Potujoči geni v nas

Angleški genetik John Burdon Haldane je nekoč hudomušno pripomnil: "Svet ni samo bolj neverjeten, kot si predstavljamo - je bolj neverjeten, kot si lahko predstavljamo." Kaj bi si mislili o osebi, ki bi nenadoma rekla, da v naših celicah nekateri deli genoma skačejo v DNA vijačnici, kot bolhe na ovratniku vozička? Da je imel preveč domišljije?

Mnogo podobnih kritik je morala slišati ameriška genetičarka Barbara McClintock, ki je prva znanstveni skupnosti naznanila obstoj gibljivih genov. Konec štiridesetih let prejšnjega stoletja, ko je preučevala genom koruze, je odkrila, da lahko nekateri neznani elementi delujejo na aktivnost genov, ki bi se po njeni domnevi lahko premikali po DNK. Ta nova hipoteza je bila tako revolucionarna, da so jo drugi genetiki po lastnih spominih McClintocka spoznali s popolnim nerazumevanjem in "kamnito tišino".

Skrivnostni genom Exon je odsek gena, ki nosi podatke o strukturi proteina. otoki pG so mesta kompaktne ureditve nukleotidnega para citozin-gvanin. Intron je del gena, ki ne vsebuje informacij o zaporedju aminokislin. Sateliti, nukleotidne sekvence, so zelo dolgi (nekaj sto tisoč parov nukleotidov) odseki DNK s tandemom ("od glave do repa"), ki ponavljajo kratke bloke 5-200 parov nukleotidov. Retrotransposoni LTR so mobilni retroelementi z dolgimi končnimi ponovitvami. SINE - kratki izmenični retro elementi (kratki prepleteni elementi). LINIJA - dolgi prepleteni retro elementi (dolgi prepleteni elementi).

Trajalo je skoraj štiri desetletja, da so se njene inovativne ideje v celoti prepoznale. Kot je pravilno opazil ruski fizik, je nobelovec V.L. Ginsburg, znanstvenik, mora biti dolgotrajen, če želi počakati na priznanje svojega dela. Leta 1983 je 80-letni McClintock Nobelovemu odboru podelil nagrado za fiziologijo in medicino "za odkritje mobilnih genetskih elementov". V svojem nobelovskem govoru je izgovorila naslednje besede: "Genom je zelo občutljiv organ celice, ki pod stresom lahko sproži lastno prestrukturiranje in obnovo." Resnično mobilni elementi genoma (aka transposons ali "skačejoči geni") so bili odkriti tri desetletja po njihovi teoretični napovedi v sedemdesetih letih. Prvotno sta P. Starlinger in D. Shapiro v bakterijah odkrila najpreprostejše mobilne elemente, imenovane elemente za vstavljanje (vstavljanje). Ugotovljena je bila njihova sposobnost, da v preprostih organizmih povzročajo mutacije. Izkazalo se je, da je lahko v bakterijskem genomu od nekaj kosov do nekaj sto takšnih vstavitvenih elementov. Na primer, v dizenterični bakteriji Shigella dysenteriae je danes znanih kar 200 kopij mobilnih elementov. Preučevanje mobilnih bakterijskih genov je velikega praktičnega pomena, saj je sposobnost bakterij, da pridobijo odpornost na antibiotike, neposredno povezana z njimi.

Dedovanje virusa Transposoni predstavljajo približno 3% celotnega zaporedja človeške DNK. In odkrivanje novih gibalnih genov tega razreda se nadaljuje. Pred nekaj leti je ruski genetik Vladimir Kapitonov in njegovi sodelavci odkrili več drugih vrst mobilnih elementov: Harbinger, Helitron in Polinton. Kot se je izkazalo, imajo velike podobnosti z nekaterimi virusi in z mobilnimi geni bakterij.

Po bakterijah so v kompleksnih organizmih našli mobilne elemente. Leta 1976 je skupina sovjetskih genetikov V.A. Gvozdev in njegovi sodelavci so jih našli pri Drosophili. Mnogo let kasneje se izkaže, da so ti elementi edinstveni v sadnih muhah. V njih opravljajo funkcije telomeraze - encima, ki tvori kraje DNK (telomerov), ki se skrajšajo med vsako delitvijo celice. Ugotovljeno bo tudi, da so ti elementi po strukturi zelo podobni človeškim retrovirusom, med katerimi je najbolj znan virus humane imunske pomanjkljivosti (HIV).

Zdaj, ko smo preučevali najpreprostejše organizme in drosofilo, je bil čas, da najdemo "skačejoče" gene pri vretenčarjih, vključno s človekom, kar je bilo kmalu storjeno. Postalo je jasno, da so mobilni elementi genoma izjemno pogosti v divjini. Trenutno jih najdemo v vseh živih organizmih, ki so le padli v roke znanstvenikov - od bakterij do sesalcev. Pri ljudeh predstavljajo velik del zaporedja DNK - več kot 40%.

Nekateri mobilni geni, kot so hišni ljubljenčki, so od svojih odkritelcev prejeli imena: Magellan, Attila, Penelope, Turist, Charlie, Sleeping Beauty, Emigrant, Aurora (to "bivšo" - izgubljeno gibljivost - transposon so odkrili ruski znanstveniki in poimenovali po legendarni križar).

Izrežite in prilepite

Danes so vsi gibajoči se elementi genoma v višjih organizmih običajno razdeljeni v dva velika razreda: transpozoni DNK (ali preprosto transpozoni) in retrotransposoni. Ta delitev je nastala zaradi različnih molekulskih mehanizmov, s katerimi se ti elementi premikajo skozi DNK. V članku lahko obravnavamo le prvi razred mobilnih elementov.


Naš strokovnjak Vladimir Aleksejevič Gvozdev, predstojnik Oddelka za celično molekularno genetiko Inštituta za molekularno genetiko Ruske akademije znanosti, profesor Moskovske državne univerze, akademik Ruske akademije znanosti:

"Kot je običajno v eksperimentalni temeljni znanosti, se odkritja pojavijo nepričakovano, saj jih ni mogoče načrtovati - postavljena je ena naloga in v poskusu reševanja se odkrije nekaj povsem novega in nepričakovanega, samo ne mimo. Tako je nekoč naloga, ki jo je zastavil G.P. Georgiev, da preuči principe ureditve regulacijske cone genov pri večceličnih živalih, pripeljala do odkritja gibajočih se elementov genoma v sadni muhi - Drosophila, izjemnega vzorčnega predmeta molekularne genetike. In v popolnoma različnih delih hkrati, ne več na drozofili, so ugotovili, da geni so sestavljeni iz ločenih kosov, ki kodirajo segmente RNA, ki so nato navzkrižno povezani, da tvorijo popolno RNA, ki kodira protein. Tega nihče ni mogel napovedati, zato je to odkritje prejelo Nobelovo nagrado. "

DNK transpozoni za svoje gibanje uporabljajo mehanizem, ki je bil v znanstveni literaturi opredeljen kot rez in lepljenje. Po prejemu določenega signala od zunaj se aktivira gen, ki je odgovoren za sintezo posebnega encima, transpozaze. Ta gen se nahaja znotraj transposona, ki predstavlja njegov najpomembnejši del. Po tej transpozazi, ki se giblje vzdolž DNK, na njej najde svoj transposon s posebnimi oznakami (obrnjeno ponovitev), ki ga vežejo na obeh straneh. Najden transposon je s pomočjo transpozaze lepo izrezan in premeščen na drugo mesto, pripravljeno zanj, z DNK, to je, da je vstavljen v vnaprej rezano vrzel.

Včasih transpozaza, kodirana v enem transpozonu, premakne druge podobne mobilne elemente, vključno s tistimi, pri katerih je poškodovan njihov lastni gen za transpozazo. Izkazalo se je kot nekakšna medsebojna pomoč med mobilnimi elementi (ali, če želite, parazitiranje drug na drugem). Neverjetna zapletenost in doslednost vseh teh procesov je presenetljiva, kot da jih nadzira kakšna neznana sila, kot dober dirigent orkestra. Priznati je treba, da je velik del teh notranjih procesov raziskovalcem težko razumeti, saj so tako jasno organizirani, zapleteni in usklajeni med seboj.

In zadnja faza: vneseni transposon je na novem mestu povezan z DNK. Kraj, od koder je transposon "poskočil", je v postopku popravljanja (obnovitev celovitosti DNK). Če pa je prišlo do "skoka" med delitvijo celic, se kopija elementa, vzetega iz sestrske molekule DNK, vstavi v prazen prostor. V drugi izvedbi pride do "množenja" transposona - v kromosomu postane še en mobilni element. Takšni gibi predstavljajo potencialno nevarnost za celico in celoten organizem.

Divji in domači

Danes po grobih ocenah obstaja približno 100 človeških genetskih patologij, ki jih povzročajo neposredno mobilni elementi. In ta seznam se še naprej širi. Očitno je tudi, da so gibljivi geni nekako povezani s staranjem - povečanje njihove aktivnosti, ki ga povzroči oslabitev represivnih mehanizmov, najdemo s starostjo.

Potencialno nevarnost mobilnih elementov za žive organizme posredno potrjuje dejstvo, da imamo več načinov zatiranja njihove aktivnosti. To je predvsem metilacija gibljivih genov, ko se metilna skupina (en ogljikov atom in trije vodikovi atomi - CH3) pridruži mestu DNK, kjer se nahajajo. Metilno skupino lahko primerjamo s "škrbino": ko so pritrjeni na DNK, mobilni elementi ne morejo pokazati svoje aktivnosti (za več podrobnosti o metilaciji glejte "PM" št. 2'2015). Tudi v boju proti transpozonom živi organizmi aktivno uporabljajo mehanizem utišanja RNA - zatirajo izražanje genov gibljivih elementov s pomočjo kratkih enoverižnih RNK. Ta mehanizem zagotavljajo tako imenovane piwiRNA, katerih učinek je bil prvič odkrit leta 2001 na Inštitutu za molekularno genetiko Ruske akademije znanosti akademika V.A. Gvozdev, A.A. Arabin in njihovi sodelavci.

Ctrl-C ali Ctrl-X? Gibljivi elementi genoma so razdeljeni v dva velika razreda: transpozoni DNK in retrotransposoni. Prvi uporabljajo načelo "cut and paste" za gibanje, drugi pa "kopiraj in prilepi". 1. Transposon DNK v nekem delu vsebuje podatke o strukturi encima transpozaze. V procesu branja (transkripcije) nastane molekula RNA, ki se transportira do citoplazme in vstopi v ribosom, kjer se gradi transpozaza v skladu z njenimi "navodili". Encim se vrne v jedro in, ko se giblje vzdolž DNK, najde svoj transposon s posebnimi oznakami - tako imenovanimi dvojnimi ponovitvami. Nato transposon prenesemo v pripravljeno vrzel ciljne DNK in prvotno DNK premrežimo. 2. Med transkripcijo retrotransposona dobljena RNA poleg kopiranega zaporedja genov vsebuje tudi opis dveh proteinov. Ena izmed njih je vključena v pakiranje semantičnega dela RNK v kompaktni ribonukleoprotein. Drugi izvaja povratno transkripcijo retrotransposona - sintetizira nukleotidno zaporedje novega retrotransposona v ciljni DNK v skladu s programom, ki ga določa ribonukleoprotein.

Dolgo časa po odkritju je veljalo, da lahko od premikajočih se elementov pričakujemo le težave - na primer mutacije, ki vodijo do bolezni, ko transposon vstavimo v gen, ki kodira protein ali RNA ali uravnava njihovo delo. To stališče sta si delila tudi odkrittelja strukture DNK D. Watson in F. Crick. Toda v zadnjih letih obstajajo dokazi, da se transpozoni še vedno lahko udomačijo in pretvorijo iz zajedavcev v uporabne strukture.

Menijo, da so bili mobilni elementi iz razreda transpozonov aktivni že v zgodnji evoluciji večceličnih živali, medtem ko se je njihov prednik ljudi in opic nenadoma gibal po genomu pred približno 40 milijoni let. Človek je od teh starodavnih transpozonov dobil tudi nekaj delovnih genov, vključno s tistimi, ki zagotavljajo edinstven mehanizem, s katerim se borimo proti tujim vdorom v naše telo.

RAG proteini sodijo v ta mehanizem - neposredni potomci mobilnega encima transpozaze iz družine transpobov (element, ki ga je odkril znani "lovec na transposone", ruski genetik Vladimir Kapitonov). Poleg tega smo to vrsto transposona identificirali izključno v genomi nevretenčarjev, ki so med evolucijo prenašali njihov glavni encim na vretenčarje, kar nam je omogočilo sintezo RAG proteinov. Ti, kot vešč konstruktor, zberejo protitelesne gene iz različnih struktur, tako da združijo fragmente DNK v celicah imunskega sistema - limfociti.

Verjetno so transpozoni v procesu evolucije večkrat delovali kot aktivno orodje mutacij, ki so s svojim gibanjem sprožile ustvarjanje genetske raznolikosti. Danes je po sekvenciranju človeškega genoma znanih približno 50 genov, ki so pridobljeni neposredno iz transpozonov. Tako postopoma, glede na nabrane podatke, izključuje izključno negativna ocena aktivnosti mobilnih elementov. Nasprotno, danes so številni znanstveniki nagnjeni k temu, da jih obravnavajo kot "gensko rezervo" organizmov, ki jih uporabljajo za razvoj in vzdržanje stresa. Vse, kar je danes povezano z mobilnimi genetskimi elementi, se aktivno preučuje v številnih laboratorijih po svetu, saj ima poleg čisto znanstvenega zanimanja veliko uporabno vrednost - mobilni geni so bili tesno povezani z razvojem, staranjem in številnimi patologijami.

Članek "Sovražnik in pomočnik znotraj nas: mobilni genetski elementi" je bil objavljen v reviji Popular Mechanics (št. 4, april 2015).

Priporočena

Odnesli v večnost: bojne vrste borodinskega tipa
2019
Boksar na avtocesti: Boksarski motor za izgorevanje
2019
WhatsApp bo dobil iskanje slik
2019