Транспозоны

Автор Марков Александр, сентября 28, 2006, 13:20:02

« назад - далее »

Марков Александр

Хотелось бы обсудить роль мобильных генетических элементов в эволюции.

Но для начала у меня чисто технический вопрос. Может, кто-нибудь знает. Мне казалось, что ответ на этот вопрос очевиден, но чем больше я читаю статей по этому поводу, тем больше запутываюсь. Вопрос очень простой: ЗАЧЕМ почти у всех транспозонов, ретротранспозонов и прочих Insertion sequences (IS) - "мобильных генетических элементов" - на концах находятся инвертированные повторы? Какова их функция?

Типичная IS устроена примерно так:

левый повтор ---- ген транспозазы ----- правый повтор
GGGTTAA........ ----  ...................------ ...........TTAACCC  

(обычно длина этих повторов 15-20 нуклеотидов примерно, и они не всегда "идеальные")

Транспозаза - белок, который переносит IS с места на место (либо оставляя исходную копию, либо удаляя ее). Транспозаза должна:
1) Узнать свой транспозон (известно, что узнает она его как раз по какому-то участку инвертированных повторов)
2) Вырезать его
3) Найти в геноме "подходящее" для встраивания место (сайт встраивания),
4) Встроить туда транспозон.

Но зачем им (транспозонам) нужно, чтобы их концевые участки непременно были инвертированными повторами? Могут ли они (повторы) слипаться друг с другом, так что транспозон образует петельку, если ДНК в это время - в виде двойной спирали?

DNAoidea

Эти участки нужны для того, чтобы слипаться в кольцо - поскольку ДНК с открытыми концами в клетке долго не проживёт: её уничтожат ДНАзы.

Марков Александр

Спасибо! Мне как раз хотелось бы уточнить технику образования этого кольца.
Это именно кольцо или петелька с "ножкой"? Кольцо образуется из двунитевой ДНК или однонитевой?

Ведь транспозон сидит в геноме в виде участка двойной спирали:

AAGG---------CCTT
TTCC---------GGAA

Как будет устроено получившееся кольцо?
Можно представить себе single-strand кольцо без "ножки", с double-strand "связкой", но для этого нужны были бы другие повторы:
AAGG--------TTCC
Так не бывает. Значит, все-таки "с ножкой"? И опять же, можно представить себе двунитевое кольцо с четырехнитевой ножкой, и однонитевое кольцо с двунитевой ножкой. Что об этом известно?

DNAoidea

Дело в том, что когда транспозоньвырезается, он вырезается оставляя не тупые, а липкие концы - то есть такие у которых торчит одна из нитей - поскольку на ней водородные связи оказываются незанятыми, то этот конец "клеится" ими к другому, комплементарому ему. поскольку так же как он вырезан и другой конец, комплементрный участок оказывается на другом конце вырезанного куска. Поэтому концы склеиваются и образуют такое аккуратное кольцо без ножек.

Питер

Я,  видимо, туплю  -  но  на  концах  интегрированного в геном   транспозона  повторы  прямые. Внутри -   обращенные.  О каких   речь  идет ?  Первые  образуются  при  интеграции в  новый сайт  интеграции.  Вторые  необходимы    для сайт-специфичной  рекомбинации  при  вырезании с   образованием  кольцевой  молекулы ДНК.

Ссылочка  по  теме
http://bio.fizteh.ru/student/files/biology/bioarticles/f_6ai2#search=%22%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC%20%20%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B8%22

Кстати,  имеет  смысл сразу  определиться,  о  чем   идет  речь  -  о  классических  транспозонах (с транспозазой) или  ретротранспозонах ?  Принципиально  отличается  все ...
А  оно  вам  надо  ?

Марков Александр

Большое спасибо за помощь, но тут есть все-таки неясность.

Давайте сейчас ограничимся рассмотрением простых IS (insertion sequences). У них, когда они встроены в геном, действительно по краям прямые повторы. Они образуются при встраивании IS, они называются target site duplication, и механизм их образования нормально описан в статье, ссылку на которую дал Питер. ОК. Тут нет проблем. Меня интересуют обращенные повторы, которые находятся внутри от прямых и составляют часть САМОЙ IS, в отличие от прямых повторов.
Например:
ATGC AATTGG------(ген транспозазы)-----CCAATT ATGC

Здесь ATGC..........ATGC это прямые повторы, и с ними все ясно. Они не переносятся вместе с IS.
Тогда как AATTGG.....CCAATT - это обращенные повторы, они переносятся вместе с IS и составляют ее важнейшую часть, именно их узнает транспозаза.

В статье объясняется, каким образом такие обращенные повторы используются для сайт-специфической ИНВЕРСИИ (рис. 3). Это хорошо, но с IS происходит не инверсия, а транспозиция. Зачем для транспозиции обращенные повторы? В статье говорится лишь, что они "абсолютно необходимы для транспозиции, поскольку именно их концы связываются с транспозазой и по ним происходит рекомбинация". Но там не говорится, зачем им для этого надо быть обращенными повторами. А не прямыми, скажем. Далее, в статье говорится, что "транспозаза сводит вместе концы подвижного элемента и делает разрывы точно по этим концам". Но ничего НЕ говорится о том, что IS замыкается в колечко. На рис. 5 (общая схема рекомбинационных реакций при транспозициях) замыкание в колечко не показано. Там видно, как образуются прямые повторы по краям (те, что снаружи от обращенных), но совершенно не видно, зачем нужны обращенные повторы.

Между тем и Питер, и DNAoidea пишут о замыкании в колечко:

Питер:
ЦитироватьВторые необходимы для сайт-специфичной рекомбинации при вырезании с образованием кольцевой молекулы ДНК.

DNAoidea:
Цитироватькогда транспозон вырезается, он вырезается оставляя не тупые, а липкие концы - то есть такие у которых торчит одна из нитей - поскольку на ней водородные связи оказываются незанятыми, то этот конец "клеится" ими к другому, комплементарому ему. поскольку так же как он вырезан и другой конец, комплементрный участок оказывается на другом конце вырезанного куска. Поэтому концы склеиваются и образуют такое аккуратное кольцо без ножек.

И вот тут я как раз ничего и не могу понять. Если бы повторы были ПРЯМЫЕ, то все бы так получилось, как вы говорите (липкие концы с двух сторон -> транспозон отлично замыкается в колечко). А с ОБРАЩЕННЫМИ повторами - не склеиваются они в колечко, ну никак. Нарисуйте - сами увидите.

Питер

Я думаю,  что точного  ответа  на   этот  вопрос  не  знает  никто. Ясно, что транспозаза  узнает  эти   повторы,   образует   петлю  точно  по   повторам, вырезает      транспозон  точно  по  концам  повторов   и  в  тупую  сшивает  с  образованием  кольцевой  молекулы.  Скорее всего  при  этом  происходит   сначала  расплетание   нитей  ДНК  и  при  этом как  раз  на  одной  нитке   два  инвертированнывх  повтора   могут  образовать  дуплекс. Как   потом  этот  дуплекс  разрешается  на  молекулярном  уровне  -  не  знаю,  можно  поискать  литературу.  Или  можно у  Гвоздева  спросить - благо    это  только  на  два  этажа выше.
А  оно  вам  надо  ?

DNAoidea

Кстати, то что вы написали: AATTGG - это палиндром. Может в этом дело? Или это случайность?

Марков Александр

Цитата: "Питер"Или  можно у  Гвоздева  спросить - благо    это  только  на  два  этажа выше.

Если не очень трудно, пожалуйста! Или может быть пришлете мне его e-mail, а то я думаю, что эти мои проблемы с обращенными повторами не очень интересны остальным участникам форума  :oops:

ЦитироватьКстати, то что вы написали: AATTGG - это палиндром. Может в этом дело? Или это случайность?

Ну, в общем, инвертированные повторы по краям IS - это и есть палиндром, разрезанный пополам, и между половинками вставлен ген транспозазы.
Зачем нужны палиндромы? Какова их функция? Вот это я и пытаюсь понять. Дело в том, что в последнее время - так совпало - они мне стали слишком часто попадаться, и концевые участки транспозонов - это только один из примеров. А когда стал пытаться выяснить, зачем они вообще нужны, оказалось, что выяснить это не так-то просто. В одном случае это хорошо известно - для придания нужной конфигурации (вторичной структуры) функциональным РНК (тРНК, к примеру). А в других случаях - как в примере с IS - не очень все понятно.

Jan Metlevski

Цитата: "Марков Александр"Если не очень трудно, пожалуйста! Или может быть пришлете мне его e-mail, а то я думаю, что эти мои проблемы с обращенными повторами не очень интересны остальным участникам форума  :oops:

Александр, да нет же, пожалуйста, оставайтесь обсуждать эти проблемы здесь. Всё это как раз очень и очень интересно.
Jan

feralis

ВЫ НАПРАСНО ДУМАЕТЕ ЧТО ЭТО ДРУГИМ НЕ ИНТЕРЕСНО
ПРОСТО НЕ ВРЕМЯ ВСТАВИТЬ СВОИ ПЯТЬ КОПЕЕК

вЫ МНЕ ОТВЕТТЕ НА ВОПРОС
а ПОЧЕМУ В ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА ТРАНСПОЗОНОВ ПРОЦЕНТОВ 45 А У МЫШИ КУДА МЕНЕЕ?
в NATURE ПИСАЛИ ВРОДЕ А У ВАС ДОСТУП ЕСТЬ
сСЫЛКИ УВЫ У МЕНЯ НЕТ

пРО СТРУКТУРНОЕ СХОДСТВО РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ КЛАССА 1 С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ФОРМОЙ РЕТРОВИРУСА У ВАС НОВОСТИ ЕСТЬ? А ТО ВЕТЬ СИНГЕР ЛЕТ 10 НАЗАД О ТОМ ПИСАЛА

Питер

Откула в геноме человека   45 процентов  транспозонов ???  Или  тогда  что вы  понимаете  под  транспозонами вообще  и  под  ретротранспозонами  первого  класса ?
А  оно  вам  надо  ?

DNAoidea

Я тоже слышал про 45%. Почему так много - это врядли кто-то скажет. Расплодились. И им ничего не мешало.
А зачем там полиндромы? Так если его посередине порезать и оставить липкие концы по три нуклеотида с каждой стороны - то всё как раз и свернётся в кольцо!Правда, сайт, через который он будет встраиваться окажется слишком мал - 6 нуклеотидов - то есть сможет встроится очень во много мест, хотя ему-то это и надо...

Марков Александр

ЦитироватьПОЧЕМУ В ГЕНОМЕ ЧЕЛОВЕКА ТРАНСПОЗОНОВ ПРОЦЕНТОВ 45 А У МЫШИ КУДА МЕНЕЕ?

Похоже, здесь речь идет не о транспозонах, а о повторяющихся последовательностях в широком смысле. Известно что повторы повышают вероятность геномных перестроек - инверсий, транспозиций. Некоторые повторы, как я слышал, ведут себя как мобильные элементы, хотя в них нет никаких генов. То ли они "паразитируют" на чужих транспозазах, то ли ...?

Раньше часто говорили о "стабильности" - "нестабильности" генома. Сейчас чаще пишут о "пластичности" генома (в том же контексте). Такой тонкий нюанс, отражающий растущее понимание того, что все эти геномные перестройки и прыгающие кусочки генома - не просто мусор, не просто паразиты, устраивающие хаос и беспорядок. Но что это некая система, которая может быть и полезна хозяину, как средство повышения приспособляемости.

У бактерий это достаточно четко прослеживается. Например, из всех видов рода Rickettsia (я ими сейчас занимаюсь) больше всего мобильных элементов, повторов и палиндромов у вида R.bellii, который имеет наиболее широкий спектр хозяев из всех риккетсий. И у этого же вида - самый высокий темп геномных перестроек. Узкоспециализированные виды (R.typhi, R.prowazekii), у которых приспособление к внутриклеточному паразитизму зашло дальше всего, - у них геном сильно упростился, почти от всех мобильных элементов они избавились, темп геномных перестроек резко снизился. Заодно они утратили и способность к половому процессу.

Бактерия Wolbachia тоже облигатный внутриклеточный паразит, к конъюгации по всей видимости не способна, геном резко упрощен (т.е. утрачена куча генов), - и однако при этом переполнен мобильными элементами и повторами. Темп геномных перестроек очень высок. И что же? Эта бактерия имеет невероятно широкий спектр хозяев и самым фантастическим образом контролирует их размножение и развитие (в своих интересах).

Короче: контролируемая рекомбинация (а на худой конец сойдет даже и неконтролируемая) - штука необходимая и существует очень давно. И один из широко распространенных способов ее осуществления - половой процесс, а другой, менее контролируемый и более рискованный, но зато и более радикальный - это геномные перестройки, на которые, в частности, очень сильно влияют мобильные элементы и повторы.

ЦитироватьпРО СТРУКТУРНОЕ СХОДСТВО РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ КЛАССА 1 С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ФОРМОЙ РЕТРОВИРУСА У ВАС НОВОСТИ ЕСТЬ? А ТО ВЕТЬ СИНГЕР ЛЕТ 10 НАЗАД О ТОМ ПИСАЛА
Судя по тем статьям, которые мне попадались (хотя специально этот вопрос я не разбирал) сейчас близкое родство ретровирусов и ретротранспозонов считается вещью довольно очевидной.

Марков Александр

Поскольку тема получила право на существование,
позволю себе загрузить участников форума, особенно тех, у кого развита фантазия и пространственное воображение, еще одной маленькой загадкой, связанной с концевыми обращенными повторами и палиндромами.

Вот, предлагаю полюбоваться на конкретный мобильный элемент под названием IS1628. Интересная штуковина. КОНЦЕВЫЕ ОБРАЩЕНЫЕ ПОВТОРЫ подчеркнуты. В данном случае они не совсем идеальные. Если вырезать (мысленно) всю среднюю часть между подчеркнутыми повторами (в ней находится ген транспозазы), и оставить только повторы, то получится ПАЛИНДРОМ, т.е. последовательность нуклеотидов, комплементарная самой себе.

Еще до того как вырезать транспозон, транспозаза "сближает его концы" (см. статью). При этом они, наверное, прикладываются к другу, и тут оказывается, что они почти идентичны, вроде как при гомологичной рекомбинации, или при спаривании хромосом при мейозе. Они идентичны, если их приложить друг другу так, что транспозон образует "петельку с ножкой".

Однако есть еще одна любопытная деталь. Помимо того, что концы транспозона представляют собой обращенные повторы, посередине обоих концевых участков есть некий сайт, который можно назвать "палиндромом второго порядка" (если палиндромом первого порядка считать сами обращенные повторы). Этот участок я выделил: TTGCAA. Он резко усиливает симметрию концов. Он является, благодаря своей палиндромичности и присутствию в обоих концевых участках транспозона, одновременно и ПРЯМЫМ, и ОБРАЩЕННЫМ повтором.

И это вряд ли случайность: такие штуковины встречаются далеко не у всех, но у многих мобильных элементов где-то посередине обычных концевых обращенных повторов. Я нашел пока около десятка таких случаев. Иногда эти "палиндромы второго порядка" бывают не только по 6, но и по 8, и даже по 10 нуклеотидов.

Вот если по этому сайту разрезать двойную спираль, как предлагает DNAoidea, оставив "липкие концы", то вырезанный участок ДЕЙСТВИТЕЛЬНО может сомкнуться в гладкое колечко. Но только этого не происходит: транспозон ведь вырезается точно по внешним концам обращенных повторов. Если бы он вырезался по "палиндрому второго порядка", то внешние концы (в данном случае краевые участки GGTGCTG-----CAGCACC) сразу потерялись бы.

И вот очень хотелось бы понять - ЧТО БЫ ЭТО ЗНАЧИЛО?
Зачем могут быть нужны такие маленькие палиндромы внутри концевых обращенных повторов у транспозонов?

GGTGCTGTTGCAACTTGGGGCGGGAGCCAAGAAGGCTCCGTTTTTATTGTGTGATCAACG
CTATGTGCCTGTGTTGTCAGGCCGTCTCGAATACCCGGCTAACAATCACTGCATCCGGAT
TCGGGTGACCATAGGCAAACATCGTGCCCTGCCCCTTCCGCAATGAGTGCATCGCCTCCA
TCCCTTTCAACGTCCGGTAGGCAGACGTTCGGTTTTTGAATGCGCCTTTCGGCCCCAGGA
TCCGCTTTAACCGACCATGGTCGCCTTCAATGACGTTGTTGAGGTATTTCACCCGACGAT
GCTCGACCGTCGATGGACAGACGCCTTCCGCCTTCAGCTCAGAGATTGCCCTGGCGAGTG
AGGGGGCCTTGTCGGTGCTGATCACCCGCGGATAGCCTGCCGATTTATTCGACCGCAGCG
TCTTCGCCAGGAAACGCTTCGCCGCCGCGACGTTTCTCTTCGGGGAGAGGTAGAAGTCCA
GGGTCTGGCCACCGGCGGTGATTGCCCGATAGAGGTAGCACCACTTTCCCCCGACCCGGA
TATAGGTCTCATCCACCCGCCAGGACCTGGCCTGCCAGTCAGGAACTTGCCGATACCACC
GGGTCTTCTTATCCAGCTCAGGAGCATATTTCTGGACCCAGCGGTAGATCGTGGTGTGAT
CGACCGGCACTCCCCGCTCGGTCATCATCTCTTCGAGGTCGCGATAGCTCACGCCGTAGC
GGCAGTACCACCGCACCGCCCACAGGATGATTTCACGAGGGAACTGCCGACCGGAGAAGA
TGCCCATGGACCTGATTATTCCACGCCGGTCTTCCTACTGCCCCAACTTTGCAACAGCACC
( http://www-is.biotoul.fr/index.html?is_special_name=IS1628 )