Кіріспе

Генетикалық компоненттің түрі

Ретротранспозондар (сонымен қатар, I кластағы транспозицияланатын элементтер деп аталады) – бұл геномда қозғалатын элементтер, олар өздерінің транскрипцияланған РНК-сын кері транскрипция арқылы ДНҚ-ға айналдырып, иесінің геномында жылжиды. Осылайша, олар II кластағы транспозицияланатын элементтерден немесе ДНК транспозондарынан транспозиция үшін РНК аралық түрін пайдалану және транспозиция донорлық орнын өзгеріссіз қалдыру арқылы ерекшеленеді. Кері транскрипция арқылы ретротранспозондар тез көбейіп, жүгеріде (49–78%) және адамда (42%) сияқты эукариотикалық геномдарда кең таралған. Олар тек эукариоттарда ғана кездеседі, бірақ ВИЧ сияқты ретровирустармен ортақ белгілері бар, мысалы, үздіксіз кері транскриптазамен катализделген хромосомадан тыс рекомбинация. Ретротранспозондардың екі негізгі түрі бар: ұзын терминалдық қайталаулар (ҰТҚ) және ұзын емес терминалдық қайталаулар (ҰТҚ емес). Ретротранспозондар тізбегі мен транспозициялау әдісіне қарай жіктеледі. Жүгері геномындағы ретротранспозондардың көпшілігі ҰТҚ, ал адамдарда олар көбінесе ҰТҚ емес.

LTR ретротранспозондары

LTR ретротранспозондары 5' және 3' ұштарында орналасқан ұзақ терминалды қайталауларымен (LTR) сипатталады. Бұл LTR-лерде осы транспозицияланатын элементтердің (TE) промоторлары бар, олар TE интеграциясы үшін маңызды және ұзындығы 100 негіз жұбынан (bp) 1000-нан астам bp-ге дейін өзгеруі мүмкін. Орташа алғанда, LTR ретротранспозондары бірнеше мың негіз жұбын қамтиды, ең үлкен белгілі мысалдар 30 килобазаға (kb) дейін жетеді. LTR-лер жоғары функционалды тізбектер болып табылады, сондықтан LTR және LTR емес ретротранспозондар кері транскрипция және интеграция механизмдерінде үлкен айырмашылықтарға ие. LTR емес ретротранспозондар мақсатты бастамалы кері транскрипция (TPRT) процесін пайдаланады, ол TE-нің РНК-сын ретротранспозон интегразасының бөліну орнына жеткізуді қажет етеді, онда ол кері транскрипцияланады. Керісінше, LTR ретротранспозондары цитоплазмада кері транскрипцияға ұшырайды, екі турлы шаблон алмасуды және екі тізбекті ДНК-дан және LTR-ге байланған интеграза димерінен тұратын интеграцияға дейінгі кешеннің (PIC) қалыптасуын пайдаланады. Бұл кешен жаңа геномдық орналасу үшін ядроға көшеді. LTR ретротранспозондары әдетте gag және pol протеиндерін кодтайды, олар бір ашық оқу фреймінде (ORF) біріктірілуі немесе бөлек ORF-тарға бөлінуі мүмкін. Ретровирустарға ұқсас, gag ақуызы капсид құрастыру және TE-нің РНК-сы мен оған байланысты ақуыздарды қаптау үшін маңызды. pol протеині кері транскрипция үшін қажетті және келесі маңызды домендерді қамтиды: PR (протеаза), RT (реверс транскриптаза), RH (RNase H) және INT (интеграза). Сонымен қатар, кейбір LTR ретротранспозондары қабықша (env) ақуызы үшін ORF-қа ие, ол жиналған капсидке енгізіліп, жасуша беттеріне жабысуды жеңілдетеді.

Эндогенді ретровирустар

Эндогендік ретровирус – патогендік әсері жоқ, бірақ иесінің геномына өздерінің мұраға берілетін генетикалық ақпаратын ретротранспозон сияқты келесі буынға берілуі мүмкін жасушаларға енгізу арқылы енген ретровирус. Олар ретровирустың қабығындағы, иесінің жасушасына ену үшін қажет гликопротеиндерді кодтайды. Ретровирустар жасушалар арасында жылжуға қабілетті, ал LTR ретротранспозондары тек бір жасушаның геномына ғана жылжуы мүмкін. Көптеген омыртқалы жануарлардың гендері ретровирустар мен LTR ретротранспозондарынан пайда болған. Бір эндогендік ретровирус немесе LTR ретротранспозоны әртүрлі түрлерде бірдей функцияны атқарып, геномда бірдей орналасқан, бұл олардың эволюциядағы рөлін көрсетеді.

ТТР-ге жатпайтын ретротранспозондар

LTR ретротранспозондары сияқты, LTR емес ретротранспозондар кері транскриптаза, РНК-ға байланысатын белок, нуклеаза және кейде рибонуклеаза H доменінің гендерін қамтиды, бірақ оларда ұзын терминалдық қайталанулар жоқ. РНК-ға байланысатын белоктар РНК транспозициялық аралық өнімге байланысады, ал нуклеазалар – нуклеин қышқылындағы нуклеотидтер арасындағы фосфодиэстерлік байланыстарды үзуге қабілетті ферменттер. LTR-лердің орнына, LTR емес ретротранспозондарда қысқа қайталанулар болады, олар бір-біріне жақын орналасқан негіздердің инверттік ретін құрайды, бұл LTR ретротранспозондарының тікелей қайталануларынан өзгеше, онда тек бір ғана негіз тізбегі қайталанады. Олар ретротранспозондар болғамен, LTR ретротранспозондары сияқты РНК транспозициялық аралық өнімді пайдаланып кері транскрипцияны орындауға қабілетсіз. Ретротранспозонның осы екі маңызды компоненті әлі де қажет, бірақ олардың химиялық реакцияларға қатысу әдісі әртүрлі. Бұл LTR ретротранспозондарынан айырмашылығы, LTR емес ретротранспозондарда тРНК-мен байланысатын тізбектер жоқ. Олар негізінен екі типке бөлінеді: LINEs (ұзын интерсперсияланған ядролық элементтер) және SINEs (қысқа интерсперсияланған ядролық элементтер). SVA элементтері екі типтің арасындағы ерекшелік болып табылады, себебі олар Alu элементтерін және бірдей қайталанудың әртүрлі санын қамтитын LINE және SINE элементтерімен ұқсастықтарды бөліседі. SVA элементтері LINE-нан қысқа, бірақ SINE-нан ұзын. Бұрын "қоқыс ДНК" деп есептелгенімен, зерттеулер кейбір жағдайларда LINE және SINE элементтерінің жаңа гендерге енгізіліп, жаңа функцияларды қалыптастырғанын көрсетеді.

СІЗІЛЕР

LINE транскрипцияланғанда, транскрипт РНК полимераза II промоторын қамтиды, бұл LINE-нің ол енгізілген кез келген жерге көшірілуін қамтамасыз етеді. РНК полимераза II – гендерді мРНК транскриптеріне транскрипциялайтын фермент. LINE транскриптерінің ұштары көптеген аденинге бай, бұл транскрипция соңында қосылатын базалар, LINE транскриптерінің ыдырауына жол бермес үшін. Бұл транскрипт – РНК транспозициясының аралық өнімі. РНК транспозиция аралық өнімі аударма үшін ядродан цитоплазмаға жылжып өтеді. Бұл LINE-нің екі кодтау аймағын береді, ол өз кезегінде транскрипцияланған РНК-мен қайта байланысады. Содан кейін LINE РНК ядроға қайта оралып, эукариоттық геномға енгізіледі. LINE эукариоттық геномның AT базаларына бай аймақтарына еніп отырады. AT аймақтарында LINE өз нуклеазасын эукариоттық екі тізбекті ДНК-ның бір тізбегін кесу үшін пайдаланады. LINE транскриптіндегі аденинге бай тізбек кесілген тізбекпен жұптасып, LINE қай жерге енгізілетінін көрсетеді, гидроксилдік топтармен. Кері транскриптаза осы гидроксилдік топтарды таниды және ДНК кесілген жерде LINE ретротранспозонын синтездейді. LTR ретротранспозондары сияқты, бұл жаңа енгізілген LINE эукариоттық геном туралы ақпаратты қамтиды, сондықтан оны басқа геномдық аймақтарға оңай көшіруге және орналастыруға болады. Ақпараттық тізбектер LTR ретротранспозондарына қарағанда ұзағырақ және өзгермелірек. Көптеген LINE көшірмелері бастапқыда әртүрлі ұзындықта болады, өйткені кері транскрипция көбінесе ДНК синтезі аяқталмас бұрын тоқтатылады. Кейбір жағдайларда бұл РНК полимераза II промоторының жоғалуына әкеледі, сондықтан LINE енді транспозициялай алмайды.

Адамның L1

LINE 1 (L1) ретротранспозондары адам геномының маңызды бөлігін құрайды, әр геномға шамамен 500 000 данадай келеді. Адамның LINE1 гендерін кодтайтын гендердің транскрипциясы көбінесе PIWI ақуыздары және ДНК метилтрансфераза ферменттері арқылы ДНК-ға байланысатын метил топтарымен тежеледі. L1 ретротранспозициясы гендердің ішіне немесе жанына ену арқылы транскрипцияланған гендердің сипатын бұзуы мүмкін, бұл өз кезегінде адам ауруларына алып келуі мүмкін. LINE1 тек кейбір жағдайларда ғана ретротранспозицияға қабілетті, соның нәтижесінде әртүрлі хромосомалық құрылымдар пайда болып, жеке адамдар арасындағы генетикалық айырмашылықтарға себеп болуы мүмкін. Адам геномдық жобасының анықтамалық геномында 80-100 белсенді L1 бар деп есептеледі, ал осы белсенді L1-дің ішіндегі L1-дің шағын бөлігі жиі ретротранспозицияланады. L1 енуі қатерлі ісіктердің пайда болуымен байланысты, себебі ол қатерлі ісіктерге қатысты гендерді (онкогендерді) белсендіріп, ісікке қарсы гендердің әсерін азайтады. Әрбір адам LINE1 екі аймақты қамтиды, олардың әрқайсысы ген өнімдерін кодтай алады. Бірінші кодтау аймағында ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуіне қатысатын лейцин зипперлі ақуыз және нуклеин қышқылының ұшымен байланысатын ақуыз бар. Екінші кодтау аймағында пурин/пиримидин нуклеазасы, кері транскриптаза және цистеин мен гистидин аминоқышқылдарына бай ақуыз бар. Адам LINE1-нің ұшы, басқа ретротранспозондар сияқты, аденинге бай. Адам L1 адам геномында белсенді түрде ретротранспозицияланады. Жақында жүргізілген зерттеуде 1708 соматикалық L1 ретротранспозиция оқиғасы анықталды, әсіресе колоректальды эпителий жасушаларында. Бұл оқиғалар ерте эмбриогенез кезінде пайда болады және колоректальды туморигенез кезінде ретротранспозиция жылдамдығы айтарлықтай жоғарылайды.

СНЭС

SINE-лер LINE-ге қарағанда әлдеқайда қысқа (300bp). Олар РНК полимераза II, гендерді мРНК транскрипциясына түсіретін фермент, және РНК полимераза III, гендерді рибосомалық РНК, тРНК және басқа да кішкентай РНК молекулаларына түсіретін ферментпен ұқсастықтары бар. SINE-лер, мысалы, сүтқоректілердің MIR элементтері, LINE-лердегідей бастапқыда тРНК гендеріне және соңында аденинге бай болады. SINE-лер функционалды кері транскриптаза ақуызын кодтамайды және басқа жылдам жылжымалы транспозондарға, әсіресе LINE-лерге тәуелді. SINE-лер LINE транспозициялық компоненттерін пайдаланады, LINE байланыстырушы ақуыздары LINE РНК-сына байланысуды қалайды. SINE-лер өздігінен транспозициялай алмайды, себебі олар SINE транскрипттерін кодтай алмайды. Олар әдетте тРНК және LINE-лерден алынған бөліктерден тұрады. тРНК бөлігінде РНК полимераза III промоторы бар, ол РНК полимераза II сияқты бір типті фермент. Бұл LINE көшірмелерінің одан әрі транспозиция үшін РНК-ға түсірілетінін қамтамасыз етеді. LINE компоненті сақталады, сондықтан LINE байланыстырушы ақуыздары SINE-нің LINE бөлігін тани алады.

Алюминий элементтері

Алюс – приматтардағы ең көп таралған SINE. Олардың ұзындығы шамамен 350 негіз жұп, ақуыздарды кодтамайды және оларды AluI шектеу ферменті (содан аталған) таниды. Олардың таралуы кейбір генетикалық аурулар мен қатерлі ісіктерде маңызды рөл атқаруы мүмкін. Алюс РНҚ-ны көшіру-қолдану үшін Алюс-тың аденозинге бай ұшы және тізбектің қалған бөлігі сигналға байланысуы керек. Сигналға байланысқан Алюс рибосомалармен байланыса алады. LINE РНҚ Алюспен бірдей рибосомаларда байланысады. Ортақ рибосомаға байланысу SINE-нің Алюс-ының LINE-мен өзара әрекеттесуіне мүмкіндік береді. Алюс элементі мен LINE-нің бір уақытта аудармалануы SINE-ді көшіру-қолдануға жағдай жасайды.

SVA элементтері

Адамдарда SVA элементтері SINES және LINE элементтеріне қарағанда аз мөлшерде кездеседі. SVA және Alu элементтерінің бастамасы ұқсас, одан кейін қайталанулар және эндогенді ретровирусқа ұқсас аяқталуы болады. LINE элементтері SVA элементтерін транспозициялау үшін оларды қоршап жатқан жерлерге байланысады. SVA – үлкен маймылдар геномындағы ең жас транспозондардың бірі және адам популяциясындағы ең активті және полиморфты элементтердің қатарында. SVA, Alu элементі, ВНТР (өзгеру саны бар тандемді қайталау) және LTR фрагментінің қосылуынан пайда болған.

Адам ауруларындағы рөлі

Ретротранспозондар кездейсоқ жоғалмауы үшін, тек ата-ана гаметтері арқылы бір ұрпақтан екінші ұрпаққа берілетін клетка генетикасында ғана пайда болады. Дегенмен, LINE элементтері адам эмбрионының жасушаларына енуі мүмкін, олар кейіннен жүйке жүйесіне дамиды, соның салдарынан LINE ретротранспозициясы мидың жұмысына әсер ете ме деген сұрақ туындайды. LINE ретротранспозициясы кейбір қатерлі ісіктерде де кездеседі, бірақ ретротранспозицияның өзі қатерлі ісіктің себебі ме, әлде салдары ма, әзірге белгісіз. Бақыланбайтын ретротранспозиция организмге де, ретротранспозондардың өзіне де зиянды, сондықтан оны реттеу қажет. Ретротранспозондар РНК-интерференциясы арқылы реттеледі. РНК-интерференциясын қысқа, кодтамайтын РНК-лардың тобы жүзеге асырады. Бұл қысқа кодтамайтын РНК-лар Аргонавт ақуызымен өзара әрекеттесіп, ретротранспозон транскрипттерін жояды және олардың ДНК гистон құрылымын өзгертіп, транскрипциясын төмендетеді.