НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ГЕНОМА лекция 1
Мобильные генетические элементы • В 40 -х годах Барбара Мак-Клинток, американский генетик, обнаружила мозаичность окраски зерен у кукурузы, небъяснимую законами Менделя и мутационной теорией. • Она предположила, что некоторые гены могут менять свое место в геноме. В 70 -х годах это предположение получило экспериментальное подтверждение. 2
• Мобильные генетические элементы (МГЭ) - это последовательности нуклеотидов, меняющие свою локализацию и копийность в геноме. • • Выделяют следущие классы МГЭ: 1. IS - вставочные элементы у прокариот. 2. Tn - транспозоны у прокариот. 3. Эписомы у прокариот. 4. Некоторые умеренные фаги. 5. Контролирующие элементы кукурузы. 6. Мобильные диспергированные гены у дрозофилы, мыши, человека. • 7. Провирусы. • В литературе "транспозоны" - все мобильные генетические элементы. Это элементы генома, которые меняют свое положение и копийность в геноме. 3
Major Types of Mobile DNA Elements Type Structural Features Mechanism of Movement Examples DNA-MEDIATED TRANSPOSITION Bacterial insertion sequences (IS elements) Bacterial transposons ≈50 -bp inverted repeats flanking region encoding transposase and, in some, resolvase Excision or copying of DNA and its insertion at target site IS 1, IS 10 Central antibioticresistance gene flanked by IS elements Copying of DNA and its insertion at target site Tn 9 P element Eukaryotic transposons Inverted repeats flanking coding region with introns Excision of DNA and its insertion at target site (Drosophila); Ac and Ds elements (corn) 4
Major Types of Mobile DNA Elements Type Structural Features Mechanism of Movement Examples RNA-MEDIATED TRANSPOSITION ≈250 - to 600 -bp direct terminal repeats (LTRs) Viral flanking region encoding retrotranspo reverse transcriptase, -sons integrase, and retrovirallike Gag protein Of variable length with a 3′ Nonviral A/T-rich region; fullretrotranspo length copy encodes a -sons reverse transcriptase Transcription into RNA from promoter in left LTR by RNA polymerase II followed by reverse transcription and insertion at target site Transcription into RNA from internal promoter; folding of transcript to provide primer for reverse transcription followed by insertion at target site Ty elements (yeast); Copia elements (Drosophila) F and G elements (Drosophila); LINE and SINE elements (mammals); Alu 5 sequences (humans)
IS-элементы • Это самые простые транспозоны. Другое название – инсертосомы. Размер IS-элементов ~1000 п. н. На концах они содержат инвертированные повторы (~20 п. н. ). IS- элементы содержат только один ген - ген транспозазы, фермента, обеспечивающего перемещение IS-элемента по геному. • Транспозаза - это обобщеный термин. Разные транспозазы работают по-разному, но смысл общий: транспозаза вырезает ДНК в одном месте и вставляет в другое место генома. • Перед геном в IS-элементе имеется промотор, за геном - слабый терминатор транскрипции. Не всегда РНК-полимераза останавливается на нем, она может продолжать транскрибировать и рядом стоящий участок генома до сильного терминатора. 6
Tn-транспозоны Такие транспозоны содержат по краям IS-элементы. • Помимо гена транспозазы Tn-транспозоны содержат один или несколько генов лекарственной устойчивости. Копийность транспозона возрастает при наличии провокационного фона (например, наличие в среде антибиотика, ген устойчивости к которому кодируется в транспозоне). • Есть транспозоны, не содержащие гена транспозазы. Такие транспозоны содержат по краям IS-элементы. Размер транспозонов - 2. 5 -10 тыс. п. н. • Всем транспозонам свойственно наличие прямых повторов, LTR (long terminal repeats - длинные концевые повторы) • После перехода из основной ДНК в плазмиду транспозон может попасть с ней в другую бактерию, придавая новому хозяину ранее отсутствующую лекарственную устойчивость. Кроме того, при вырезании транспозона из геномной бактериальной ДНК захватываются участки генома одной бактерии, которые вместе с транспозоном переносятся в другую бактерию. Захват ДНК происходит, если эта ДНК находится между двумя транспозонами. 7
Умеренные фаги • Фаги – бактериальные вирусы, осуществляющие инфекционный процесс. Фаг может захватывать часть генетической информации одной бактерии и переносить ее в другую. Поэтому сегодня говорят о едином генофонде прокариот. Вирусы • Некоторые вирусы - на самом деле тоже мобильные элементы. В форме провируса они находятся в геноме клетки хозяина, а потом могут начать перемещаться. Это, например, онкорнавирусы, являющиеся ретровирусами. • С открытием ретровирусов стал вопрос о возможности переноса генетического материала от одного организма к другому без полового процесса. При заражении вирусом генетический материал может переходить от вида к виду, минуя барьеры межвидовой изоляции. Такой перенос был назван горизонтальным. • Его могли осуществлять клещи, паразитирующие на разных видах дрозофилы (работа наподобие иглы со шприцом). Такой перенос может осуществляться, когда хищник поедает жертву (показано, что ДНК переваривается не до конца, отдельные молекулы могут попадать из кишечника в клетку и ядро, а затем интегрироваться в хромосому). Эписомы прокариот Эписома – плазмида, способная интегрировать в бактериальную ДНК. Плазмиды способствуют конъюгации бактерий. 8
Мобильные элементы эукариот 9
• Контролирующие элементы кукурузы • Геном кукурузы содержит несколько семейств, члены каждого семейства могут быть подразделены на два класса: • автономные – способны вырезаться и транспозироваться и • не автономные – передвигаются, если в определенной области генома есть автономный член того же семейства • Элементы Ty дрожжей • Напоминают бактериальные транспозоны. Способны вырезаться при участии гомологичной рекомбинации; траскрибируются. 10
Мобильные элементы дрозофилы Число копий Copia FB p Длина, п. н Длина терминально го прямого повтора Длина терминального повтора инвертирован мишени ного повтора 20 -60 ~30 ~50 или 0 5 000 500 -2 900 276 Нет 17 250 -1 250 31 5 9 ? 11
гибридизация при 290 С: ♀ норма х ♂ с активным р элементом → все потомство стерильное; ♀ с активным р элементом х ♂ норма → все потомство нормальное • • P-elements are transposable elements that carry genes for transposase activity that cause the elements to move, and repressor activity that prevents expression of transposase. In a cross between a P-element-carrying female and a laboratory male [left], repressors in the maternally - derived cytoplasm repress expression of the maternally - inherited P elements. The resulting offspring show the wild-type phenotype. 12
• Contribution of mobile genetic elements to the evolution of pathogenic E. coli. 13
• The Tn 916/Tn 1545 Family of Conjugative Transposons • http: //www. landesbioscience. com/curie/chapter/5268/ 14
• • Haploid Pokey number inside and outside of r. DNA in D. pulex and D. pulicaria. L isolates are from lakes (D. pulicaria) and P isolates are from ponds (D. pulex). (a) g. Pokey and r. Pokey number in each isolate. r. Pokey is inserted in 28 S genes. g. Pokey was calculated as (total Pokey- r. Pokey). (b) Correlation between g. Pokey and r. Pokey. D. pulicaria (-3) refers to the analysis done after excluding the three isolates with high Pokey load 15
• Mobile Genetic Elements in Metazoan Parasites http: //www. landesbioscience. com/curie/chapter/3124/ • It has become apparent that the schistosome genome is replete with numerous copies of diverse repetitive sequences. Mobile genetic elements constitute much of this repetitive component of the schistosome genome. Of these mobile elements, an expanding number of discrete schistosome retrotransposons—long terminal repeat (LTR) retrotransposons, non-LTR retrotransposons and SINEs—have been identified in recent years. The identity, structure, phylogenetic relationships, and size contributions of the schistosome non-LTR retrotransposons reported to date are reviewed here. (Other chapters in this book focus on LTR retrotransposons of schistosomes [Copeland, Laha, Brindley] and schistosome SINES [Ferbeyre]. ) These elements include members of the CR 1, RTE and R 2 clades, including elements termed SR 1, SR 2, SR 3, pido and Perere-3 and Perere-9 from Schistosoma mansoni, S. japonicum and S. haematobium. An enhanced understanding of these elements will increasernour understanding on the evolutionary and phylogenetic relationships of schistosomes and 16 Platyhelminths at large, will facilitate the annotation of the soon-to-be-reported draft genome sequences of S. mansoni and S. japonicum, and can be expected to have practical implications including the development of transgenesis vectors.
• The impact of retrotransposons on human genome evolution • http: //www. nature. com/nrg/journal/v 10/n 1 0/full/nrg 2640. html 17
• This visualiztion provides an overview of the composition of LTR retrotransposons across the entire genome, and quickly allows the user to see that LTR retrotransposons have preferentially accumlated in pericentromeric heterochromatin. • This image illustrates an overview of 1) the distribution of the LTR retrotransposons coverage for the 10 chromosomes in the maize genome, 2) the histogram of the percent coverage of all 1 MB bins in the genome, 3) the empiriculative cumulative distirbution coverage for these data, and 4) color assignment of these data into ten color classes using an euqal interval clustering approach. The above visualization was generated by hand in the R statistical programming language, and providing a tool for quick generation of intuitive visualizations such as these could facilitate exploratory spatial data analysis. Author: James Estill 18 http: //gencart. sourceforge. net/
• • Distribution of different clades of non-LTR retrotransposons among nematode Caenorhabditis elegans, fruit fly Drosophila melanogaster, malaria mosquito Anopheles gambiae, sea squirt Ciona intestinalis, fungi, and vertebrata. http: //retrotransposo ns. org/index_resear ch_other. html 19
Age and Number of Mobile elements Humans contain a higher percentage of mobile elements (active and incactive) relative to three other fully-sequenced genes (Fly, worm, mustard): Element Human Fly Worm Arabodopis LINE/SINE 33. 4% 0. 7% 0. 4% 0. 5% LTR 8. 1% 1. 5% 0. 0% 4. 8% DNA 2. 8% 0. 7% 5. 3% 5. 1% All TEs 44. 4% 3. 1% 6. 5% 10. 5% However, human elements are older. Even when compared to mice, again human elements are older. Hence, relative to certain "model" organisms, humans have a higher percentage of their genome from mobile elements, but the vast 20 majority of these are old, no longer functional, elements.
21 • Evolutionary Implications of Mobile Elements
Структура, механизмы перемещения и роль подвижных элементов в поддержании целостности хромосом 22
• http: //wwwold. agr. unipi. it/typo 3 temp/pics/a 46 cedf 7 ff. jpg http: //sete. nichd. nih. gov/current_research. htm 23
Перемещение транспозона • • Концы транспозона (инвертированные повторы) показаны направленными навстречу стрелками. Дочерние нити ДНК после репликаии изображены разным цветом Внизу на схеме направленные навстречу стрелки указывают положение транспозона в районе «красной» двойной спирали. Синими стрелками изображен синтез комплементарных нитей. 24
Перемещение ретротранспозонов 25
Сохранение концов хромосомы в процессе повторных актов репликации 26
Устранение повреждений в одной из комплементарных цепей ДНК и залечивание двухнитиевого разрыва ДНК с помощью ретротранспозона 27
Роль МГЭ в регуляции активности генов и эволюции генома 28
Нарушение работы гена в результате внедрения подвижного элемента 29
След, оставляемый транспозоном в районе промотора 30
• Variegation in sectors of wildflower petals. A wildflower blooms all over the middle Atlantic states in the USA in late May and June. My neighbors call this wild flox. It is an invasive plant, but it is pretty when it blooms. It has two predominant flower colors, purple (A) and white (B). However, a casual examination of the plants reveals sectored petals at a moderate frequency (C-E). This is a variegating phenotype of unknown origin. It can produce white sectors on purple petals (C) or purple sectors on white petals (D, E). 31
• Three-dimensional structure of the Tn 5 transposase in complex with Tn 5 transposon DNA. A. The dimer of the Tn 5 transposase is shown bound to a fragment of duplex DNA from the end of the transposon. Alpha helices are green cylinders, beta sheets are yellow-brown, flat arrows and protein loops are blue wires. The DNA is a duplex of two red wires, one for each strand. B. The DNA is shown without the protein and with the nucleotides labeled. The end of the DNA at the top of this panel is oriented into the active site in the middle of the protein in panel A. The structure was determined by Davies DR, Goryshin IY, Reznikoff WS, Rayment I. (2000) � Threedimensional structure of the Tn 5 synaptic complex transposition intermediate. � Science 289: 77 -85. These images was obtained by downloading the atomic coordinates from the Molecular Modeling Database at NCBI, viewing them with CN 3 D 3. 0 and saving static views as screen shots. The file for observing a virtual three-dimensional image is available at the course website. 32
• • The mobility of genetic elements called transposable elements (TEs) was discovered half a century ago by Barbara Mc. Clintock. Although she had recognized them as chromosomal controlling elements, for much of the consequent time TEs were primarily considered as parasites of the host genome. However the recent explosion of discoveries in the fields of genomics and epigenetics have unambiguously shown the importance of TEs in genome function and evolution. Bursts of endogenous TEs have been reported in plants with epigenetic misregulation, revealing the molecular mechanisms underlying their control. We review here the different steps in TE invasion of the host genome involving epigenetic control and environmental stress responses. As TEs propagate in plant genomes and attract epigenetic marks, their neo-insertions can lead to the formation of new, heritable epigenetic variants (epialleles) of genes in their vicinity and impact on host gene regulatory networks. The epigenetic 33 interplay between TE and genes thus plays a crucial role in the TE-host co-evolution. http: //www. sciencedirect. com/science/article/pii/S 1369526612001094
34
Представление о подвижном промоторе 35
Нарушение активности гена в результате изменения границы петли – регуляторного домена • Усилитель (красный квадрат) перестает активировать ген 3 после внедрения ретротранспозона, несущего нуклеотидную последовательность со свойствами инсулятора 36
Перестройки хромосом, обусловленные присутствием в хромосомах одинаковых повторяющихся последовательностей, представленных подвижными элементами 37
Эффекты, вызываемые мобильными элементами • - Внедрение мобильных элементов внутрь гена приводит к выключению гена. • - Может нарушаться регуляция гена, если мобильный элемент внедряется между оператором и цистроном (у мобильного элемента есть свой промотор). • - Вставка мобильного элемента может привести к экспрессии генов, которые не должны в данное время работать. • Наличие мобильных элементов является фактором, способствующим незаконной рекомбинации. • При незаконной рекомбинации перетасовываются гены, не имеющие отношения друг к другу. • Мобильные элементы провоцируют образование делеций, инверсий, дупликаций. Все это - хромосомные мутации. 38
Молекулярные основы канцерогенеза 39
• Признаки трансформированной клетки: • 1. Неконтролируемое деление Искажен клеточный цикл. Продолжителен S-период. Стадия G 2 сведена к минимуму. Клетка вступает в митоз неготовой. Последствия: нарушения при расхождении хромосом. Высокая потребность в энергии. При этом в элокачественных клетках гликолиз (идущий без кислорода) превалирует над окислительным фосфорилированием. • 2. Клетки перестают узнавать друга Происходит утрата контактного торможения. Это связано с изменением мембранных белков - белков-рецепторов и пр. Нарушается адгезия (прилипание к поверхности). • 3. Раковые клетки дедифференцированы 40
Теории рака До 70 -х годов существовало три теории рака: 1. Канцерогенная теория Известны професиональные раковые заболевания: рак кожи у трубочистов, рак губы у кровельщиков и пр. Бензопирен - первый описанный канцероген. Определение: канцерогены - это вещества, повышающие частоту возникновения рака. Но в экспериментах с канцерогенами не все животные заболевали. 2. Генетическая теория Появилась в 30 -х годах. У лабораторных мышей известны высоко- и низкораковые лабораторные линии 3. Вирусная теория В молоке мышей был найден "фактор молока" (вирус Битнера). Объединение всех этих теорий произошло в 50 -х годах. Отечественный ученый Лев Зильбер высказал гипотезу, что причиной рака может быть 41 вирус, который становится геном.
Обратная транскрипция - это синтез ДНК по матрице РНК. Обратную транскрипцию обнаружили в 1970 г. Темин, Балтимор, Дульбеко, работавшие с вирусом саркомы Рауса (ВСР). Этот вирус вызывает саркому у кур. Это онкорнавирус (onco. RNA) - относится к ретровирусам. Ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса. Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам. В состав ретровируса входят две идентичные молекулы РНК. На 5'-конце имеется Сap, на 3' -конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой. Геном ретровируса содержит 4 гена: gag - белок нуклеоида, pol - обратная транскриптаза, env - белок капсида (оболочки), onc - онкоген, ответственный за злокачественную трансформацию клетки. str 5 = str 3 - (short terminal repeat) короткий концевой повтор; U 5, U 3 - уникальные последовательности (U 5 - 80 н. , U 3 - 200 н. ); 42 PB (primer binding site) - участок связывания затравки.
• Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str 3 и str 5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК. Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная. Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U 3 str 3(5) U 5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам. • Для экспрессии вирусных генов нужен толчок: канцерогены, изменения метаболизма в клетке хозяина, стресс. • Большинство изученных вирусных онкогенов кодируют протеинкиназу, фермент, который фосфорилирует белки. Как правило - это тирозиновая протеинкиназа. В клетке есть собственные протеинкиназы, в том числе и тирозиновая, но гораздо более активны сериновая и треониновая. Гены, кодирующие клеточные протеинкиназы, обозначают oncc, вирусные - oncv. Oncc - клеточные гены, работающие в дифференцированных клетках. Oncc имеют интроны, oncv - не имеют. Oncv либо добавляет тирозиновую протеинкиназу - и сказывается дозовый эффект гена тирозиновой протеинкиназы, либо, по сравнению с клеткой, не имеющей oncv, клетка, его имеющая, фосфорилирует тирозин, а не серин или треонин, как обычно, то есть происходит смена мишени. В первую очередь это касается белков, присутствующих в клетке в большом количестве. Это белки цитоскелета (нарушение адгезии), мембранные белки (нарушение контактного торможения), гистоны (нарушение регуляции, компактизации, облегчение репликации ДНК). • Ретровирусы скорее всего возникли в результате внедрения мобильных элементов в непосредственной близости от oncc генов. В дальнейшем oncc превратился в oncv, а клеточная полимераза - в обратную транскриптазу. Вирус начал самостоятельную жизнь. Стадия провируса говорит о его клеточном происхождении. 43
Рак - болезнь генома В медицине рак - это злокачественная опухоль только эпителиальных тканей. Метастазы - возникающие опухоли в районе удаления от исходной опухоли. Рак - болезнь генома. Одним из путей активации oncc является такая перестройка генома, в результате которой рядом с онкогеном появляется новый регуляторный элемент, обеспечивающий его более активную транскрипцию. Другой путь - структурная мутация в протоонкогене, т. е. нормальном клеточном гене, способном превратиться в онкоген. Существуют антионкогены, или гены-супрессоры опухолей, подавление активности которых приводит к развитию опухолей. Природа белковых продуктов онкогенов и антионкогенов чрезвычайно разнообразна. К онкогенам относят некоторые гены белков - факторов роста, а также гены рецепторов факторов роста. Перепроизводство факторов роста или нарушение структуры их рецепторов может привести к более частому делению клеток. Изменения в генах, кодирующих белки - передатчики сигналов от рецепторов к ядру клетки, в основном, протеинкиназы различной специфичности, а также изменения экспрессии генов, ответственных за белковые факторы транскрипции, могут превратить нормальную клетку в раковую. 44
• Подавление активности генов, ответственных за рост и размножение клеток, осуществляется белковыми продуктами генов - супрессоров опухолей. Так, ключевая роль в разрешении на переход из одной фазы клеточного цикла в другую принадлежит белкам - циклинам. Только находясь в комплексе с циклинами, циклинзависимые протеинкиназы способны фосфорилировать белки мишени, необходимые для перехода в следующую фазу клеточного цикла. • Специальные белки сканируют ДНК перед репликацией на предмет выявления нерепарированных повреждений. Если ДНК не проходит тест, то включаются системы реализации "запрограммированной смерти" - апоптоза, в результате чего разрушаются жизненно важные структуры клетки, в том числе хромосомы и цитоскелет. Апоптоз определяется большим числом генов, центральное место среди которых занимает ген, кодирующий белок с молекулярным весом 53 к. Да, - ген p 53. Этот ген поврежден в 50% всех опухолей человека. Когда он выведен из строя, клетки с поврежденной (мутантной) ДНК перестают выбраковываться и в них происходит накопление новых мутаций, которые могут затрагивать как протоонкогены, так и гены-супрессоры опухолей. • Как правило, рак развивается у людей пожилого и старого возраста. Это связано с тем, что мутации возникают случайно - и вероятность накопления в клетке нужного для злокачественного превращения набора измененных генов увеличивается с годами. Посчитано, что в среднем в клетке человека должно накопиться 10 независимых мутаций, касающихся онкогенов и генов - супрессоров опухолей. 45
46
47
48
• Ретровирусные РНК кончаются прямыми повторами (R), а свободные линейные ДНК-последовательностями LTR; концы провирусов представляют собой LTRпоследовательности, укороченные на два основания. 49
• Последовательности LTR образуются при переключении матриц во время обратной транскрипции. Новая матрица может быть другим концом той же молекулы (как показано на рисунке) или другой молекулой. 50
у дефектных в отношении репликации трансформирующих вирусов часть вирусной последовательности замещена последовательностью клетки. Длина замещенной последовательности характерна для каждого вируса • Интеграция ретровируса сопровождается образованием двух типов кольцевых молекул ДНК 51
• В отдельных случаях последовательность РНК служит предшественником геномной последовательности (ДНК). Вероятно, РНК должна была превратиться в двухцепочечную ДНК, которая затем внедрялась в геном с помощью события, напоминающего транспозицию. Прямое указание на существование такого пути получено при изучении ретровирусов, у которых такой путь представляет собой часть обычного инфекционного цикла. Структура некоторых псевдогенов и других последовательностей (включая членов семейства Alu) свидетельствует, что аналогичный путь может быть пройден клеточной последовательностью (достаточно редко). В обоих случаях внехромосомный элемент дает начало геномной последовательности. • По всей вероятности, транспозоны не способны к существованию вне генома. • Изменения в относительном соотношении компонентов генома иногда происходят во время соматического развития. Хорошо известно, например, Независимо от того, являются ли они компонентами, играющими важную роль в жизни клетки, или ее паразитами, занятыми только своим собственным воспроизведением, свободных молекул ДНК они не образуют. увеличение числа копий определенных генов у личинок насекомых. Благодаря возможности отбирать варианты клеток с увеличенным числом копий определенного гена показана случайная амплификация генов в культуре клеток млекопитающих. Инициируемое внутри генома событие амплификации способствует созданию дополнительных копий гена, которые существуют либо в составе хромосомы, либо в форме внехромосомных элементов. • Открытию транспозиции и других перестроек в ДНК в какой-то мере способствовали наши знания об удивительной способности последовательностей ДНК приспосабливаться. 52 • Льюин
ПСЕВДОГЕНЫ 53
Псевдогены • Псевдогены характеризуются сочетанием гомологии с известными генами и нефункциональности. • Псевдогены являюся «погасшими» родственниками известных генов, которые потеряли их протеин-кодирующую способность или являются otherwise no longer expressed in the cell. Хотя они могут иметь некоторые подобные генам черты (такие как промоторы, рамки считывания, Cp. G-островки и сайты сплайсинга), они тем не менее считаются нефункциональными из-за потери протеин-кодирующей способности в результате различных генетических нарушений (=выведение из строя) (стоп-кодоны, сдвиги рамки считывания или потеря транскрипции) или их неспособности кодировать РНК (как у псевдогенов р. РНК). Термин предложен в 1977 году (Jacq, et al. ), состоит из префикса псевдо, что означает ложный, фальшивый и корня ген – центральной единицы молекулярной генетики. • Полагают, поскольку псевдогены обычно являются последней остановкой для генетического материала, который должен быть удален из генома, они часто помечены как «мусорная ДНК» . Тем не менее, псевдогены содержат интереснейшие биологические и эволюционные истории внутри своих последовательностей. Это обусловлено тем, что псевдогены имеют общего предка: подобно тому как Дарвин считал что два вида, возможно имевших общего предка, имеют миллионы лет дивергенции, псевдогены и их гены также имеютобщего предка и дивергировали они как отдельные генетические 54 сущности=организмы миллионы лет.
ТИПЫ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПСЕВДОГЕНОВ 1. Процессированные (или ретротранспозированные) псевдогены. В процессе ретротрвнспозиции часть м. РНК спонтанно транскрибируется ревертазой и встраивается в хромосомную ДНК. Когда эти псевдогены встроились обратно в геном, они обычно содержат splice-out интроны и поли-А хвост, два отличительных признака к. ДНК. Однако, поскольку они произошли от зрелой м. РНК, процессированные псевдогены также теряют промоторы нормальных генов; таким образом, они считаются «погибшимипо прибытии» , становящимися нефункциональными псевдогенами сразу после события транспозиции. Еще одним свойством процессированных генов является общее усечение 5’ конца относительно родительской последовательности в результате относительно непроцессивного механизма ретротранспозиции, который создает процессированные псевдогены. 2. Не процессированные (или дуплицированные) псевдогены. Копия функционального гена может возникнуть в результате события генной дупликации и затем приобретения мутаций, которые приводят их к нефункциональности. Дуплицированные гены обычно имеют все характеристики гена, включая интактную экзон-интронную структуру и промоторные последовательности. Потеря дуплицированными генами функциональности обычно имеет малый эффект на приспособленность (fitness) организма, т. к. интактная функциональная копия все еще существует. 3. Поврежденные гены, или унитарные псевдогены. Различные мутации могут удержать ген от успешной транскрипции или трансляции, или ген может стать нефункиональным или неактивным если такие мутации зафиксируются в популяции. Это тот же механизм, с помощью которого непроцессированные гены становятся неактивнми, но отличие в данном случае в том, что гены не были дуплицированными до того, как стали непригодными. Обычно, такие генные дезактивации не должны фиксироваться в популяции, но различные популяционные эффекты, такие как генетический дрейф, популяционное бутылочное горлышко, или в некоторых случаях естественный отбор, могут привести к фиксации. 55
Модели формирования псевдогенов Полные генные дупликации – наиболее известный механизм образования генов, возможно относящийся к большинству новых генов. Успешная генная дупликация проходит легче через ДНК, чем через обратную транскрипцию м. РНК. • Скорость событий дупликации примерно одинакова у разных видов (!) и составляет ~0. 01 дупликаций на ген за 1 млн. лет. • Время полу-жизни дуплицированных генов составляет всего 3 -8 млн лет; следовательно, дуплицированные гены постоянно генерируются, тестируются и часто отбрасываются. 56
57
ЭПИГЕНЕТИКА 58
59
Сюрпризы митохондриального генома Схема образования кольцевых молекул ДНК разного размера в митохондриях растений. Рекомбинация происходит по повторенным участкам (обозначены синим цветом). Схема образования линейных (А), кольцевых (Б), цепных (В) олигомеров мт. ДНК. ori — район начала репликации ДНК. 60
Цитоплазматическая наследственность • Цитоплазматическая наследственность, в отличие от ядерной, не подчиняется законам Менделя. Это связано с тем, что у высших животных и растений гаметы от разных полов содержат несопоставимые количества митохондрий. Так, в яйцеклетке мыши имеется 90 тыс. митохондрий, а в сперматозоиде — лишь четыре. Очевидно, что в оплодотворенной яйцеклетке митохондрии преимущественно или только от женской особи, т. е. наследование всех митохондриальных генов материнское. Генетический анализ цитоплазматической наследственности затруднен из-за ядерно-цитоплазматических взаимодействий. В случае цитоплазматической мужской стерильности мутантный митохондриальный геном взаимодействует с определенными генами ядра, рецессивные аллели которых необходимы для развития признака. Доминантные аллели этих генов как в гомо-, так и в гетерозиготном состоянии восстанавливают фертильность растений вне зависимости от состояния митохондриального генома. • Изучение геномов митохондрий, их эволюции, идущей по специфическим законам популяционной генетики, взаимоотношений между ядерными и митохондриальными генетическими системами, необходимо для понимания сложной иерархической организации эвкариотической клетки и организма в целом. 61
ЛОКАЛИЗАЦИЯ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛОКУСАХ р. ДНК • R – недлинные терминальные повторы ретротраннспозоны, в то время как Pokey являются ДНК опосредованным элементом. • R 2, R 4, R 5 и R 8 найдены во многих линиях животных, а R 1, R 6, R 7 и RT представляют независимые линии элементов у артропод; они перемещаются иногда за пределы локусов р. РНК. • R 1 и R 2 обнаружены в большом количестве у разных таксонов, т. е. они видимо являются просто успешными «паразитами» . • Так конверсии обычно ингибируются большими вставками (R 1 и R 2 элементы ЛОКУСЫ р. ДНК СЛУЖАТ НИШАМИ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ имеют длину 3. 5 -5. 5 тпн) большая часть ЭЛЕМЕНТОВ (Eickbush & Eickbush, 2007) элиминации новых инсерций из локусов р. ДНК (что происходит быстро) A small region of the 28 S gene, which contains many осуществляется через неравный insertion classes, is magnified above this repeat. Arrows indicate the insertion site of the various elements based on кроссинговер между сестринскими хроматидами. Таким образом, «оборот» R 1 their 3' junction with the gene. The current known distribution of each element is also shown. и R 2 является мерой объема неравного кроссинговера в модели согласованной 62 эволюции (Eickbush & Eickbush, 2007)
Барбара Мак-Клинток на чтении Нобелевской лекции 8 декабря 1983 года • Ба рбара Мак-Кли нток (1902 -1992) – американский ученыйцитогенетик, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 63
• Барбара Мак-Клинток разработала метод визуализации хромосом, сделала множество фундаментальных открытий в цитогенетике, в их числе • • • рекомбинация наследственной информации в результате кроссинговера ( «перекреста» и обмена участками хромосом) во время мейоза. Она составила первую генетическую карту кукурузы, описав физические свойства участков хромосом, показала роль теломер и центромер (участков хромосом, задействованных в сохранении генетической информации), провела обширные исследования по цитогенетике и этноботанике южноамериканских видов кукурузы, разработала теорию, объясняющую репрессию и экспрессию генетической информации при передаче от одного поколения к другому на примере кукурузы. В 1951 г. Мак-Клинток открыла транспозоны. Её работы получили признание в 1960 -1970 годы, когда был изучен механизм регуляции генов, открытой Мак-Клинток в 1940 -е годы. В 1983 г. Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине с формулировкой «За открытие мобильных генетических элементов» . 64
Стереомикроскоп Мак. Клинток и кукурузные початки на выставке в Национальном музее естествознания. 65
Влияние пропорции Ac/Ds на окраску зёрен. Зерно 10 бесцветно: в нём отсутствуют элементы Ac, и элементы Ds полностью ингибируют синтез пигментов антоцианов. В клетках зёрен с 11 по 13 присутствует по одному типу Ac, Ds могут перемещаться, что позволяет синтезировать некоторое количество антоцианов и приводит к мозаицизму зёрен. В клетках зёрен 14 и 15 присутствует по два и по три Ac соответственно. 66
Лев Алекса ндрович Зи льбер (1894— 1966) — создатель советской школы медицинской вирусологии 67
• • • Родился в семье капельмейстера 96 -го пехотного Омского полка Абеля Абрамовича Зильбера и его жены — урождённой Ханы Гиршевны (Анны Григорьевны) Дессон. В 1912 г. . окончил с серебряной медалью Псковскую губернскую гимназию и поступил на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета. В 1915 г. перевёлся на медицинский факультет Московского университета, получив разрешение одновременно посещать занятия на естественном отделении, и окончил его в 1919 г. Участвовал в подавлении вспышки чумы в Нагорном Карабахе в 1930 г. Руководитель дальневосточной экспедиции Наркомздрава СССР 1937 года по изучению неизвестного инфекционного заболевания центральной нервной системы. В ходе работы экспедиции была выяснена природа заболевания — клещевого энцефалита — и предложены методы борьбы с ним. Находясь в заключении (1937— 1939, 1940— 1944), Зильбер часть срока отбывал в лагерях на Печоре, где в условиях тундры из ягеля получил дрожжевой препарат против пеллагры и спас жизнь сотням заключённых, погибавших от полного авитаминоза. Получено авторское свидетельство на изобретение. Отвечал отказом на неоднократные предложения работать над бактериологическим оружием. Вспомнив об умении Зильбера получать спирт из ягеля, начальство направило его в химическую шарашку. Там Л. А. Зильбер начал свои исследования рака. За махорку заключённые ловят Зильберу мышей и крыс для экспериментов. В ходе исследований формулирует новую концепцию происхождения опухолей. В своем первоначальном виде (1944— 1945) она базировалась на двух основных положениях: опухоли имеют вирусное происхождение, но вирус выполняет лишь инициирующие функции в опухолевой прогрессии. В 1945 г. Зильбера избирают действительным членом только что созданной Академии медицинских наук, он становится научным руководителем Института вирусологии АМР СССР и возглавляет отдел вирусологии и иммунологии опухолей Института эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи, где и работал все последующие годы. Сталин, узнав о таких злоключениях этого выдающегося человека, извинился перед ним 68 за несправедливость жизни и собственноручно вручил ему Сталинскую премию - высшую награду для учёных того времени.
• Л. А. Зильбер в своей лаборатории в Институте эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалея. 50 -е годы 69
основоположники онкологии Мстислав Александрович Новинский (1841 -1914). Основоположник экспериментальной онкологии. Персиваль Потт (1714 -1788). Автор первых наблюдений профессионального рака. Николай Николаевич Петров (1876 -1964). Основоположник отечественной 70 онкологии.
Скачать презентацию НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ГЕНОМА лекция 1 Мобильные генетические элементы
11- НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ГЕНОМА.ppt