Кіріспе
Геном бойынша көптеген көшірмелерде кездесетін нуклеин қышқылдарының үлгілері. Қайталанатын тізбектер (қайталанатын элементтер, қайталанатын бірліктер немесе қайталанулар деп те аталады) – геном бойынша көптеген көшірмелерде кездесетін нуклеин қышқылдарының (ДНК немесе РНК) қысқа немесе ұзақ үлгілері. Көптеген организмдерде геномдық ДНК-ның маңызды бөлігі қайталанатын болады, ал адамда тізбектің үштен екісінен астамы қайталанатын элементтерден тұрады. Осы қайталанатын тізбектердің кейбіреуі теломерлер немесе центромерлер сияқты маңызды геномдық құрылымдарды сақтау үшін қажет. Қайталанатын тізбектер құрылымы, ұзындығы, орналасуы, шығу тегі және көбейту жолы сияқты ерекшеліктеріне байланысты әр түрлі сыныптарға бөлінеді. Геном бойынша қайталанатын элементтердің орналасуы тікелей іргелес массивтерден тұратын тандемді қайталанулар немесе геном бойынша шашыраңқы орналасқан аралас қайталанулар түрінде болуы мүмкін. Тандемді және аралас қайталанулар қайталанатын тізбектің ұзындығына және/немесе көбейту жолына байланысты кіші топтарға бөлінеді. Кейбір қайталанатын ДНК тізбектері жасуша функциясы мен геномды сақтау үшін маңызды болса, ал басқалары зиянды болуы мүмкін. Көптеген қайталанатын ДНК тізбектері Хантингтон ауруы және Фридрейх атаксиясы сияқты адам ауруларымен байланысты. Кейбір қайталанатын элементтер бейтарап болып табылады және транспозиция немесе кроссинговер қалай жүзеге асырылғанына байланысты белгілі бір тізбектерге таңдау болмаған кезде пайда болады. МакКлинтоктың жұмысы қайталанатын тізбектерді табуға жағдай жасады, себебі транспозиция, центромер және теломер құрылымдары қайталанатын элементтер арқылы мүмкін, бірақ бұл сол кезде толыққанды түсініксіз болды. "Қайталанатын тізбек" терминін алғаш рет 1968 жылы Рой Джон Бриттен және Д.Е. Коне қолданды; олар ДНК-ның қайталануы бойынша жүргізген тәжірибелері арқылы эукариоттық геномдардың жартысынан астамы қайталанатын ДНК екенін анықтады. ДНК тізбектері сақталғанмен және кең таралғанмен, олардың биологиялық рөлі әлі белгісіз болды. 1990 жылдары ДНК-ға негізделген сот-медициналық сараптама және молекулалық экологиядағы маңыздылығына байланысты миниспутниктер мен микроспутниктердің эволюциялық динамикасын зерттеуге көбірек күш салынды. ДНК-ның шашыраңқы қайталануы генетикалық өзгерістердің және реттеудің әлеуетті көзі ретінде танылды. Қайталанатын ДНК-мен байланысты зиянды аурулар туралы жаңалықтар осы саладағы зерттеулерге қызығушылықты арттырды. 2000 жылдары толық эукариоттық геномды секвенирлеу деректері әр түрлі промоторларды, күшейткіштерді және реттегіш РНК-ларды анықтауға мүмкіндік берді, олардың барлығы қайталанатын аймақтармен кодталған. Бүгінде қайталанатын ДНК тізбектерінің құрылымдық және реттеушілік рөлі зерттеудің белсенді саласы болып табылады.
Repeated sequences (also known as repetitive elements, repeating units or repeats) are short or long patterns of nucleic acids (DNA or RNA) that occur in multiple copies throughout the genome. In many organisms, a significant fraction of the genomic DNA is repetitive, with over two thirds of the sequence consisting of repetitive elements in humans. Some of these repeated sequences are necessary for maintaining important genome structures such as telomeres or centromeres. Repeated sequences are categorized into different classes depending on features such as structure, length, location, origin, and mode of multiplication. The disposition of repetitive elements throughout the genome can consist either in directly adjacent arrays called tandem repeats or in repeats dispersed throughout the genome called interspersed repeats. Tandem repeats and interspersed repeats are further categorized into subclasses based on the length of the repeated sequence and/or the mode of multiplication. While some repeated DNA sequences are important for cellular functioning and genome maintenance, other repetitive sequences can be harmful. Many repetitive DNA sequences have been linked to human diseases such as Huntington's disease and Friedreich's ataxia. Some repetitive elements are neutral and occur when there is an absence of selection for specific sequences depending on how transposition or crossing over occurs. McClintock's work set the stage for the discovery of repeated sequences because transposition, centromere structure, and telomere structure are all possible through repetitive elements, yet this was not fully understood at the time. The term "repeated sequence" was first used by Roy John Britten and D. E. Kohne in 1968; they found out that more than half of the eukaryotic genomes were repetitive DNA through their experiments on reassociation of DNA. Although the repetitive DNA sequences were conserved and ubiquitous, their biological role was yet unknown. In the 1990s, more research was conducted to elucidate the evolutionary dynamics of minisatellite and microsatellite repeats because of their importance in DNA based forensics and molecular ecology. DNA dispersed repeats were increasingly recognized as a potential source of genetic variation and regulation. Discoveries of deleterious repetitive DNA related diseases stimulated further interest in this area of study. In the 2000s, the data from full eukaryotic genome sequencing enabled the identification of different promoters, enhancers, and regulatory RNAs which are all coded by repetitive regions. Today, the structural and regulatory roles of repetitive DNA sequences remain an active area of research.
Түрлері мен функциялары
Көптеген қайталама тізбектер функционалды емес, көшмелі элементтердің ыдыраған қалдықтары болуы мүмкін, олар "қоқыс" немесе "өзімшіл" ДНҚ деп аталады. Дегенмен, кейде кейбір қайталаулар басқа функциялар үшін пайдаланылуы мүмкін.
Тандемді қайталау
Тандемді қайталаулар – геномда бір-біріне тікелей іргелес орналасқан қайталанатын тізбектер. Тандемді қайталаулар қайталанатын тізбекті құрайтын нуклеотидтердің санымен, сондай-ақ тізбектің қайталану жиілігімен әр түрлі болуы мүмкін. Егер қайталану тізбегінің ұзындығы тек 2–10 нуклеотид болса, онда бұл қайталау қысқа тандемді қайталау (STR) немесе микросателлит деп аталады. Егер қайталану тізбегі 10–60 нуклеотид болса, онда бұл қайталау минисателлит деп аталады. Микросателлиттер мен минисателлиттер үшін бір локустағы тізбектің қайталану саны екіден жүздеген ретке дейін жете алады. Тандемді қайталаулар геномда кең ауқымды биологиялық функцияларды атқарады. Мысалы, минисателлиттер эукариотты организмдерде мейоздық гомологтық рекомбинацияның жиі кездесетін ошақтары болып табылады. Рекомбинация – екі гомологты хромосоманың тікелей орналасып, үзіліп, бөліктерімен алмасуы. Рекомбинация генетикалық әртүрліліктің маңызды көзі, зақымдалған ДНК-ны жөндеу механизмі және мейоз кезінде хромосомалардың дұрыс бөлінуі үшін қажетті кезең болып табылады. Бұл қайталаулар жоғары ұйымдасқан G-төрттік құрылымдарға жиналады, олар хромосомалық ДНК-ның ұштарын деградациядан қорғайды. Қайталанатын элементтер хромосомалардың орталық бөлігінде де жиі кездеседі. Центромерлер – хромосомалардың өте тығыз аймақтары, олар әуес хроматидтерді біріктіреді және митоздық шпінделінің клетка бөліну кезінде әуес хроматидтерді жалғап, бөлуіне мүмкіндік береді. Центромерлер 177 негіз жұптан тұратын тандемді қайталаудан – α-сателлит қайталануынан құралған. Кейбір қайталанатын тізбектер, жоғарыда талданған құрылымдық рөлдерге ие болғандары сияқты, дұрыс биологиялық функциялар үшін қажетті рөлдерді атқарады. Басқа тандемді қайталаулар ауруларды тудыратын зиянды әсерге ие. Дегенмен, көптеген басқа тандемді қайталаулардың функциялары әлі белгісіз немесе жеткілікті зерттелмеген.
Аралас қайталаулар
Аралас қайталанулар – геномның әртүрлі бөліктерінде кездесетін бірдей немесе ұқсас ДНК тізбектері. Аралас қайталанулар тандемдік қайталанулардан айырмашылығы, қайталанатын тізбектер бір-біріне тікелей іргелес емес, керісінше, әртүрлі хромосомаларда немесе бір хромосоманың қашық жерлерінде шашырап орналасқан. Көптеген аралас қайталанулар – транспозицияланатын элементтер (ТЭ), геномның әртүрлі жерлеріне "кесіп, қоюға" немесе "көшіріп, қоюға" болатын жылжымалы тізбектер. ТЭ бастапқыда қозғалу қабілеті үшін "сатылатын гендер" деп аталды, бірақ бұл термин шатастырушы, себебі барлық ТЭ дискретті гендер емес. РНК-ға транскрипцияланып, ДНК-ға кері транскрипцияланып, содан кейін геномға қайта енетін транспозицияланатын элементтер ретротранспозон деп аталады. Ұзындығы 100-300 негіздік жұптан, ең көп 600 негіздік жұптан аспайтын қысқа аралас ядролық элементтер (SINEs) бар. ТЭ-нің бақылаусыз көбеюі геномға зиян келтіруі мүмкін болғандықтан, олардың таралуын тежеу үшін ДНК метилирлеу, гистондық модификациялар, кодтамайтын РНК (ncRNA), оның ішінде кішкентай интерференциялық РНК (siRNA), хроматин қайта құрушылар, гистонның варианттары және басқа эпигенетикалық факторлар сияқты көптеген реттеуші механизмдер пайда болды. Сонымен қатар, ТЭ басқа гендердің экспрессиясын реттеуге қатысады, алыс күшейткіштер және транскрипциялық факторлардың байланысу орындары ретінде қызмет етеді. Геномдағы аралас элементтердің кең таралғандығы олардың пайда болуы мен функцияларын зерттеуге қызығушылық тудырды. Алу қайталау және LINE1 сияқты нақты аралас элементтер сипатталған.
Интрахромосомалық рекомбинация
Nicotiana tabacum соматикалық жасушаларындағы хромосомалық қайталанатын тізбектер арасындағы гомологтық рекомбинация, ДНК жіптерін байланыстыратын екі функциялы алкилдеуші агент – митомицин С-ге ұшырағанда артады. Рекомбинацияның осы артуы хромосома ішіндегі рекомбинациялық жөндеудің күшеюімен байланысты.
Адам ауруларындағы қайталанған реттілік
Адамдарда кейбір қайталанатын ДНҚ тізбектері аурулармен байланысты. Атап айтқанда, тандемдік қайталау тізбектері бірнеше адам ауруларының, әсіресе тринуклеотидтік қайталау ауруларының себебі болып табылады, мысалы, Хантингтон ауруы, нәзік Х синдромы, бірнеше спиноцеребеллалық атаксиялар, миотоникалық дистрофия және Фридрейх атаксиясы. Жыныс жасушаларындағы тринуклеотидтік қайталаулардың ұрпақтан-ұрпаққа көбейіп кеңеюі аурудың күрделілігінің артуына алып келуі мүмкін. Бұл тринуклеотидтік қайталаулар ДНҚ көшірмесі немесе ДНҚ жөндеу синтезі кезінде жіптердің сырғанауы арқылы пайда болуы мүмкін. Қайталама тізбектегі ДНҚ зақымдануын дұрыс жөндеуге келмеу осы тізбектердің одан әрі кеңеюіне, соның салдарынан патологиялық айналымға әкелуі мүмкін. Бұл жасуша өліміне алып келеді, сондай-ақ ДНҚ-ның тотығу зақымдануын қалпына келтіруге қатысады. Хантингтон ауруында тринуклеотидтік тізбек CAG-нің кеңеюі кеңейтілген полиглютамин домені бар мутантты хентингтин ақуызын кодтайды. Бұл домен ақуыздың жүйке жасушаларында жиналуына себеп болады, бұл жасушалардың қалыпты функциясын бұзып, нейродегенерацияға әкеледі.
Хүлделі Х синдромы
Хромосомадағы FMR1 геніндегі ККГ ДНК тізбегінің ұзаруы Х-хромосомадағы нәзік Х синдромына себеп болады. Бұл ген РНК-мен байланысатын FMRP ақуызын өндіреді. Нәзік Х синдромында қайталама тізбек генді тұрақсыз етеді, соның салдарынан FMR1 генінің жұмысы тоқтатылады. Ген Х хромосомасында орналасқандықтан, екі Х хромосомасы бар әйелдер, бір Х және бір Y хромосомасы бар ерлерге қарағанда аз зардап шегеді, себебі екінші Х хромосомасы басқа Х хромосомасындағы геннің жұмысын тоқтатудың орнын толтыра алады.
Спинноцеребеллалық атаксиялар
Спинноцеребеллалық атаксия ауруы бірнеше типті спинноцеребеллалық атаксияларға (СКА SCA1; SCA2; SCA3; SCA6; SCA7; SCA12; SCA17) себеп болатын CAG тринуклеотидтік қайталау тізбектеріне ие. Хантингтон ауруы сияқты, осы тринуклеотидтің ұзаруы салдарынан пайда болатын полиглютамин тізбегі ақуыздардың жиналуына, қалыпты жасуша функцияларын бұзуға және нейродегенерацияға алып келеді.
Фридрейктің атаксиясы
Фридрейх атаксиясы – фратаксин генінде кеңейтілген GAA қайталама тізбегі бар атаксия түрі. Фратаксин гені фратаксин ақуызын өндіруге жауапты, ол энергия өндірісі мен жасушалық тыныс алуға қатысатын митохондриялық ақуыз. Кеңейтілген GAA тізбегінің нәтижесінде бірінші интронның белсенділігі жойылып, фратаксин ақуызының функциясы төмендейді. Функционалды FXN генінің жоғалуы митохондрияның жалпы жұмысына кедерес келтіреді және пациенттерде жүру қиындығы сияқты фенотиптік белгілерге алып келуі мүмкін.
Миотоникалық дистрофия
Миотоникалық дистрофия – бұл бұлшықет әлсіздігімен көрінетін және негізінен екі түрі бар ауру: DM1 және DM2. Миотоникалық дистрофияның екі түрі де ДНК-ның ұзартылған тізбектеріне байланысты туындайды. DM1-де ұзартылған ДНК тізбегі CTG, ал DM2-де CCTG болып табылады. Бұл екі тізбек әртүрлі гендерде орналасқан, DM2-дегі ұзартылған тізбек ZNF9 генінде, ал DM1-дегі ұзартылған тізбек DMPK генінде табылады. Басқа аурулар, мысалы, Хантингтон ауруы немесе Х-хромосомалық әлсіздік синдромы сияқты, осы екі ген де белоктарды кодтамайды. Дегенмен, DM1 және DM2 қайталама тізбектері мен РНК токсикалық әсері арасында байланыс бар екені көрсетілген.
Амиотрофиялық бүйірлік склероз және фронтотемпоральды деменция
Барлық ДНК қайталануларынан туындайтын аурулар тринуклеотидтік қайталану аурулары болып табылмайды. Амиотрофиялық бүйірлік склероз және фронтотемпоральды деменция аурулары C9orf72 геніндегі GGGGCC гексануклеотидтік қайталама тізбектерінен туындайды, бұл РНК токсикалық әсеріне алып келіп, нейродегенерацияны тудырады. Оларды тізбектеу қиын болғанымен, бұл қысқа қайталамалар ДНК саусақ іздерін анықтау және эволюциялық зерттеулерде маңызды құндылыққа ие. Техникалық шектеулерге байланысты көптеген зерттеушілер геномдық деректерді талдап, жариялағанда қайталама тізбектерді тарихи түрде елеп келген. Бустос және басқалар ұзақ қайталама ДНК тізбектерін анықтау үшін бір әдіс ұсынды. Бұл әдіс тұрақтандыру үшін сызықтық векторды және жалғаса беретін қарапайым тізбек қайталамаларына (SSR) бай аймақтарды жою үшін экзонуклеаза III-ті пайдалануды біріктіреді. Біріншіден, SSR-ға бай фрагменттер 30 кб дейінгі тандемді қайталамаларды тұрақты түрде енгізе алатын сызықтық векторға клондалады. Вектордағы транскрипциялық терминаторлар қайталамалардың экспрессиясын тоқтатады. Екінші қадам экзонуклеаза III-ті қолдануды қамтиды. Бұл фермент 3' ұшынан нуклеотидтерді жоя алады, нәтижесінде SSR фрагменттерінің бір бағытта жойылғаны байқалады. Соңында, фрагменттері жойылған бұл өнім көбейтіліп, колониялық ПТР арқылы талданады. Тізбек содан кейін әртүрлі жойылған фрагменттерді қамтитын клондар жиынтығының реттілігі арқылы құрастырылады.