Мигрирующие элементы ДНК

В последнее десятилетие накопились данные о существовании «прыгающих генов», т.е. таких участков ДНК, которые могут перемещаться из одних частей генома в другие. Эти мигрирующие элементы ДНК участвуют в регуляции действия генов и индуцировании хромосомных перестроек. Они способствуют осуществлению необычных рекомбинационных событий. Мигрирующие элементы прокариот делят на два типа: IS-элементы и транспозоны. 

IS-элементы, инсерционные сегменты или вставочные последовательности (от англ. insertion sequences) содержат только те гены, которые необходимы для внедрения в ДНК. Размер IS-элементов составляет в большинстве случаев от 800 до 1400 нуклеотидных пар. На концах они содержат повторяющиеся нуклеотидные последовательности, прямые или инвертированные. IS-элементы обнаружены в бактериальных плазмидах, хромосомах бактерий и бактериофагов в виде повторяющихся нуклеотидных последовательностей. В хромосоме E. coli K12 они содержатся во многих копиях как природные компоненты. 

Встраивание IS-элемента в тот или иной ген – инсерция – представляет собой мутацию особого типа. Она или препятствует транскрипции генов, отделенных от регуляторной части IS-элементом, или, наоборот, обеспечивает проявление гена. Таким образом, IS-элементы оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на экспрессию соседних генов, т.е. на их функционирование. 

Транспозоны – это более сложные мигрирующие элементы, состоящие из 3000-25000 нуклеотидных пар. Они ведут себя как IS-элементы, часто включают их в свой состав, но содержат кроме генов, ответственных за способность перемещаться, также дополнительные гены. Так, некоторые транспозоны несут в виде дополнительных гены устойчивости к лекарственным препаратам: некоторым антибиотикам и сульфаниламидам. Гены устойчивости прикрыты с обеих сторон повторами, инвертированными по отношению друг к другу, или же содержат на концах прямые повторы IS-элементов. Таким образом, концевые повторяющиеся нуклеотидные последовательности – это типичный признак мигрирующих элементов, структура, необходимая для транспозиции (перемещение). Вплотную к обоим концам транспозона примыкают небольшие (5, 9, 11 нуклеотидных пар) повторы ДНК. Они представляют собой прямые повторы прилегающих к транспозону участков реципиентной хромосомы. 

Находясь в составе четко очерченных структур – транспозонов, из генома в геном мигрируют гены лекарственной устойчивости. Например, из плазмиды – в геном фага – в геном бактерий – в плазмиду и т.д. Иногда происходит эксцизия встроенного фрагмента ДНК, т.е. его освобождение от хромосомы. При этом он либо теряется, либо встраивается в другое место той же или иной хромосомы. Вследствие этого вызванные транспозициями мутации оказываются нестойкими. Встраивание и выщепление «прыгающих генов» контролируют специальные белки. Каждый транспозон содержит одну или несколько специфических точек встраивания в данный геном. Выщепление транспозона происходит, как правило, неточно, что индуцирует перестройки хромосом (делеции, инверсии, слияния). IS-элементы нередко внедряются в регуляторные участки ДНК, изменяя регуляцию активности генов. IS-элементы и транспозоны, входящие в состав плазмид или бактериофагов, обусловливают встраивание этих структур в бактериальную хромосому. Таким образом, они определяют способность больших блоков ДНК мигрировать между генами, содержащимися в одной клетке. Это приводит к нестабильности геномов, что играет важную роль в эволюции бактериальных плазмид и бактериофагов. 

Элементы, подобные транспозонам и IS-элементам, найдены в грибах, кукурузе и других растениях, у дрозофилы, млекопитающих и др. По общему плану строения, способу транслокации и генетическому эффекту они аналогичны подвижным элементам прокариот. Такого рода мобильные диспергированные гены (МДГ) эукариотических организмов насчитывают 5000-10000 нуклеотидных пар. Они могут составлять до 5% ДНК генома. На своих концах МДГ содержат прямые повторы по 200-500 пар нуклеотидов, которые ограничены палиндромами. МДГ транскрибируются с обеих цепей, но кодируемые ими продукты пока неизвестны. Как минимум они должны кодировать ферменты транспозиции, как IS-элементы и транспозоны прокариот. Большие заслуги в изучении подвижных генетических элементов эукариот принадлежат Г.П. Георгиеву (1984). 

Существуют данные, что МДГ оказывают влияние на структуру и экспрессию других генов. В последнее время установлено большое сходство в строении транспозонов прокариот, МДГ эукариот и онкогенных провирусов. По гипотезе Г. Темина (1972) последние, вступая в рекомбинантные отношения с некоторыми клеточными генами, приводят к раковой трансформации клетки. Существует мнение, что транспозоны прокариот прошли через всю эволюцию, породив у теплокровных ретровирусы. 

Таким образом, изменения в геноме эукариот не ограничиваются только редкими мутациями и генетическими рекомбинациями. Наличие транспозирующих элементов может служить источником изменений, выступающих как факторы регуляции дифференцировки клеток и генной активности, могут давать необычнее мутации. Особенно важно, что в основе такой высокочастотной изменчивости лежат иные механизмы, чем те, которые ответственны за мутации, возникшие под влиянием экзогенных факторов. Однако в обычных условиях нестабильные генетические элементы в основной массе заблокированы, поэтому, хотя представления о стабильности генома эукариот и претерпели некоторые изменения, в основе они остаются незыблемыми. 

Анисимов А.А. Основы биохимии. Стр. 202-204.