Значение мобильных генетических элементов

По состоянию на 2012 год задокументировано 96 различных заболеваний человека, причиной которых является de novo внедрение мобильных генетических элементов. Alu-повторы часто вызывают хромосомные аберрации и являются причиной 50 разновидностей заболеваний. Так, у нейрофиброматоза I типа было найдено 18 случаев встроенных ретротранспозонов, 6 из которых происходят в 3 специфических местах. Активность мобильных элементов ДДП-1 в соматических тканях зафиксирована у пациентов с раком легких.

Если транспозиция, которая вызывает заболевания, происходит в гаметах, то следующие поколения наследуют болезни. Так, гемофилия может возникать из-за встраивания ретротранспозона ДДП-1 в участок ДНК, кодирующий ген VIII фактора свертывания крови. У мышей были зафиксированы случаи онкогенеза, остановки развития и стерильность в связи со встраиванием мобильных элементов генома.

Некоторые этапы эволюционирования организмов были вызваны активностью мобильных элементов генома. Уже первая нуклеотидная последовательность генома человека доказала, что многие гены были производными транспозонов. Мобильные элементы генома могут влиять на организацию генома путём рекомбинации генетических последовательностей и входя в состав таких фундаментальных структурных элементов хроматина, как центромеры и теломеры. Мобильные элементы могут влиять на соседние гены, меняя узоры (паттерны) сплайсинга и полиаденилирования или выполняя функции энхансеров или промоторов. Транспозоны могут влиять на структуру и функции генов путём выключения и изменения функций, изменения структуры генов, мобилизации и реорганизации фрагментов генов и изменения эпигенетического контроля генов.

Репликация транспозонов может вызвать некоторые заболевания, но, несмотря на это, в процессе эволюции транспозоны не были удалены и остались в ДНК-последовательностях почти всех организмов, или в виде целых копий, которые имели возможность передвигаться по ДНК, или в укороченном виде, потеряв способность к передвижению. Но укороченные копии также могут принимать участие в таких процессах, как пост-транскрипционная регуляция генов, рекомбинация и т. п. Также важным моментом в потенциальной способности транспозонов влиять на темпы эволюции является то, что их регуляция зависит от эпигенетических факторов. Это приводит к возможности транспозонов реагировать на изменения окружающей среды и вызывать генетическую нестабильность. На стресс транспозоны активируются или прямо, или путём снижения их подавления белками-аргонавтами и пиРНК. У растений мобильные генетические элементы очень чувствительны к различным типам стресса, на их активность могут влиять многочисленные абиотические и биотические факторы, среди которых солёность, ранения, холод, тепло, бактериальные и вирусные инфекции.

Ещё одним возможным механизмом эволюции геномов организмов является горизонтальный перенос генов — процесс передачи генов между организмами, которые не находятся в отношениях «предки-потомки». Есть сведения о том, что взаимодействия паразитических организмов и животных-хозяев могут повлечь горизонтальный перенос генов с помощью транспозонов, который состоялся между позвоночными и беспозвоночными организмами.

Считается, что приобретённый иммунитет млекопитающих возник у челюстных рыб примерно 500 миллионов лет назад. Приобретённый иммунитет позволяет формировать антитела для многих видов патогенов, попадающих в организм млекопитающих, включая человека. Для формирования различных антител клетки иммунной системы изменяют последовательность ДНК путём соматической рекомбинации с помощью системы, которая возникла и эволюционировала благодаря мобильным элементам генома.

Нейроны, клетки нервной системы, могут иметь мозаичный геном, то есть последовательность ДНК у них отличается от последовательности ДНК других клеток, хотя все они сформировались из одной клетки-предшественника — зиготы. Доказано, что у крыс специально вставленные ДДП-1-ретротранспозоны человека активны даже в зрелом возрасте. Также зафиксировано увеличение копий ДДП-1-ретротранспозонов в нейронах некоторых участков мозга, в частности гипоталамуса, по сравнению с другими тканями у взрослых людей. Также установлено, что мобильные элементы приводят к разнородности в нейронах мухи Drosophila melanogaster. Активность мобильных элементов в нейронах может повлечь синаптическую пластичность и большую вариабельность поведенческих реакций. У растений очень большая скорость эволюции геномов, поэтому лучше всего известны те влияния мобильных элементов, которые возникли вследствие одомашнивания, поскольку оно произошло недавно, и эти изменения легко идентифицировать, поскольку известны черты, по которым велась селекция культурных растений. Примером может быть приобретение овальной формы римским помидором Solanum lycopersicum. Ген, который находится в локусе SUN, был перемещён путём ретротранспозиции в другой участок ДНК, где он регулируется другими промоторными последовательностями у овальных томатов.

Последовательности ДНК генов теломеразы и ДДП-1-ретротранспозонов имеют высокую гомологию, что свидетельствует о возможности происхождения теломераз от ретротранспозонов.

Поскольку мобильные элементы генома способны к встраиванию в хроматин, они используются в генной инженерии для специального и контролируемого встраивания генов или участков ДНК, которые изучают учёные. Транспозоны используются для мутагенеза и для определения регуляторных элементов генома в лабораториях. Наиболее известная система для введённого мутагенеза in vivo - P-мобильный элемент мухи D. melanogaster, с помощью которого можно изучать функции генов, налаживание хромосомных аберраций и т. п. У позвоночных животных долгое время не было эффективной методики транспозонной модификации генома. Сейчас есть система мобильного элемента Tol2, полученная из японской рыбы Oryzias latipes, которая используется как у мышей, так и на клеточных линиях человека. Также успешной является система транспозонов Minos. Система транспозонов «Спящая Красавица» (англ. Sleeping Beauty) была создана на основе последовательности ДНК транспозазы из рыбы. Удачное использовании этой системы на мышах позволило определить кандидатов в онкогены рака кишечника человека.

Кроме использования транспозонов в генной инженерии, изучение активности транспозонов является методом филогенетики. Путём анализа и сопоставления нуклеотидных последовательностей геномов различных видов можно найти транспозоны, которые имеются у одних видов, но отсутствуют у других. Виды, у которых есть одинаковый ретротранспозон, скорее всего получили его от общего предка. Таким образом, можно получить информацию об эволюционном развитии видов и строить филогенетические деревья.

Лабораторная работа № 4.