Мобильные элементы в геномах эукариот Лекция 3

Принципы классификации мобильных элементов Классификация автономных мобильных элементов • Классификация по структуре и жизненному циклу. • Филогенетическая классификация по аминокислотной последовательности основного фермента. • Филогенетическая классификация по составу ORF. Классификация не автономных мобильных элементов • Классификация по элементу предшественнику. • Классификация по функциональной РНК (для SINE) и автономному элементу, отвечающему за транспозицию или ретропозицию.

Классификация мобильных элементов (Транспозоны). Классификация, основанная на жизненных циклах и структуре элементов.

Суперсемейства мобильных элементов (Транспозоны). Семейство Транспозонов Бактериальные IS транспозазы Количество ORF TSD En/Spm 1 3 h. AT 1 8 Harbinger IS 5 2 3 IS 4 EU IS 4 1 2 Mariner IS 360 1 2 Mirage 1 8 -9 Merlin 1 2 1 9 -10 Novosib 1 8 P 1 7 -8 piggy. Bac 1 4 Rebavkus 1 9 Transib 1 5 Mu. DR IS 256 Классификация, основанная на строении и жизненных циклах.

Распространенность ДНК транспозонов. Большинство групп ДНК транспозонов могут быть найдены в основных классах ныне существующих эукариот. Интересно, что некоторые, не повсеместно распространенные классы ДНК транспозонов присутствуют в не связанных с первого взгляда группах, например CACTA транспозоны найдены у насекомых и у цветковых растений.

Классификация мобильных элементов (Ретропозоны). Классификация, основанная на жизненных циклах и структуре элементов.

Филогения мобильных элементов (Ретропозоны). Филогенетическая классификация, основанная на сравнении аминокислотных последовательностей обратной транскриптазы

Суперсемейства мобильных элементов (LINE). Группа LINE Семейство LINE ORF (Домены) TSD R 2 CRE, Ne. SL, R 2, R 4 1 (RT, EN, C) 2 -6 L 1, Tx 2 (Zf)(RT, EN) 8 -36 RTE 2 (Zf)(RT, APE) 4 -120 I I, Ingi, LOA, R 1, Tad 1 2 (Zf)(RT, APE, RH) 4 -8 Jokey, Rex 1, L 2, CR 1 2(Zf)(RT, EN) 0 -12 Классификация, основанная на строении и жизненных циклах. Филогенетическая классификация, основанная на аминокислотной последовательности обратной транскриптазы

Некоторые известные LINE элементы LINE За что отвечает? У кого найден? L 1 SINE, псевдогены, трансдукция генов Плацентарные, Сумчатые, Рыбы, Высшие растения. L 2, CR 1 SINE Сумчатые, Птицы, Рептилии. RTE SINE Насекомые, Сумчатые, Некоторые млекопитающие, Нематода, Кольчатые черви.

Эволюционная история CR 1 -LINE У Курицы описано 20 видов CR 1. Их эволюционная история показывает, что волны активности можно наблюдать не только для индивидуальных элементов, но и для семейств элементов. Есть периоды более высокой и более низкой суммарной активности во времени.

Классификация SINE элементов. Классификация, основанная на РНК-предшественнике. РНК предшественник LINE У кого найдены? t. RNA L 1, L 2, RTE Млекопитающие, Птицы, Рептилии, Растения 5 S r. RNA CR 1, RTE Грызуны, Сумчатые, Рыбы, Птицы 7 SL RNA L 1 Приматы, Грызуны, Сумчатые

Классификация SINE элементов. Классификация, основанная на сайте полиаденилирования.

Классификация SINE элементов. Классификация, основанная на количестве мономеров. Количество мономеров Комбинация Название РНК У кого найдены? мономер t. RNA С-SINE зайцеобразные 5 S MEG-R летучие мыши 7 SL FLAM приматы t. RNA-t. RNA DASII броненосцы t. RNA-7 SL ID-B 1 грызуны t. RNA-5 S MEG-TR летучие мыши 7 SL-7 SL Alu приматы 7 SL-t. RNA PBD 10 -Geo кенгуровая крыса (t. RNA)x 3 DASIII броненосцы t. RNA(7 SL)x 2 Tup-II древесная землеройка димер тример

Пример: мономеры, димеры и тримеры у грызунов – эволюция SINE

Пример: Эволюция SINE у броненосцев. Структуры t. RNAAla и DAS-I SINE Самый первый SINE у броненосцев возник примерно 75 млн. лет назад из т. РНК аланина. Фолдинг DAS-I SINE Эволюция DAS SINE за 75 миллионов лет. TRD

Происхождение Alu повторов. FLAM Alu повтор представляет собой комбинацию из двух остатков 7 SL РНК: FLAM и FRAM, соединённых олиго-А линкером. Несмотря на то, что FLAM и FRAM появились у общего предка грызунов и человека, Alu повторы образовались у предков приматов, а у грызунов FRAM, по-видимому был инактивирован, а FLAM породил большое разнообразие мономерных производных.

Эволюция Alu повторов у разных приматов. Alu широко распространены в геномах всех приматов. Многие приматы имеют свои собственные специфичные формы Alu.

Эволюция Alu повторов у разных приматов. • Несколько типов Alu повторов были активны в одно время. • Значительное изменение активности Alu повторов произошло вскоре после разделения на Обезьян Старого света и Обезьян Нового света.

Свойства и особенности поведения Alu повторов. • • • Alu элементы являются наиболее успешными из всех, в настоящее время известных мобильных элементов у млекопитающих. Alu элементы имеют размер в 280 нт, имеют, унаследованные от 7 SL РНК pol III промотор, но не имеет терминатора (TTTT). Alu элементы более эффективно воспроизводятся по сравнению с LINE 1 РНК. Между человеком и шимпанзе около 6 млн лет, за это время в геноме человека появилось от 2500 до 5000 Alu. Для сравнения, у макаки резус за 15 млн лет накопилось 11000 Alu. Новые Alu элементы появляются в геноме примерно в одном случае на 20 рождений. Из каждых 100 выявленных новых случаев генетических заболеваний как минимум одно вызвано встраиванием Alu элемента. Не менее 20 из каждых 100 выявленных случаев генетических заболеваний вызвано негомологичной рекомбинацией по Alu повторам. Alu так же активны в соматических клетках, примерно 1 из 1000 раковых заболеваний вызвано встраиванием или соматической рекомбинацией по Alu элементу. В клетках в каждый момент времени присутствует примерно 100 копий Alu РНК.

Свойства и особенности поведения Alu повторов. • Молекула Alu РНК имеет на 5’ конце трифосфатную группу. • Занимая 11% человеческого генома, Alu элементы являются причиной 25% его метилирования. • Alu присутствуют в нетранслируемых последовательностях многих клеточных РНК и могут вносить новые сайты полиаденилирования, РНК эдитинга и сплайсинга. • В некоторых, известных случаях, Alu элементы порождали новые экзоны, включающие часть Alu последовательности. Альтернативный первый экзон в гене TNFR (фактор некроза опухоли)

Пример: экзонизация Alu повторов. Путь от встраивания Alu до начала синтеза альтернативной формы фактора занял примерно 25 млн лет и реализовался только у обезьян старого света (человекообразных).

Заключение. • Мобильные элементы выживают в геноме клетки постоянно изменяясь. Этот процесс порождает большое число разных вариантов, из которых успех имеют лишь некоторые. • В отличие от осадочных пород, в геноме нельзя найти «вымершие единичные экземпляры» мобильных элементов, мы можем найти лишь те копии, которые размножились в достаточном количестве. • Некоторые группы элементов распространены почти везде, некоторые – ограничены тем или иным царством, классом, отрядом, родом живых существ. • Некоторые элементы имеют, по-видимому, высокую способность переноситься между видами и даже классами живых существ. Этой способностью обладают только автономные элементы. • SINE элементы всегда специфичны на уровне отряда, иногда рода. Наличие общих SINE элементов, как правило, указывает на близкого общего предка между видами. • SINE элементы «выживают» за счёт относительно высокой эффективности ретропозиции и за счёт постоянной эволюции. У млекопитающих специфические для данного отряда или рода активные SINE – правило. Обратное – исключение, однако для птиц, наличие SINE – редкость, и связано с меньшей эффективностью CR 1 LINE по сравнению с LINE 1.