Встроенные последовательности

Молекулярные механизмы транспозиции были исследованы только в 70-х гг. П. Старлингер и Дж. Шапиро обнаружили в разных штаммах бактерий уникальный тип мутаций, затрагивающий разные гены. Так, одна из этих мутаций нарушает экспрессию кластера родственных генов, участвующих в метаболизме галактозы у E. сoli, причем это нарушение наследуется в потомстве клеток, однако не связано с заменой нуклеотидов в генах. Оказалось что перед кластером галактозных генов в хромосоме мутантных штаммов встроен небольшой фрагмент ДНК. После спонтанного вырезания этого фрагмента клетки восстанавливали нормальные функции. Этот фрагмент назвали встроенной или инсерционной последовательностью (IS, insertion sequence)

Вскоре выяснилось, что аналогичное свойство внедряться в хромосому и нарушать функции генов присуще и другим ДНК последовательностям с длиной не выше 2000 п.н. (2 килобазы).

Анализ последовательностей большинства известных IS единиц обнаружил характерные для них структуры – инвертированные концевые повторы (ITR, inverted terminal repeats), так что последовательность на 5’ конце одной цепи в точности соответствует последовательности на 5’ конце другой цепи, но противоположна ориентирована. Скорее всего, эти концевые последовательности – интегральная часть механизма встраивания IS единиц в молекулы ДНК. Инсерция более вероятна для определенных участков ДНК, которые служат мишенями и узнаются ITR в процессе внедрения

IS единицы обнаружены в хромосомах и плазмидах штаммов дикого типа, т.е. их появление не связано с мутациями. Хромосома E coli содержит 5 и более копий IS последовательностей в зависимости от штамма.

Элементы бактериальной инсерционной последовательности (IS) содержат ген, который кодирует фермент, называемый транспозазой, что может сделать разрезы в

шахматном порядке в ДНК, как ферменты рестрикции.

Концы IS элементов содержат инвертируемые терминальные повторы (TRs), которые действуют как сайты узнавания для связывания транспозазы.

Бактериальные транспозоны

Кроме того, что IS единицы могут вызвать мутации, они участвуют в образовании и перемещении по геному более крупных транспозонов (Tn). Бактериальные транспозоны состоят из IS единиц, которые содержат во внутренних последовательностях гены, не связанные с инсерциями.

По аналогии с IS единицами Tn также мобильны и встречаются в хромосомах как у бактерий, так и у вирусов или в плазмидах. Благодаря транспозонам возможна передача генетической информации внутри клетки, от клетки к клетке и от организма к организму.

Транспозоны обнаружены не только у бактерий. Сходный механизм есть и у бактериофагов, а также дрожжей, растений, дрозофилы, человека.

Бактериальные транспозоны (Tn элементы) больше, чем IS элементы и содержат белок- кодирующие гены в дополнение к генам транспозазы.

Транспозон, вставленный в плазмиду, содержит инвертированные повторы (IR), которые могут образовывать гетеродуплекс после разделения первоначальных цепей.

IR сегменты могут гибридизованы после разделения первоначального дуплекса, образуя гетеродуплексные петли, которые можно увидеть под электронным микроскопом.

Система Ac-Ds у кукурузы

У кукурузы обнаружены две мутации Ds (Dissociation) и Ac (Activator). Фенотип зерен в початках зависит от экспрессии определенных генов в клетках эндосперма или алейронового слоя.

Первая мутация – в хромосоме 9. Если в геноме присутствует и вторая мутация, то Ds индуцирует разрыв хромосомы в точке рядом с местом своей локализации. Если такой разрыв происходит в делящейся соматической клетке, то в дочерних клетках ацентрическая часть часто утрачивается, и это отражается на фенотипе зерновок.

Б. МакКлинток обнаружила, что обе мутации способны менять локализацию на хромосомах, но Ds перемещается только в присутствии Ac, а последний может перемещаться по геному автономно. При этом Ds может вызывать хромосомные разрывы или ингибировать экспрессию гена, а затем перемещаться в другой локус, тогда экспрессия восстанавливается. Считается, что в таких случаях Ds- элемент встраивается в генную последовательность с последующим выходом и тем самым влияет на экспрессию этого гена. МакКлинток сделала вывод что Ac и Ds – контролирующие мобильные элементы.

Позже такие элементы обнаружены и у других организмов. Оказалось, что IS элементы и транспозоны бактерий во многом сходны с мобильными элементами кукурузы. Все они могут перемещаться по геному, встраиваясь в разные хромосомные локусы и вырезаясь из них, при этом нарушается экспрессия генов, в которых локализованы эти элементы

Последовательность Ds-элемента почти идентична последовательности Ас-элемента, кроме фрагмента длиной 194 п.н., который делетирован из самой большой открытой рамки считывания. Есть данные, что этот ген кодирует фермент транспозазу, которая участвует в перемещении обоих элементов. Делеция части гена в последовательности Ds-элемента объясняет, почему он неспособен к транспозиции в отсутствие Ас-элемента.

Транспозоны.

В отсутствие Ac (Activator), Ds (Dissociation)

не влияет на экспрессию гена цвета W, в результате продуцируются пигменты антоцианы и получаются фиолетовые зерна.