Поломка хромосомы 9. Анализ текста.

В середине прошлого века Барбара МакКлинток, изучавшая окрашенные зерна кукурузы, обнаружила, что в клетках одной из линий хромосома 9 ломается очень часто и, что наиболее интересно, в одном и том же месте (Рис. 1). Она также выяснила, что для поломки необходимо наличие двух генетических факторов: первый располагался в месте разлома и получил название Ds (от англ. Dissociation), в то время как второй был необходим для активации процесса, за что был назван Ac (от англ. Activator). МакКлинток заподозрила, что Ac и Ds — мобильные генетические элементы, поскольку не смогла локализовать Ac. В некоторых растениях он находился в одном месте, в других — в совершенно ином. Сегодня мы знаем, что Ac и Ds — это транспозоны (англ. transposable elements, TEs), иногда называемые «прыгающими генами», то есть последовательности ДНК, которые обладают способностью к перемещению (транспозиции) внутри генома.

Рисунок 1. Разлом хромосомы 9 кукурузы в месте, содержащем элемент Ds.

Транспозоны эукариот делят на два класса в зависимости от механизма перемещения (Рис. 2). К ретротранспозонам (класс 1) относят те из них, транспозиция которых осуществляется с использованием РНК-интермедиата по принципу «копировать и вставить» (англ. copy-and-paste). Для ДНК-транспозонов (класс 2) характерен механизм «вырезать и вставить» (англ. cut-and-paste), при котором исходный TE переносится из донорной последовательности в новый сайт.

Рисунок 2. Механизмы транспозиции.

Подробнее рассмотрим механизм перемещения ДНК-транспозонов на примере элементов Ac и Ds (Рис. 3). На концах ДНК-транспозонов расположены инвертированные концевые повторы (англ. inverted terminal repeats, ITRs) — последовательности ДНК, с которыми связывается фермент транспозаза. Транспозаза вырезает TE из хромосомной ДНК и переносит его к целевому сайту, где происходит встраивание. Ac относится к автономным элементам, поскольку он кодирует собственную транспозазу, и, как следствие, может перемещаться самостоятельно. Напротив, Ds является неавтономным, так как он не кодирует транспозазу — для транспозиции ему требуется фермент, кодируемый Ac.

Рисунок 3. Механизм перемещения ДНК-транспозона на примере Ac и Ds.

Как было отмечено ранее, перемещение ретротранспозонов протекает по иному механизму. В нем принимают участие не только ферменты, кодируемые ретротранспозоном, но и клеточные компоненты. На первом этапе РНК-полимеразы клетки транскрибируют ДНК ретротранспозона. РНК далее транслируются для получения белков, необходимых при транспозиции. Один из них, обратная транскриптаза, использует молекулы РНК для синтеза двухцепочечных ДНК-копий ретротранспозона, которые затем встраиваются в геном. Транскрипция ДНК ретротранспозона может приводить к образованию множества молекул РНК, что обуславливает способность TEs класса 1 быстро распространяться и накапливаться в геномах.

Рисунок 4. Механизм перемещения ретротранспозона.

Данные секвенирования свидетельствуют о том, что почти половина генома человека состоит из последовательностей транспозонов. Большинство из них — это ретротранспозоны двух типов: длинные автономные LINEs и короткие неавтономные SINEs. Вместе они составляют около 34% нашего генома, тогда как на ДНК-транспозоны приходится лишь 3%. Наиболее распространенный SINE носит название Alu, в геноме человека содержится свыше 1 млн его копий. К счастью, многие из транспозонов утратили мобильность вследствие накопления мутаций. Более того, клетки имеют специальные механизмы для подавления активности TE, например, в клетках зародышевой линии экспрессируются короткие РНК (англ. Piwi-interacting RNAs, далее piRNAs), сдерживающие перемещение активных транспозонов. Тем не менее, случайные транспозиции могут приводить к развитию тяжелых заболеваний.

Несмотря на потенциальный вред, транспозоны играют важную роль в эволюции геномов организмов. В процессе мутаций TEs могут приобретать новые функции и свойства, полезные организму, — такое явление получило название «молекулярное одомашнивание». Так, ферменты RAG1 и RAG2, необходимые для синтеза антител, и, как следствие, обеспечивающие формирование приобретенного иммунитета, по современным представлениям произошли от транспозазы.

1. Выберите вариант, в котором указана верная последовательность событий, происходящих при перемещении ретротранспозона.

A.

(1) синтез РНК-интермедиата в ходе транскрипции

(2) экспорт РНК-интермедиата из ядра в цитоплазму

(3) взаимодействие РНК-интермедиата с piRNAs

(4) синтез двухцепочечной ДНК в ходе обратной транскрипции

(5) импорт двухцепочечной ДНК-копии в ядро

(6) встраивание ДНК-копии ретротранспозона в геном

B.

(1) синтез РНК-интермедиата в ходе транскрипции

(2) экспорт РНК-интермедиата из ядра в цитоплазму

(3) синтез обратной транскриптазы в ходе трансляции

(4) синтез двухцепочечной ДНК в ходе обратной транскрипции

(5) импорт двухцепочечной ДНК-копии в ядро

(6) встраивание ДНК-копии ретротранспозона в геном

C.

(1) синтез РНК-интермедиата в ходе транскрипции

(2) экспорт РНК-интермедиата из ядра в цитоплазму

(3) синтез транспозазы в ходе трансляции

(4) импорт транспозазы в ядро

(5) вырезание TE из хромосомной ДНК

(6) встраивание ДНК ретротранспозона в новый сайт

D.

(1) синтез РНК-интермедиата в ходе трансляции

(2) экспорт РНК-интермедиата из ядра в цитоплазму

(3) синтез обратной транскриптазы в ходе транскрипции

(4) синтез двухцепочечной ДНК в ходе обратной транскрипции

(5) импорт двухцепочечной ДНК-копии в ядро

(6) встраивание ДНК-копии ретротранспозона в геном