Alu: история одной последовательности
Мобильные элементы, или транспозоны, — это последовательности ДНК, способные перемещаться по геному. С помощью ферментов одни мобильные элементы вырезаются из ДНК и встраиваются в другое место двойной спирали, другие — копируются и встраивают в геном свои копии. Последние получили название «ретроэлементов», или «ретротранспозонов». Именно об одном из таких элементов, относящемся к группе SINE (short interspersed nucleotide elements), — Alu — и пойдёт речь в этой статье.
| ||
Обратите внимание!
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст» в номинации «Лучший обзор».Спонсор конкурса — дальновидная компанияLife Technologies.
Оглавление
Немного молекулярной анатомииAlu — один из самых многочисленных ретроэлементов в геноме человека. Больше миллиона копий одной последовательности разбросано по нашим хромосомам, составляя почти 11% нашей ДНК [1]. Бóльшая часть этих копий уже давно не «прыгает» по геному, и только недавно появившиеся, молодые Alu-элементы способны к самокопированию-встраиванию. Все копии Alu в нашем геноме образуют целое семейство [2].Своё название Alu позаимствовал у фермента рестриктазы (молекула, которая режет нить ДНК). Рестриктазу когда-то выделили из бактерииArthrobacter luteus и назвали по первым буквам латинского наименования микроорганизма. Однажды, когда взяли и обработали этой рестриктазой ДНК человека (порезали на фрагменты), Alu и был открыт [27]. Итак, семейство Alu относится к группе мобильных элементов SINE (от англ. short interspersed nucleotide elements), дословно — «короткие разбросанные нуклеотидные элементы». Давайте посмотрим, как устроен типичный элемент Alu (см. рисунок 1). Он представляет собой последовательность длиной около 300 нуклеотидных остатков.
ЛМ — левый мономер, ПМ — правый мономер.
ОРС — открытая рамка считывания. ЭН — эндонуклеаза, ОТ — обратная транскриптаза.
Элементы SINE не содержат последовательностей, кодирующих белки (так называемых «открытых рамок считывания»). Значит, у них нет и ферментов, которые могут скопировать их и вставить в другое место ДНК. Именно поэтому SINE используют ферменты, которые закодированы в ретроэлементах другой группы — LINE (от англ. long interspersed nucleotide elements), дословно — «длинные разбросанные нуклеотидные элементы». Партнёр Alu — длинный элемент в 6000 нуклеотидных остатков, которого зовут LINE-1 (рис. 2)*.
* — На конкурс «био/мол/текст»-2012 подана еще одна статья, в которой говорится про ретротранспозон LINE-1: «Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге». Кроме того, мы писали о нем и ранее: «Тайны „молекулярных паразитов“, или Как путешествовать по геному». — Ред.
Элемент LINE-1 содержит две открытые рамки считывания (ОРС) — последовательности, каждая из которых кодирует одну полипептидную (состоящую из аминокислот) цепь. Первая рамка считывания кодирует белок, который нужен для ретропозиции самому LINE-1, вторая — белок-фермент, обладающий двумя функциями: эндонуклеазы (ЭН) и обратной транскриптазы (ОТ).Эндонуклеаза — это молекулярные «ножницы», которые могут разрезать нить ДНК. Обратная транскриптаза может синтезировать (химически «строить») нить ДНК на матрице РНК как на шаблоне, другими словами — осуществлять процесс обратной транскрипции. Поли(А)-хвост LINE-1, в отличие от Alu, достраивается уже после окончания транскрипции предназначенным для этого клеточным ферментом: полиА-полимеразой.— Как вы думаете, кто украл транскриптазу, Холмс? — Элементарно, Ватсон! Это был AluМодель того, как Alu распространяется по геному, представляют себе следующим образом. Представим себе копию Alu — часть двуцепочечной ДНК. Клеточный фермент РНК-полимераза комплементарно достраивает РНК по одной из цепей ДНК. Эта стадия называется транскрипцией. Дальше РНК Alu выходит из клеточного ядра, где происходила транскрипция, в цитоплазму, где связывается с ферментом, обладающим функциями обратной транскриптазы и эндонуклеазы (для краткости буду дальше называть его просто обратной транскриптазой). Вместе с ферментом РНК Alu идет обратно в ядро, где фермент вносит разрыв в одну цепь двуцепочечной геномной ДНК. Затем РНК Alu комплементарно «цепляется» за фрагмент геномной ДНК в месте разрыва, и обратная транскриптаза LINE-1 осуществляет обратную транскрипцию: синтезирует одну цепь ДНК Alu на матрице РНК. При этом фрагмент геномной ДНК, который «зацепился» за РНК Alu, она использует в качестве затравки (то есть на него она должна «сесть» и продолжить синтез уже существующей цепи). Потом фермент достраивает вторую цепь, а другие клеточные ферменты достраивают ДНК по бокам от Alu и «зашивают» все разрывы (осуществляют «репарацию» геномной ДНК); см. рис. 3, 4. Следует заметить, что такой цикл копирования-встраивания свойственен не только Alu, но и другим элементам SINE.
5]. Элемент транскрибируется клеточной РНК полимеразой III (ПолIII), его РНК выходит в цитоплазму, связывается с обратной транскриптазой LINE-1 (ОТ LINE-1) и импортируется в ядро, где происходит обратная транскрипция и встраивание в геном [
5]. Клеточная РНК-полимераза III считывает РНК с геномной ДНК. Обратная транскриптаза LINE-1 вносит в геномную ДНК одноцепочечный разрыв, РНК SINE-элемента «цепляется» за выступающую нить геномной ДНК, и обратная транскриптаза синтезирует сначала одну нить ДНК на матрице РНК, а потом достраивает вторую нить ДНК, комплементарную первой. Клеточные ферменты достраивают нужные нуклеотиды и «зашивают» разрывы [
Этот рибонуклеопротеид может «заякориваться» на синтезирующей (химически «строящей») белок рибосоме, и, в то время как матричная РНК LINE-1 транслируется, Alu и LINE-1 конкурируют за взаимодействие с вновь образующимся белком — ферментом обратной транскриптазой LINE-1. Это вероятностный процесс, и если Alu оказывается достаточно удачлив, он коварно «крадёт» транскриптазу у элемента LINE и направляется в клеточное ядро, чтобы пройти обратную транскрипцию и встроиться в геном. Для того, чтобы «украсть» фермент, РНК Alu необходима А-богатая область, поскольку обратная транскриптаза садится именно на неё. Этот белок химически взаимодействует с поли(А)-областью и не знает, за чей хвост «схватился» (см. рисунок 5). Alu пользуется этим и «выдаёт» свой поли(А)-хвост за поли(А)-хвост LINE-1, забирая транскриптазу на себя [25].
23]. Рибосома на рисунке — две большие бежевые субъединицы. РНК Alu показана фиолетовым, мРНК LINE-1 — зелёным. Чёрная линия — синтезирующаяся на рибосоме обратная транскриптаза, поли(А)-связывающий белок показан розовым, SRP9/14 — салатовым. Синим показана подошедшая к рибосоме клеточная мРНК [
И что дальше?Копии мобильных элементов и Alu в частности в разных местах нашей ДНК могут стать причиной перегруппировки генома путём разрыва и соединения молекул ДНК — рекомбинации. Гомологичная рекомбинация осуществляется на основе гомологии между рекомбинирующими последовательностями: они должны быть очень сходными. Вследствие гомологичной рекомбинации разных участков ДНК, в том числе, и элементов SINE, внутри одной хромосомы отдельные участки последовательности могут, например, выпадать, или переворачиваться на 180° (см. рисунок 6). Соответствующие мутации носят названия делеций и инверсий. Помимо мутаций, затрагивающих одну хромосому, могут происходить межхромосомные перегруппировки.Но могут происходить и ошибки: смещение рекомбинирующих хромосом относительно друг друга или рекомбинация негомологичных хромосом. В обоих случаях перегруппировка происходит по отдельным гомологичным последовательностям, в роли которых могут выступать и копии Alu. Такая несбалансированная рекомбинация может привести к делеции гена на одной хромосоме, появлению дополнительной его копии на другой, к инверсии гена. Если ген на хромосоме удвоился, то через некоторое число поколений его копия может измениться и, с некоторой вероятностью, приобрести новую функцию, или, наоборот, деградировать и превратиться в «псевдоген» — ген, который свою кодирующую функцию потерял. Поскольку такие перегруппировки осуществляются случайно, вовсе необязательно, что мутации окажутся полезными. Наоборот, довольно часто они приводят к генетическим заболеваниям [11]. Как после перетасовки карт в игре: у вас на руках может оказаться как выигрышная комбинация, так и нет. Если происходит рекомбинация негомологичных хромосом — транслокация (см. рисунок 7), — то путём такой «перетасовки» могут возникать хромосомы новые. Транслокации могут возникать как при ошибках в мейозе, так и при проблемах с расхождением хромосом в митозе — делением клеток соматических. Alu может вызывать болезни и без рекомбинации, напрямую вставляясь в последовательность ДНК (ген), кодирующую белок или регуляторную РНК , нарушая, таким образом, его — гена — работу. Например, вставка копии Alu в кодирующую часть гена рецептора фактора роста фибробластов — причина синдрома Аперта, а встраивание в кодирующую часть гена фактора свёртывания крови VIII — причина гемофилии А [13, 22]. От гена к РНК: влияние AluМеханизмов и молекулярных путей, которыми Alu может изменять экспрессию генов — «перевод» кода ДНК в функциональный белок или действующую РНК, — довольно много. Я затрону только некоторые из них и постараюсь проиллюстрировать, насколько разнообразным может быть влияние этого элемента.Копии элементов SINE, в том числе, и Alu, могут встраиваться непосредственно перед геном или на некотором расстоянии от гена. При встраивании непосредственно перед кодирующей последовательностью гена элемент может работать промотором — областью, с которой связывается РНК-полимераза перед началом транскрипции. Копии элемента на некотором расстоянии от гена могут выступать в роли энхансеров или сайленсеров: последовательностей, которые через взаимодействие с белками усиливают или ослабляют транскрипцию гена, соответственно [11].
Зелёным цветом обозначены интроны, другими цветами — разные экзоны.
Ещё один механизм, благодаря которому разных мРНК с одного гена становится больше, — это РНК-редактирование. Один из вариантов процесса — модификация рибонуклеотидных остатков мРНК с помощью ферментов. Например, замена азотистого основания аденина (через удаление аминогруппы и замещение её другой химической группой) на другое основание — гипоксантин (см. рисунок 9). Последнее может происходить в двуцепочечных участках мРНК с последовательностью Alu. При трансляции аденозин (нуклеозид, содержащий аденин) распознаётся как гуанозин (нуклеозид, содержащий гуанин), что может изменить аминокислоту, считываемую с данного участка генетического кода и, как следствие, изменить структуру получившегося белка. В одном Aluнесколько десятков потенциальных мишеней для замены. Тысячи миллионов разных комбинаций замен становятся возможными! Конечно, далеко не все они реализуются на практике. Но учитывая то, сколько генов содержат последовательность Alu, а некоторые из них — и не одну, можно предположить, что механизм редактирования гораздо мощнее альтернативного сплайсинга [17].
замена аденозина (нуклеозида, содержащего аденин) на инозин (нуклеозид, содержащий гипоксантин).
Метильный запретКак я уже упоминала вначале, Alu составляет 11% нашего генома. И хоть к транспозиции способны самые молодые копии, если бы они постоянно копировались и вставлялись в случайные места нашей ДНК, то это был бы хаос: большая часть наших генов быстро перестала бы работать.К счастью, законом клетки беспорядочная ретротранспозиция запрещена. Наряду с другими мобильными элементами и некоторыми другими последовательностями, ДНК Alu в клетках метилирована. К цитозинам присоединены химические группы, называемые метильными, и к транскрипции метилированные участки генома не способны. Это основной механизм подавления мобильных элементов в клетке, и с недостаточным метилированием ДНК связаны некоторые заболевания — в том числе, и онкологические [15]. Интересно, что на определённых стадиях развития половых клеток происходит повальное деметилирование генов: метильные метки «стираются» с нашей ДНК. На короткий период мобильные элементы, в том числе и Alu, свободно копируются и вставляются в геном. Скорее всего, это нужно для обеспечения плюрипотентности этих клеток [19]. Точка отсчётаКогда-то давным-давно, ещё до разделения эволюционных ветвей, которые привели к приматам и грызунам, когда по земле бегали большие тираннозавры, а высоко в небе парили птеродактили, в верхнем Меловом периоде ген 7SL-РНК эволюционировал в предкаAlu. Постепенно в геномах ветви приматов появился левый мономер Alu, а в геномах ветви грызунов — «двоюродный брат» Alu — B1 (он есть в геномах грызунов и сейчас). Вслед за левым мономером элемента у приматов появился правый, а 65 миллионов лет назад, на заре мезозойской эры произошло «рождение» Alu — как он есть сегодня. С этого момента Alu начал распространяться по геномам [7].Как уже было сказано в начале, за прошедшие 65 миллионов лет Alu успел скопироваться и вставиться в нашу ДНК больше миллиона раз. Поскольку во вставившихся последовательностях периодически происходят мутации, эти последовательности изменяются независимо в разных геномах. Зная это, учёные, которые занимаются молекулярной систематикой, по последовательностям Aluв геномах разных приматов строят филогенетические деревья (см. рисунок 10).
8]. Филогенетическое древо лемуров, построенное на основании анализа 138 вставок Alu [
7]. Monomeric phase — время, когда Alu существовал только в виде мономера. Dimeric phase — время существования полноценного, димерного Alu. Распространение подсемейств Alu (Yc1, Ya5a2, Yb9, Yb8, Y, Sg1, Sx и J) наложено на древо эволюции приматов. Слева указано примерное количество копий Alu в каждом подсемействе. Mya — миллионов лет назад. Цветные квадраты соответствуют пикам активности Alu [
6]. 165 из этих генов общие, и 115 из этих 165 задействованы непосредственно в работе нашего мозга [
История одной последовательностиЯ сижу за столом и дописываю эту статью. Каждый миг в моих клетках считываются огромные количества матричной РНК с регулируемых последовательностью Alu генов. Каждый миг из фрагментов незрелых РНК по Alu-сайтам комбинируются зрелые молекулы, редактируются, транслируются, и вот уже новые белки синтезировались и готовы к работе. Миллионы молекул взаимодействуют между собой в единой невообразимой паутине.Вот транскрипт Alu переманил транскриптазу LINE-1 и направился с ней в ядро. В какую часть ДНК он встроится? Повлияет ли на экспрессию гена, или через ряд поколений образует новый ген? Конечно, не каждая последовательность нашей ДНК настолько многочисленна и влиятельна. Но о скольких можно рассказать изученную часть их истории, и сколько молекулярных историй ещё предстоит изучить... Словарик
Литература
|
Темы
Австролоиды
Альпийский тип
Америнды
Англия
Антропологическая реконструкция
Антропоэстетика
Арабы
Арменоиды
Армия Руси
Археология
Аудио
Аутосомы
Африканцы
Бактерии
Балканы
Венгрия
Вера
Видео
Вирусы
Вьетнам
Гаплогруппы
генетика
Генетика человека
Генетические классификации
Геногеография
Германцы
Гормоны
Графики
Греция
Группы крови
Деградация
Демография в России
Дерматоглифика
Динарская раса
ДНК
Дравиды
Древние цивилизации
Европа
Европейская антропология
Европейский генофонд
ЖЗЛ
Живопись
Животные
Звёзды кино
Здоровье
Знаменитости
Зодчество
Иберия
Индия
Индоарийцы
интеллект
Интеръер
Иран
Ирландия
Испания
Исскуство
История
Италия
Кавказ
Канада
Карты
Кельты
Китай
Корея
Криминал
Культура Руси
Латинская Америка
Летописание
Лингвистика
Миграция
Мимикрия
Мифология
Модели
Монголоидная раса
Монголы
Мт-ДНК
Музыка для души
Мутация
Народные обычаи и традиции
Народонаселение
Народы России
научные открытия
Наши Города
неандерталeц
Негроидная раса
Немцы
Нордиды
Одежда на Руси
Ориентальная раса
Основы Антропологии
Основы ДНК-генеалогии и популяционной генетики
Остбалты
Переднеазиатская раса
Пигментация
Политика
Польша
Понтиды
Прибалтика
Природа
Происхождение человека
Психология
Разное
РАСОЛОГИЯ
РНК
Русская Антропология
Русская антропоэстетика
Русская генетика
Русские поэты и писатели
Русский генофонд
Русь
Семиты
Скандинавы
Скифы и Сарматы
Славяне
Славянская генетика
Среднеазиаты
Средниземноморская раса
Схемы
США
Тохары
Тураниды
Туризм
Тюрки
Тюрская антропогенетика
Укрология
Уралоидный тип
Филиппины
Фильм
Финляндия
Фото
Франция
Храмы
Хромосомы
Художники России
Цыгане
Чехия
Чухонцы
Шотландия
Эстетика
Этнография
Этнопсихология
Юмор
Япония
C
Cеквенирование
E
E1b1b
G
I
I1
I2
J
J1
J2
N
N1c
Q
R1a
R1b
Y-ДНК
Поиск по этому блогу
суббота, 21 декабря 2013 г.
Alu: история одной последовательности
Ярлыки:
Генетика человека,
ДНК,
РНК