Молекулярные основы эволюции дифференцировки развития и старения (стр. 2 из 3)

- При разрешении коинтеграта в конце концов осуществляется транспозиция новой копии мобильного элемента в другой сайт-мишень. Разрешение может происходить путем гомологичной рекомбинации между двумя копиями транспозирующегося элемента с участием рекомбинационного аппарата Е.соli. (прозрачка 6).

Генетическая изменчивость бактерий при транспозиции

Мобильные элементы вызывают генетическую нестабильность поблизости от участка своей локализации, особенно в процессе репликативного механизма транспозиций.

В зависимости от того, как внесены разрывы в ДНК-мишень, получится либо делеция (Выпадение участка хромосомы из ее внутренней области), либо инверсия (перестановка) генетического материала между местом расположения транспозона и мишенью его перемещения. В связи с этим интересно отметить, что хромосомы родственных видов бактерий отличаются друг от друга многочисленными перестройками именно этого типа. По-видимому, мобильные элементы сыграли существенную роль в дивергенции и видообразовании бактерий.

1) Встраивание IS‑элементов поблизости от молчащего гена может приводить к его активации за счет транскрипции с промотора IS– элемента, т.е. изменяется регуляция бактериального гена (пр. 8а).

2) Очень важно, что мобильные элементы служат подвижными участками гомологии, гомологическая рекомбинация между которыми может приводить к дупликациям генов (рис. 76 Коничев). Считается, что дупликация – один из основных путей эволюционного возникновения новых функций. Действительно, «лишняя» копия гена выходит из-под давления естественного отбора и получает возможность накапливать изменения. Чаще всего это приведет к утрате какой бы то ни было функции, но иногда может получиться ген с новыми функциями.

3) Нельзя забывать и тот факт, что клетка может получить селективное преимущество за счет приобретения в составе транспозона гена, который сам по себе способен оказаться выгодным для бактерии в определенных условиях. Действительно, на транспозонах «путешествуют» гены устойчивости к различным бактериальным ядам, в том числе к тяжелым металлам и антибиотикам, гены дополнительных метаболических путей, позволяющие использовать необычный источник углерода, наконец, гены некоторых токсинов, делающие бактерии патогенными и позволяющие им тем самым существенно изменить образ жизни. Сказанное в равной степени относится и к плазмидам, поскольку большинство полезных для клетки-хозяина плазмидных генов находится в составе транспозонов.

4) Если элемент встроен в один из генов полицистронного оперона, то встроенный элемент может влиять на экспрессию последующих генов, либо останавливая транскрипцию в сайте терминации, находящемся внутри его самого (прозрачка 8,6), либо подавляя трансляцию дистальных кодирующих последовательностей мРНК (прозрачка 8, в)

5) Когда один и тот же геном служит и донором, и реципиентом при образовании коинтеграта (внутримолекулярная транспозиция), способность мобильных элементов вызывать перестройки в соседних участках ДНК приводит к другим мутационным эффектам. Все происходящие при этом события, включая делеции и инверсии, связаны с соединением одного или двух концов мобильного элемента с новыми последовательностями ДНК (рис. 10.13); детали этих процессов до конца не установлены.

Подвижные генетические элементы у эукариот

Существенную часть генома эукариот (10–30%) составляют повторяющиеся последовательности, имеющие определенную структурную организацию и способные перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они получили название подвижных генетических элементов. Элементы включают в свой состав от тысячи до десятков тысяч нуклеотидных пар.

Наибольшее количество подвижных элементов обнаружено в геноме растений (до 50%). Подвижные генетические элементы обычно рассеяны по геному, но могут концентрироваться в отдельных участках хромосом.

Виды мобильных элементов эукариот

Различают два (по признаку молекулярных механизмов перемещения) основных класса подвижных генетических элементов:

1. Транспозоны

Эти элементы ограничены инвертированными повторами (последовательностями, направленными навстречу друг другу), как и некоторые транспозоны прокариот. Примерами их могут служить Р-элемент дрозофилы и Ас-элемент кукурузы (рис. 92 Коничев). В геномах этих организмов насчитывается по 30 – 50 копий таких элементов. Полные копии (часть копий дефектна, так как имеет внутренние делеции) содержат открытые рамки считывания, кодирующие транспозазу (рис. 92).

Схема перемещения транспозона показана на рис. 93. Инвертированные повторы необходимы для перемещения элемента, которое осуществляется благодаря их сближению друг с другом и узнаванию транспозазами. Инвертированные повторы сближаются и точно отрезаются от соседних участков ДНК хозяина. Вырезанный транспозон внедряется в район вносимого транспозазой разрыва в молекуле-мишени и сшивается с ДНК хозяина в новом месте. Разрыв и зашивание осуществляются транспозазой и вспомогательными белками. Транспозаза может кодироваться как самим подвижным элементом, который будет перемещаться, так и другой копией элемента, локализованной в том же геноме в отдалении. Р-элементы обычно встраиваются в определенные сайты, консенсусная последовательность которых такова: 5'-ГГЦЦАГАГ При встраивании Р-элемента этот сайт-мишень дуплицируется.

Встраивание

Рис. 93 Перемещение транспозона

Брешь в ДНК после вырезания транспозона может заделываться либо с помощью гомологичного отрезка ДНК, либо за счет сшивания разорванных концов (это особенно характерно для транспозонов растений).

Эффект от перемещения транспозона эукариот

Р-элемент содержится только в некоторых линиях D. melanogaster. Скрещивание самок без Р-элемента с самцами, несущими Р-элементы, приводит у гибридов к транспозициям Р-элемента, которые наблюдаются только в клетках зародышевого пути. Совокупность наблюдаемых эффектов называют гибридным дисгенезом. Дисгенные мухи часто оказываются стерильными, а если они фертильны, то у их потомков обнаруживается множество мутаций и эти признаки передаются следующим поколениям. Поэтому линии с Р-элементом и без него выглядят как репродуктивно изолированные, по крайней мере частично. Биологическая изоляция играет огромную роль в процессе эволюции. Изоляция линий вызвана активацией транспозиций Р-элемента, присутствующего в одной из них. Причина, почему транспозиции Р-элемента ограничены зародышевыми клетками, объясняется тем, что только в клетках-предшественниках гамет осуществляется такой тип сплайсинга, который приводит к образованию непрерывной открытой рамки трансляции, кодирующей транспозазу (см. рис. 92). Ограничение транспозиции зародышевыми клетками имеет определенный смысл, поскольку обеспечивает выживание особей, несущих гаметы, в которых произошли геномные перестройки вследствие транспозиции Р-элемента. Подобный «геномный шок», сопровождающийся высокой частотой мутагенеза, может обеспечить большую степень геномной изменчивости, которая послужит материалом для отбора в процессе эволюции.

Перемещения Ас-элемента происходят и в соматических клетках кукурузы. За ними можно следить по распределению мутантных участков ткани, например лишенных пигмента вследствие инактивации гена, определяющего пигментацию. Потомство клетки, содержащей только инактивированные гены, также будет лишено пигмента. Вырезание мобильного элемента приводит к реактивации гена. В связи с этим был сделан вывод о регуляторной функции перемещающихся элементов и они были названы контролирующими (Б. Мак-Клинток).

В целом подвижные элементы эукариот представляют собой чрезвычайно разнородную популяцию. Существует мнение о том, что они не влияют на фенотип организма и размножаются в геноме лишь благодаря особенностям своей структуры, в результате чего постепенно заселяют геном. Предполагается, что они составляют часть так называемой эгоистичной (см. с. 156) ДНК, размножение которой ограничивается естественным отбором. Отбор устраняет те случаи, когда внедрение эгоистичной ДНК сопровождается вредными последствиями. На определенных стаднях эволюции эти элементы могут использоваться для целей, которые в дальнейшем обеспечат селективные преимущества организму.

2. Ретротранспозоны.

А) с длинными концевыми повторами

– Сходны по своей структуре с проретровирусами, которые внедряются в геном, используя механизмы обратной транскрипции.

– Эти элементы содержат «тело» размером 5–8 тыс. н.п., ограниченное прямыми длинными концевыми повторами (ДКП, или LTR– от англ. 1опgterminalrepeats), обычно содержащими по 300–400 н. п. (рис. 94).

– Число копий этих элементов, принадлежащих к одному семейству, достаточно постоянно для вида, но варьирует от нескольких копий до сотен тысяч копий в зависимости от типа ретротранспозона.

– В составе «тела» элемента обнаруживаются открытые рамки считывания для обратной транскриптазы и нуклеазы (интегразы).

– Разные копии одного семейства могут иметь вставки и делеции как в ДКП, так и в самом элементе.

– По флангам ДКП находятся короткие прямые повторы.

Способ перемещения ретротранспозонов с длинными концевыми повторами

– предполагает его транскрипцию с помощью РНК-полимеразы П.

– В составе ДКП имеются сайты инициации транскрипции и сигналы полиаденилирования. ДКП могут служить активными промоторами.

– Транскрипция начинается в одном ДКП (условно левом, 5'-ДКП), а заканчивается в другом (правом, 3'-ДКП).