3. Мобильные элементы генома

3.1 Открытие и классификация мобильных элементов

В начале 40-х гг. американская исследовательница Барбара Мак - Клинток открыла существование гена, который вызывал повышение частоты хромосомных перестроек у кукурузы. Среди потомков от скрещивания, в котором оба родителя несли такие перестройки, появлялись нестабильные мутации с неожиданно высокой частотой. В 1948 г. она опубликовала результаты исследований этого локуса, вызывающего разрывы хромосом, сделав вывод, что он является совершенно необычным, поскольку может перемещаться из одного участка хромосомы в другой. Б. Мак – Клинток назвала феномен перемещения транспозицией, а сами локусы — контролирующими элементами (КЭ).

Свою Нобелевскую премию за открытие мобильных элементов Б. Мак – Клинток получила в 1983 г., в возрасте 81 года.

Эти элементы характеризуются следующими свойствами:

1) они могут перемещаться из одного сайта в другой;

2) их встраивание в данный район влияет на активность генов, расположенных рядом;

3) утрата КЭ в данном локусе превращает прежде мутабильный локус в стабильный;

4) в сайтах, в которых присутствуют КЭ, могут возникать делеции, транслокации, инверсии, а также разрывы хромосом.

Геном кукурузы содержит несколько семейств КЭ. Члены каждого семейства могут быть подразделены на два класса:

1. Автономные элементы, которые способны перемещаться и вырезаться. Их внедрение ведет к появлению нестабильных аллелей.

2. Неавтономные элементы, которые могут быть активированы к транспозиции только определенными автономными элементами (членами того же семейства).

При встраивании автономного элемента в ген последний мутирует, однако мутация эта будет нестабильной, так как элемент может выйти из данного гена и переместиться в другой участок генома.

Система Ac-Ds у кукурузы была изучена в деталях. Автономный Ас-элемент имеет инвертированные повторы (IR) на концах. Он содержит единственную единицу транскрипции (5 экзонов и 6 интронов), кодирующую фермент транспозазу. Неавтономные элементы Ds возникают в результате делеции внутренних участков Ас-элемента.

Если растение имеет аллель гена С дикого типа, зерно будет иметь пурпурную окраску, если Ac-элемент индуцировал инсерцию Ds в ген С, возникает мутантный аллель с, и зерно будет бесцветным. В ходе развития Ds-элемент может в некоторых клетках выйти из гена С, в результате чего зерна вновь приобретут пурпурную окраску. Таким образом возникает мозаичность.

К настоящему времени мобильные элементы открыты у множества видов растений, животных и микроорганизмов.

По механизмам транспозиции мобильные элементы делятся на две основные группы. Элементы первого класса (ретровирусы и ретротранспозоны) перемещаются, используя обратную транскриптазу, т. е. на РНК-матрице мобильного элемента синтезируется ДНК. Обратная транскриптаза (ревертаза в русскоязычной литературе) не только ведет синтез нити ДНК на РНК, но и осуществляет синтез второй комплементарной нити ДНК, а РНК-матрица распадается и удаляется. Двунитевая ДНК синтезируется в цитоплазме, а затем перемещается в ядро и может встроиться в геном, образуя провирус. Ретротранспозоны составляют как минимум 2 % генома у дрозофилы и более 40 % y некоторых растений.

Ретровирусы и ретротранспозоны, как правило, имеют на концах прямые длинные концевые повторы LTR (long terminal repeats).

Второй класс элементов объединяет представителей, которые перемещаются в геноме как чистые ДНК-элементы и называются транспозонами. В этот класс входят транспозоны бактерий (IS-элементы), Р и hobo у дрозофилы, Ac/Ds у кукурузы. Все они имеют короткие инвертированные повторы на концах и кодируют по крайней мере один белок – транспозазу. Встречаются также элементы с внутренней делецией, они могут перемещаться только в присутствии полных элементов.

Мобильные элементы часто получают названия, отражающие их способность к перемещению: Магеллан, Бигль, hobo — бродяга, gypsy — цыган. fleа — блоха, burdock — репейник, jockey — наездник и т. д. Они отличаются друг от друга по следующим характеристикам:

1) по размерам: средние размеры — 5 тпн;

2) по числу копий: от 1 до 120 на геном;

3) по наличию и размерам концевых повторов: они могут иметь длину 270-840 пн, быть прямыми или обратными;

4) по индукции дупликаций ДНК-хозяина в сайте встраивания – 4-8 пн.