Введение

Тип генетического компонента

Ретротранспозоны (также называемые переносимыми элементами класса I) – это мобильные элементы, которые перемещаются в геноме хозяина, преобразуя свою транскрибированную РНК в ДНК посредством обратной транскрипции. Таким образом, они отличаются от транспозируемых элементов класса II, или ДНК-транспозонов, использованием РНК-промежуточного продукта для транспозиции и не изменяют донорный сайт транспозиции. Благодаря обратной транскрипции ретротранспозоны быстро размножаются и становятся многочисленными в геномах эукариот, таких как кукуруза (49–78%) и люди (42%). Они встречаются только у эукариот, но имеют общие черты с ретровирусами, например, ВИЧ, такие как прерывистая, опосредованная обратной транскриптазой экстрахромосомная рекомбинация. Существует два основных типа ретротранспозонов: с длинными терминальными повторами (ДТР) и без длинных терминальных повторов (не-ДТР). Ретротранспозоны классифицируются на основе последовательности и механизма транспозиции. Большинство ретротранспозонов в геноме кукурузы относятся к типу LTR, в то время как у людей они в основном не-LTR.

Ретротранспозоны LTR

Ретротранспозоны LTR характеризуются длинными терминальными повторами (LTR), которые присутствуют на обоих концах их последовательностей – 5' и 3'. Эти LTR содержат промоторы для этих транспонируемых элементов (TE), необходимы для интеграции TE и могут варьироваться в длине от чуть более 100 пар оснований (bp) до более чем 1000 bp. В среднем, ретротранспозоны LTR охватывают несколько тысяч пар оснований, при этом самые крупные известные примеры достигают 30 килобаз (кб). LTR – это высокофункциональные последовательности, и именно поэтому LTR и не-LTR ретротранспозоны значительно различаются по механизмам обратной транскрипции и интеграции. Не-LTR ретротранспозоны используют процесс обратной транскрипции с инициацией на мишени (TPRT), который требует доставки РНК TE к месту расщепления интегразы ретротранспозона, где происходит её обратная транскрипция. В отличие от этого, ретротранспозоны LTR подвергаются обратной транскрипции в цитоплазме, используя два раунда переключения матрицы и формирование преинтеграционного комплекса (PIC), состоящего из двухцепочечной ДНК и димера интегразы, связанного с LTR. Затем этот комплекс перемещается в ядро для интеграции в новое геномное локус. Ретротранспозоны LTR обычно кодируют белки gag и pol, которые могут быть объединены в единую открытую рамку считывания (ORF) или разделены на отдельные ORF. Подобно ретровирусам, белок gag необходим для сборки капсида и упаковки РНК TE и ассоциированных с ней белков. Белок pol необходим для обратной транскрипции и включает в себя критически важные домены: PR (протеаза), RT (реверсная транскриптаза), RH (RNase H) и INT (интеграза). Кроме того, некоторые ретротранспозоны LTR имеют ORF для белка оболочки (env), который встраивается в собранный капсид, облегчая прикрепление к клеточным поверхностям.

Эндогенный ретровирус

Эндогенный ретровирус – это ретровирус, не обладающий вирулентными свойствами, который интегрировался в геном хозяина, встраивая свою наследственную генетическую информацию в клетки, способные передаваться следующему поколению подобно ретротранспозону. Они кодируют гликопротеины на оболочке ретровируса, необходимые для проникновения в клетку-хозяина. Ретровирусы способны перемещаться между клетками, в то время как LTR-ретротранспозоны могут перемещать себя только в геном той же клетки. Многие гены позвоночных сформировались из ретровирусов и LTR-ретротранспозонов. Один и тот же эндогенный ретровирус или LTR-ретротранспозон может выполнять одинаковую функцию и располагаться в одних и тех же геномных локусах у разных видов, что указывает на их роль в эволюции.

Ретротранспозоны, не относящиеся к LTR

Как и LTR ретротранспозоны, не LTR ретротранспозоны содержат гены для обратной транскриптазы, белка, связывающего РНК, нуклеазы, а иногда и H-домена рибонуклеазы, но у них нет длинных терминальных повторений. РНК-связывающие белки связывают РНК-транспозиционный промежуток, а нуклеазы - ферменты, которые разрушают фосфодиэстерные связи между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах. Вместо LTR ретротранспозоны, не являющиеся LTR, имеют короткие повторения, которые могут иметь перевернутый порядок оснований рядом друг с другом, кроме прямых повторений, обнаруженных в LTR ретротранспозонах, которые представляют собой только одну последовательность оснований, повторяющих себя. Хотя они являются ретротранспозонами, они не могут осуществлять обратную транскрипцию с использованием промежуточного транспозиционного РНК таким же образом, как и ретротранспозоны LTR. Эти два ключевых компонента ретротранспозона по-прежнему необходимы, но способ их включения в химические реакции отличается. Это связано с тем, что в отличие от ретротранспозонов LTR, ретротранспозоны, не относящиеся к LTR, не содержат последовательностей, которые связывают тРНК. Они в основном делятся на два типа: LINEs (длинно-пересеченные ядерные элементы) и SINEs (коротко-пересеченные ядерные элементы). Элементы SVA являются исключением из этих двух, поскольку они имеют сходство как с LINEs, так и с SINEs, содержащие элементы Alu и различные числа одного и того же повторения. SVA короче, чем LINEs, но длиннее, чем SINEs. Хотя исторически рассматривалась как "мусорная ДНК", исследования показывают, что в некоторых случаях как LINEs, так и SINEs были включены в новые гены для формирования новых функций.

ЛИНИ

Когда LINE транскрибируется, транскрипт содержит промотор РНК-полимеразы II, который обеспечивает возможность копирования LINE в любое место, в которое он вставляется. РНК-полимераза II - это фермент, который транскрибирует гены в мРНК-транскрипты. Концы LINE-транскриптов богаты множественными аденонами, основаниями, которые добавляются в конце транскрипции, чтобы LINE-транскрипты не деградировали. Эта транскрипция является промежуточным транспозиционным элементом РНК. Транспозиционный промежуток РНК перемещается из ядра в цитоплазму для трансляции. Это дает две кодирующие области ЛИНЫ, которые, в свою очередь, связываются с РНК, из которой она транскрибируется. Затем LINE РНК возвращается в ядро, чтобы вставить его в геном эукариота. ЛИНЭ вставляются в области генома эукариотов, которые богаты основаниями АТ. В областях AT LINE использует свою нуклеазу для разрезания одной нити эукариотической двойной нити ДНК. Аденоиновая последовательность в LINE транскрипте соединяется с отрезанной нитью до флага, где LINE будет вставлена с гидроксильными группами. Обратная транскриптаза распознает эти гидроксильные группы для синтеза ретротранспозона LINE в месте, где ДНК разрезана. Как и в случае с ретротранспозонами LTR, эта новая вставленная ЛИНА содержит информацию о геноме эукариотов, поэтому ее можно легко копировать и вставлять в другие геномные области. Информационные последовательности длиннее и более изменчивы, чем в ретротранспозонах LTR. Большинство копий LINE имеют переменную длину в начале, потому что обратная транскрипция обычно останавливается до завершения синтеза ДНК. В некоторых случаях это приводит к потере промотора РНК-полимеразы II, поэтому LINEs не могут трансформироваться дальше.

Человеческий L1

РЕТРОТРАНСПОЗОНЫ ЛИНЫ 1 (L1) составляют значительную часть генома человека, и, по оценкам, в каждом геноме их около 500 000 копий. Гены, кодирующие человеческий LINE1, обычно ингибируют свою транскрипцию метильными группами, связывающимися с его ДНК, выполняемой белками PIWI и ферментами метилтрансфераз ДНК. Ретротранспозиция L1 может нарушить природу транскрибируемых генов, вставляя их внутри или рядом с генами, что в свою очередь может привести к заболеваниям человека. LINE1s могут ретротранспортироваться только в некоторых случаях, чтобы сформировать различные хромосомные структуры, способствующие различиям в генетике между индивидуумами. По оценкам, в референтном геноме проекта генома человека насчитывается 80-100 активных L1, и еще меньшее количество L1 в этих активных L1 часто ретротрансформируется. Вставки L1 были связаны с опухолеобразованием путем активации онкогенов, связанных с раком, и уменьшения генов, подавляющих опухоль. Каждая человеческая ЛИНА1 содержит две области, из которых могут быть закодированы генные продукты. Первая кодирующая область содержит белк лейцин-затвор, участвующий в белковых белковых взаимодействиях, и белок, который связывается с конечным концом нуклеиновых кислот. Вторая кодирующая область содержит пуринно-пиримидиновую нуклеазу, обратную транскриптазу и белок, богатый аминокислотами цистеинами и гистидинами. Конец человеческой LINE1, как и другие ретротранспозоны, богат аденином. Человеческий L1 активно ретротранспонируется в геноме человека. Недавнее исследование выявило 1708 соматических случаев ретротранспозиции L1, особенно в колоректальных эпителиальных клетках. Эти события происходят в раннем эмбриогенезе, а скорость ретротранспозиции существенно увеличивается во время колоректального туморигенеза.

СНИЭ

SINE значительно короче (300 п.н.), чем LINE. Они имеют сходство с генами, транскрибируемыми РНК-полимеразой II – ферментом, транскрибирующим гены в мРНК, – и последовательностью инициации РНК-полимеразы III, ферментом, транскрибирующим гены в рибосомальную РНК, тРНК и другие малые РНК. SINE, такие как элементы MIR млекопитающих, содержат ген тРНК в начале и богатый аденином участок в конце, как и LINE. SINE не кодируют функциональный белок обратной транскриптазы и зависят от других мобильных транспозонов, особенно LINE. SINE используют компоненты транспозиции LINE, хотя белки, связывающиеся с LINE, предпочитают связываться с РНК LINE. SINE не способны к самостоятельной транспозиции, поскольку не могут кодировать собственные транскрипты. Обычно они состоят из фрагментов, происходящих из тРНК и LINE. Участок тРНК содержит промотор РНК-полимеразы III, относящийся к тому же типу ферментов, что и РНК-полимераза II. Это обеспечивает транскрипцию копий LINE в РНК для последующей транспозиции. Компонент LINE сохраняется, чтобы белки, связывающиеся с LINE, могли распознавать LINE-часть в SINE.

Элементы Алю

Алюс – наиболее распространенный SINE у приматов. Они имеют длину около 350 пар оснований, не кодируют белки и могут быть распознаны рестрикционным ферментом AluI (отсюда и название). Распределение Alu может играть роль в развитии некоторых генетических заболеваний и рака. Для копирования и вставки Alu РНК необходим богатый аденином конец Alu и остальная часть последовательности, связанная с сигналом. Alu, связанный с сигналом, затем может ассоциироваться с рибосомами. LINE РНК ассоциируется с теми же рибосомами, что и Alu. Связывание с одной и той же рибосомой позволяет Alu (элементам SINE) взаимодействовать с LINE. Этот одновременный трансляционный процесс Alu и LINE обеспечивает копирование и вставку SINE.

Элементы SVA

Элементы SVA присутствуют в меньших количествах, чем SINEs и LINEs у людей. Начала элементов SVA и Alu схожи, за которыми следуют повторы и конец, напоминающий эндогенный ретровирус. LINEs связываются с участками, фланкирующими элементы SVA, для их транспозиции. SVA – одни из самых молодых транспозонов в геноме гоминид и одни из наиболее активных и полиморфных в человеческой популяции. SVA образовались в результате слияния элемента Alu, VNTR (переменного числа тандемных повторов) и фрагмента LTR.

Роль в болезнях человека

Ретротранспозоны обеспечивают свою сохранность, встречаясь только в генетическом материале клеток, способных передаваться из поколения в поколение через половые клетки родителей. Однако, LINE могут встраиваться в клетки эмбриона человека, которые впоследствии развиваются в нервную систему, что ставит вопрос о влиянии этой ретротранспозиции LINE на функции мозга. Ретротранспозиция LINE также наблюдается при некоторых видах рака, но неясно, является ли сама ретротранспозиция причиной рака, или же это просто один из симптомов. Неконтролируемая ретротранспозиция вредна как для организма-хозяина, так и для самих ретротранспозонов, поэтому она должна регулироваться. Регуляция ретротранспозонов осуществляется посредством РНК-интерференции. РНК-интерференция реализуется комплексом коротких некодирующих РНК. Эти короткие некодирующие РНК взаимодействуют с белком Аргонавт для деградации транскриптов ретротранспозонов и изменения структуры гистонов ДНК, что снижает их транскрипцию.