с помощью ретротранспозонов Терминальный PLE RT ORF1

RT + Теломераза Единственная ревертаза млекопитающих без EN домена Удлиняет концы хромосом за счет синтеза небольших теломерных повторов на матрице РНК Может вставлять эти повторы и в разрывы в ДНК

ORF1 RT EN LINE-1/R2 Классический non-LTR ретротранспозон Предпочитает копироваться в середине хромосом RT EN LINE-1 ORF1 мутант или продукт сплайсинга Может копироваться на теломерах и разрывах в ДНК Основной источник обратной транскриптазы в клетке

GAG RT EN TART/TAHRE Формирует хромосомы дрозофил Несмотря на наличие EN добавляется преимущественно на теломеры

Хромосомы дрозофилы HeT-A TART TAHRE

Стратегии удлинения теломер RT + Теломераза млекопитающие, Caenorhabditis elegans GAG RT EN Ретротранспозоны Drosophila spp. Ретротранспозоны + Теломераза GAG TART/TAHRE HeT-A Bombyx mori Tribolium castaneum SARTBm1 ORF1 RT EN RT + Теломераза с дефектным N-концевым доменом Альтернативная Рекомбинация

Ревертазные домены теломеразы и LINE филогенетически близки

Почему же транспозоны постоянно не прыгают по геному?

Механизмы контроля ретротранспозонов APOBEC3

Механизмы контроля ретротранспозонов RNA- interference

Механизмы контроля ретротранспозонов RNA- interference

Механизмы контроля ретротранспозонов RNA- interference

Механизмы контроля ретротранспозонов Метилирование: -- в т.ч. промотора деацетилирование и метилирование гистонов RNA-induced transcriptional silencing

Функции LINE-1 в клетке

Гетерохроматинизация RNA-induced transcriptional silencing

Инактивация Х-хромосомы

LINE-1 и неоцентромера

Амплификация LINE-1 проходит на раннем эмбриональном развитии у мышей Сайленсинг LINE-1 с помощью siRNA приводит к остановке развития на стадии 2-х или 4-х бластомеров

Создание ретрогенов Обратная транскрипция клеточной мРНК

Как может влиять LINE-1 на организм ?

Транспозиция Мутация single geneНейтральная мутация Эпигенетическая мутация Вариабельность геномов

«Динамические мутации» Завышенная частота транспозиций Инсерции=>дисфунция генов Двунитевые разрывы ДНК Соматические клетки Апоптоз Дальнейшее перерождение Эпигенетические мутации и инсерции Окно для ретротранспозонов Снижение эффективности РНК-интерференции, ремоделирования хроматина, специфическая регуляция Нейтральный/Регуляторный эффект Второй счетчик делений, способ защиты от перерождений Полное нарушение контроля

Регуляторный эффект

«Второй счетчик делений» «способ защиты от перерождений» Сильный стресс (возможны повреждения жизненноважных механизмов в клетке) активация ORF2 двунитевые разрывы ДНК апоптоз Инактивация систем контроля за транспозонами активация ORF2 двунитевые разрывы ДНК апоптоз

Наследуемые генетические дефекты Обусловлены транспозицией LINE(или неавтономных Alu, SVA) в кодирующие последовательности генома Наследуются, как генная мутация Обычно single gene В т.ч. нейрофиброматозы, гемофилии А и В, анемии, миодистрофия Дюшена

Функции транскрипционной активности, РНК Функции белков, кодируемых LINE-1 Чем же считать современные LINE1?

Спасибо за внимание !