Transcript dnr reparacija, rekombinacija ir transpozicija

DNR REPARACIJA,
REKOMBINACIJA IR
TRANSPOZICIJA
8.1 DNR REPARACIJA

Kadangi dauguma mutacijų yra žalingos,
DNR reparacijos sistemos yra gyvybiškai
svarbios organizmo išgyvenimui


Ląstelėse yra keletas DNR reparacijos sistemų,
ištaisančių skirtingų tipų DNR pažaidas
Daugeliu atveju DNR reparacija yra
daugiapakopis procesas



1. Surandama DNR struktūros anomalija
2. Nenormali DNR pašalinama
3. Sintetinama normali DNR
8-2
Dažniausi DNR reparacijos tipai
Sistema
Aprašymas
Tiesioginė reparacija
Fermentas tiesiogiai atpažįsta netaisyklingą DNR struktūrą ir verčia ją į
taisyklingą struktūrą
Bazių ar nukleotidų
ekscizijos reparacija
Pradžioje atpažįstamos netaisyklingos bazės ar nukleotidai ir
pašalinami iš DNR struktūros. Šioje srityje iškerpamas DNR
segmentas. Komplementari DNR grandinė naudojama kaip matrica
naujam segmentui sintetinti.
Neatitinkančių
nukleotidų reparacija
Procesas, panašus į ekscizinę reparaciją: skirtumas tik tas, kad
atpažįstami neteisingai suporuoti nukleotidai.
Rekombinacinė
reparacija
Vyksta, jei replikuojantis dėl DNR pažaidos susidaro nereplikuotos DNR
spraga. Vyksta mainai tarp DNR segmento su spraga ir normaliai
replikuotos DNR. Po to spraga gali būti užpildyta, panaudojant
komplementarią grandinę kaip matricą.
8-3
Pažeistos bazės gali būti
reparuojamos tiesiogiai

Keletu atvejų nukleotidų kovalentinės modifikacijos
gali būti tiesiogiai pašalintos, veikiant specialiems
fermentams

Fotoliazė gali reparuoti timino dimerus


Ji perskelia dimerus, atstatydama normalią DNR struktūrą
O6-alkilguanino alkiltransferazė reparuoja alkilintas bazes

Ji perneša metilo ar etilo grupę nuo bazės ant alkiltransferazės
baltymo cisteino

Ši reakcija negrįžtamai inhibuoja alkiltransferazę
8-4
DNR fotoliazė
kerpa dvi jungtis
tarp timino
dimero
Atstatoma normali dviejų timinų struktūra
a) Tiesioginė timino dimero reparacija
Alkiltransferazė katalizuoja
alkilo grupės
pašalinimą
Atstatoma normali guanino struktūra
b) Metilintos bazės tiesioginė reparacija
Tiesioginė pažeistų DNR bazių reparacija
8-5
Bazių ekscizijos reparacija
pašalina pažeistą DNR

Bazių ekscizijos reparacijoje (BER) dalyvauja
fermentai, priklausantys DNR-N-glikozilazių klasei


Šie fermentai gali atpažinti nenormalią bazę ir suardyti
jungtį tarp jos ir DNR karkaso dezoksiribozės
Priklausomai nuo rūšies ši reparacijos sistema gali
pašalinti tokias nenormalias bazes, kaip:


Uracilą; timino dimerus
3-metiladeniną;7-metilguaniną
8-6
N-glikozilazė atpažįsta nenormalią bazę
ir nukerpa jungtį tarp bazės ir
fosfodezoksiribozinio karkaso
Priklausomai nuo to, kas yra
pašalinamas – purinas ar
pirimidinas, susidaro apurininiai
arba apirimidininiai saitai
Apirimidininis
nukleotidas
AP endonukleazė atpažįsta trūkstamą
bazę ir kerpa DNR karkasą trūkstamos
bazės 5’ pusėje
Įkarpa
DNR polimerazė naudoja 5’-3’ egzonukleazinį
aktyvumą pažeistai sričiai pašalinti; susidariusi
spraga užpildoma normaliais nukleotidais; ligazė
susiuva srities kraštus
Įkarpos replikacija (nick replication)
būtų tikslesnis terminas
Įkarpos transliacijos regionas
8-7
Nukleotidų ekscizijos reparacija
pašalina pažeistos DNR segmentus


Svarbus bendrasis DNR reparacijos procesas yra
nukleotidų ekscizijos reparacija (NER)
Šis reparacijos tipas gali reparuoti daugelį skirtingų
DNR pažaidų tipų, tarp jų


timino dimerus ir chemiškai modifikuotas bazes
NER yra randama visuose prokariotuose ir
eukariotuose

Jos molekuliniai mechanizmai geriau ištyrinėti prokariotų
ląstelėse
8-8
Nukleotidų ekscizijos reparacija
pašalina pažeistos DNR segmentus

E. coli NER sistemai veikti reikia keturių pagrindinių
baltymų

Jie žymimi UvrA, UvrB, UvrC ir UvrD

Pavadinti taip dėl to, kad dalyvauja ultravioleto šviesos indukuotų
timino dimerų reparacijoje



Jie taip pat dalyvauja reparuojant chemines DNR pažaidas
UvrA, B, C ir D atpažįsta ir pašalina trumpą pažeistos DNR
segmentą
DNR polimerazės ir ligazė baigia reparacijos procesą
8-9
Timino dimeras
UvrAB kompleksas slenka DNR,
ieškodamas DNR pažaidų
Aptikus pažaidą, UvrA yra pašalinami,
o vietoje jų prisijungia Uvr C
Uvr C padaro įpjovas abiejose
timino dimero pusėse
8-10
Dažniausiai įpjovos yra daromos 4-5 nukleotidų atstumu nuo
pažaidos 3’galo ir 8 nukleotidų atstumu nuo 5’ galo
Įpjova
Įpjova
Uvr D yra helikazė, pašalinanti
pažeistą sritį. Uvr B ir C yra paleidžiami iš
komplekso
DNR polimerazė užpildo spragą,
o DNR ligazė susiuva
Timino dimero nebėra
8-11
Nukleotidų ekscizijos reparacija
pašalina pažeistos DNR segmentus
Keletas žmogaus ligų išsivysto dėl paveldimų
defektų NER genuose


Šių ligų pavyzdžiai yra pigmentinė kseroderma (xeroderma
pigmentosum; XP) ir Kokaino (Cockayne) sindromas (CS)


Abiejų sindromų būdingas bruožas yra jautrumas Saulės šviesai
Pigmentinę kserodermą gali sukelti defektai septyniuose skirtinguose
NER genuose
8-12
Neatitikimo reparacijos sistema aptinka ir
ištaiso bazių porų neatitikimus


Bazių neatitikimas yra dar viena DNR struktūros
anomalija
DNR dvigubos spiralės struktūra paklūsta AT/GC
bazių poravimosi taisyklei


Tačiau DNR replikcijos metu dėl klaidos gali būti įjungta
netatitinkanti poros bazė
DNR polimerazei būdinga 3’-5’ korekcijos savybė,
dėl kurios yra aptinkamas ir ištaisomas bazių
neatitikimas
8-13
Neatitikimo reparacijos sistema aptinka ir
ištaiso bazių porų neatitikimus



Tačiau jei ši korekcija nesuveikia, tada pradeda veikti
metilo nukreipiama bazių neatitikimo reparacijos
sistema
Ši reparacijos sistema randama visose organizmų
rūšyse. Tai rodo jos gyvybinę svarbą
Žmogaus irganizme šios sistemos defektai yra
siejami su kai kurių tipų navikų išsivystymu
8-14
Neatitikimo reparacijos sistema aptinka ir
ištaiso bazių porų neatitikimus

Molekuliniai bazių neatitikimo reparacijos
mechanizmai geriausiai ištyrinėti E. coli

Dalyvauja trys baltymai - MutL, MutH ir MutS


Baltymai pavadinti “Mut”, kadangi jiems nesant mutacijų dažnis yra
žymiai didesnis
Pagrindinė MutH ypatybė yra ta, kad jis gali atskirti tėvinę
grandinę nuo dukterinės

Tėvinė grandinė yra metilinta, o dukterinė kol kas nemetilinta
8-15
MutS baltymas aptinka neatitikimą. MutS/MutL kompleksas prisijungia
prie MutH, kuris jau yra prisijungęs prie hemimetilintos srities
Tėvinė
grandinė
Veikia kaip jungtis tarp
MutS ir MutH
Nauja
grandinė
Neatitinkanti
bazė
MutH daro įpjovą nemetilintoje grandinėje.
Egzonukleazė šioje vietoje pradeda
skaidyti nemetilintą DNR ir sustoja
iš karto už bazių neatitikimo
MutH kirpimo vieta
Metilo nukreipiama bazių neatitikimo reparacija E. coli
8-16
MutH kirpimo vieta
DNR polimerazė užpildo spragą,
DNR ligazė susiuva galus
Neatitinkanti bazė
reparuota
Metilo nukreipiama bazių neatitikimo reparacija E. coli
8-17
Pažeista DNR gali būti
reparuojama rekombinacijos būdu

Kai kurie DNR pažaidų tipai gali sustabdyti DNR
replikaciją




Pavyzdžiui, timino dimeras sustabdo suporuotos bazės
įjungimą į naujai susintetintą dukterinę grandinę
Susidaro replikacijos spraga
Dėl šios spragos gali susidaryti chromosomų aberacijos ir
kitos mutacijos
Tačiau šias spragas gali užpildyti rekombinacinė reparacija
8-18
DNR grandinės A ir C turi
tas pačias sekas
DNR grandinės B ir D turi
tas pačias sekas
Vykstant rekombinacijai,
A grandinės sritis yra pakeičiama
C grandinės tokia pačia sritimi
Pastaba: Rekombinacinė
reparacija vyksta tada, kai
jau yra dvi DNR kopijos
8-19
Spraga, esant A grandinėje,
užpildoma DNR polimerazės ir
DNR ligazės, panaudojant
B grandinę kaip matricą
Spraga reparuojama, tačiau
timino dimeras išlieka
8-20
Aktyviai transkribuojamos DNR reparacija

Ne visa DNR yra reparuojama vienodai intensyviai


Aktyviai transkribuojami prokariotų ir eukariotų genai yra
reparuojami efektyviau, negu netranskribuojama DNR
DNR reparacijos fermentų pirmaeilis nukreipimas į
aktyviai transkribuojamus genus suteikia keletą
biologinių pranašumų

1. Aktyvių genų DNR struktūra yra mažiau kompaktiška


Todėl tokie genai yra jautresni DNR pažeidžiantiems veiksniams
2. DNR sritys, tyrinčios aktyvių genų, yra svarbesnės
išgyvenamumui, negu netranskribuojamos sritys
8-21
Aktyviai transkribuojamos DNR reparacija

E. coli baltymas, vadinamas transkripciją ir
reparaciją sujungiančiu faktoriumi (transcriptionrepair coupling factor; TRCF) tarpininkauja tarp DNR
reparacijos ir transkripcijos


Jis nukreipia NER sistemą į aktyviai transkribuojamus
genus, turinčius pažeistą DNR
Ši sistema eukariotuose yra ištyrinėta menkiau;
nustatyta keletas baltymų, galinčių atlikti TRCF
funkciją

Šie baltymai nustatyti tiriant individus, pasižyminčius
dideliu mutacijų dažniu
Pvz., tiriant Kokaino sindromą identifikuoti du genai – CS-A ir
CS-B, koduojantys baltymus, veikiančius kaip TRCF

8-22
RNR polimerazė
Timino dimeras
Timino dimeras sustabdo
RNR polimerazę
TRCF veikia kaip helikazė ir
pašalina RNR polimerazę
iš pažeistos srities
RNR
polimerazė
(turi UvrA
jungimosi
vietą)
Uvr A/B kompleksas
pritraukiamas, o
TRCF paleidžiamas
TRCF
Vyksta NER reparacija
8-23
Pažeistą DNR gali replikuoti pažaidas
apeinančios DNR polimerazės

Kai kurios pažaidos išvegia visų reparacijos sistemų
ir lieka DNR


Jos taip pat gali “išgyventi” ir iki DNR replikacijos
Replikacinės DNR polimerazės, tokios, kaip E. coli
DNR pol III yra jautrios DNR struktūros pokyčiams


Todėl jos negali vykdyti replikacijos, jei DNR struktūra yra
pažeista
Pažeistos DNR replikacijai reikalingos specializuotos DNR
polimerazės
8-24


Šie specializuoti fermentai padeda vykti apeinančiai
pažaidas DNR sintezei, (translesion DNA synthesis;
TLS)
TLS polimerazės turi aktyvų centrą su laisva,
paslankia kišene


Todėl jos gali prisitaikyti prie aberantinių struktūrų, esančių
matricinėje grandinėje
Neigiama TLS polimerazių savybė yra žemas replikacijos
tikslumas


Klaidų (mutacijų) dažnis svyruoja nuo 10-2 iki 10-3
Kai replikacinė DNR polimerazė aptinka pažeistą
DNR sritį, ji užleidžia vietą TLS polimerazei
8-25


E. coli apeinanti pažaidas replikacija vyksta esant
ekstremalioms sąlygoms, kurias skatina DNR
pažaidos
Šis reiškinys yra vadinamas SOS atsaku


Jo metu pradeda veikti keletas genų, kurių produktai
reparuoja DNR, atstato replikaciją ir sustabdo priešlaikinį
ląstelių dalijimąsi
Nereparuota pažeista DNR yra replikuojama DNR
polimerazių II, IV ir V
8-26
8.2 DNR REKOMBINACIJA


Genetinės rekombinacijos metu formuojasi
chromosomų trūkiai, o susidarę fragmentai jungiasi,
sudarydami naujas kombinacijas
Skiriami trys pagrindiniai rekombinacijos tipai

1. Homologinė rekombinacija



2. Saitspecifinė rekombinacija


Vyksta tarp homologinių DNR segmentų
Būdinga visiem organizmams
Vyksta rekombinuojant nehomologiniams DNR segmentams
specifinėse vietose (saituose)
3. Transpozicija

Vyksta kai maži DNR segmentai, vadinami transpozonais,
persikelia į įvairias chromosomų vietas
8-27
8.2.1 Homologinė rekombinacija

Mejozės I ir retkarčiais mitozės metu vyksta krosingoveris

Tai yra DNR mainai tarp homologinių chromosomų neseserinių
chromatidžių; jie sukuria naujas alelių kombinacijas

Anksčiau minėti seserinių chromatidžių mainai nesukuria naujų alelių
kombinacijų, todėl nėra laikomi genetinės rekombinacijos forma
Taip pat vadinami
netėviniais genotipais
Eukariotų chromosomų krosingoveris
8-28
Genų konversijos priežastys

Kartais genetinė rekombinacija du skirtingus alelius
paverčia dviem identiškais aleliais


Procesas, kai vienas alelis yra paverčiamas kitu aleliu, yra
vadinamas genų konversija
Genų konversija gali atsirasti dviem būdais


1. DNR spragų reparacinės sintezės metu
2. Vykstant DNR bazių neatitikimo reparacijai
8-29
Viršutinė chromosoma turi recesyvinį b alelį,
o apatinė chromosoma dominuojantį B alelį
Geno sritis
Įvyksta dvigrandinis trūkis
recesyviniame gene
Sritis, gretima dvigrandininiam trūkiui,
Iškerpama, o tai pašalina recesyvinį
b alelį
Baltymas RecA skatina grandinės
invaziją ir D kilpos formavimąsi
Genų konversija, vykstanti spragų reparacijos metu
8-30
Reparacinės sintezės metu dominuojančio
B alelio DNR grandinė yra naudojama kaip
matrica spragai užtaisyti
Abidvi chromosomos
turi B alelį
Genų konversija, vykstanti spragų reparacijos metu
8-31
8.2.2 Saitspecifinė
rekombinacija

Vykstant šiam procesui du mažai homologiški ar
visiškai nehomologiški DNR segmentai gali
rekombinuoti specifiniuose saituose



Šie saitai yra palyginti trumpos DNR sekos, nurodančios
specifinę rekombinacijos vietą
Chromosomų fragmentų karpymą ir susijungimą
katalizuoja specializuoti fermentai
Saitspecifinę rekombinaciją naudoja:


Kai kurie virusai – savo DNR įterpti į šeimininko DNR
Žinduoliai – antikūnų įvairovei sukurti
8-32
Antikūnų įvairovę sukuria
saitspecifinė rekombinacija

Antikūnai arba imunoglobulinai (Ig) yra baltymai,
gaminami imuninės sistemos B ląstelių



Antigeno-antikūno atpažinimas yra labai specifinis


Jų funkcija yra atpažinti svetimus darinius (virusus,
bakterijs ir kt.) ir nukreipti juos sunaikinimui
Šie svetimi dariniai dar vadinami antigenais
Kiekvieno tipo antikūnas atpažįsta vieną epitopą
Kiekviena B ląstelė sintetina tik vieno tipo antikūnus

Tačiau organizme yra milijonai B ląstelių, sintetinančių
skirtingus antikūnus
8-33

Milijonų skirtingų antikūnų molekulių sintezė iškelia
įdomų genetinį klausimą



Jei viskas vyktų pagal standartinį mechanizmą, organizmui
reikėtų milijonų skirtingų antikūnų genų. Tuo tarpu visame
žmogaus genome yra apie 35,000 genų (ar dar mažiau)
Taigi, kaip organizmai sukuria milijonus antikūnų
molekulių su skirtingomis aminorūgščių sekomis
polipeptiduose?
Išsivystė neįprastas procesas, kurio metu DNR yra
kerpama ir susiuvama, vykstant saitspecifinei
rekombinacijai

Šiam mechanizmui įgyvendinti pakanka tik keleto didelių
antikūno pradinių genų

Jų DNR yra pertvarkoma daugeliu skirtingų būdų, taip sukuriant
skirtingas aminorūgščių sekas
8-34

Antikūnai yra tetrameriniai baltymai, sudaryti iš dviejų
sunkių ir dviejų lengvų polipeptidinių grandinių
Specifinių antigenų
prisijungimo sritys
Antigenas
Variabili sritis
Hipervariabili
sritis
Lengvoji
grandinė
Pastovios
sritys
Sunkioji grandinė
8-35
Domenų išsidėstymas lengvosios grandinės pradiniame gene

Vienas lengvosios grandinės tipų yra k (kapa)
lengvoji grandinė

Pradinį geną sudaro įvairios sekos arba domenai
 Maždaug 300 variabilių domenų (V=Variable)


Keturi sujungimo domenai (J=Joining)


Kiekvienas koduoja skirtingas aminorūgščių sekas
Kiekvienas koduoja skirtingas aminorūgščių sekas
Vienas pastovus domenas (C=Constant)
8-36


Vykstant B ląstelių diferenciacijai k lengvosios
grandinės pradinis genas yra sukarpomas ir
sujungiamas taip, kad vienas V domenas yra
sugretinamas su J domenu
Rekombinacijos signalo seka yra randama kiekvieno
V domeno pabaigoje ir kiekvieno J domeno pradžioje


Ši vieta (saitas) dalyvauja saitspecifinėje rekombinacijoje
Rekombinaciją inicijuoja du baltymai - RAG1 ir RAG2

Jų pavadinimas yra akronimas nuo recombinationactivating gene
8-37
Lengvosios grandinės pradinis genas
RAG1 ir RAG2 katalizuoja trūkių
susidarymą variabilaus domeno pabaigoje
ir sujungimo domeno pradžioje. Pavyzdyje
tai vyksta V78 pabaigoje ir J2 pradžioje
Susjungimas nėra visiškai preciziškas,
todėl keletas bazių gali būti įterptos
arba pamestos sandūros srityje. Tai
sukuria papildomą antikūnų įvairovę
Tarpinė DNR pametama. NHEJ
baltymas katalizuoja paskutiniojo V
domeno ir pirmojo J domeno
susijungimą
Nonhomologous
DNA end joining
Genas transkribuojamas
į mRNR pradedant paskutiniuoju
variabiliu domenu
8-38
Vyksta srities, esančios tarp
pirmojo J domeno ir C domeno
splaisingas
mRNR yra transliuojama į
polipetidą, sudarytą iš vieno V,
vieno J ir vieno C domenų
Du lengvųjų grandinių polipeptidai
Ir du sunkiųjų grandinių polipeptidai
sudaro funkcionalų antikūno baltymą
Sunkiosios
grandinės
polipeptidas
Funkcionalus
antikūnas,
susidarantis
vienoje
B ląstelėje
8-39

Sunkiosios grandinės polipeptidai gali būti
sukuriami, panaudojant panašų rekombinacijos
mechanizmą



Sunkiosios grandinės pradinis genas turi
 Apie 500 variabilių domenų
 4 sujungimo domenus
 12 įvairovės domenų (D=Diversity ), randamų
tarp V ir J
Pradžioje kombinuojami D ir J
 Po to vyksta V rekombinacija su DJ
Tie patys baltymai, katalizuojantys VJ susiliejimą,
dalyvauja ir sunkiosios grandinės geno rekombinacijoje
8-40

Visas šis procesas yra vadinamas V(D)J
rekombinacija


(D) vyksta tik sunkiosios grandinės gene
V(D)J rekombinacija sukuria didžiulę polipeptidų
įvairovę

Lengvoji grandinė


Sunkioji grandinė


300 (V domenų) X 4 (J domenai)
= 1,200 galimų kombinacijų
500 (V domenų) X 12 (D domenų) X 4 (J domenai)
= 24,000 galimų kombinacijų
Lengvosios ir sunkiosios grandinių kombinacijos sukuria

1,200 X 24,000 = 28,800,000 galimų antikūnų molekulių!!!
8-41
8.2.3 Transpozicija

Transpozicija yra mažų DNR segmentų integracija į
chromosomą


Šie DNR segmentai yra vadinami transpozabiliais
elementais (TE)


Tai gali vykti daugelyje skirtingų genomo vietų
Kartais juos dar vadina “šokinėjančiais genais” (“jumping
genes”)
TE pirmoji identifikavo Barbara McClintock,
tyrinėdama kukurūzus

Po to buvo aptikta daugybė TE bakterijose, grybuose,
augaluose ir gyvūnuose
8-42
Transpozonų fenotipinė raiška augaluose

Kukurūzo grūdas su spalvotomis aleurono dėmėmis


Dėmės atsiranda dėl Ac-Ds sistemai priklausančių transpozonų
Žirnių požymis wrinkled, atsirandantis dėl traspozabilaus
elemento insercijos į struktūrinį geną, koduojantį krakmolo
sintezei reikalingą fermentą
8-43
Transpozicijos būdai

Nustatyti trys pagrindiniai transpozicijos būdai



1. Paprasta transpozicija
2. Replikacinė transpozicija
3. Retrotranspozicija
8-44
a) Paprasta transpozicija

Šis mechanizmas taip dar vadinamas “cut-and-paste”

Plačiai aptinkamas bakterijose ir eukariotuose
8-45
b) Replikacinė transpozicija


Vyksta TE replikacija ir kopijos insercija į kitą chromosomos
vietą
Šis mechanizmas santykinai retas ir sutinkamas tik
bakterijose
8-46
Transkripcija
Atvirkštinė
transkriptazė
c) Retrotranspozicija


Šis mechanizmas labai dažnas, tačiau sutinkamas tik
eukariotuose
Šio tipo elementai vadinami retroelementais,
retrotranspozonais arba retropozonais (RE)
8-47
TE būdingos specifinės DNR
sekos


Transpozabilių elementų DNR sekos yra kelių tipų
Pagal tai, kokios sekos juos sudaro, skiriami šie
pagrindinai TE tipai




Insercinės (įterptinės) sekos
Sudėtiniai transpozonai
Replikaciniai transpozonai
Retroelementai



Virusų tipo
Ne virusų tipo
Tačiau aptinkami ir įvairūs kiti TE struktūrų variantai
8-48
a) Elementai, judantys po genomą paprastos transpozicijos būdu
Tiesioginiai
pasikartojimai
Randami
šeimininko DNR
Invertuoti
pasikartojimai
Ilgis varijuoja
nuo 9 iki 40 bp
Katalizuoja
transpoziciją
Transpozazės
genas
Insercinė seka

Paprasčiausias TE
Invertuoti pasikartojimai yra tokios pačios, tik priešingų
krypčių, DNR sekos
5’ CTGACTCTT 3’
3’ GACTGAGAA 5’
ir
5’ AAGAGTCAG 3’
3’ TTCTCAGTC 5’
8-49
a) Elementai, judantys po genomą paprastos transpozicijos būdu
Suteikia selektyvinį
pranašumą
Transpozazės
genas
Sudėtinis transpozonas


Atsparumo
antibiotikams
genas
Turi papildomų genų, nereikalingų transpozicijai vykti
Tik dvi invertuotos kartotinės sekos transpozono galuose
dalyvauja transpozicijoje
8-50
b) Elementai, judantys po genomą replikacinės transpozicijos būdu
Transpozazės
genas
Rezolvazės
genas
Replikacinis transpozonas

Sandara panaši į insercinės sekos


Skirtumas tas, kad tarp invertuotų sekų randamas rezolvazės genas
Transpozazė ir rezolvazė reikalingos šio tipo elemntų
transpozicijos katalizei
8-51
c) Elementai, judantys po genomą retrotranspozicijos būdu


Retroelementų sandara yra gana įvairi
Jie klasifikuojami, remiantis evoliuciniais ryšiais su
retrovirusų sekomis

Retrovirusai yra RNR virusai, gaminantys DNR kopiją, kuri
integruojasi į šeimininko genomą
Atvirkštinės
transkriptazės
genas
Integrazės
genas
Virusų tipo retroelementas


Ilgos terminalinės
kartotinės sekos
Dažniausiai kelių šimtų
nukleotidų ilgio
Evoliuciškai susijęs su žinomais retrovirusais
Kaip ir jų virusiniai atitikmenys, jie koduoja virusinius
baltymus, reikalingus transpozicijai
8-52
c) Elementai, judantys po genomą retrotranspozicijos būdu
Atvirkštinės
transkriptazės
genas
Ne virusų tipo retroelementas

Daugelis nepasižymi sekų panašumu


Evoliuciškai yra kilę iš normalių eukariotinių genų
Pavyzdys


Kartotinių sekų Alu šeima yra kilusi iš vieno senovinio pirmtako geno,
žinomo kaip 7SL RNR genas
Šio geno seka retropozicijos būdu nukopijuota daugiau nei 500,000
kartų

Tai sudaro maždaug 5-6% žmogaus genomo
8-53


TE gali būti pilni (arba autonomiški), kai jie turi visą
informaciją, būtiną transpozicijai vykti
TE yra nepilni (arba neautonomiški), kai jiems trūksta
geno(ų), reikalingų transpozicijai vykti

Kukurūzų Ds elementas (Dissociation) yra nepilnas


Pilna šio TE versija yra Ac lokusas (Activator)


Jam trūksta transpozazės geno
Jis turi transpozazę
Todėl nepilno TE (tokio kaip Ds) transpozicija gali vykti tik tada, jei
kitoje chromosomos srityje yra transpozazės genas (pvz., Ac lokuse)
8-54
TE turi įtakos mutacijoms ir evoliucijai



Pastarųjų dešimtmečių tyrimai rodo, kad TE,
greičiausiai, yra visų rūšių genomuose
Kai kuriais atvejais eukariotų genomo kartotinės
sekos yra susidariusios dėl TE proliferacijos
Žinduoliuose randamos kartotinės sekos:

LINEs




Long interspersed elements
Dažniausiai nuo 1,000 iki 5,000 bp ilgio
Genome aptinkama nuo 20,000 iki 100,000 kopijų
SINEs



Short interspersed elements
Trumpesni nei 500 bp
Pavyzdys: Alu sekos

Žmogaus genome yra nuo 500,000 iki 1,000,000 kopijų
8-55


Transpozonų biologinė reikšmė evoliucijai yra
diskutuojama
Dvi pagrindinės hipotezės:

1. TE egzistuoja tiesiog todėl, kad jie tai gali!

Kitaip tariant, jie yra kaip parazitai



Jie gali daugintis kartu su šeimininku, kol nesukelia šeimininkui
tokios žalos, kuri reikšmingai sumažintų jo išgyvenimo galimybes
Ši hipotezė vadinama savanaudiškos (selfish) DNR teorija
2. TE egzistuoja todėl, kad jie suteikia organizmui tam
tikrą pranašymą



Bakteriniai TE perneša atsparumo antibiotikams genus
TE gali padidinti genetinę įvairovę vykstant rekombinacijai
TE gali sukelti egzonų inserciją į struktūrinių genų koduojančias
sekas

Šis reiškinys, vadinamas egzonų perkėlimu (exon shuffling), gali
skatinti išsivystymą genų, pasižyminčių įvairesnėmis funkcijomis
8-56

Viena aišku:


TE gali greitai patekti į organizmo genomą ir ten
proliferuoti
Drosophila melanogaster




TE, vadinamas P elementu, atsirado rūšies genome apie 1950
metus
Per pastaruosius 50 metų P išplito visose pasaulio D.
melanogaster populiacijose
Vieninteliai kamienai be P elemento yra D. melanogaster linijos,
surinktos gamtoje iki 1950 m.
TE gali veikti chromosomų struktūrą ir genų
ekspresiją
8-57
Galimos transpozicijos pasekmės
Pasekmė
Priežastis
Chromosomų struktūra
Chromosomų trūkiai
TE ekscizija
Chromosomų persitvarkymai
Homologinė rekombinacija tarp TE, esančių
skirtingose genomo vietose
Genų ekspresija
Mutacijos
Klaidinga TE ekscizija
Genų inaktyvacija
TE insercija į geną
Genų reguliacijos sutrikimas
Geno transpozicija prie reguliacinės sekos arba
reguliacinės sekos transpozicija prie geno
Egzonų struktūros pakitimas
Egzonų insercija per TE į struktūrinių genų
koduojančias sekas
Genų duplikacijos
Sudėtinio transpozono susidarymas ir kopijos
perkėlimas į kitą genomo vietą
8-58

Kadangi nemaža dalis pasekmių gali būti žalingos,
transpozicijos reiškinys paprastai yra griežtai reguliuojamas



Ji vyksta tik keletoje individų esant tam tinkroms sąlygoms
Tokie veiksniai kaip radiacija, cheminiai mutagenai ir
hormonai stimuliuoja TE judėjimą
Jei reiškinys nėra griežtai reguliuojamas, jis gali būti žalingas
 Drosophila melanogaster
M linijos patelės
(neturi P elemento)


X
P linijos patinai
(turi daug P elementų)
Palikuonims būdingos įvairios anomalijos (tarp jų didelis
mutacijų ir chromosomų aberacijų dažnis)
Šis žalingas reiškinys, vadinamas hibridų disgeneze, pasireiškia
dėl to, kad P elementai gali laisvai transpozuotis
8-59