Мобильные генетические элементы прокариот

Исследования транспозонов из разных объектов показали огромное их разнообразие, как по размеру, составу компонентов, механизмам транспозиции, происхождению. Таксономия их достаточно сложна, однако, обобщая все их структурные особенности, у прокариот можно выделить следующие типы транспозонов: IS-элементы (примитивные транспозоны), IS-подобные элементы, IS-модули. Нумерация IS-элементов и транспозонов производится в соответствии с хронологией их обнаружения.

IS-элементы

IS-элементы (от англ. Insertion sequenсe) – это вставочные последовательности с молекулярной массой 1000-2000 пар нуклеотидов. В их структуре обнаружены два основных гена: ген транспозазы – фермента, обеспечивающего выщепление IS-элемента из одного сайта генома и перемещение в другой сайт, второй ген кодирует белок-регулятор, управляющий транскрипцией транспозазы и следовательно процессом транспозиции. По краям IS-элементы ограничены инвертированными повторами и прямыми повторами. В инвертированных повторах идентичные последовательности нуклеотидов в транс-положении (т.е. в разных цепях) повернуты на 180 градусов (как в палиндромах). Обычно в инвертированных краевых повторах насчитывается 15-40 пар нуклеотидов. Прямые повторы по краям транспозонов обычно содержат расположенные в одном направлении последовательности из 5-9 нуклеотидов.

Инвертированые повторы, очевидно, появились в транспозонах за счет встраивания МГЭ в сайты рестрикции, которые обычно представлены палиндромными последовательностями. А как же образуются прямые повторы? Согласно общепринятой гипотезе, ДНК-мишень, куда встраивается транспозон расщепляется с образованием «липких» концов, а транспозон присоединяется к выступающим (более длинным) концам ДНК-мишени. При этом со стороны коротких «липких» концов образуются бреши, которые затем застраиваются, приводя к появлению прямых повторов.

IS-элементы в основном изучены у бактерий. Они способны «перескакивать» в разные места генома бактерий, иногда с довольно высокой частотой (10^-3 - 10^-4 ). Такие перемещения могут осуществляться не только внутри самого генома, но и между геномом клетки и другими репликонами, имеющимися в бактериях (плазмиды, умеренные фаги), а также между симбиотическими репликонами.

IS-подобные транспозоны

IS-подобные транспозоны устроены как IS-элементы, но несут дополнительный «ген-пассажир», расположенный по направлению считывания вслед за генами транспозазы и белка-регулятора. В качестве гена-пассажира в транспозоне может присутствовать ген устойчивости к антибиотикам или же ген устойчивости к тяжелым металлам, а также любой другой ген из тех, которые встречаются в плазмидах и определяют их фенотипические свойства. Предполагают, что такие транспозоны сформировались путём захвата IS-элементами дополнительного гена-пассажира. Имеются даже примеры экспериментального превращения IS-элемента в транспозон за счет вставки бактериального гена.

Существует генетическая связь между плазмидами и транспозонами. К середине 70-х годов ХХ века микробиологами было установлено, что гены устойчивости к антибиотикам попадают в плазмиды за счет встраивания в них транспозонов, отсюда и схожесть наборов генов в плазмидах и транспозонах.

В настоящее время наиболее полно исследован транспозон Tn3. Он имеет длину около 5 тис. пар нуклеотидов, окружен по краям инвертированными (по 38 нуклеотидов) и прямыми повторами и несет 3 гена. Два из них кодируют ферменты необходимые для транспозиции – транспозазу (фермент переноса, начинает вырезание транспозона) и резолвазу (фермент, заканчивающий транспозицию и регулирующий активность транспозазы). В качестве третьего гена – гена-пассажира в транспозоне Tn3 выступает ген β-лактамазы (ген устойчивости к пенициллину и некоторым его производным). Бактерии, имеющие в составе хромосомы такой транспозон защищены от пагубного действия антибиотиков пенициллинового ряда. Транспозон Tn3, будучи захваченным трансмиссивной плазмидой, может быть передан во многие клетки популяции микробов, что приводит к распространению антибиотикоустойчивости.

ПП ИП Ген транспозазы ССР Ген резолвазы Ген β-лактамазы ИП ПП

Рис. Строение транспозона Tn3

Обозначения и пояснения к риунку

ПП – прямые повторы (5 п.н.), ИП – инвертированные повторы (38 п.н.), ССР – сайт связывания резолвазы, как репрессора. В этом же сайте находятся точки инициации транскрипции, к которым присоединяется РНК-полимераза перед началом синтеза и-РНК. Причем, как показывают стрелки, транскрипция правого от ССР и левого участков осуществляется в двух противоположных направлениях и к тому же на разных цепях ДНК, так как синтеза и-РНК всегда идет в направлении 5´→ 3´, а цепи антипараллельны.

Транспозон Tn3 имеет собственную систему регуляции, которая осуществляется по типу аутогенного контроля, так как резолваза, кодируемая вторым геном, выполняет одновременно две функции – фермента, участвующего в транспозиции, и белка-регулятора, способного блокировать транскрипцию транспозона. Резолваза связывается с ДНК в некодирующей области между геном транспозазы и собственным геном, перекрывает сайты инициации транскрипции обоих генов и делает невозможной саму транспозицию. Таким образом, резолваза, помимо ферментативной функции, выполняет еще роль белка-репрессора.

IS-модули

IS-модули – это сложные транспозоны, которые очевидно образовались путём захвата хромосомных генов двумя близлежащими IS-элементами. Причем, по краям таких транспозонов имеются или одинаковые копии IS-элементов, или же два различных IS-элемента. В случае наличия двух одинаковых IS-элементов по краям транспозона они могут иметь как прямую (у Tn9, рис. …), так и взаимно противоположную ориентацию нуклеотидных последовательностей (как у Tn5, рис. …). Каждый из краевых IS-элементов обладает своей собственной системой транспозиции и может выщепляться из ДНК самостоятельно или же в составе образованного модуля. Чем ближе в ДНК расположены IS-элементы, тем больше вероятность образования такого модуля, а также последующего выщепления из одного сайта и встраивания в другой сайт генома.

ИП IS1-элемент ИП Ген устойчивости к хлорамфениколу ИП IS1-элемент ИП

770 п.н. 1100 п.н. 770 п.н.

Рис. Строение транспозона Tn9

Пояснение к рисунку: транспозон Tn9 является модулем из двух соседних IS1-элементов, между которыми оказался ген устойчивости к антибиотику хлорамфениколу. Причем, как показывают стрелки над IS1-элементами, направление последовательности нуклеотидов в них одинаковое. ИП – инвертированные повторы, окаймляющие IS1-элементы.

ИП IS50-элемент ИП Ген устойчивости к канамицину ИП IS50-элемент ИП

1500 п.н. 2800 п.н. 1500 п.н.

Рис. Строение транспозона Tn5

Пояснение к рисунку: транспозон Tn5 является модулем из двух соседних IS50-элементов, между которыми расположен ген устойчивости к антибиотику канамицину. Как показывают стрелки над IS50-элементами, направление последовательностей нуклеотидов в них инвертированное. ИП – инвертированные повторы, окаймляющие IS50-элементы.

Следует отметить, что частота перемещения IS-модулей быстро падает с увеличением расстояния между фланкирующими IS-элементами.