ximia.org - сайт о химии для химиков
РАЗДЕЛЫ САЙТА
Разная химия
Неорганическая
Органическая
Биологическая
Наглядная биохимия
Токсикологическая

База знаний
Химическая энциклопедия
Справочник по веществам
Таблица Д.И. Менделеева
Гетероциклические соед.
Теплотехника
Углеводы

Партнёры по Химии
Всё об Алхимии

Химия в жизни
Каталог предприятий

Дополнительно
Лекарственные средства Фармацевтический справ.

 
Всё о Химии - Ximia.org

МИГРИРУЮЩИЕ


Алфавитный указатель: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


МИГРИРУЮЩИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (мобильные гены, прыгающие гены), дискретные фрагменты (сегменты) ДНК, способные встраиваться в разные участки генома; их расположение на хромосомах может меняться как в процессе историч. развития мира организмов, так и в пределах жизни одного индивидуума. Найдены практически во всех изученных организмах - от бактерий до человека. Они весьма разнятся по своему нуклеотидному составу и той роли, к-рую они играют в клетке.

У прокариот (бактерии и синезеленые водоросли) выделено неск. осн. групп М.г. э.-IS- и Tn-элементы, эписомы, а также нек-рые бактериофаги, или фаги (вирусы бактерий, способные ее поражать, репродуцироваться в ней и вызывать ее гибель). IS-элементы-простые вставочные (ин-серционные) последовательности (обозначаются - в зависимости от их нуклеотидного состава номерами IS1, IS2 и т.д.); содержат от 700 до 1500 пар нуклеотидов. Эти сегменты ДНК имеют инвертир. повторы на концах, содержащие обычно неск. десятков нуклеотидных пар, и не содержат никаких генов, кроме тех, к-рые необходимы для их перемещения (транспозиции) по геному. Они встречаются в нек-рых плазмидах (внехромосомные носители наследственности) и умеренных фагах (способны существовать в клетке в форме профага). Так, у разных штаммов бактерии Escherichia coli (E. coli) присутствует в геноме 19 копий IS1-элементов. Большинство др. IS-элементов также представлено в хромосомах разных штаммов E. coli мн. копиями: IS2-от 0 до 12,IS3-от 4 до 6, IS4-от 1 до 2, IS5-от 0 до 10.

Транспозиции IS-элементов не сопряжены с их исключением из мест исходной локализации в плазмидах или хромосоме; при транспозиции IS-элемент удваивается и одна его копия остается на прежнем месте, а другая попадает в новый локус (местоположение гена в хромосоме или плазмиде). Таким образом транспозиции этого элемента сопряжены с репликацией (удвоением) его ДНК.

Обычно IS-элементы встраиваются (интегрируют) в разл. места бактериального генома, однако нек-рые участки оказываются более предпочтительными, чем другие. Встраивание и исключение этих элементов происходит с высокой точностью, что свидетельствует об участии в этих процессах ферментов, узнающих инвертир. концевые повторы IS-элементов.

Ферментные системы, обусловливающие транспозиции IS-элементов, по крайней мере, частично кодируются их собств. ДНК. Так, IS1, судя пo длине его нуклеотидной последовательности, может кодировать лишь небольшие полипептиды, к-рые участвуют в его транспозиции, вероятно, в комплексе с клеточными белками.

Значение IS-элементов для эволюции бактерий связано с тем, что эти элементы при своих перемещениях инакти-вируют разл. гены или нарушают их нормальную регуляцию. Помимо прямого влияния на экспрессию гена (раз-вития признака, контролируемого данным геном) вследствие транспозиции инсерционной последовательности непосредственно в кодирующую часть гена или его регулятор-ную зону, эти М. г. э. могут влиять также на транскрипцию (биосинтез информационной РНК на матрице ДНК) окружающих их последовательностей ДНК генома. Это происходит вследствие того, что мн. IS-элементы содержат промоторные (инициирующие транскрипцию) и термина-торные (прекращающие транскрипцию) участки ДНК. Транспозиции IS-элементов могут вызывать слияние двух не связанных ранее генов или оперонов (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков) с образованием новых функцион. единиц, а также индуцировать все виды хромосомных перестроек (см. Мутации). Соединение разнородных репликонов (элементарная генетич. структура, способная к самокопированию) имеет большое биол. значение, т. к. объединяет ранее разобщенные генетич. детерминанты, подчас принадлежащие разным видам организмов.

Tn-элементы (сложные перемещающиеся элементы, или транспозоны) принципиально отличаются от IS-элементов только тем, что содержат дополнит. структурные гены, не имеющие отношения к ф-ции транспозиции. Известно много транспозонов, в состав к-рых входят гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и др. ядам. При этом один и тот же транспозон иногда несет целый набор Детерминант резистентности (т. наз. V-детерминанты). Такие транспозоны наиб. широко распространены, т.к. представляют ценность для селекции бактерий. Существуют транспозоны, содержащие гены, к-рые кодируют токсины, а также свойственные данному организму ферменты. Как правило, Tn-элементы несут на концах целые или частично измененные IS-элементы, к-рые сообщают им способность перемещаться по геному и вызывать в нем те же изменения, что и своб. IS-элементы. При этом 2 концевые IS-подобные терминальные последовательности в зависимости от типа транспозона могут иметь прямую или инвертир. последовательность нуклеотидов. Разные транспозоны часто содержат одинаковые терминальные последовательности нуклеотидов.

Транспозоны вместе с плазмидами и фагами (в к-рые они легко интегрируются) способны осуществлять обмен разл. заключенных в них генов между весьма отдаленными видами бактерий, поэтому они играют чрезвычайно важную роль в эволюции бактерий, включая адаптацию их к лек. в-вам и продуцирования ими новых токсинов.

Транспозиция Tn-элементов осуществляется по такому же механизму, как и IS-элементов, и также включает стадию трансляции. Большинство транспозонов не выбирает для своего включения строго определенные последовательности в ДНК. Однако обычно они предпочитают нек-рые районы хромосом и даже специфич. участки, причем разные Тn-эле-менты различаются по специфичности выбора мест интеграции.

Частота и характер перемещений IS- и Тn-элементов варьируют в весьма широких пределах и зависят прежде всего от св-в самих элементов. Напр., ТnЗ плазмиды перемещаются чаще в др. плазмиды, чем в хромосому. На транспозиции влияют не только генетич., но и разл. внеш. факторы, напр. УФ облучение. По-видимому, яды, инактивация к-рых обусловлена генами транспозонов, могут индуцировать синтез ферментов, необходимых для транспозиции этих транспозонов.

Др. группу М.г. э. бактерий составляют эписомы-сложные плазмиды, способные к интеграции в хромосому. Эписомы, как правило, содержат IS- или Tn-элементы, и в большинстве случаев именно благодаря им они могут включаться в состав хромосомы. Так, в половой F-эписоме E. coli (мол. м. 6.107) имеется одна копия IS2, две копии IS3 и одна копия Тn1000.

К М.г.э. прокариот относят также умеренные фаги. l-Фаги (лямбдоидные фаги) обычно встраиваются в одно место хромосомы, но при определенных условиях могут располагаться и в др. участках генома. m-Фаги способны включаться в любые места бактериальной хромосомы, а также в ДНК мн. др. фагов и плазмид. Интеграция лямбдо-идных фагов обеспечивается ферментной системой, состоящей из клеточных белков и белков, кодируемых геномом фага.

m-Фаг во мн. отношениях сходен с IS- и Tn-элементами и отличается от них только тем, что может формировать вирусные частицы. Предполагают, что IS- и Тn-элементы произошли из фага типа ц в результате утери большинства его генов.

Умеренные фаги способны вносить существ. изменения в структуру и функционирование бактериального генома благодаря двум процессам - интеграции фаговой ДНК в хромосому бактерии и трансдукции (переносу фагом бактериальных генов из одних клеток в другие). Трансдуцирую-щие фаги образуются в результате неточного исключения из хромосомы интегрир. фаговой ДНК. При этом часть собственной ДНК фага утрачивается, и вместо нее в фаговый геном включается участок бактериальной ДНК, достигающий иногда значит. размеров. Интегрир. фаги могут мутировать и терять способность к исключению из хромосомы, становясь вследствие этого ее неотъемлемой частью. В этом случае гены фага начинают определять ф-ции клетки, т.е. становятся ее собств. генами.

У эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) также широко распространены М.г. э., к-рые аналогичны М.г. э. прокариот по общему плану строения, способу транспозиции и генетич. эффекту. Элементы, подобные IS и транспозонам, найдены у мн. эукариот (грибы, растения, млекопитающие и др.). Разл. эписомоподобные факторы обнаружены в ядре и цитоплазме дрожжей. Умеренным фагам бактерий соответствуют онкогенные вирусы, в частности РНК-содержащие вирусы (ретровирусы) позвоночных.

В геномах низших эукариот обнаружены М.г.э. разных типов, среди к-рых лучше всего изучена т. наз. последовательность Tyl дрожжей. Этот элемент представлен в геноме 4-35 копиями, локализация к-рых отличается у разных штаммов. Tyl содержит 5,6 тыс. пар нуклеотидов и ограничен прямыми повторами, содержащими ок. 300 пар нуклеотидов (т. наз. 5-последовательности). Копии Tyl не полностью идентичны друг другу и составляют таким образом гетерог. семейство. В том случае, если две копии Tyl заключают между собой клеточные гены, они перемещают их по генoму, т. е. образуют истинные транспозоны. Включение Tyl-подобных элементов в регуляторные зоны генов может вызывать не только инактивацию локусов, но и изменения механизма их регуляции, что, по-видимому, связано с присутствием в нуклеотидной последовательности Tyl специфич. участков узнавания регуляторных белков.

Важным отличием М. г. э. эукариот от таковых у бактерий является их способность при включении в тот или иной локус изменять св-ва ферментов (продуктов генов-мишеней), а не только прерывать их синтез.

В геноме дрозофилы, а также др. животных, включая млекопитающих, обнаружен целый ряд семейств подвижных генетич. элементов, к-рые, как предполагают, подобно транспозонам бактерий, меняют свою локализацию, не покидая хромосом. Примером могут служить FB-элементы, или палиндромы-сегменты ДНК, ограниченные длинными инвертер. повторами; протяженность последних варьирует в широких пределах-от 0,2 тыс. до 1,3 тыс. пар нуклеотидов. Участок, заключенный между инвертир. повторами и условно называемый петлей, не является обязательной составной частью FB-элемента. Возможно, что в нек-рых случаях он соответствует участку генома, захваченному этим элементом при транспозиции.

Наиб. изучена мол. организация т.наз. мобильных дис-пергир. генов (МДГ) дрозофилы, построенных также по типу транспозонов. Известно неск. семейств МДГ. Все они имеют много общих св-в; это множественные видоспеци-фичные активно транскрибируемые гены, локализация к-рых на хромосомах варьирует не только у разных линий дрозофилы, но даже у разных особей одной линии. Все они содержат 5-7 тыс. пар нуклеотидев и повторяются в геноме от 10 до 200 раз. Отличит. особенность МДГ-присутствие на их концах повторяющихся нуклеотидных последовательностей (250-500 пар), имеющих прямую ориентацию. Считается, что МДГ способны перемещаться в результате синтеза РНК-копии и последующей ее обратной транскрипции в ДНК, к-рая замыкается в кольцо, после чего снова интегрируется в клеточный геном.

Мобильными элементами генома эукариот являются также проретровирусы (интегрированные в геном ретровирусы), транспозиция к-рых, вероятно, осуществляется по такому же механизму, как и у МДГ. Не исключено, что последние и проретровирусы являются генетич. элементами одной природы.

Роль МДГ в экспрессии прилежащих к ним генов, в мутагенезе и в общей эволюции эукариотич. генома м. б. весьма значительной. МДГ-подобные элементы могут включаться в геном вирусов, а с ними, вероятно, переноситься между организмами одного или разных видов.

Обычно транспозиции МДГ происходят чрезвычайно редко. Однако они могут в определенных условиях учащаться. Известны т. наз. транспозиц. взрывы, ведущие к одновременным перемещениям целого ряда разных мобильных элементов.

Поскольку в составе многих МДГ присутствуют промоторы транскрипции, а также особые последовательности-усилители, обладающие способностью повышать эффективность транскрипции с участием др. промоторов, внедрение МДГ может активно влиять на деятельность всего генного окружения. Возможно, активация определенных генов иногда оказывается полезной для организма. В то же время внедрение рядом с протоонкогенами МДГ может вести к онкогенной трансформации клетки. Предполагают, что в опухолевых клетках происходит активация процессов транспозиции нек-рых типов М.г.э., что ускоряет микроэволюцию опухолевых клеток и способствует развитию опухолей.

М. г. э. открыты в 40-х гг. 20 в. Б. Мак-Клинток на основании генетич. анализа нестабильных мутаций у кукурузы. Исследование их мол. природы начато в 60-х гг. в связи с обнаружением нового типа мутационных изменений у бактерий (т.наз. вставочных мутаций) и идентификацией носителей этих мутаций. Структурно-функцион. исследования М. г. э. эукариот на мол. уровне ведутся с кон. 70-х гг. с использованием методов клонирования (получение наследственно однородных поколений особи или клетки путем бесполого размножения) и генетич. инженерии.


===
Исп. литература для статьи «МИГРИРУЮЩИЕ»:
Хесин Р. Б., Непостоянство генома, М., 1984; Mobile genetic elements, ed. by J.A. Shapiro, N.Y., 1983. П.Л. Иванов.

Страница «МИГРИРУЮЩИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

 

Всё о Химии для учителей, учеников, студентов и просто химиков