Geni lutanja unutar nas

Engleski genetičar John Burdon Haldane jednom je duhovito napomenuo: "Svijet nije samo nevjerojatniji nego što zamišljamo - on je nevjerojatniji nego što možemo zamisliti." Što biste pomislili o osobi koja bi odjednom rekla da unutar naših stanica neki dijelovi genoma skaču u DNA spirali, poput buva na ogrlici kolica? Da je imao previše mašte?

Mnogo sličnih kritika morala je čuti i američka genetičarka Barbara McClintock, koja je prva objavila postojanje pokretnih gena znanstvenoj zajednici. Krajem četrdesetih, proučavajući genom kukuruza, otkrila je da neki nepoznati elementi mogu djelovati na aktivnost gena, koji bi se, prema njezinoj pretpostavci, mogli kretati kroz DNK. Ova nova hipoteza bila je toliko revolucionarna da su je, prema McClintockovim vlastitim memoarima, ispunili ostali genetičari s potpunim nerazumijevanjem i „kamenom tišinom“.

Tajanstveni Exon genom je dio gena koji nosi podatke o strukturi proteina. pG otoci su mjesta kompaktnog rasporeda nukleotidnog para citozin-gvanin. Intron je dio gena koji ne sadrži podatke o nizu aminokiselina. Sateliti, nukleotidne sekvence, vrlo su dugački (nekoliko stotina tisuća pari nukleotida) odsječaka DNA s tandemom ("od glave do repa") koji ponavljaju kratke blokove od 5-200 pari nukleotida. LTR retrotransposoni su mobilni retroelementi s dugim terminalnim ponavljanjima. SINE - kratki izmjenični retro elementi (kratki isprepleteni elementi). LINIJA - dugi isprepleteni retro elementi (dugi isprepleteni elementi).

Bilo je potrebno gotovo četiri desetljeća da se njezine inovativne ideje u potpunosti prepoznaju. Kao što je prikladno primijetio ruski fizičar, nobelovac V.L. Ginsburg, znanstvenik mora biti dugotrajan, ako želi čekati na priznanje svog rada. Godine 1983. 80-godišnji McClintock dobio je nagradu za fiziologiju i medicinu "za otkrivanje pokretnih genetskih elemenata" Nobelovom odboru. U svom nobelovskom govoru izgovorila je sljedeće riječi: "Genom je vrlo osjetljiv organ stanice koji pod stresom može pokrenuti vlastito restrukturiranje i obnovu." Stvarno pokretni elementi genoma (aka transposons ili „skakajući geni“) otkriveni su tri desetljeća nakon njihova teorijskog predviđanja, u 1970-ima. U početku su P. Starlinger i D. Shapiro otkrili najjednostavnije pokretne elemente koji se nazivaju ubacivanje (umetanje) u bakteriji. Utvrđena je njihova sposobnost izazivanja mutacija u jednostavnim organizmima. Pokazalo se da u bakterijskom genomu može biti od nekoliko komada do nekoliko stotina takvih elemenata za umetanje. Primjerice, u dizenteričnoj bakteriji Shigella dysenteriae danas je poznato čak 200 primjeraka mobilnih elemenata. Proučavanje mobilnih bakterijskih gena od velike je praktične važnosti, jer je sposobnost bakterija da steknu otpornost na antibiotike izravno povezana s njima.

Nasljeđivanje virusa Transposoni čine oko 3% cjelokupne sekvence ljudske DNK. I otkrivanje novih pokretnih gena ove klase se nastavlja. Tako je prije nekoliko godina ruski genetičar Vladimir Kapitonov i njegovi kolege otkrio još nekoliko vrsta pokretnih elemenata: Harbinger, Helitron i Polinton. Kako se ispostavilo, imaju velike sličnosti s nekim virusima i s mobilnim genima bakterija.

Nakon bakterija, mobilni elementi pronađeni su u složenim organizmima. 1976. skupina sovjetskih genetičara, V.A. Gvozdev i njegove kolege uspjeli su ih pronaći na Drosophili. Mnogo godina kasnije ispada da su ti elementi jedinstveni u voćnim mušicama. Oni u njima obavljaju funkciju telomeraze - enzima koji stvara kraće DNK (telomera) skraćujući se tijekom svake diobe stanica. Otkrivat će se i da su ti elementi po strukturi vrlo slični ljudskim retrovirusima, među kojima je najpoznatiji virus ljudske imunodeficijencije (HIV).

Sada, nakon proučavanja najjednostavnijih organizama i drozofile, došao je red da se pronađu "skakajući" geni u kralježnjacima, uključujući ljude, što je ubrzo i učinjeno. Postalo je jasno da su pokretni elementi genoma izuzetno česti u divljini. Trenutno se nalaze u svim živim organizmima koji su samo pali u ruke znanstvenika - od bakterija do sisavaca. U ljudima oni predstavljaju ogroman dio DNK sekvence - više od 40%.

Neki mobilni geni, poput kućnih ljubimaca, dobili su imena od svojih otkrivača: Magellan, Attila, Penelope, Tourist, Charlie, Sleeping Beauty, Emigrant, Aurora (ovu „bivšu“ - izgubljenu pokretljivost - transposon su otkrili ruski znanstvenici i dobila ime po legendarni krstaš).

Izrežite i zalijepite

Danas se svi pokretni elementi genoma u višim organizmima obično dijele u dvije velike klase: DNA transposons (ili jednostavno transposons) i retrotransposons. Ova podjela nastala je zbog različitih molekularnih mehanizama pomoću kojih se ovi elementi kreću kroz DNK. U članku možemo razmotriti samo prvu klasu mobilnih elemenata.


Naš stručnjak Vladimir Aleksejevič Gvozdev, predstojnik Odjela stanične molekularne genetike Instituta za molekularnu genetiku Ruske akademije znanosti, profesor Moskovskog državnog sveučilišta, akademik Ruske akademije znanosti:

"Kao što je to obično u eksperimentalnoj fundamentalnoj znanosti, otkrića se pojavljuju neočekivano, ona se ne mogu isplanirati - postavlja se jedan zadatak, a u pokušaju da se to riješi, otkriva se nešto potpuno novo i neočekivano, samo što ne prolaze. Dakle, jednom kada je zadatak koji je postavio G. P. Georgiev proučiti principe rasporeda regulacijske zone gena kod višećelijskih životinja doveo je do otkrića pomičnih elemenata genoma u voćnoj mušici - Drosophila, izvanrednog modela molekularne genetike. A u potpuno različitim radovima istovremeno, ne više o Drosophili, ustanovljeno je da se geni sastoje od odvojenih dijelova koji kodiraju RNA segmente, a koji su zatim umreženi da formiraju kompletnu RNA koja kodira protein. Nitko to nije mogao predvidjeti, a ovo otkriće dobilo je Nobelovu nagradu. "

DNA transpozoni koriste za svoje pokrete mehanizam koji je u znanstvenoj literaturi definiran kao rezanje i lijepljenje. Nakon primanja određenog signala izvana, aktivira se gen odgovoran za sintezu posebnog enzima, transpozaze. Taj se gen nalazi unutar transpozona, što čini njegov najvažniji dio. Nakon što se ova transpoza, krećući se duž DNK, na njemu nalazi svoj vlastiti transposon posebnim tragovima (obrnutim ponavljanjima) koji su ga granili s obje strane. Pronađeni transposon uredno je izrezan transpozazom i premješten na drugo mjesto za to pripremljeno DNK, odnosno ubačen je u prethodno izrezani jaz.

Ponekad transpoza kodirana u jednom transpozonu pomiče druge slične pokretne elemente, uključujući i one u kojima je oštećen njihov vlastiti gen transpozaze. Ispada neka vrsta međusobne pomoći mobilnih elemenata (ili, ako želite, parazitiranja jednih na drugima). Zapanjujuća složenost i dosljednost svih ovih procesa je upečatljiva, kao da ih kontrolira neka nepoznata sila, poput dobrog dirigenta orkestra. Moramo priznati da je velik dio ovih unutarnjih procesa istraživačima teško razumjeti - oni su tako jasno organizirani, složeni i koordinirani među sobom.

I posljednja faza: uvedeni transposon je na novom mjestu umrežen s DNK. Mjesto odakle je transpon "iskočio" prolazi postupak popravljanja (vraćanje integriteta DNK). Ili, ako se "skok" dogodio tijekom diobe stanica, kopija elementa preuzetog iz sestrinske molekule DNA ubačena je u prazan prostor. U drugoj izvedbi dolazi do "množenja" transpozona - u kromosomu postaje još jedan mobilni element. Takvi pokreti predstavljaju potencijalnu opasnost za stanicu i cijeli organizam.

Divlja i domaća

Danas, prema grubim procjenama, postoji oko 100 ljudskih genetskih patologija uzrokovanih izravno pokretnim elementima. I ovaj se popis i dalje širi. Također je očito da su pokretni geni na neki način povezani sa starenjem - povećava se njihova aktivnost uzrokovana slabljenjem represivnih mehanizama s godinama.

Potencijalnu opasnost mobilnih elemenata od živih organizama posredno potvrđuje i činjenica da imamo nekoliko načina suzbijanja njihove aktivnosti. To je prije svega metilacija pokretnih gena kada se metilna skupina (jedan ugljikov atom i tri atoma vodika - CH3) pridruži DNA mjestu gdje se nalaze. Metilna skupina može se usporediti sa "ubodom": nakon što se vežu na DNK, pokretni elementi ne mogu pokazati svoju aktivnost (za više detalja o metilaciji vidi "PM" br. 2'2015.). Također, u borbi protiv transpozona živi organizmi aktivno koriste mehanizam prigušivanja RNA - suzbijajući ekspresiju gena pokretnih elemenata koristeći kratke jednolančane RNA. Taj mehanizam pružaju takozvane piwiRNA, čiji je učinak prvi put otkriven 2001. godine u Institutu za molekularnu genetiku Ruske akademije znanosti akademik V.A. Gvozdev, A.A. Arabin i njihovi kolege.

Ctrl-C ili Ctrl-X? Pomični se elementi genoma dijele u dvije velike klase: DNA transposons i retrotransposons. Prvi koriste princip "izrezati i zalijepiti" za kretanje, a drugi - "kopiraj i zalijepi". 1. DNA transposon u nekom dijelu sadrži podatke o strukturi enzima transpozaze. U procesu čitanja (transkripcija) nastaje RNA molekula koja se transportira u citoplazmu i ulazi u ribosom, gdje se gradi transpozaza prema svojim "uputama". Enzim se vraća u jezgru i, krećući se duž DNK, pronalazi svoj transposon posebnim oznakama - takozvanim dvostrukim ponavljanjima. Potom se transposon prenosi u pripremljeni jaz ciljne DNK, a izvorni DNK se umreži. 2. Tijekom transkripcije retrotransposona, rezultirajuća RNA sadrži, uz kopirani niz gena, i opis dva proteina. Jedan od njih uključen je u pakiranje semantičkog dijela RNA u kompaktni ribonukleoprotein. Drugi izvodi povratnu transkripciju retrotransposona - sintetizira nukleotidni slijed novog retrotransposona u ciljanoj DNK u skladu s programom koji je odredio ribonukleoprotein.

Dugo vremena nakon otkrića vjerovalo se da se od pomičnih elemenata mogu očekivati ​​samo nevolje - na primjer, mutacije koje dovode do bolesti kada se transposonom ubaci u gen koji kodira protein ili RNA ili regulira njihov rad. To su gledište dijelili i otkrivači strukture DNK, D. Watson i F. Crick. No, posljednjih godina postoje dokazi da se transposoni još uvijek mogu „pripitomiti“ i pretvoriti iz parazita u korisne strukture.

Smatra se da su pokretni elementi iz klase transpozona bili aktivni tijekom rane evolucije višećelijskih životinja, dok se njihov predak ljudi i majmuni prestao kretati po genomu prije oko 40 milijuna godina. Čovjek je također primio neke radne gene iz tih drevnih transpozona, uključujući i one koji pružaju jedinstveni mehanizam kojim se borimo protiv stranih invazija na naše tijelo.

RAG proteini pripadaju ovom mehanizmu - izravni potomci pokretnog enzima transpozaze iz obitelji transibona transpozona (element koji je otkrio poznati "lovac na transposone", ruski genetičar Vladimir Kapitonov). Štoviše, ova vrsta transposona identificirana je isključivo u genima beskralježnjaka, koji su tijekom evolucije prenijeli svoj glavni enzim na kralježnjacima, što nam je omogućilo sintezu RAG proteina. Oni poput vještog konstruktora sakupljaju gene antitijela iz različitih struktura kombinirajući fragmente DNK u stanicama imunološkog sustava - limfociti.

Vjerojatno su u procesu evolucije transpozoni više puta djelovali kao aktivno sredstvo mutacija, pokretajući stvaranje genetske raznolikosti svojim pokretima. Danas, nakon sekvenciranja ljudskog genoma, poznato je oko 50 gena koji su izvedeni izravno iz transposona. Dakle, postupno, u svjetlu nagomilanih podataka, isključuje se isključivo negativna procjena aktivnosti pokretnih elemenata. Naprotiv, danas su mnogi znanstvenici skloni smatrati ih „genskom rezervom“ organizama koje koriste za razvoj i izdržavanje stresa. Sve što je danas povezano s pokretnim genetskim elementima aktivno se proučava u mnogim laboratorijima širom svijeta, jer osim čisto znanstvenog interesa ima i veliku primijenjenu vrijednost - mobilni geni bili su usko povezani s razvojem, starenjem i mnogim patologijama.

Članak "Neprijatelj i pomagač u nama: mobilni genetski elementi" objavljen je u časopisu Popular Mechanics (br. 4, travanj 2015).

Preporučeno

Kraj ere: Sony službeno ukida podršku za PlayStation 2
2019
Indijanci su odustali od umjetne inteligencije
2019
Scenariji budućnosti iz "PM": što će se dogoditi čovječanstvu
2019