Subtelomere

Введение

Субтеломеры - это сегменты ДНК между теломерными шапками и хроматином.

Структура

Теломеры - это специализированные белковые структуры ДНК, присутствующие на концах эукариотических хромосом, которые предотвращают их деградацию и хромосомное слияние. Большинство теломерных ДНК позвоночных состоит из длинных (TTAGGG) n повторений переменной длины, часто около 3 20 кб. Субтеломеры - это сегменты ДНК между теломерными шапками и хроматином. У позвоночных каждая хромосома имеет две субтелеморы, непосредственно прилегающие к длинным (TTAGGG) n повторениям. Субтеломеры считаются наиболее дистальной (самой далекой от центромера) областью уникальной ДНК на хромосоме, и они являются необычно динамичными и переменными мозаиками мультихромосомных блоков последовательности. Субтеломеры таких разнообразных видов, как человек, Plasmodium falciparum, Drosophila melanogaster и Saccharomyces cerevisiae, структурно похожи, поскольку они состоят из различных повторяющихся элементов, но степень субтеломеров и последовательность элементов сильно различаются у организмов. Проксимальный домен состоит из переменных межхромосомных дубликаций (<1 30 кб); эта область может содержать такие гены, как Pho, Mel и Mal. Дистальная область состоит из 0 4 тандемных копий высококонсервативного элемента Y'; число и хромосомное распределение элементов Y' варьируется в зависимости от штаммов дрожжей. Между ядром X и элементом Y' или ядром X и последовательностью TTAGGG часто существует набор из 4 субтеломерных повторяющихся элементов (STR): STR A, STR B, STR C и STR D, который состоит из нескольких копий теломерного мотива позвоночных TTAGGG. Эта структура двух доменов удивительно похожа на структуру субтелеморов в хромосомах человека 20p, 4q и 18p, в которых проксимальные и дистальные субтелеморические домены разделены натяжкой дегенерированных повторов TTAGGG, но картина, которая возникает из исследований субтелеморов других хромосом человека, показывает, что модель двух доменов не применяется повсеместно.

Вариации

Вариации субтелемерных областей в основном являются вариациями в СТР, вследствие рекомбинации крупномасштабных участков, ограниченных (TTAGGG) n подобными повторяющимися последовательностями, которые играют важную роль в рекомбинации и транскрипции. Поэтому между людьми наблюдаются различия в гаплотипе (варианты последовательности ДНК) и длине.

Субтеломерные транскрипты

Субтелломерные транскрипты в основном состоят из псевдогенов (транскрибированных генов, производящих последовательности РНК, не переведенные в белки) или семейств генов. У человека они кодируют обонятельные рецепторы, тяжелые цепи иммуноглобулинов и белки цинковых пальцев. У других видов, несколько паразитов, таких как Plasmodium и Trypanosoma brucei, разработали сложные механизмы уклонения, чтобы адаптироваться к враждебной среде, создаваемой хозяином, например, выставляя переменные поверхностные антигены, чтобы избежать иммунной системы. Гены, кодирующие поверхностные антигены в этих организмах, находятся в субтелемерных областях, и было высказано предположение, что это предпочтительное местоположение облегчает переключение и экспрессию генов и генерацию новых вариантов. Например, гены, принадлежащие к семейству var в Plasmodium falciparum (агент малярии), в основном локализованы в субтелемерных областях. Антигенные вариации организуются эпигенетическими факторами, включая моноаллельную вар-транскрипцию в отдельных пространственных доменах на ядерной периферии (ядерные поры), дифференциальные гистонные маркировки на идентичных в противном случае вар-генах и вар-заглушение, опосредованное теломерным гетерохроматином. Другие факторы, такие как некодирующая РНК, вырабатываемая в сублиомерных областях, прилегающих или входящих в варгены, также могут способствовать антигенным вариациям. В Trypanosoma brucei (агент болезни сна) изменчивый поверхностный гликопротеин (VSG) является важным механизмом, используемым паразитом для уклонения от иммунной системы хозяина. Экспрессия ВСГ является исключительно субтелемерной и происходит либо путем активации на месте безмолвного гена ВСГ, либо путем перестановки ДНК, которая вставляет внутреннюю безмолвную копию гена ВСГ в активный сайт экспрессии теломер. В отличие от Plasmodium falciparum, в Trypanosoma brucei антигенные изменения обусловлены эпигенетическими и генетическими факторами. В Pneumocystis jirovecii основная семья генов поверхностного гликопротеина (MSG) вызывает антигенные вариации. Гены MSG похожи на коробки на концах хромосом, и только ген MSG в уникальном локусе UCS (консервативная последовательность вверх по течению) транскрибируется. Различные гены MSG могут занимать место экспрессии (UCS), что предполагает, что рекомбинация может взять ген из пула молчаливых доноров и установить его на месте экспрессии, возможно, через кроссоверы, активируя транскрипцию нового гена MSG и изменяя поверхностный антиген Pneumocystis jirovecii. Переход в экспрессионном месте, вероятно, облегчается субтелемерными локациями экспрессированных и молчаливых генов MSG. Второе субтелемерное семейство генов, MSR, не строго регулируется на транскрипционном уровне, но может способствовать фенотипическому разнообразию. Антигенная вариация у P. jirovecii обусловлена генетической регуляцией.

Subtelomeric transcripts largely consist of either pseudogenes (transcribed genes producing RNA sequences not translated into protein) or gene families. In humans, they code for olfactory receptors, immunoglobulin heavy chains, and zinc finger proteins. In other species, several parasites such as Plasmodium and Trypanosoma brucei have developed sophisticated evasion mechanisms to adapt to the hostile environment posed by the host, such as exposing variable surface antigens to escape the immune system. Genes coding for surface antigens in these organisms are located at subtelomeric regions, and it has been speculated that this preferred location facilitates gene switching and expression, and the generation of new variants. For example, the genes belonging to the var family in Plasmodium falciparum (agent of malaria) are mostly localized in subtelomeric regions. Antigenic variation is orchestrated by epigenetic factors, including monoallelic var transcription at separate spatial domains at the nuclear periphery (nuclear pore), differential histone marks on otherwise identical var genes, and var silencing mediated by telomeric heterochromatin. Other factors such as non coding RNA produced in subtelomeric regions adjacent or within var genes may contribute as well to antigenic variation. In Trypanosoma brucei (agent of sleeping sickness), variable surface glycoprotein (VSG) antigenic variation is a relevant mechanism used by the parasite to evade the host immune system. VSG expression is exclusively subtelomeric and occurs either by in situ activation of a silent VSG gene or by DNA rearrangement that inserts an internal silent copy of a VSG gene into an active telomeric expression site. To contrast with Plasmodium falciparum, in Trypanosoma brucei, antigenic variation is orchestrated by epigenetic and genetic factors. In Pneumocystis jirovecii major surface glycoprotein (MSG) gene family cause antigenic variation. MSG genes are like boxes at chromosome ends, and only the MSG gene at the unique locus UCS (upstream conserved sequence) is transcribed. Different MSG genes can occupy the expression site (UCS), suggesting that recombination can take a gene from a pool of silent donors and install it at the expression site, possibly via crossovers, activating transcription of a new MSG gene, and changing the surface antigen of Pneumocystis jirovecii. Switching at the expression site is probably facilitated by the subtelomeric locations of expressed and silent MSG genes. A second subtelomeric gene family, MSR, is not strictly regulated at the transcriptional level, but may contribute to phenotypic diversity. Antigenic variation in P. jirovecii is dominated by genetic regulation.

Патологические последствия

Потеря теломерной ДНК в результате повторяющихся циклов деления клеток связана со старением или соматическим старением клеток. Напротив, в зародышевой линии и раковых клетках есть фермент, теломераза, который предотвращает деградацию теломер и поддерживает целостность теломер, что заставляет эти типы клеток жить очень долго. У человека роль субтелеморевых нарушений продемонстрирована при фациоскапуло- гумеральной мышечной дистрофии (ФСГД), болезни Альцгеймера, эпилепсии и специфических синдромных заболеваниях (мальформация и умственная отсталость). Например, ФСГД связана с делецией в субтелемерной области хромосомы 4q. Серия повторений от 10 до > 100 kb расположена в нормальной 4q субтелеморе, но у пациентов с FSHD только 110 повторных единиц. Считается, что это удаление вызывает болезнь из-за позиционного эффекта, который влияет на транскрипцию близлежащих генов, а не через потерю самого массива повторения. Преимущества субтеломеров были изучены у разных видов, таких как Plasmodium falciparum. Различные разновидности субтеломеров часто перестраиваются во время мейотической и митотической рекомбинации, что указывает на то, что субтеломеры часто перемешиваются, что вызывает новые и быстрые генетические изменения в хромосомах. Нокаут субтеломеров в клетках дрожжей с расщеплением, Schizosaccharomyces pombe, не препятствует возникновению митоза и мейоза, что указывает на то, что субтеломеры не необходимы для деления клеток. Они не нужны для процесса митоза и мейоза, но субтеломеры используют преимущества рекомбинации клеточной ДНК. Нокаут субтелеморов в клетках Schizosaccharomyces pombe не влияет на регуляцию реакций на множественный стресс при лечении высокими дозами гидроксимочевины, камптотецина, ультрафиолетового излучения и тиабендазола. Нокаут субтелеморов в клетках Schizosaccharomyces pombe после потери теломеразы не влияет на выживаемость клеток, что указывает на то, что субтелеморы не необходимы для выживания клеток. или HAATI для поддержания хромосомной стабилизации. Однако использование межхромосомной циркуляризации порождает нестабильность хромосом путем создания двух центромеров в одной хромосоме, вызывая хромосомный разрыв во время митоза. В ответ на это хромосома может вызвать инактивацию центромера, чтобы препятствовать образованию двух центромеров, но это вызовет образование гетерохроматина в центромерах. Гетерохроматин может быть вредным, если он попадает в место, где он не должен быть. Субтеломеры отвечают за блокирование входа гетерохроматина в эухроматиновую область. Субтеломеры могут смягчить эффекты инвазии гетерохроматина, распределяя гетерохроматин вокруг концов субтеломеров. Без субтелеморов гетерохроматин распространялся бы по области субтелеморов, слишком близко подступая к важным генам. На этом расстоянии гетерохроматин может заглушить гены, находящиеся поблизости, что приводит к более высокой чувствительности к осмотическому стрессу. Sgo2, выраженный в мейозе и митозе, отвечает за сегрегацию хромосом в центромерах в фазе M. В дрожжах с делением Sgo2 локализуется не только в центромерах, но и в субтелемерах. Sgo2 взаимодействует с субтелемерами во время интерфазы; середины фазы G2 и играет важную роль в формировании "кузнечика", который представляет собой высококонденсированное тело хроматина. Sgo2 остается в субтелеморах, в клетках которых отсутствует теломерная ДНК. Sgo2 подавляет экспрессию субтелемерных генов, которые проходят по другому пути, чем гетерохроматин, опосредованный H3K9me3 Swi6. Sgo2 также оказывает репрессивное воздействие на время репликации субтеломеров, подавляя Sld3, фактор репликации, в начале репликации. Таким образом, Sgo2 регулирует экспрессию генов и репликацию, чтобы обеспечить правильную экспрессию генов субтеломерных и репликацию времени.

Loss of telomeric DNA through repeated cycles of cell division is associated with senescence or somatic cell aging. In contrast, germ line and cancer cells possess an enzyme, telomerase, which prevents telomere degradation and maintains telomere integrity, causing these types of cells to be very long lived. In humans, the role of subtelomere disorders is demonstrated in facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), Alzheimer's disease, epilepsy and peculiar syndromic diseases (malformation and mental retardation). For example, FSHD is associated with a deletion in the subtelomeric region of chromosome 4q. A series of 10 to >100 kb repeats is located in the normal 4q subtelomere, but FSHD patients have only 1–10 repeat units. This deletion is thought to cause disease owing to a position effect that influences the transcription of nearby genes, rather than through the loss of the repeat array itself. The advantages of subtelomeres have been studied in different species such as Plasmodium falciparum,

Different varieties of subtelomeres are frequently rearranging during meiotic and mitotic recombination, indicating that subtelomeres are frequently shuffling, which causes new and rapid genetic changes in chromosomes. The knockout of subtelomeres in fission yeast, Schizosaccharomyces pombe, cells does not impede mitosis and meiosis from occurring, indicating that subtelomeres are not necessary for cell division. They are not needed for the procession of mitosis and meiosis yet, subtelomeres take advantage of cellular DNA recombination. The knockout of subtelomeres in Schizosaccharomyces pombe cells does not affect the regulation of multiple stress responses, when treated with high doses of hydroxyurea, camptothecin, ultraviolet radiation, and thiabendazole. Knockout of subtelomeres in Schizosaccharomyces pombe cells after the loss of telomerase does not affect cell survival, indicating that subtelomeres are not necessary for cell survival. or HAATI to maintain chromosomal stabilization. However, the use of inter chromosomal circularization engenders chromosome instability by creating two centromeres in a single chromosome, causing chromosomal breakage during mitosis. In response to this, the chromosome could induce centromere inactivation to impede the formation of two centromeres, but this would induce heterochromatin formation in centromeres. Heterochromatin can be deleterious if it gets into a location that it is not supposed to be in. Subtelomeres are responsible to block heterochromatin from getting into the euchromatin region. Subtelomeres can mitigate the effects of heterochromatin invasion, by distributing heterochromatin around the ends of the subtelomeres. Without subtelomeres, heterochromatin would spread around the region of subtelomeres, getting too close to important genes. At this distance, heterochromatin can silence genes that are nearby, resulting in a higher sensitivity to osmotic stress. while Sgo2, expressed in meiosis and mitosis, is responsible for the segregation of chromosomes at centromeres in the M phase. In fission yeast, Sgo2 is localized not only in centromeres, but also in subtelomeres. Sgo2 interacts with subtelomeres during interphase; middle of the G2 phase and plays a major role in forming "knob", which is a highly condensed chromatin body. Sgo2 remains in subtelomeres, whose cells lack telomere DNA. Sgo2 represses the expression of subtelomeric genes that is in a different pass way from the H3K9me3 Swi6 mediated heterochromatin. Sgo2 has also repressive effects for timing of subtelomeres replication by suppressing Sld3, a replication factor, at the start of the replication. Thus, Sgo2 regulate gene expressions and replication to ensure proper subtelomeric gene expression and replication timing.

Анализ

Анализ субтеломеров, особенно секвенирование и профилирование субтеломеров пациентов, является сложным из-за повторяющихся последовательностей, длины растяжек и отсутствия баз данных по этой теме.