3.3.2Диспергированные повторы

Диспергированные повторы – это повторы, которые рассеяны (диспергированы) по всему геному. Их называют вездесущими, так как они встречаются во всех областях хромосом; обнаруживаются также внутри генов в интронах, по краям генов, в межгенных участках, вне генной ДНК и составляют половину генома человека.

Различают следующие типы таких повторов:

1. длинные диспергированные повторы или Line-повторы. Их длина составляет 6,4 тыс нп., число копий 8,5 х 10⁵ раз (21% всего генома).

2. короткие диспергированные повторы или Sine –повторы, с дли- ной менее 500нп. и числом копий 1,5 х 10⁶ (13% генома);

3. повторы протяженность 5-8 тыс. н.п., ограниченные с флангов дополнительными повторами, которые называются LТR (long terminal repeats) или ДКП (длинные концевые повторы).

4. ДНК- транспозоны – повторы длиной от 80-3000 нп. числом копий 3х 10⁵ (3% генома).

Эти типы повторов объединены в группу мобильных (подвижных) элементов геномов, куда относятся так же IS-элементы (инсерционные последовательности) бактерий. Они имеют определять структуру и спосо- ны перемещаться в геноме как внутри одной хромосомы, так и между хромо-

сомами. Процесс перемещения называется транспозиция. Перемещение осуществляется двумя путями:

1 - путем вырезания элемента из одного места и встраивания его в другое при участии фермента транспозазы и вспомогательных белков;

2 - путем образования копии элемента, которая внедряется в новое место, а родительская копия остается на месте. Подвижные генетические элементы образующиеся первым путем называется транспозоны, а вторым путем - ретротранспозоны (табл.12).

Подвижные генетические элементы, встраиваясь в гены или в сосед- ние с ними области:

1 - изменяют активность этих генов;

2 - вызывают мутации;

3 - могут принимать участие в перестройке хромосом, приводящей в результате к рекомбинации, инверсии, транслокации, делецию и т.д.;

4 - могут обусловливать полиморфизмы внутри вида;

5 - обеспечивают горизонтальный перенос генов;

6 - способствуют сохранению структурной целостности хромосом.

Явление транспозиции и наличие подвижных генетических элементов открыла американская исследовательница Барбара Мак-Клинток в конце 30 годов 20 века.

Таблица 12

Классификация мобильных элементов.

Мобильные элементы

Ретротранспозоны транспозоны

Вирусного Невирусного транспозоны бактерий

происхождения происхождения IS-элементы

(с LTR) (без LTR) Р-элемент дрозофилы

Ас-элемент кукурузы

Ту-элемент Без обратной С обратной

дрожжей транскрипции транскрипцией

H ERV/RTLV

человека

SINE LINE

(например, ALU)

Транспозоны - это подвижные генетические элементы, ограниченные по флангам инвертированными (направленными друг к другу) повторами (рис.61) и перемещающиеся по геному при участи фермента транслоказы, который кодируется самим транспозоном. У человека наиболее хорошо изучена роль траснпозонов в формировании огромного разнообразия иммуноглобулиновых генов. Более 50 генов человека произошли из транспозонов. Транспозоны входят во все типы диспергированных повторов.

Ретротранспозоны – это подвижные генетические элементы, которые перемещаются по геному, используя механизм обратной транскрипции. В процессе обратной транскрипции сначала синтезируется молекула РНК на участке ретротранспозона с помощью РНК-полимеразы II; затем с этой РНК транслируются белки, которые обеспечивают синтез фрагмента ДНК с этой РНК (обратная транскрипция) и внедрение этого фрагмента обратно в геном (РНК → ДНК).

Ретротранспозоны бывают двух типов: 1- ограниченные с флангов длинными концевыми повторами (ДКП или LTR) (рис.65); 2 - не имеющие концевых повторов.

Рис.65. Структура ретротранспозона с длинным

концевым повтором (ДКП)

Внедрение ретротранспозонов внутрь гена или около него приво- дит к :

1 - нарушению активности гена (если ретротранспозон внедряется в область интрона);

2 - активации гена (если внедрение произошло в районе промотора);

3 - злокачественному перерождению клетки (если внедрение произо- шло около протоонкогена);

4 - мутациям или перераспределению энхансеров и сайленсеров, что приводит к перепрограммированию характера зависимости гена от внешних и внутренных сигналов.

LTR – последовательности принимают участие в процессе «тасова- ния экзонов», то есть, способны перемещать экзоны из одних генов в другие, обеспечивая образование новых генов.

Вернемся к характеристике каждой группы диспергированных повторов.

SINE-повторы или короткие повторы имеют по краям короткие прямые повторы и поли-(А)-последовательность на 3^′-конце. Самый известный из изученных SINE-повторов у человека – это семейство Аlu- повторов, получивших название по виду рестриктазы Аlu I (рестриктазы – это нуклеазы, способные разрезать двуцепочную ДНК). Повторы этого семейства имеют длину 200-300 н.п., находятся как внутри гена, так между ними. Количество копий равно 1 млн и составляют 5% от всей ДНК. Они обнаруживается в геноме повсеместно: в интронах, в сателлитной ДНК, между генами. Копируя самих себя Аlu-повторы перемещаются по геному, внедряясь в экзон или интрон и меняя регуляцию экспрессии этого гена. Кроме того, они способны модулировать репликацию ДНК, сплайсинг и некоторые другие процессы. Эти повторы участвуют в клеточном ответе на стрессовые воздействия, подавляя трансляцию РНК. Аlu-повторы являются мобильными генетическими элементами, скорее всего ретротранспозонами.

LINЕ-повторы также относятся к ретротранспозонам, не имеющим LТR-последовательности. У человека имеется только одно семейство этих повторов – L1-повторы. Они кодируют два белка-фермента, которые и обеспечивают их перемещение в геноме по механизму обратной транскрипции, характерному для ретротранспозонов. В процессе обратной транскрипции L1-копий могут возникать псевдогены (нефункциональные гены с прямым повторами по краям длиной 10-20 н.п., гомологичные известным структурным геном) и безинтронные нормально функционио- рующие гены.

ДНК-транспозоны способны кодировать фермент транспозазу, который обеспечивает их передвижение по геному. Наиболее изученные ДНК-транспозоны – это Р-элемент, Ас-элемент, Ту-элемент.

Транспозоны могут выполнять:

1 - роль регуляторов генов, являясь энхансерами или сайленсерами;

2 - функцию терминаторов транскрипции;

3 - участвуют в процессе репликации ДНК, упаковке хромосом, фик- сации хромосом к ядерному матриксу.

Общая схема категорий ДНК-повторов показана на рисунке 65.

II. По частоте встречаемости в геноме все повторы делятся на высокоповторяющиеся или высокочастотные и умеренно повторяющиеся или среднечастотные

К высокоповторяющимся относится вся сателлитная ДНК; частота встречаемости таких повторов равна 10⁵ копий и выше. Эти последовательности функционально и структурно обособлены от всего генома.

Умеренно повторяющиеся последовательности - эти последователь- ности, встречающиеся в геноме в десятках или сотнях копий и составляют 15% генома человека. Сюда относятся:

1 - семейства генов, расположенных тандемно (следующих друг за другом «голова к хвосту»). К ним относятся гены гистонов, тРНК и рРНК. Они обеспечивают осуществление жизненно важных общеклеточных функций и поэтому получили название гены «домашнего хозяйства»;

2 - гены, кодирующие гомологичные белки со сходными функциями, которые могут быть рассеяны по геному или образовывать кластеры. Это гены актина, тубулина, глобина, иммуноглобулина, гены теплового шока и др. Они выполняют в клетке как общеклеточные, так и специализи- рованные функции.

3 - различные подвижные (мобильные) генетические элементы. Подроб- но о них речь пойдет ниже. Они составляют от 10-20% генома и разбросаны (диспергированы) по всему геному;

4 - тандемные повторы или диспергированные последовательности с неизвестными функциями. Один из примеров таких последовательностей - ДНК-последовательность VNTR (вариабельные по числу тандемные повторы). Эти последовательности содержат повторяющейся элемент из 14-100 нуклеотидов, который может содержат от 2 до 100 повторов. Они могут находится внутри гена или между ними.

Рис.65. Классификация ДНК-повторов генома человека (Из: Клаг,2009).

Изучение геномов различных видов эукариот показало, что на кодирующую часть приходится 5-10%. Остальная часть включает: интроны, некодирующие ДНК- повторы, одиночные копии ДНК, некодирующие белки (псевдогены в том числе), мобильные элементы.