Транспозиції мобільних елементів

Переміщення (транспозиції) мобільних (інтерсперсних) елементів (див також розділ 4) є ще одним особливим типом рекомбінації ДНК, яка відбувається в усіх організмів. Мобільні елементи можна розділити на два основні класи: ДНК-транспозони, що переміщуються за принципом "cut and paste", і елементи, переміщення яких відбувається шляхом синтезу РНК з наступним синтезом ДНК на РНК-матриці. Основні типи мобільних елементів, що відносяться до другого класу: LTR-ретропозони з довгими кінцевими повторами (Long Terminal Repeats); елементи LINE (Long INterspersed Elements); елементи SINE (Short INterspersed Elements).

Переміщення мобільних елементів є досить рідкою подією – у бактерій відбувається одна транспозиція на 10⁵-10⁶ клітин. Проте, активність мобільних елементів має важливе біологічне значення. Вбудовування мобільних елементів у кодуючі частини генів очевидно призводить до мутацій, у регуляторні частини генів – до зміни транскрипційної активності. У процесі свого переміщення мобільний елемент може захопити той чи інший регуляторний елемент послідовності та вбудувати його в інший промотор. У принципі, переміщення генетичного матеріалу разом з мобільними елементами може призвести до появи нових генів – до 42 генів у геномі людини ймовірно виникли у подібний спосіб.

ДНК-транспозони

Мобільні елементи цього типу часто містять принаймні два гени, що кодують два білка під спільною назвою транспозаза. Транспозаза здійснює каталіз хімічних реакцій, що забезпечують транспозицію елемента – його вирізання з донорного сайта і вбудовування у сайт-мішень. Крім генів транспозази мобільний елемент може містити інші гени, або навпаки – гени транспозази можуть бути пошкодженими. В останньому випадку транспозиція даного елемента відбувається з використанням транспозази, що закодована іншим ДНК-транспозоном.

Рис. 10.15. Механізм переміщення ДНК-транспозона.

Кодуюча частина транспозона фланкована невеликими повторами, що їх впізнає транспозаза, вирізаючи фрагмент ДНК з тупими кінцями (розрізи в двох полінуклеотидних ланцюгах робляться точно один напроти одного). Сайт-мішень – невелика специфічна послідовність ДНК, яка теж впізнається транспозазою і теж розрізається – але так, що в місці розрізу залишаються одноланцюгові 5'-кінцеві вирости (рис. 10.15). Далі транспозаза каталізує ковалентне приєднання 3'-кінців транспозона до цих виростів, прогалини заповнюються шляхом репатаривного синтезу.

Процес транспозиції (який, по суті, є одним з варіантів сайт-специфічної рекомбінації) залишає дволанцюговий розріз у місці, де знаходився транспозон. У випадку незалежної від реплікації транспозиції (нереплікативна транспозиція), цей розріз піддається репарації за механізмом негомологічного з'єднання кінців. Тобто, транспозон просто “стрибає“ в інше місце. Але досить часто транспозиція відбувається під час реплікації (реплікативна транспозиція) – тоді розріз репарується за рекомбінаційним механізмом (див рис. 10.1): сестринська молекула ДНК використовується як матриця, і ділянка, що містила транспозон, відновлюється – транспозон “розмножується“.

Рис. 10.16. Механізм переміщення LTR-ретропозона.

LTR-ретропозони

Кодуюча ділянка LTR-ретропозона (5-8 кб) містить кілька генів: зворотної транскриптази (РНК-залежна ДНК-полімераза), інтегрази (аналог транспозази), РНКази Н. На кінцях розташовані довгі кінцеві повтори (200-600 пар основ), які й надали назву цим мобільним елементам.

Процес переміщення копії LTR-ретропозона нагадує життєвий цикл ретровірусів. Першим етапом є транскрипція ретропозона: синтез мРНК РНК-полімеразою ІІ (рис. 10.16). Ця мРНК, звичайно, транспортується до цитоплазми, де піддається трансляції. Зворотна транскриптаза, яка є продуктом цієї трансляції, здійснює синтез ДНК: мРНК використовується як матриця, 3'-кінець молекули тРНК – як праймер. Комплекс синтезованої ДНК-копії ретропозона з інтегразою повертається до ядра, де здійснюється інсерція цієї ДНК у геном.