Размещено на http://www.allbest.ru/

Ретротранспозоны

Ретротранспозоны представляют собой группу транспозонов, механизм перемещения которых во многом совпадает с жизненным циклом ретровирусов. Этот механизм включает в себя процесс копирования (транскрипции) транспозонов, обратное копирование образовавшейся РНК в дуплексы ДНК и внедрение последних в случайные участки клеточного генома. Обратное копирование происходит с помощью обратных транскриптаз, обнаруженных сначала у ретровирусов fTemin, Mizutani, 1970; Baltimor, 1970), а затем даже у Е. coli (Lim, Maas, 1989). По этому признаку группа ретротранспозонов включает в себя сами ретровирусы, ретропозоны и ретрогены.

Ретровирусы. Они содержат однонитевую РНК длиной 6--9 тысяч нуклеотидов, на концах которой расположены прямые повторы R и примыкающие к ним уникальные последовательности: U5 на 5'-конце и U3 на 3'-конце. Между ними находятся три локуса -- gag, pol и env, кодирующие полибелки Gag, Gag--Pol и Env. В капсиде находятся две молекулы РНК, интегра-за, обратная транскриптаза и клеточная тРНК (разная у разных вирусов). Молекулы тРНК служат праймерами в реакции обратной транскрипции для синтеза первой (-)-нити ДНК, связываясь для этого с вирусной РНК в сайте Р, расположенном в области \J5-gag. Для праймирования синтеза (+)-нити ДНК важен полипуриновый тракт Ри, находящийся в области e«v-U3. Сложная цепь полимераз-ных реакций завершается формированием линейной двунитевой ДНК, которая путем консервативной транспозиции с помощью интегразы внедряется в клеточную хромосому, образуя прови-рус. При этом, как и в случае фага Ми, генетические карты вирусной РНК и провируса оказываются одинаковыми. Всего в клеточном геноме появляется около десяти провирусов, через транскрипты которых и происходит размножение вирусов.

Провирусы ограничены длинными (250--1400 п.н.) концевыми повторами U3--R--U5, называемыми LTR (long terminal repeats), которые образуются в процессе обратной транскрипции за счет объединения и дупликации концевых участков вирусной РНК. На концах LTR, а следовательно, и провируса находятся короткие инвертированные повторы. Наличие прямых повторов ДНК-мишени (4--6 п.н.) дополнительно подчеркивает сходство провирусов с транспозонами.

LTR контролируют транскрипцию провирусной ДНК, так как в них находятся промотор (в U3), сайт полиаденилирования (в U5) и энхансер. Провирус транскрибируется в единую мРНК с промотора, находящегося в левом LTR, обеспечивая синтез полибелков Gag и Gag--Pol. Интересно заметить, что синтез полибелка Env происходит на субгеномной мРНК, которая образуется путем сплайсинга части вирусной РНК по сайтам Далее полибелки процессируются, превращаясь в десяток индивидуальных белков, в том числе структурных полипептидов и ферментов. В частности, интеграза, обратная транскриптаза и протеаза, которая ведет процессинг полибелков, кодируются областью pol. Транскрипты идентичны исходной вирусной РНК, поэтому они являются не только матрицами для синтеза вирусных белков, но и могут упаковываться в вирусные капсиды, инициатором чего служит сайт psi (*F) расположенный рядом с U5.

Инфекция клеток ретровирусами хотя и не вызывает их гибель, но и не безразлична для них. Провирус инактивирует ген, в который он интегрировался, и может активировать соседний с ним клеточный ген с помощью своего энхансера или транскрипции с промотора, находящегося в правом LTR. Подобная незапрограмми-рованная конститутивная экспрессия клеточного гена может привести к неконтролируемому делению клеток, если продукт гена каким-то образом влияет на их размножение. К такому же эффекту могут привести и мутации в некоторых генах. Подобные измененные гены называют клеточными онкогенами {с-опс), а их исходные аллели -- протоонкогенами. Онкоген может оказаться и в составе вирусного генома. Вирусные онкогены {v-onc) имеют своих гомологов среди клеточных генов, но в отличие от них не содержат интроны. Очевидно, что они произошли от мРНК клеточных (прото)он-когенов, а онкогенные вирусы выступают в этом случае как природные векторы-переносчики генов. У разных вирусов гены v-onc внедряются в различные участки вирусного генома и часто вызывают их дефектность. Такие вирусы могут размножаться только в присутствии родственных не дефектных вирусов.

ретровирус мутация ген организм

Мутации

Мутация - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

Причины мутаций

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные.

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды.

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций - удвоение ДНК, нарушения деления ДНК и генетическая перестройка.

Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальные репарационные механизмы (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений.

Мутагены

Существуют факторы, способные заметно увеличить частоту мутаций мутагенные факторы. К ним относятся:

* химические мутагены -- вещества, вызывающие мутации

* физические мутагены -- ионизирующие излучения, в том числе повышение естественного радиационного фона, ультрафиолетовое излучение, высокая температура и др.

* биологические мутагены -- например, ретровирусы.

Классификации мутаций

Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям.

В современной литературе используется формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:

* генные

* хромосомные

* геномные.

Геномные: полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3n, 4n, 6n и т. д.) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) - изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору.

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация). Крайний случай -- объединение целых хромосом, т.н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной.

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов(составных кирпичиков генов), транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точковых мутациях.

Последствия мутаций для клетки и организма

Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки (в частности, к программируемой смерти клетки, -- апоптозу). Если внутри- и внеклеточные защитные механизмы не распознали мутацию, и клетка прошла деление, то мутантный ген передастся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе.

Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, мутация в половой клетке -- к изменению свойств всего организма-потомка.

Перенос генов

Существуют два вида переноса генов: горизонтальный и вертикальный.

Вертикальный перенос генов - Перенос генетической информации от клетки или организма к их потомству при помощи обычных генетических механизмов (в отличие от горизонтального переноса генов).

Горизонтальный перенос генов

Горизонтальный перенос генов -- существующий в природе процесс, заключающийся в передаче генов между одновременно существующими взрослыми организмами (от одного генома к другому, в особенности между двумя видами), а не от родителей к потомству (вертикальный перенос генов). Примером Г.п.г. может служить перенос генов устойчивости к ртути (mer-оперонов) между различными штаммами и видами природных бактерий. Горизонтальный перенос генов между различными видами организмов рассматривается в качестве одного из механизмов адаптивной эволюции.

Данный термин был придуман для того, чтобы отделить этот тип переноса от обычного "вертикального" переноса, в котором предковое поколение передает генетическую информацию потомству. Для горизонтального переноса необходимы следующие факторы: 1) некий посредник для "транспортировки" генетической информации между организмами и клетками; 2) молекулярный механизм для встраивания чужеродных кусков ДНК в хозяйский геном. Ретровирусы способны! выполнять обе эти функции, поскольку они могут включать в свой геном участки хромосомальной ДНК и "пересекать" видовые границы. В случае транспозонов и других типов ДНК-опосредованной транспозиции межклеточный транспорт должен обеспечиваться неким инфекционным агентом, таким как плазмиды. Действительно, многие встречающиеся в природе плазмиды содержат транспозиционные элементы, которые могут перемещаться из плазмид в бактериальную хромосому и наоборот.

Горизонтальный перенос генов можно обнаружить при значительном нарушении "непрерывности" филогенетического распределения определенного гена. Например, бактерия Salmonella Typhimurium содержит гистоно-подобный ген, который, насколько известно, не имеет аналогов у других бактерий. Тот факт, что горизонтальный перенос генов имел место, можно также подозревать, когда наблюдается значительное несоответствие между генной и видовой филогенией. Особенно в том случае, когда существует предположение, что сходство последовательностей отражает географическую близость, а не филогенетическое родство. Рассмотрим, например, филогенетическое дерево на рисунке 8.10а.

Предположим, что часть ДНК была перенесена от вида B к виду C после расхождения видов A и B. Можно ожидать, что на основе сравнения последовательностей любых генов, отличных от того, который участвовал в горизонтальном переносе, мы получим правильную схему филогенетических взаимоотношений между видами. Если же использовать перемещенный участок ДНК, то мы получим ошибочную картину, приведенную на рисунке 8.10б. (Следует отметить, что факторы, отличные от горизонтального переноса, могут также вносить свой вклад в нарушение соответствия между видовыми и генными деревьями.

Горизонтально могут переноситься два типа последовательностей: 1) последовательности из транспозиционных элементов и 2) геномные последовательности. Существует очень мало случаев, в которых горизонтальный перенос геномных последовательностей был убедительно доказан. Многие подобные заявления впоследствие не подтверждались данными на молекулярном уровне. Более того, следует отметить, что горизонтально - перенесенные гены, как предполагается, сохраняют свою функциональность в новом хозяйском геноме еще реже, чем гены, перемещенные из одной геномной локализации в другую внутри одного и того же генома.

Горизонтальный перенос вирогенов

Геномы позвоночных содержат целый ряд последовательностей, гомологичных ретровирусам . Подобные последовательности, являющиеся нормальными составляющими ядерной ДНК эукариот, называются эндогенными ретровиральными последовательностями (endogeneous retroviral sequences) или вирогенами (virogenes). Существует несколько примеров того, как вирогены переносятся между позвоночными. Одним из таких примеров является перенос вирогена С-типа у бабуинов.

Последовательности, гомологичные вирогенам бабуина были обнаружены в ДНК всех обезьян Старого Света. Сходство этих последовательностей тесно коррелирует с таксономическими взаимоотношениями между видами. Поэтому, можно предположить, что вирогены у приматов существуют по крайней мере 30 миллионов лет. Интересно, что шесть видов кошачьих, родственных домашней кошке (Felix catus), также содержат эти последовательности, хотя их нет ни у более отдаленных видов кошачьих (Felidae), таких как лев, леопард и рысь, ни у остальных хищников. Поэтому, весьма вероятно, что эти последовательности когда-то в прошлом подвергались горизонтальному переносу. Датировку и последовательность переноса можно получить на основе анализа сходства между последовательностями и палеогеографической информации.

Все виды кошачьих, содержащие вироген бабуина, происходят из района Средиземного моря, тогда как кошачьи из Южной Азии, Нового Света и Африки не имеют этой последовательности. Следовательно, перенос произошел после основного этапа расхождения Felidae и был ограничен одним географическим районом. Это заключение указывает на то, что горизонтальный перенос гена произошел около 5-10 миллионов лет тому назад. Предполагаемое направление переноса можно установить, рассматривая распределение последовательности между приматами, с одной стороны, и кошками с другой. Поскольку все приматы Старого Света и лишь несколько видов кошачьих имеют вироген, было бы резонно полагать, что кошки получили эту последовательность от бабуинов, а не наоборот. Это предположение поддерживается тем фактом, что вироген кошачьих более сходен с виорогеном трех видов бабуинов (Papio cynocephalus, Papio papio и Papio hamadryas) и близкого к ним Theropithecus gelada. Таким образом, последовательность, должно быть была перенесена к кошачьим от предка бабуинов и Theropithecus gelada вскоре после их дивергенции с мандриллом.

Горизонтальный перенос P-элемента

Примером горизонтального переноса является перенос P-элемента Drosophila melanogaster. Как уже упоминалось , P-элементы за последние несколько десятилетий быстро распространялись в природных популяциях Drosophila melanogaster. У видов, родственных подгруппе melanogaster, таких как D.mauritania, D.sechellia, D.simulans и D.yakuba, P-элементы не найдены. Окуда же произошли эти элементы? Обширный обзор сотен видов Drosophila, проведенный Daniels et al, 1990 , показывает, что P-последовательности отсутствуют у всех видов подгруппы melanogaster, за исключением Drosophila melanogaster. Интересно, что все представители более отдаленных willistoni и saltans групп содержат P- и P-подобные элементы. В частности, было найдено, что P-элемент из Drosophila willistoni идентичен P-элементу Drosophila melanogaster, за исключением замены в одно основание, что является свидетельством того, что D.williston, возможно, выступала в качестве донорного вида при горизонтальном переносе P-элемента к D.melanogaster.

Есть несколько оснований полагать, что этот перенос произошел совсем недавно. Во-первых, почти полная идентичность P-последовательностей из D.melanogaster и D.willistoni предполагает очень недавнее время дивергенции. Во-вторых, отсутствие какой-либо значительной генетической вариабельности этих последовательностей, взятых даже из очень отдаленных географически популяций, показывает, что время, прошедшее со времени появления P-элемента у Drosophila melanogaster, слишком мало для накопления вариабельности. И, наконец, в-третьих, кажется вероятным, что географическая модель появления P-элемента, в которой популяции Американского континента приобретают его первыми, отражает тот факт, что имела место совсем недавняя (возможно, произошедшая за последние 50 лет) инвазия.

Список литературы

1) Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. Ч. 1. Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 1994.

2) Сингер М., Берг П. Гены и геномы. Т. 1-2. М.: Мир, 1998.

3) Пирузян Э. С. Основы генетической инженерии растений. М.: Наука, 1988.

Размещено на Allbest.ur