Блуждающие гены внутри нас

      Комментарии к записи Блуждающие гены внутри нас отключены

Блуждающие гены внутри нас

Британский генетик Джон Бердон Холдейн как-то остроумно увидел: «Мир не просто необычнее, чем мы себе воображаем, — он необычнее, чем мы можем себе представить». Что бы вы поразмыслили о человеке, что бы внезапно объявил, что внутри наших клеток кое-какие участки генома прыгают по спирали ДНК, как будто бы блохи по воротнику бродяги? Что у него чересчур разыгралась фантазия?

Много аналогичных критических замечаний было нужно выслушать американскому ученому-генетику Барбаре Макклинток, которая первой заявила научному сообществу о существовании подвижных генов. В конце 1940-х, изучая геном кукурузы, она поняла, что на активность генов смогут функционировать какие-то неизвестные элементы, талантливые, по ее предположению, перемещаться по ДНК. Эта новая догадка была такой революционной, что коллеги-генетики встретили ее, по воспоминаниям самой Макклинток, каменным молчанием и «полным непониманием».

Пригодилось практически четыре десятилетия, дабы ее новаторские идеи взяли полное признание. Как метко увидел русский физик, нобелевский лауреат В.Л.?Гинзбург, ученый обязан быть долгожителем, в случае если желает дождаться признания собственных работ. В первой половине 80-ых годов XX века Нобелевский комитет вручил 80-летней Макклинток премию по медицине и физиологии «за открытие мобильных генетических элементов».

В собственной нобелевской речи она сказала такие слова: «Геном есть высокочувствительным органом клетки, что способен в условиях стресса инициировать обновление и собственную реструктуризацию».

По-настоящему мобильные элементы генома (они же транспозоны, либо «прыгающие гены») были открыты через тридцать лет по окончании их теоретического предсказания, в 1970-х. Сначала П.?Штарлингер и Д.?Шапиро нашли несложные мобильные элементы, названные инсерционными (вставочными), у бактерий. Была установлена их свойство приводить к у несложных организмов.

Стало известно, что таких инсерционных элементов в бактериальном геноме возможно от нескольких штук до нескольких сотен. К примеру, у дизентерийной бактерии Shigella dysenteriae на сегодня известно целых 200 копий мобильных элементов. Изучение подвижных генов бактерий имеет громадное практическое значение, поскольку с ними конкретно связана свойство бактерий покупать устойчивость к антибиотикам.

По окончании бактерий мобильные элементы были найдены в сложных организмах. Во второй половине 70-ых годов двадцатого века несколько советских генетиков, В.А.?его коллеги и Гвоздев, смогли отыскать их у дрозофилы. Уже много лет спустя выяснится, что эти элементы у плодовых мушек в собственном роде неповторимы. Они выполняют у них функции теломеразы — фермента, наращивающего сокращающиеся при каждом делении клетки финиши ДНК (теломеры).

Кроме этого обнаружится, что эти элементы имеют громадное сходство в строении с людскими ретровирусами, среди которых самый узнаваемый — СПИД (ВИЧ).

Сейчас, по окончании изучения несложных дрозофилы и организмов, настала очередь отыскать «прыгающие» гены у позвоночных, среди них и у человека, что и было в недалеком будущем сделано. Стало ясно, что мобильные элементы генома очень распространены в живой природе. На данный момент они найдены во всех живых организмах, каковые лишь попались под руку ученым — от бактерий до млекопитающих.

У человека на их долю приходится огромная часть последовательности ДНК — более 40%.

Кое-какие из мобильных генов, как будто бы домашние любимцы, получили от своих первооткрывателей имена: Магеллан, Аттила, Пенелопа, Турист, Чарли, Спящая Красавица, Эмигрант, Аврора (данный «бывший» — утративший подвижность — транспозон был открыт русскими учеными и назван так в честь легендарного крейсера).

Вырезать и засунуть

Сейчас все подвижные элементы генома у высших организмов принято дробить на два громадных класса: ДНК-транспозоны (либо легко транспозоны) и ретротранспозоны. Такое деление появилось из-за различных молекулярных механизмов, при помощи которых эти элементы перемещаются по ДНК. В статье мы сможем разглядеть только первый класс мобильных элементов.

ДНК-транспозоны применяют для собственных перемещений механизм, что взял в научной литературе определение cut and paste (вырезать и засунуть). По окончании получения определенного сигнала извне происходит активация гена, важного за синтез особого фермента, транспозазы. Данный ген находится в транспозона, составляя его наиболее значимую часть.

Затем транспозаза, перемещаясь на протяжении ДНК, находит на ней собственный транспозон по особым меткам (инвертированным повторам), ограничивающим его с обеих сторон. Отысканный транспозон бережно вырезается транспозазой и перемещается в второе место, подготовленное для него на ДНК, другими словами вставляется в вырезанную заблаговременно брешь.

Время от времени транспозаза, закодированная в одном транспозоне, перемещает и другие, похожие мобильные элементы, а также те, у которых личный ген транспозазы поврежден. Получается необычная взаимопомощь среди мобильных элементов (либо, в случае если желаете, паразитирование одних на вторых). Поражает согласованность и удивительная сложность всех этих процессов, как словно бы ими руководит какая-то неизвестная сила, как будто бы хороший дирижер оркестром.

Нужно признать, что очень многое в этих внутренних процессах не легко поддается пониманию исследователей — так они четко организованы, сложны и скоординированы между собой.

И последний этап: внедренный транспозон сшивается с ДНК в новом месте. Место, откуда транспозон «выпрыгнул», подвергается процессу репарации (восстановлению целостности ДНК). Либо, в случае если «прыжок» случился на протяжении деления клетки, в безлюдное место вставляется копия элемента, снятая с сестринской молекулы ДНК.

Во втором варианте происходит «размножение» транспозона — в хромосоме делается на один мобильный элемент больше. Такие перемещения несут потенциальную опасность для клетки и всего организма.

Дикие и домашние

Сейчас по приблизительным подсчетам существует около 100 генетических патологий человека, каковые вызываются конкретно мобильными элементами. И данный перечень расширяется . Кроме этого разумеется, что подвижные гены каким-то образом связаны со старением — с возрастом обнаруживается усиление их деятельности, вызванное ослаблением репрессивных механизмов.

Потенциальную опасность мобильных элементов для живых организмов косвенно подтверждает, что у нас имеется сходу пара способов подавления их активности. Это в первую очередь метилирование подвижных генов, в то время, когда к участку ДНК, где они расположены, присоединяется метильная несколько (один атом углерода и три атома водорода — CH3). Метильную группу возможно сравнить с «заглушкой»: по окончании ее присоединения к ДНК мобильные элементы не в состоянии проявлять собственную активность (подробнее о метилировании просматривайте в «ПМ» №? 2’2015).

Кроме этого в борьбе с транспозонами живые организмы деятельно применяют механизм РНК-сайленсинга — подавления экспрессии генов подвижных элементов при помощи маленьких одноцепочечных РНК. Данный механизм снабжают так именуемые piwiРНК, воздействие которых было в первый раз найдено в 2001 году в Университете молекулярной генетики РАН академиком В.А. Гвоздевым, А.А.

их коллегами и Аравиным.

Продолжительное время по окончании открытия считалось, что от подвижных элементов возможно ожидать только проблем — к примеру, приводящих к заболеваниям мутаций при встраивании транспозона в ген, кодирующий белок либо РНК либо регулирующий их работу. Таковой точки зрения придерживались и первооткрыватели структуры ДНК Д.?Уотсон и Ф. Крик. Но сейчас появились сведенья, что транспозоны смогут все-таки «одомашниваться» и преобразовываться из паразитов в нужные структуры.

Считается, что мобильные элементы из класса транспозонов были активны во время ранней эволюции многоклеточных животных, а у обезьян и предка человека прекратили собственные перемещения по геному около 40 млн лет назад. В наследство от этих древних транспозонов человек также взял кое-какие рабочие гены, а также снабжающие работу неповторимого механизма, при помощи которого мы боремся с чужеродными вторжениями в отечественный организм.

К этому механизму относятся белки RAG — прямые потомки мобильного фермента транспозазы из семейства транспозонов класса transib (элемент, открытый известным «охотником за транспозонами», русским генетиком Владимиром Капитоновым). Причем этот вид транспозонов идентифицирован только в геномах беспозвоночных, каковые передали в ходе эволюции собственный основной фермент позвоночным, что дало нам возможность синтезировать белки RAG. Как раз они, подобно умелому конструктору, собирают из различных структур гены антител, комбинируя фрагменты ДНК в клетках иммунной совокупности — лимфоцитах.

Возможно, в ходе эволюции транспозоны неоднократно выступали в роли активных инструментов мутаций, инициируя собственными перемещениями создание генетического разнообразия. Сейчас, по окончании секвенирования генома человека известно около 50 генов, случившихся напрямую от транспозонов.

Так, неспешно, в свете накопленных данных, уходит только негативная оценка деятельности мобильных элементов. Наоборот, сейчас многие ученые склонны разглядывать их как «генный резерв» организмов, что те применяют для противостояния и своего развития стрессам. Все, что сейчас связано с мобильными генетическими элементами, деятельно изучается во многих лабораториях во всем мире, поскольку, не считая чисто научного интереса, имеет громадное прикладное значение — подвижные гены были тесно связаны с развитием, старением и многими патологиями.

Наследство от вирусов

На долю транспозонов приходится около 3% всей последовательности людской ДНК. И обнаружение новых подвижных генов этого класса длится. Так, пара лет назад русским генетиком Владимиром Капитоновым и его сотрудниками были открыты еще пара видов мобильных элементов: Harbinger, Helitron и Polinton.

Как выяснилось, они имеют громадное сходство с некоторыми вирусами и с подвижными генами бактерий.

Таинственный геном

Экзон — участок гена, несущий данные о строении белка.

pG-островки — участки компактного размещения нуклеотидной пары цитозин-гуанин.

Интрон — часть гена, не содержащая информации об аминокислотной последовательности.

Сателлиты — последовательности нуклеотидов, являются весьма долгие (в пара сотен тысяч пар нуклеотидов) участки ДНК с тандемно («голова к хвосту») повторяющимися маленькими блоками из 5−200 пар нуклеотидов.

LTR-ретротранспозоны — мобильные ретроэлементы с долгими концевыми повторами (long terminal repeats).

SINE — маленькие перемежающиеся ретроэлементы (short interspersed elements).

LINE — долгие перемежающиеся ретроэлементы (long interspersed elements).

Отечественный специалист, Владимир Алексеевич Гвоздев, заведующий Отделом молекулярной генетики клетки Университета молекулярной генетики РАН, доктор наук МГУ, академик РАН: «Как в большинстве случаев не редкость в экспериментальной фундаментальной науке, открытия появляются нежданно, их нельзя запланировать — ставится одна задача, а в ходе попыток ее решения обнаруживается что-то совсем новое и неожиданное, лишь не нужно проходить мимо. Так, когда-то поставленная Г. П.?Георгиевым задача изучить правила устройства регуляторной территории генов у многоклеточных животных стала причиной открытию перемещающихся элементов генома у плодовой мушки — дрозофилы, превосходного модельного объекта молекулярной генетики.

А совсем в других работах одвременно с этим, уже не на дрозофиле, было найдено, что гены складываются из отдельных кусочков, кодирующих отрезки РНК, каковые после этого сшиваются с образованием полноценной РНК, кодирующей белок. Этого никто не имел возможности угадать, и это открытие было удостоено Нобелевской премии».

Ctrl-C либо Ctrl-X?

Подвижные элементы генома делятся на два громадных класса: ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. Первые применяют для передвижения принцип «вырезать и засунуть», а вторые — «копировать и засунуть».

1. ДНК-транспозон в некоей собственной части содержит данные о строении фермента транспозазы. В ходе считывания (транскрипции) формируется молекула РНК, которая транспортируется к цитоплазме и попадает в рибосому, где по ее «инструкции» строится транспозаза. Фермент возвращается в ядро и, двигаясь на протяжении ДНК, находит собственный транспозон по особым меткам — так называемым двойным повторам.

После этого транспозон переносится в подготовленную брешь целевой ДНК, а исходная ДНК сшивается.

2. При транскрипции ретротранспозона оказавшаяся РНК содержит, кроме копируемой последовательности генов, описание двух белков. Один из них занимается упаковкой смысловой части РНК в компактный рибонуклеопротеин. Второй делает обратную транскрипцию ретротранспозона — синтезирует последовательность нуклеотидов нового ретротранспозона в целевой ДНК в соответствии с заданной рибонуклеопротеином программой.

Статья «помощник и Враг в нас: мобильные генетические элементы » размещена в издании «Популярная механика» (№150, апрель 2015).

НЕЗНАЙКА НА ЛУНЕ | Разбор Мультфильма | Сыендук


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: