Введение
Повторяющиеся последовательности (также известные как повторяющиеся элементы, повторяющиеся фрагменты или повторы) представляют собой короткие или длинные паттерны нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), встречающиеся в нескольких копиях по всему геному. У многих организмов значительная часть геномной ДНК является повторяющейся, при этом у человека более двух третей последовательности состоит из повторяющихся элементов. Некоторые из этих повторяющихся последовательностей необходимы для поддержания важных структур генома, таких как теломеры или центромеры. Повторяющиеся последовательности классифицируются на различные классы в зависимости от таких характеристик, как структура, длина, местоположение, происхождение и способ размножения. Расположение повторяющихся элементов по всему геному может представлять собой непосредственно примыкающие массивы, называемые тандемными повторами, или повторы, рассеянные по всему геному, называемые интерсперсными повторами. Тандемные и интерсперсные повторы далее подразделяются на подклассы на основе длины повторяющейся последовательности и/или способа размножения. В то время как некоторые повторяющиеся последовательности ДНК важны для клеточного функционирования и поддержания генома, другие могут быть вредными. Многие повторяющиеся последовательности ДНК связаны с такими заболеваниями человека, как болезнь Гентингтона и атаксия Фридрейха. Некоторые повторяющиеся элементы нейтральны и возникают при отсутствии отбора для конкретных последовательностей в зависимости от того, как происходит транспозиция или кроссинговер. Работа Макклинток заложила основу для открытия повторяющихся последовательностей, поскольку транспозиция, структура центромеры и структура теломеры возможны благодаря повторяющимся элементам, однако в то время это не было в полной мере осознано. Термин "повторяющаяся последовательность" впервые был использован Роем Джоном Бриттеном и Д. Э. Коном в 1968 году; в ходе своих экспериментов по реассоциации ДНК они обнаружили, что более половины геномов эукариот составляют повторяющиеся ДНК. Хотя повторяющиеся последовательности ДНК были консервативны и широко распространены, их биологическая роль оставалась неизвестной. В 1990-х годах было проведено больше исследований для выяснения эволюционной динамики мини- и микросателлитных повторов из-за их важности в ДНК-криминалистике и молекулярной экологии. Рассеянные повторы ДНК все чаще признавались потенциальным источником генетической вариации и регуляции. Открытие вредных заболеваний, связанных с повторяющимися ДНК, стимулировало дальнейший интерес к этой области исследований. В 2000-х годах данные полного секвенирования геномов эукариот позволили идентифицировать различные промоторы, энхансеры и регуляторные РНК, которые кодируются повторяющимися областями. Сегодня структурная и регуляторная роли повторяющихся последовательностей ДНК остаются активной областью исследований.
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.
Типы и функции
Многие повторяющиеся последовательности, вероятно, являются нефункциональными, распадающимися остатками транспозонов, которые получили названия "мусорной" или "эгоистичной" ДНК. Тем не менее, в некоторых случаях повторы могут быть кооптированы для выполнения других функций.
Повторение в тандеме
Тандемные повторы – это повторяющиеся последовательности, непосредственно примыкающие друг к другу в геноме. Тандемные повторы могут различаться по количеству нуклеотидов, составляющих повторяющуюся последовательность, а также по числу повторений этой последовательности. Если повторяющаяся последовательность имеет длину всего 2–10 нуклеотидов, такой повтор называют коротким тандемным повтором (STR) или микросателлитом. Если повторяющаяся последовательность имеет длину 10–60 нуклеотидов, такой повтор называют минисателлитом. Для минисателлитов и микросателлитов число повторений последовательности в одном локусе может варьироваться от двух до сотен раз. Тандемные повторы выполняют широкий спектр биологических функций в геноме. Например, минисателлиты часто являются областями повышенной частоты мейотической гомологичной рекомбинации в эукариотических организмах. Рекомбинация – это процесс, при котором две гомологичные хромосомы выстраиваются в ряд, разрываются и вновь соединяются, обмениваясь участками. Рекомбинация важна как источник генетического разнообразия, как механизм восстановления поврежденной ДНК и как необходимый этап правильного расхождения хромосом в мейозе. Эти повторы формируют высокоорганизованные G-квадруплексные структуры, которые защищают концы хромосомной ДНК от деградации. Повторяющиеся элементы также обогащены в середине хромосом. Центромеры – это сильно уплотненные области хромосом, которые соединяют сестринские хроматиды и обеспечивают прикрепление и разделение сестринских хроматид митотическим веретеном во время деления клеток. Центромеры состоят из 177 пар оснований тандемных повторов, называемых α-спутниковыми повторами. Некоторые повторяющиеся последовательности, такие как те, которые выполняют структурные функции, описанные выше, играют важную роль в нормальном биологическом функционировании. Другие тандемные повторы оказывают вредное воздействие и способствуют развитию заболеваний. Однако функции многих других тандемных повторов остаются неизвестными или недостаточно изученными.
Перемежаемые повторения
Перемежаемые повторы – это идентичные или сходные последовательности ДНК, которые встречаются в различных участках генома. Перемежаемые повторы отличаются от тандемных повторов тем, что повторяющиеся последовательности не расположены непосредственно друг рядом с другом, а вместо этого могут быть разбросаны по разным хромосомам или находиться на значительном расстоянии друг от друга на одной и той же хромосоме. Большинство перемежаемых повторов являются транспонируемыми элементами (ТЭ) – подвижными последовательностями, которые могут быть "вырезаны и вставлены" или "скопированы и вставлены" в разные места генома. Изначально ТЭ называли "прыгающими генами" из-за их способности к перемещению, однако этот термин несколько вводит в заблуждение, поскольку не все ТЭ представляют собой отдельные гены. Транспонируемые элементы, которые транскрибируются в РНК, затем реверсно транскрибируются в ДНК и вновь интегрируются в геном, называются ретротранспозонами. Короткие перемежаемые ядерные элементы (SINEs) обычно имеют длину от 100 до 300 пар оснований и не превышают 600 пар оснований. Поскольку неконтролируемое размножение ТЭ может привести к серьезным нарушениям в геноме, эволюционировало множество регуляторных механизмов для подавления их распространения, включая метилирование ДНК, модификации гистонов, некодирующие РНК (нКРНК), в том числе малые интерферирующие РНК (siRNA), ремоделирующие комплексы хроматина, варианты гистонов и другие эпигенетические факторы. Кроме того, ТЭ участвуют в регуляции экспрессии других генов, функционируя как дистальные энхансеры и сайты связывания факторов транскрипции. Широкое распространение перемежаемых элементов в геноме привлекло внимание к дальнейшим исследованиям их происхождения и функций. Некоторые специфические перемежаемые элементы, такие как повтор Alu и LINE1, уже были охарактеризованы.
Внутрихромосомная рекомбинация
Было обнаружено, что гомологичная рекомбинация между повторяющимися последовательностями хромосом в соматических клетках Nicotiana tabacum повышается под воздействием митомицина С, бифункционального алкилирующего агента, вызывающего сшивание нитей ДНК. Это повышение рекомбинации объясняется усилением внутрихромосомного рекомбинационного восстановления.
Повторные последовательности в болезни человека
У людей некоторые повторяющиеся последовательности ДНК связаны с заболеваниями. В частности, тандемные повторы лежат в основе нескольких болезней человека, особенно тринуклеотидных повторных заболеваний, таких как болезнь Хантингтона, синдром хрупкой Х-хромосомы, несколько спиноцеребеллярных атаксий, миотоническая дистрофия и атаксия Фридрейха. Расширение тринуклеотидных повторов в зародышевой линии из поколения в поколение может приводить к всё более тяжёлым проявлениям заболевания. Эти расширения тринуклеотидных повторов могут возникать из-за скольжения комплементарных цепей ДНК во время репликации или при синтезе при репарации ДНК. Некорректный ремонт повреждений ДНК в повторяющихся последовательностях может вызывать дальнейшее расширение этих последовательностей, создавая порочный круг патологии. При болезни Хантингтона расширение тринуклеотидной последовательности CAG кодирует мутантный белок хантингтин с расширенным полиглутаминовым доменом. Этот домен заставляет белок образовывать агрегаты в нервных клетках, препятствуя нормальной клеточной функции и приводя к нейродегенерации.
Синдром хрупкого хребта
Синдром хрупкой Х-хромосомы вызывается расширением последовательности ДНК CCG в гене FMR1, расположенном на Х-хромосоме. Этот ген производит белок, связывающий РНК, – FMRP. При синдроме хрупкой Х-хромосомы повторяющаяся последовательность делает ген нестабильным и, следовательно, приводит к «заглушению» гена FMR1. Поскольку ген находится на Х-хромосоме, женщины, имеющие две Х-хромосомы, страдают от этого синдрома в меньшей степени, чем мужчины, имеющие одну Х-хромосому и одну Y-хромосому, так как вторая Х-хромосома может компенсировать подавление гена на другой Х-хромосоме.
Спиноцеребелярная атаксия
Болезнь спиноцеребелярных атаксий характеризуется наличием тринуклеотидных повторов CAG, которые являются причиной нескольких типов спиноцеребелярных атаксий (SCAs: SCA1; SCA2; SCA3; SCA6; SCA7; SCA12; SCA17). Подобно болезни Гентингтона, полиглутаминовый "хвост", образующийся вследствие расширения этих тринуклеотидных повторов, вызывает агрегацию белков, нарушая нормальную функцию клеток и приводя к нейродегенерации.
Атаксия Фридрейха
Атаксия Фридрейха – это тип атаксии, характеризующийся расширенной повторяющейся последовательностью GAA в гене фратаксина. Ген фратаксина отвечает за выработку белка фратаксина, митохондриального белка, участвующего в производстве энергии и клеточном дыхании. Расширенная последовательность GAA приводит к «заглушению» первого интрона, вызывая потерю функции белка фратаксина. Потеря функционального гена FXN ведет к нарушениям в работе митохондрий в целом и может проявляться у пациентов в виде затруднений при ходьбе.
Миотоническая дистрофия
Миотоническая дистрофия – это заболевание, которое проявляется мышечной слабостью и включает два основных типа: DM1 и DM2. Оба типа миотонической дистрофии вызваны расширением последовательностей ДНК. В DM1 расширенной последовательностью ДНК является CTG, а в DM2 – CCTG. Эти две последовательности находятся в разных генах: расширенная последовательность в DM2 локализована в гене ZNF9, а расширенная последовательность в DM1 – в гене DMPK. В отличие от других заболеваний, таких как болезнь Хантингтона или синдром хрупкой Х-хромосомы, эти два гена не кодируют белки. Однако установлено, что существует связь между токсичностью РНК и повторяющимися последовательностями в DM1 и DM2.
Амиотрофический латеральный склероз и фронтотемпоральная деменция
Не все заболевания, вызванные повторными последовательностями ДНК, являются тринуклеотидными повторами. Болезни амиотрофический боковой склероз и лобно-височная деменция вызываются гексануклеотидными повторами GGGGCC в гене C9orf72, что приводит к РНК-токсичности и нейродегенерации. Несмотря на сложность секвенирования, эти короткие повторы имеют большое значение для ДНК-идентификации и эволюционных исследований. Многие исследователи исторически исключали повторяющиеся последовательности при анализе и публикации данных о геноме целиком из-за технических ограничений. Bustos и соавторы предложили метод секвенирования длинных участков повторяющейся ДНК. Метод сочетает использование линейного вектора для стабилизации и экзонуклеазы III для удаления областей, богатых простыми тандемными повторами (STR). Сначала фрагменты, богатые STR, клонируются в линейный вектор, способный стабильно включать тандемные повторы длиной до 30 кб. Экспрессия повторов подавляется транскрипционными терминаторами в векторе. Второй этап предполагает использование экзонуклеазы III. Этот фермент удаляет нуклеотиды с 3'-конца, что приводит к однонаправленному удалению фрагментов STR. Затем продукт с удаленными фрагментами амплифицируется и анализируется с помощью колониальной ПЦР. После этого последовательность восстанавливается путем упорядоченного секвенирования набора клонов, содержащих различные делеции.