Мобильные элементы в геномах эукариот Лекции 5

Мобильные элементы в
геномах эукариот
Лекции 5
Автономные и не автономные элементы
влияют на активность генов
Не активный Ds
Активные Ds + Ас
Активные Ds + Ас
Активный Ас
Гибридный дисгенез у дрозофилы.
• Три системы дисгенеза: P-M
(p-элементы), H-E (Hobo), I-R
(I-элемент)
• P-M система: Р-линии (30-60
копий Р элемента, часть
дефектные), М-линии (нет Р
элементов, или все
дефектные (М’ линии).
• Скрещивание самцов Р с
самками М вызывает
гибридный дисгенез
(множественные мутации и
фенотипические изменения,
потомство частично
стерильно).
Контроль мобильности клеткой
Контроль мобильности клеткой
1
Метилирование CpG
Блок транскрипции
2
Незавершённая
транскрипция
Нефункциональная РНК
3
Отсутствие сигнала
полиаденилирования
Не стабильная РНК, не распознаётся
ORF2 LINE1.
4
Гетерохроматинизация
Блок транскрипции
РНК-интерференция
Деградация РНК
Выведение продуктов
синтеза в стресс-гранулах
Нарушение формирования РНП
комплекса
5
RISC
6
7
TREX1
Деградация однонитевой
ДНК.
Деградация продуктов обратной
транскрипции
8
ADAR
РНК-эдитинг
Нарушение формирования РНП
комплекса
9
APOBEC3
Механизм неизвестен
Блокирует ретропозицию в клеточных
культурах.
10
MAEL
Механизм неизвестен
Защита от ретропозиции во время
мейоза
Piwi-РНК - специфический агент против транспозиции
•
•
•
•
Piwi-РНК, как правило,
получается из кластера
Piwi генов, имеющих
двунаправленную
экспрессию.
Первичные Piwi-РНК
транскрибируются и
созревает в клетках
герминативного пути.
Помимо стандартного для
miRNA пути созревания,
Piwi РНК имеет свой
собственный путь,
основанный на
последовательном
расщеплении сенс- и
антисенс-транскриптов.
Следующим этапом
является специфическое
метилирование 3’
нуклеотидов в Piwi-RNA.
Цикл воспроизводства piRNA.
Piwi-РНК - специфический агент против транспозиции
•
•
Piwi-РНК часто
образуются из генов
бывших транспозонов,
транскрибирующихся в
антисенс ориентации. В
этом случае путь Piwi
амплификации включает
активные транспозоны.
У дрозофилы,
специализированный ген
flamenco содержит РНК
составленную из кусочков
активных мобильных
элементов. и продуцирует
первичную Piwi-РНК.
Связываясь с РНК
мобильных элементов она
запускает накопление Piwi
РНК, которые в
дальнейшем могут
блокировать транспозоны
на разных уровнях.
Нокаут системы Piwi-РНК вызывает стерильность у
самок дрозофилы.
• Для правильного формирования ооцита Дрозофилы необходима
определённая субклеточная локализация мРНК гена osk,
определяющая в дальнейшем ось личинки.
• Нарушение системы Piwi приводит к тому, что, через каскад
событий, блокируется формирование системы микротрубочек,
направляющих osk РНК в нужный компартмент ооцита и
личинка гибнет на начальных этапах развития.
Формирование нормального
ооцита
Нарушение транспорта osk РНК в
мутанте по Piwi системе
Метилирование ДНК
•
•
Метилирование ДНК – воспроизводимое в цикле репликации
метилирование цитозина в СрG группах.
Метилирование ДНК является эволюционно древним механизмом
защиты от нежелательных повторяющихся элементов.
Метилирование ДНК
• Метилированные основания в ДНК обнаружены свыше 50
лет назад.
• Метилирование осуществляется ферментативно в первые
минуты после репликации ДНК, т.е. пострепликативно.
• Поскольку нуклеотидная последовательность ДНК при
этом не меняется, метилирование по сути - событие
эпигенетическое.
• Метилирование, хотя и является стабильной и
наследуемой модификацией, в принципе обратимо под
воздействием ферментов и тем самым принципиально
отличается от мутаций ДНК.
• Метилирование остатков цитозина имеет место у
бактерий, растений, животных, в том числе
млекопитающих (включая человека), насекомых но
отсутствует у дрожжей и нематод.
Метилирование ДНК
• Благодаря существующей в бактериях системе метилированиярекогниции (рестрикции-модификации) клетки способны
идентифицировать свой генетический материал и отличать его от
инородных молекул, проникших в клетку тем или иным способом.
• Некоторые плесневые грибы элиминируют нежелательные
повторяющиеся последовательности посредством интенсивного их
метилирования, за которым следует накопление точковых мутаций изза высокой мутабельности остатков 5-метилцитозина.
• В клетках грызунов и человека интегрированные вирусные
последовательности могут подвергаться метилированию и
обусловленному им стабильному блоку транскрипции.
• Гиперметилирование CpG-островков приводит к устойчивой репрессии
транскрипции с данного участка ДНК, которая опосредована белками,
способными связываться с метилированными CpG-динуклеотидами.
Эти белки, называются метилцитозин-связывающими белками, и
привлекают деацетилазу гистонов (HDAC) и другие факторы,
участвующие в ремоделировании хроматина и образовании
гетерохроматина.
Функции мобильных элементов:
реорганизация генома в результате
рекомбинации по повторам
1. Делеция нуклеотидной
последовательности между
двумя сонаправленными
элементами.
2. Инверсия нуклеотидной
последовательности между
двумя противонаправленными
элементами.
3. Транслокация нуклеотидной
последовательности между
двумя участками генома в
результате негомологичной
рекомбинации.
4. Хромосомные абберации и
транслокации.
(4)
Функции мобильных элементов:
взаимодействие с генами
1. Встраивание в экзон –
нарушение рамки
считывания.
2. Разрушение сплайс-сайта –
пропуск экзона.
3. Дополнительный сплайс-сайт
– короткая форма мРНК
4. Экзонизация –
дополнительный экзон,
возможно, с нарушением
рамки считывания и/или
стоп-кодоном.
Функции мобильных элементов:
взаимодействие с генами
• LTR – усиление
транскрипции гена и/или его
альтернативный старт.
• Встраивание транспозона
между энхансорами или
регуляторами может
приводить к нарушению
регуляции гена, блоку
экспрессии или
оверэкспрессии.
• LTR, встроившийся перед
протоонкогеном может
вызвать его экспрессию и
перерождение клетки в
раковую.
Функции мобильных элементов:
взаимодействие с генами
• Мобильный элемент в
интроне гена в антисенс
ориентации может
блокировать экспрессию гена
через конфликт полимераз.
• Интеграция мобильного
элемента в UTR может
приводить siРНК
интерференции и
блокированию трарнсляции
мРНК.
• Гиперметилирование ДНК в
районе интеграции
мобильных элементов может
блокировать активность
близлежащих генов.
Функции мобильных элементов: теломеры
• Теломеры эукариот содержат
однонитевую ДНК
• Специфические «мобильные
элементы (LINE)» дефектные
по эндонуклеазе имеют на
3’конце область,
комплиментарную повтору
теломеразы.
• Теломераза достраивает
теломеру после интеграции
элемента.
• При этом теломера
существенно удлиняется.
Функции мобильных элементов:
экзонизация
•
•
•
•
Экзонизацией называется
образование новых экзонов,
включающих в себя часть или
целый мобильный элемент.
Экзонизация возникает, в
результате образования
дополнительного сплайс-сайта.
Как правило возникает
альтернативный сплайс- вариант
мРНК.
Если образовавшийся экзон
полезен, отбор может
отселектировать один вариант из
двух или оставить оба.
Функции мобильных элементов: новые
функции в клетке
•
•
•
•
ID – элемент, только у грызунов,
произошёл, вероятно из тРНК
аланина. Не автономный,
использует LINE1 для
ретропозиции.
ВС1 – это ID – элемент с
добавлением специфического
участка.
Активен только в мозгу, только в
гипоталамусе. Функция до конца
не понятна, вероятно регуляция
синтеза белков в дендритах
нервных клеток.
У приматов есть полный аналог
BC1 – это BC200,
расположенный в ином локусе,
но так же активный в мозгу и
сформировавшийся из Alu
элемента.
Роль мобильных элементов в жизни эукариот.
•
•
•
•
•
•
•
•
Мобильные элементы в геноме эукариот в основном являются
мутагенами.
Стратегии защиты клетки от активности мобильных элементов включают
инактивацию транскрипции, блокирование трансляции, нарушение
структуры РНК мобильного элемента. В принципе, эти механизмы
работают по отношению к любому многокопийному гену в составе
генома, за исключением облигаторных клеточных компонентов.
Дополнительные уровни защиты от активности мобильных элементов
включаются при формировании гамет. Это Piwi-РНК система и
блокировка формирования яйцеклеток при обнаружении активности
мобильных элементов.
Помимо прямой мутагенной активности, мобильные элементы могут
вызывать различные эффекты на экспрессию генов через взаимодействие
с элементами структуры гена.
Некоторые мобильные элементы были рекрутированы отбором на
исполнение особых, специфических функций (например RAG система
или BC1 и BC200, достройка теломер).
Некоторые мобильные элементы имеют функцию внутри кодовой части
или в окружении гена.
Рекрутированная функция мобильных элементов в ORF части гена чаще
всего является спейсерной сигнальной.
Мобильные элементы рекрутированные в функцию целиком часто
работают буфером.