5.2. Повторяющиеся элементы генома

Умеренно повторяющиеся последовательности – кодируют, как правило тРНК, рРНК, гистоны. Пример, гены 18S и 28S рРНК образуют тандемные пары (мономерные единицы расположены по типу "голова к хвосту"). Спейсер тоже транскрибируется, в его состав входит ген 5,8S рРНК. У человека и мыши гены рРНК располагаются в нескольких кластерах в акроцентрических хромосомах. Каждый кластер генов рРНК соответствует ядрышковому организатору.

Сателлитная ДНК – высокоповторяющиеся последовательности. Располагаются в центромерных, теломерных районах и в участках интеркалярного гетерохроматина. У разных видов составляет от 0,3% до 28% от всей ядерной ДНК. Близкие виды, например мышь и крыса, имеют совершенно различные высокочастотные последовательности, у крысы их нуклеотидный состав не отличается от основной ДНК, тогда как геном мыши содержит четкий АТ-богатый сателлит. Это означает, что высокочастотная ДНК способна к быстрым изменениям в ходе видообразования.

Последовательности сателлитной ДНК – это короткие тандемные повторы. У человека сателлитная ДНК делится на I, II, III классы (с длиной повторяющейся последовательности 1-20 п.н.). Также выделяют альфа, бета и гамма типы (с длиной повтора 170 п.н., 68 п.н. и 220 п.н. соответственно). Сателлитные повторы имеют различную степень обогащенности АТ- и ГЦ –пар (тип 1 обогащен парами АТ). Сателлитная ДНК специфично распределена по разным хромосома. Так, в прицентромерном гетерохроматине хромосом 3 и 4 представлен сат ДНК 1. В прицентромерном гетерохроматине хромосом групп Д и G локализованы сатДНК1 и 3 классов. Распределение альфа, бета и гамма сателлитных ДНК также хромосом специфично. Альфа сателлитные повторы располагаются в основном в центромерных участках хромосом. Имеют элементапрную единицу повтора около 170 п.н. и могут присутствовать в тандеме, достигающем длины до 1 млн.п.н.

В сателлитной ДНК выделяют 2 типа последовательностей:

- микросателлиты – единица повтора состоит из 1-5 нуклеотидов. Общая длина кластера – несколько десятков нуклеотидов. Пример: (АТ)n; (A)n; (AC)n. В кодирующей части генов чаще встречаются тринуклеотидные повторы. Ди-, тетра- и пентануклеотидные повторы редки в кодирующей части генома, так как увеличение их числа обязательно приведет к сдвигу рамки считывания.

- минисателлиты – единица повтора состоит из 10-100 пн. Общий размер кластера 0,5-100 тпн. Их еще называют VNTR – вариабельные по числу тандемные повторы . Они могут находиться внутри или между генами. Число копий каждой специфической последовательности в разных локусах варьирует от 1000 до 5000 п.н.   Вариации длин таких областей лежат в основе метода ДНК-фингерпринтинга (метод отпечатков). 

По локализации микросателлитной ДНК выделяют:

• сателлитные повторы в области промотора – (А)n – стимулирует экспрессию гена, т.к. обуславливает жесткую структуру двойной спирали – на этом участке не образуются нуклеосомы, что облегчает доступ ДНК-полимераз и факторов транскрипции к промотору.

• сателлитные повторы в интронах – часто ингибируют экспрессию гена. (АС)21 в интроне гена рецептора эпидермального фактора роста снижает транскрипцию гена на 80%.

• сателлитные повторы в нетранслируемой 5-области гена (между промотором и геном) – (С)n, (AC)n, (GC)n, (AT)n – ингибируют экспрессию гена.

• повторы в транслируемой области гена. Пример – хорея Гентингтона – увеличение длины повтора (CAG)n в первом экзоне гена белка гентингтина приводит к удлинению полиглутаминового участка в белке. Синтезируется токсичная форма белка, что приводит к гибели нейронов. Это пример динамических мутаций или экспансии тринуклеотидных повторов – связаны с изменением длины тринуклеотидных повторов.  Скорость мутирования связана с числом копий триплета. После превышения определенного порога длины эти повторы становятся нестабильными и их длина увеличивается в последующих поколениях. У здоровых людей число повторов 6-39. У больных – 36-180. У взрослых болезнь проявляется при 40-55 повторах, при числе повторов больше 70 заболевание проявляется уже у детей. То есть для данных мутаций характерно явление антиципации – возрастание пенетрантности заболевания в ряду поколений, более раннее начало заболевания.

Впервые динамические мутации описаны в 1991 году. Известны они только у людей. Всего пока описано 16 наследственных заболеваний. Все они связаны с поражением головного мозга и подкорковых структур. Экспансия происходит в как в мейозе, так и в митозе, затрагивает чаще аллели с изначально большим числом повторов.

Другие примеры – синдром фрагильной Х-хромосомы или синдром Мартина-Белл – образуется ломкий сайт в Х-хромосоме из-за увеличения повторов (CGG) в 5-нетранслируемой области гена FMR1, который экспрессируется в мозге и семенниках. Ген кодирует РНК-связывающий белок, циркулирующий в клетке между ядром и цитоплазмой. У здоровых людей есть 2-54 триплета. Увеличение длины до 200 триплетов – это предмутационное состояние, не изменяющее фенотип человека. Увеличение числа копий свыше 200 триплетов – полная мутация и проявление синдрома. Увеличение числа копий триплета приводит к гиперметилированию регуляторной зоны гена (промотора), в результате резко снижается или полностью ингибируется транскрипция гена.

Еще одна категория повторов в геноме эукариот – короткие и длинные разбросанные по геному ДНК-повторы (не тандемные).

Короткие рассеянные по геному элементы – SINE – последовательности длиной менее 500 п.н. Их копийность в геноме человека составляет не менее 500 000. К этой группе повторов относится семейство Alu-повторов (они содержат сайты рестрикции для эндонуклеазы AluI). Alu-повторы в геноме человека составляют более 5% от суммарного количества ДНК. Функция их не ясна.

Другая группа рассеянных повторов – LINE . У человека обнаружено одно семейство этих повторов – L 1-повторы . Длина повтора около 6400 п.н., суммарно представлены в геноме до 100 000 раз. Проявляет свойства ретротранспозонов (транскрипция последовательности, синтез на мРНК с помощью обратной транскриптазы новой копии ДНК повтора, новая копия интегрирует в хромососму на новом месте).

Эухроматическая часть генома построена по принципу чередования (интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей. Условно выделяют два основных типа интерсперсии, получивших названия по тем видам, у которых они впервые были описаны: интерсперсия типа "ксенопус" и типа "дрозофила".

Примерно в 50 % генома Xenopuslaevis уникальные последовательности из 800…1200 п.н. чередуются с повторяющимися, средний размер которых 300 п.н. В остальной части геномов типа "ксенопус" расстояния между соседними повторами значительно превышают 1…2 п.н. Структура генома типа "ксенопус" широко распространена, особенно среди животных. Млекопитающие и человек также относятся к этому типу организации генома. Особенность генома человека и других приматов составляют интерсперсные высокочастотные повторы длиной около 300 п.н. У человека эти повторы содержат сайт, разрезаемый ферментом рестрикции Alu I.

У D. melanogaster параметры интерсперсии резко отличаются от видов с типом генома "ксенопус": повторяющиеся последовательности длиной 5600 п.н. чередуются с уникальными, длина которых не менее 13000 п.н.