[go: up one dir, main page]
Перайсці да зместу

Ператасоўка экзонаў

З Вікіпедыі, свабоднай энцыклапедыі

Ператасоўка экзонаў — гэта малекулярны механізм стварэння новых генаў. Гэта працэс, з дапамогай якога двое ці больш экзонаў з розных генаў могуць быць аб’яднаны эктапічна, або адзін і той жа экзон можа быць дубляваны, каб стварыць новую структуру экзон-інтрон.[1] Існуюць розныя механізмы, з дапамогай якіх адбываецца ператасоўка экзонаў: апасродкаваная транспазонамі ператасоўка экзонаў, красінговер падчас палавой рэкамбінацыі бацькоўскіх геномаў і негамалагічная рэкамбінацыя.

Ператасоўка экзонаў адпавядае пэўным правілам каркаса сплайсінгу. Інтроны могуць перарываць рамку счытвання гена, устаўляючы паслядоўнасць паміж двума паслядоўнымі кадонамі (інтроны фазы 0), паміж першым і другім нуклеатыдам кадона (інтроны фазы 1) або паміж другім і трэцім нуклеатыдам кадона (фаза 2 інтроны). Акрамя таго, экзоны можна падзяліць на дзевяць розных груп у залежнасці ад фазы фланкіруючых інтронаў (сіметрычныя: 0-0, 1-1, 2-2 і асіметрычныя: 0-1, 0-2, 1-0, 1-2, і г.д.) Сіметрычныя экзоны — адзіныя, якія можна ўстаўляць у інтроны, падвяргаць дубляванню або выдаляць без змены рамкі счытвання.[2]

Гісторыя

[правіць | правіць зыходнік]

Ператасоўка экзонаў была ўпершыню прадстаўлена ў 1978 годзе, калі Уолтар Гілберт выявіў, што існаванне інтронаў можа гуляць важную ролю ў эвалюцыі бялкоў.[3] Было адзначана, што рэкамбінацыя ўнутры інтронаў можа дапамагчы самастойна сартаваць экзоны і што паўтаральныя сегменты ў сярэдзіне інтронаў могуць ствараць гарачыя кропкі для рэкамбінацыі, каб ператасаваць экзанічныя паслядоўнасці. Аднак наяўнасць гэтых інтронаў у эўкарыёт і адсутнасць у пракарыётаў спарадзіла дыскусію аб часе з’яўлення гэтых інтронаў. Узніклі дзве тэорыі: тэорыя «ранніх інтронаў» і тэорыя «позніх інтронаў». Прыхільнікі «ранняй тэорыі інтронаў» лічылі, што інтроны і сплайсінг РНК былі рэліктамі свету РНК, і таму і пракарыёты, і эўкарыёты мелі інтроны ў пачатку. Аднак пракарыёты ліквідавалі свае інтроны, каб атрымаць больш высокую эфектыўнасць, а эўкарыёты захавалі інтроны і генетычную пластычнасць продкаў. З іншага боку, прыхільнікі тэорыі «позніх інтронаў» лічаць, што гены пракарыётаў падобныя на гены продкаў і інтроны былі ўстаўлены пазней у гены эўкарыёт. Зараз ясна, што эўкарыятычная структура экзон-інтрон не з’яўляецца статычнай, інтроны пастаянна ўстаўляюцца і выдаляюцца з генаў, і эвалюцыя інтронаў развіваецца паралельна з ператасоўкай экзонаў.[крыніца?]

Для таго, каб ператасоўка экзонаў пачала гуляць галоўную ролю ў эвалюцыі бялку, павінна адбыцца з’яўленне сплайсасомных інтронаў. Гэта адбылося з-за таго, што інтроны свету РНК, якія займаюцца самасплайсінгам, былі непрыдатныя для ператасоўкі экзонаў шляхам інтроннай рэкамбінацыі. Гэтыя інтроны выконвалі істотную функцыю і таму не маглі быць рэкамбінаваны. Акрамя таго, ёсць пераканаўчыя доказы таго, што сплайсасомныя інтроны эвалюцыянавалі адносна нядаўна і іх эвалюцыйнае распаўсюджванне абмежавана. Такім чынам, ператасоўка экзонаў стала галоўнай роляй у пабудове больш маладых бялкоў.[крыніца?]

Больш за тое, каб больш дакладна вызначыць час, калі ператасоўка экзонаў стала значнай у эўкарыёт, эвалюцыйнае размеркаванне модульных бялкоў, якія эвалюцыянавалі праз гэты механізм, было даследавана ў розных арганізмах, такіх як Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae і Arabidopsis thaliana. Гэтыя даследаванні паказалі, што існуе зваротная залежнасць паміж кампактнасцю геному і доляй інтронных і паўтаральных паслядоўнасцей, і што ператасоўка экзонаў стала значнай пасля радыяцыі метазояў.[4]

Механізмы

[правіць | правіць зыходнік]

Красінговер пры палавой рэкамбінацыі бацькоўскіх геномаў

[правіць | правіць зыходнік]

Эвалюцыя эўкарыёт апасродкавана палавой рэкамбінацыяй бацькоўскіх геномаў, і паколькі інтроны даўжэйшыя за экзоны, большасць перакрыжаванняў адбываецца ў некадуючых абласцях. У гэтых інтронаў ёсць вялікая колькасць транспазонаў і паўтаральных паслядоўнасцей, якія спрыяюць рэкамбінацыі негамалагічных генаў. Акрамя таго, было таксама паказана, што мазаічныя бялкі складаюцца з мабільных даменаў, якія распаўсюдзіліся на розныя гены падчас эвалюцыі і якія здольныя згортвацца самі.[крыніца?]

Існуе механізм для фарміравання і ператасоўкі названых вышэй даменаў, гэта гіпотэза модулярызацыі. Згодна ёй, гэты механізм дзеліцца на тры этапы. Першы этап — гэта ўстаўка інтронаў у пазіцыі, якія адпавядаюць межам бялковага дамена. Другі этап — гэта калі «пратамодуль» падвяргаецца тандэмнаму дубляванню шляхам рэкамбінацыі ўнутры ўстаўленых інтронаў. Трэцяя стадыя — гэта калі адзін або некалькі пратамодуляў пераносяцца ў іншы негамалагічны ген шляхам інтроннай рэкамбінацыі. Усе станы мадулярызацыі назіраліся ў розных даменах, напрыклад у гемастатычных бялках.[2]

Апасродкаваны транспазонамі

[правіць | правіць зыходнік]

Доўгі дыспергіраваны элемент (LINE)-1

[правіць | правіць зыходнік]

Патэнцыйным механізмам ператасоўкі экзонаў з’яўляецца 3'-трансдукцыя, апасродкаваная доўгім дыспергіраваным элементам LINE-1 (LINE, ад англ. long interspersed nuclear element). Аднак спачатку важна зразумець, што такое LINE. LINE — гэта група генетычных элементаў, якія ў вялікай колькасці прысутнічаюць у геномах эўкарыёт.[5] LINE-1 — самая распаўсюджаны LINE, які сустракаецца ў людзей. Ён транскрыбіруецца РНК-палімеразай II, каб атрымаць мРНК, якая кадуе два бялкі: ORF1 і ORF2, неабходныя для транспазіцыі.[6]

Пасля транспазіцыі L1 звязваецца з 3' фланкіруючай ДНК і пераносіць не-L1 паслядоўнасць у новае месца ў геноме. Гэта новае месца не павінна знаходзіцца ў гамалагічнай паслядоўнасці або ў непасрэднай блізкасці ад паслядоўнасці донарскай ДНК. Паслядоўнасць донарскай ДНК застаецца нязменнай на працягу ўсяго гэтага працэсу, таму што яна функцыянуе ў рэжыме капіравання і ўстаўкі праз прамежкавыя РНК; аднак было даказана, што толькі тыя вобласці, якія знаходзяцца ў 3' вобласці L1, з’яўляюцца мішэнню для дублявання.[крыніца?]

Тым не менш, ёсць падставы меркаваць, што гэта можа адпавядаць не кожнаму выпадку, як паказвае наступны прыклад. Ген ATM чалавека адказвае за аўтасомна-рэцэсіўнае захворванне чалавека атаксію телеангіэктазію і знаходзіцца ў 11-й храмасоме. Аднак частковая паслядоўнасць ATM выяўляецца ў храмасоме 7. Малекулярныя характарыстыкі сведчаць аб тым, што гэта дубляванне было апасродкавана рэтратранспазіцыяй L1: атрыманая паслядоўнасць была акружана дубляваннямі на таргетным баку (TSD) памерам 15 п.н., паслядоўнасць вакол 5'-канца супадала з кансэнсуснай паслядоўнасцю для сайта расшчаплення эндануклеазы L1 і полі(А) хваста, што папярэднічае 3' TSD. Але паколькі элемента L1 няма ні ў рэтратранспанаваным сегменце, ні ў зыходнай паслядоўнасці, мабілізацыя сегмента не можа быць растлумачана 3'-трансдукцыяй. Дадатковая інфармацыя прывяла да пераканання, што транс-мабілізацыя паслядоўнасці ДНК з’яўляецца яшчэ адным механізмам L1 для ператасоўкі экзонаў, але неабходна правесці дадатковыя даследаванні па гэтай тэме.[7]

Гелітрон

[правіць | правіць зыходнік]

Іншы механізм, з дапамогай якога адбываецца ператасоўка экзонаў — гэта выкарыстанне гелітронаў. Гелітронныя транспазоны былі ўпершыню выяўлены падчас даследаванняў паўтаральных сегментаў ДНК геномаў рысу, чарвяка і Arabidopsis thaliana. Гелітроны былі ідэнтыфікаваныя ва ўсіх эўкарыятычных царствах, але колькасць копій адрозніваецца ад віду да віду.[крыніца?]

Бялкі, закадаваныя гелітронам, складаюцца з ініцыятара рэплікацыі з рухомым кругам (RC) (Rep) і дамена ДНК-геліказы (Hel). Дамен Rep удзельнічае ў каталітычных рэакцыях эндануклеалітычнага расшчаплення, пераносу ДНК і лігіравання. Акрамя таго, гэты дамен змяшчае тры матывы. Першы матыў неабходны для звязвання ДНК. Другі матыў мае два гістыдына і ўдзельнічае ў звязванні ёнаў металу. Нарэшце, трэці матыў мае два тыразіна і каталізуе расшчапленне і лігіраванне ДНК.[крыніца?]


Прыкладам эвалюцыі з выкарыстаннем гелітронаў з’яўляецца разнастайнасць кукурузы. Гелітроны ў кукурузе выклікаюць пастаянную змену генных і не генных рэгіёнаў з дапамогай транспазонаў, што прыводзіць да разнастайнасці паміж рознымі лініямі кукурузы.[крыніца?]

Рэтратранспазоны з доўгім канцавым паўторам (LTR).

[правіць | правіць зыходнік]

Рэтратранспазоны з доўгім канцавым паўторам (LTR, ад англ. long-terminal repeat) з’яўляюцца часткай іншага механізму, праз які адбываецца ператасоўка экзонаў. Звычайна яны кадуюць дзве адкрытыя рамкі счытвання (ORF). Першы ORF пад назвай gag звязаны са структурнымі бялкамі віруса. Другі ORF пад назвай pol — гэта поліпратэін, які складаецца з аспарагінавай пратэазы (AP), якая расшчапляе поліпратэін, РНазы H (RH), якая расшчапляе гібрыд DNR-РНК, адваротнай транскрыптазы (RT), якая стварае кДНК-копію РНК транспазонаў і інтэграза DDE, якая ўстаўляе кДНК у геном гаспадара. Акрамя таго, рэтратранспазоны LTR класіфікуюцца на пяць падсямействаў: Ty1/copia, Ty3/gypsy, Bel/Pao, рэтравірусы і эндагенныя рэтравірусы.[8]

Рэтратранспазонам LTR патрабуецца прамежкавая РНК у іх механізме цыкла транспазіцыі. Рэтратранспазоны сінтэзуюць копію кДНК на аснове ланцуга РНК з дапамогай адваротнай транскрыптазы, звязанай з рэтравіруснай RТ. Затым копія кДНК устаўляецца ў новыя геномныя пазіцыі для фарміравання рэтрагена.[9] Было даказана, што гэты механізм быў важным у эвалюцыі генаў рысу і іншых відаў траў праз ператасоўку экзонаў.[крыніца?]

Транспазоны з канцавымі інвертаванымі паўторамі (TIR)

[правіць | правіць зыходнік]

Транспазон ДНК з канцавымі інвертаванымі паўторамі (TIR, ад англ. terminal inverted repeats) таксама можа спрыяць ператасоўцы генаў. У раслінах некаторыя неаўтаномныя элементы, званыя Pack-TYPE, могуць захопліваць фрагменты генаў падчас іх мабілізацыі.[10] Здаецца, гэты працэс апасродкаваны набыццём геннай ДНК, якая знаходзіцца паміж суседнімі транспазонамі Pack-TYPE, і яе наступнай мабілізацыяй.[11]

Негамалагічная рэкамбінацыя

[правіць | правіць зыходнік]

Нарэшце, негамалагічная рэкамбінацыя (IR) — гэта яшчэ адзін з механізмаў, з дапамогай якога адбываецца ператасоўка экзонаў. IR — гэта рэкамбінацыя паміж кароткімі гамалагічнымі паслядоўнасцямі або негамалагічнымі паслядоўнасцямі.[12]

Ёсць два класа IR: першы адпавядае памылкам ферментаў, якія разразаюць і злучаюць ДНК (напрыклад, ДНКазы). Гэты працэс ініцыюецца бялком рэплікацыі, які дапамагае стварыць праймер для сінтэзу ДНК. Пакуль адзін ланцуг ДНК сінтэзуецца, іншы выцясняецца. Гэты працэс завяршаецца, калі зрушаны ланцуг злучаецца сваімі канцамі з дапамогай таго ж бялку рэплікацыі. Другі клас IR адпавядае рэкамбінацыі кароткіх гамалагічных паслядоўнасцяў, якія не распазнаюцца вышэйзгаданымі ферментамі. Аднак іх можна распазнаць неспецыфічнымі ферментамі, якія ўводзяць разрэзы паміж паўторамі. Затым канцы выдаляюцца экзануклеазай, каб агаліць паўторы. Затым паўторы звязваюцца з камплементарнай ДНК, і атрыманая малекула аднаўляецца з дапамогай палімеразы і лігазы.[13]

Гл. таксама

[правіць | правіць зыходнік]

Крыніцы

[правіць | правіць зыходнік]
  1. ↑ Long M, Betrán E, Thornton K, Wang W (November 2003). "The origin of new genes: glimpses from the young and old". Nature Reviews. Genetics. 4 (11): 865–875. doi:10.1038/nrg1204. PMID 14634634. S2CID 33999892.
  2. ↑ а б Kolkman JA, Stemmer WP (May 2001). "Directed evolution of proteins by exon shuffling". Nature Biotechnology. 19 (5): 423–428. doi:10.1038/88084. PMID 11329010. S2CID 10629066.
  3. ↑ Gilbert, Walter (February 1978). "Why genes in pieces?". Nature(англ.). 271 (5645): 501. Bibcode:1978Natur.271..501G. doi:10.1038/271501a0. ISSN 1476-4687. PMID 622185. S2CID 4216649.
  4. ↑ Patthy L (September 1999). "Genome evolution and the evolution of exon-shuffling--a review". Gene. 238 (1): 103–114. doi:10.1016/S0378-1119(99)00228-0. PMID 10570989.
  5. ↑ Singer MF (March 1982). "SINEs and LINEs: highly repeated short and long interspersed sequences in mammalian genomes". Cell. 28 (3): 433–434. doi:10.1016/0092-8674(82)90194-5. PMID 6280868. S2CID 22129236.
  6. ↑ Bogerd HP, Wiegand HL, Hulme AE, Garcia-Perez JL, O'Shea KS, Moran JV, Cullen BR (June 2006). "Cellular inhibitors of long interspersed element 1 and Alu retrotransposition". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (23): 8780–8785. Bibcode:2006PNAS..103.8780B. doi:10.1073/pnas.0603313103. PMC 1482655. PMID 16728505.
  7. ↑ Ejima Y, Yang L (June 2003). "Trans mobilization of genomic DNA as a mechanism for retrotransposon-mediated exon shuffling". Human Molecular Genetics. 12 (11): 1321–1328. doi:10.1093/hmg/ddg138. PMID 12761047.
  8. ↑ Muszewska A, Hoffman-Sommer M, Grynberg M (2011). "LTR retrotransposons in fungi". PLOS ONE. 6 (12): e29425. Bibcode:2011PLoSO...629425M. doi:10.1371/journal.pone.0029425. PMC 3248453. PMID 22242120.
  9. ↑ Wang W, Zheng H, Fan C, Li J, Shi J, Cai Z, et al. (August 2006). "High rate of chimeric gene origination by retroposition in plant genomes". The Plant Cell. 18 (8): 1791–1802. doi:10.1105/tpc.106.041905. PMC 1533979. PMID 16829590.
  10. ↑ Jiang N, Bao Z, Zhang X, Eddy SR, Wessler SR (September 2004). "Pack-MULE transposable elements mediate gene evolution in plants". Nature. 431 (7008): 569–573. Bibcode:2004Natur.431..569J. doi:10.1038/nature02953. PMID 15457261. S2CID 4363679.
  11. ↑ Catoni M, Jonesman T, Cerruti E, Paszkowski J (February 2019). "Mobilization of Pack-CACTA transposons in Arabidopsis suggests the mechanism of gene shuffling". Nucleic Acids Research. 47 (3): 1311–1320. doi:10.1093/nar/gky1196. PMC 6379663. PMID 30476196.
  12. ↑ van Rijk A, Bloemendal H (July 2003). "Molecular mechanisms of exon shuffling: illegitimate recombination". Genetica. 118 (2–3): 245–249. doi:10.1023/A:1024138600624. PMID 12868613. S2CID 1754730.
  13. ↑ Ehrlich SD, Bierne H, d'Alençon E, Vilette D, Petranovic M, Noirot P, Michel B (December 1993). "Mechanisms of illegitimate recombination". Gene. 135 (1–2): 161–166. doi:10.1016/0378-1119(93)90061-7. PMID 8276254.
Узята з "https://be.wikipedia.org/w/index.php?title=Ператасоўка_экзонаў&oldid=4689070"