Повторы

Регуляторные зоны.

Эти зоны (или области) ДНК постоянно присутствуют в геноме человека. К ним относятся терминатор, трейлерные и лидирующие последовательности нуклеотидов, промотор, модуляторы и т.д. У эукариот эти сегменты ДНК могут лежать рядом со структурными генами, на некотором (иногда за несколько тысяч пар оснований) удалении от них или даже на другой хромосоме. Все эти участки регулируют транскрипцию и другие генетические процессы.

Анализируя последовательность нуклеотидов в ДНК, исследователи неоднократно отмечали, что в геноме различных организмов довольно часто встречаются повторяющиеся одни и теже последовательности нуклеотидов. Они составляют около 50% ДНК генома. А общее их число составляет примерно 5 миллионов.

Было сразу же отмечено, чтотаких повторяющихся последовательностей или повторов два типа.

1. Повторы, кодирующие какую либо РНК или несущие какую-либо другую информацию.

2. Повторы не кодирующие РНК и не несущие никакой информации.

Кодирующие последовательности.

Гены кодирующие тРНК, рРНК,, а также некоторые гены кодирующие иРНК и регуляторные гены могут повторятся в геноме десятки, сотни и более число раз. К последним, например, относятся повторы структурных генов несущих информацию о структуре гистонов (Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4) и некоторые другие.

Блок гистоновых генов!-й повтор всего блока 2-й повтор блока

Н1, Н2А, Н2В, Н3,Н4

Рис. 27. Упрощённая схема повторов генов кодирующих гистоны.

Как правило, в эту группу входят гены, необходимость в которых резко возрастает в определённые периоды жизненного цикла клетки (например, синтез гистонов резко возрастает в период репликации ДНК, когда интенсивно идет строительство новых нуклеосом во вновь синтезированной ДНК).

Не кодирующие последовательности.

. Они повторяются в геноме человека десятки, сотни и тысячи раз. Повторяться может один единственный нуклеотид (например, А) или группа из двух нуклеотидов (например, АТ), из трёх (например, АТГ) (рис. 27) и более нуклеотидов (например АТГСТАС). Повторяющаяся группа носит название мотив.

Если мотивы в повторах следуют друг за другом, такие повторы называют тандемные. Среди последних отмечают простые повторы с небольшим количеством нуклеотидов, (не более 100 мотивов) – сателлитная ДНК или сателлиты.

Особое значение для медицинской практики имеют микросателлиты – в повторе содержится не более 10 нуклеотидов. Микросателлиты весьма изменчивы, т.е. полиморфны. Выявлено несколько заболеваний, связанных с увеличением (экспансией) размеров микросателлитов. Например, при синдроме ломкости Х-хромосомы разрывы возникают в длинном плече. Клинически это проявляется в нарушении нормального функционирования центральной нервной системы. Оказалось, что в первом экзоне гена, ответственного за это заболевание (ген FMR1), лежит микросателлит, в котором тринуклеотид ЦГГ повторяется от 6 до 20 раз.

Мотив – нуклеотид «А» АТЦГТААААААААААААТТАЦАТГ

Мотив – нуклеотиды «АТ» АТЦГТАТАТАТАТАТАТАТТТАЦАТГ

Мотив – нуклеотида «АТГ» АТЦГТАТГАТГАТГАТГАТГТТАЦАТГ

Мотив - нуклеотиды «АТГГ» АТЦГТАТГГАТГГАТГГАТГГТТАЦАТГ

Рис. 27. Типы тандемных повторов.

При патологии мотив повторяется значительно больше – до 200 раз. Другой пример. Микросателлит где мотивом является триплет ЦАГ (кодирует глутамин) увеличен при восьми нейродегенеративных заболеваниях.

На основании вариабильности сателлитных ДНК была развита диагностика родственных связей между людьми, склонности человек к различным заболеваниям и др.

Обнаружено так же, что тандемные повторы располагаются на концах хромосом. Совокупность нескольких тандемных повторов и связанных с ними специфических белков образуют конец хромосомы – теломеру. Теломера защищает хромосому от действия ферментов, способствует рекомбинации хромосом и прикреплению их к оболочке ядра. При каждом делении теломера уменьшается и по происшествию определённого количества делений она уменьшается настолько, что новое деление становится невозможным и клетка гибнет. Это послужило основанием считать теломеры структурами ответственными за продолжительность жизни. Однако проведённые в этом направлении исследования привели к неоднозначным результатам.

Если мотивы при повторении отделяются друг от друга короткими последовательностями, то такой повтор называют диспергированным. Есть обращённые повторы или палиндромы – когда в двух рядом лежащих мотивах одна и та же последовательность нуклеотидов, но один перевёрнут (один мотив читается слева направо, а следующий за ним читается наоборот) – АТАГЦ ЦГАТА. Такие палиндромы образуют шпильки в ДНК. Предполагают, что шпильки участвуют в процессе регуляции транскрипции.

Как правило, серия повторяющихся мотивов образуют блоки или кластеры. Число мотивов в одном кластере может быть от двух до нескольких сотен(рис. 28).

Кластер может, в свою очередь, так же повторятся десятки и сотни раз. Предполагается, что, как и семейство генов, такие повторы явились результатом действия дупликации.

Функция повторов до конца не выяснена. Однако, не исключено, что они играют важную роль в приспособляемости организмов, представляя резервную ДНК.

ААТТАГ – последовательность ДНК (мотив)

Блок (кластер) из тандемных повторов ААТТАГ

Рис. 28. Схема устройства повторов.

2.5. Транспозоны .

Это ещё одна разновидность встречающихся в геноме эукариот последовательностей ДНК.

Некоторые сегменты ДНК обладают способностью перемещаться в другие геномные локусы, иногда существенно изменяя экспрессию соседних генов. В простейшем случае они прекращают экспрессию соседних генов.

Перемещающиеся сегменты ДНК называют мобильными элементами или транспозонами. Нередко сами мобильные элементы обладают регуляторной функцией и могут влиять на количественные параметры экспрессируемых генов.

Строение транспозонов различно у различных организмов, но все они, как правило, состоят из двух частей – центральной и периферической части (рис. 29). Центральная часть представлена уникальной последовательностью нуклеотидов. Она определяет длину транспозона и может содержать от 500 до 40 000 п.о. Заключённые в ней гены, как правило, контролируют вырезание и перемещение транспозона и некоторые клеточные функции (устойчивость к антибиотикам, образование токсинов, синтез аминокислот и др.). Кроме генов центральная часть может нести регуляторные элементы, например промотор.

Периферическая часть

Центральная часть

Транспозон

ДНК

Гены, отвечающий за транспозицию

Ген устойчивости к антибиотикам

Инвертированные повторы

Рис. 29. Схема строения транспозона.

В периферической части располагаются инвертированные повторы. Последние размещаются на концах транспозона (см. рис. 29). Так если слева транспозона размещается участок с последовательностью нуклеотидов ААТТАЦЦААТЦГГГ, то справа – ЦЦЦГАТТГГТААТТ.

Имеются несколько механизмов связанных с перемещением транспозонов. Один из них заключается в том, что транспозон полностью транскрибируется и образуется его РНК-копия. Фермент обратная транскриптаза и некоторые другие ферменты синтезируют на этой копии вначале одну нить ДНК, а затем на этой нити – вторую нить ДНК. Практически на РНК сформировался фрагмент ДНК полностью идентичный транспозону. Эта копия транспозона при помощи специальных ферментов

интегрируется в основную ДНК. Другой механизм заключается в вырезании транспозона из ДНК перемещением и внедрением в новое место.

В заключении следует отметить, что в геноме человека есть сегменты ДНК доставшиеся нам от вирусов и бактерий, населяющих наш кишечник. Интересно то, что многие из этих генов «пришельцев» играют большую роль в нашем метаболизме, например, в нейтрализации токсических для человека веществ. А относящийся к таким генам ген «МАО» принимает участие в реализации эффекта многих психотропных препаратов.

Дата добавления: 2014-01-20