Bakteerien siirtyvät geneettiset elementit. Prokaryoottien liikkuvat geneettiset elementit: kulkurien ja kotona oleskelevien "yhteiskunnan" kerrostuminen. Mutaatiot bakteereissa
Yrittää sekvensoida jättimäisen rikkibakteerin genomia Achromatium oxaliferum antoi paradoksaalisen tuloksen: kävi ilmi, että jokainen bakteerisolu ei sisällä yhtä, vaan monia erilaisia genomeja. Solunsisäisen geneettisen monimuotoisuuden taso A. oxaliferum verrattavissa monilajisen bakteeriyhteisön monimuotoisuuteen. Ilmeisesti eri kromosomit lisääntyvät eri osissa sytoplasmaa, joka on jaettu suurilla kalsiittisulkeutumilla moniin heikosti kommunikoiviin osastoihin (osastoihin). Tärkeä rooli sisäisen geneettisen monimuotoisuuden ylläpitämisessä on lukuisilla liikkuvilla geneettisillä elementeillä, jotka helpottavat geenien siirtymistä kromosomista kromosomiin. Löytön tekijät ehdottavat sitä luonnonvalinta tässä ainutlaatuisessa organismissa se ei ole niinkään solujen tasolla, vaan yksittäisten osastojen tasolla yhden jättiläissolun sisällä.
1 Salaperäinen bakteeri
Jättimäinen rikkibakteeri Achromatium oxaliferum löydettiin jo 1800-luvulla, mutta sen biologia on edelleen salaperäinen - suurelta osin siksi, että akromaattia ei voida viljellä laboratoriossa. Akromatiumsolut voivat olla jopa 0,125 mm pitkiä, mikä tekee siitä suurimman makean veden bakteereista (merissä on vielä suurempia rikkibakteereja, kuten esim. Thiomargarita, joka on kuvattu uutisissa Vanhimmat esikambrian alkiot osoittautuivat bakteereiksi? , "Elementit", 15.01.2007).
Achromatium oxaliferum asuu tuoreiden järvien pohjasedimenteissä, missä se esiintyy yleensä happi- ja hapettomien vyöhykkeiden rajalla, mutta tunkeutuu myös täysin hapettomiin kerroksiin. Muut akromaattilajit (tai lajit) elävät mineraalilähteissä ja vuorovesisoiden suolaisissa sedimenteissä.
Akromatium saa energiansa hapettamalla rikkivetyä ensin rikiksi (joka varastoituu rakeina sytoplasmaan) ja sitten sulfaatiksi. Hän osaa korjata epäorgaaninen hiili, mutta voi imeytyä orgaaniset yhdisteet. Ei ole selvää, pystyykö hän hallitsemaan vain autotrofista aineenvaihduntaa vai tarvitseeko hän luomuruokaa.
Akromatiumin ainutlaatuinen piirre on lukuisten kolloidisen kalsiittien sulkeumien läsnäolo sen soluissa (kuva 1). Miksi bakteerit tarvitsevat tätä ja mikä rooli kalsiumkarbonaatilla on sen aineenvaihdunnassa, ei ole tarkkaan tiedossa, vaikka uskottavia hypoteeseja on olemassa (V. Salman et al., 2015. Suvun kalsiittia keräävät suuret rikkibakteerit Achromatium Sippewissett Salt Marshissa).
Akromatiumin sytoplasma kasautuu kalsiittirakeiden välisiin rakoihin, mikä itse asiassa jakaa sen moniin kommunikoiviin osastoihin (osastoihin). Vaikka osastot eivät ole täysin eristettyjä, aineen vaihto niiden välillä on ilmeisesti vaikeaa, varsinkin kun prokaryooteilla on paljon heikommat aktiivisen solunsisäisen kuljetuksen järjestelmät kuin eukaryooteilla.
Ja nyt kävi ilmi, että kalsiittirakeet eivät ole ainoa akromatiumin ainutlaatuinen ominaisuus. Eikä edes ihmeellisin. Lehdessä julkaistussa artikkelissa Luontoviestintä Saksalaiset ja brittiläiset biologit raportoivat paradoksaalisista tuloksista yrityksissä lukea yksittäisten solujen genomeja A. oxaliferum Stechlin-järven pohjasedimenteistä Koillis-Saksassa. Nämä tulokset ovat niin epätavallisia, että niihin on vaikea uskoa, vaikka niiden luotettavuutta ei ilmeisesti ole syytä epäillä: työ tehtiin metodologisesti erittäin huolellisesti.
2. Polyploidian vahvistus
Vaikka akromatium, kuten jo mainittiin, viittaa viljelemättömiin bakteereihin, tätä haittaa kompensoi osittain solujen jättimäinen koko. Ne ovat selvästi näkyvissä valomikroskoopilla pienelläkin suurennuksella, ja ne voidaan ottaa manuaalisesti pohjasedimenttinäytteistä (aiemmin johdettu suodattimen läpi suurten hiukkasten poistamiseksi). Näin kirjoittajat keräsivät materiaalia tutkimukseensa. Solut A. oxaliferum on peitetty orgaanisella päällysteellä, jonka pinnalla kuhisee erilaisia asukkaita - pieniä bakteereja. Kirjoittajat pesivät huolellisesti kaiken tämän liittyvän mikrobiston valituista soluista vähentääkseen vieraan DNA:n osuutta näytteissä.
Ensin tutkijat värjäsivät akromatiumsoluja erityisellä fluoresoivalla DNA-väriaineella ymmärtääkseen, kuinka paljon geneettistä materiaalia solussa on ja miten se jakautuu. Kävi ilmi, että DNA-molekyylit eivät rajoitu millekään sytoplasman alueelle, vaan ne muodostavat monia (keskimäärin noin 200 per solu) paikallisia kerääntymiä kalsiittirakeiden välisiin rakoihin (kuvat 1, b, d).
Ottaen huomioon kaiken, mitä tähän mennessä tiedetään suurista bakteereista ja niiden geneettisestä organisaatiosta, tämä tosiasia riittää jo katsomaan todistetuksi, että A. oxaliferum on polyploidi, eli jokainen sen solu ei sisällä yhtä, vaan useita kopioita genomista.
Jälkikäteen ajatellen on kuitenkin jo selvää, että niin valtava prokaryoottisolu ei selviäisi yhdellä kopiolla. Ei yksinkertaisesti riittäisi tarjota koko solulle proteiinisynteesiin tarvittavat transkriptit.
Sen perusteella, että DNA-klusterit eroavat fluoresenssin intensiteetistä, nämä klusterit sisältävät todennäköisesti eri määrän kromosomeja. Tässä on tarpeen tehdä varaus, että yleensä prokaryoottisolun koko genomi sijaitsee yhdessä rengaskromosomissa. Akromatiumin osalta tätä ei ole todistettu, mutta se on erittäin todennäköistä. Siksi kirjoittajat käyttävät yksinkertaisuuden vuoksi termiä "kromosomi" synonyyminä termille "yksi kopio genomista", ja teemme samoin.
Tässä vaiheessa ei ole vielä löydetty mitään sensaatiomaista. Takana ovat ajat, jolloin kaikki ajattelivat, että prokaryooteilla on aina tai melkein aina vain yksi pyöreä kromosomi kussakin solussa. Nykyään tunnetaan jo monia polyploidisten bakteerien ja arkkien lajeja (katso Elements, 14.6.2016).
3. Monilajiyhteisön metagenomi - yhdessä solussa
Ihmeet alkoivat, kun kirjoittajat ryhtyivät eristämään DNA:ta valituista ja pestyistä soluista ja sekvensoimaan. 10 000 solusta saatiin metagenomi (katso Metagenomics), toisin sanoen joukko (noin 96 miljoonaa) lyhyitä sekvensoituja satunnaisia kromosomien fragmentteja (lukemia), jotka kuuluivat eri yksilöille ja antoivat yhdessä käsityksen solun geneettisestä monimuotoisuudesta. väestö.
Sitten tutkijat ryhtyivät sekvensoimaan DNA:ta yksittäisistä soluista. Ensin 27 solusta eristettiin 16s-rRNA-geenin fragmentteja, joiden mukaan prokaryootit on tapana luokitella ja joiden avulla yleensä määritetään jonkin tai toisen mikrobilajin esiintyminen analysoitavassa näytteessä. Melkein kaikki eristetyt fragmentit kuuluivat akromatiumiin (eli ne olivat suunnilleen samat kuin geneettisistä tietokannoista jo saatavilla olevat akromaattisen 16s-rRNA:n sekvenssit). Tästä seuraa, että tutkittu DNA ei ollut kontaminoitunut joidenkin vieraiden bakteerien geneettisellä materiaalilla.
Kävi ilmi, että jokainen solu A. oxaliferum, toisin kuin suurin osa muista prokaryooteista, ei sisällä yhtä, vaan useita eri variantteja (alleeleja) 16s-rRNA-geenistä. Varianttien tarkkaa määrää on vaikea määrittää, koska pienet erot voidaan selittää sekvensointivirheillä, ja jos vain hyvin erilaisia fragmentteja pidetään "erilaisina", herää kysymys, kuinka paljon niiden täytyy olla hyvin erilaisia. Tiukimpia kriteerejä käyttäen kävi ilmi, että jokaisessa solussa on noin 4-8 erilaista 16s-rRNA-geenin alleelia, ja tämä on vähimmäisarvio, mutta itse asiassa niitä on todennäköisesti enemmän. Tämä on jyrkästi ristiriidassa muille polyploidisille prokaryooteille ominaisen tilanteen kanssa, jossa tietyn geenin sama variantti istuu pääsääntöisesti yhden solun kaikissa kromosomeissa.
Lisäksi kävi ilmi, että 16s-rRNA-geenin alleeleja esiintyy samassa solussa A. oxaliferum muodostavat usein oksia, jotka ovat hyvin kaukana toisistaan tämän geenin kaikkien muunnelmien yhteisessä sukupuussa (aiemmin ja nyt) A. oxaliferum. Toisin sanoen 16s-rRNA-alleelit yhdestä solusta eivät ole sen enempää sukua toisilleen kuin alleelit, jotka on otettu satunnaisesti eri soluista.
Lopuksi kirjoittajat suorittivat DNA:n kokonaissekvensoinnin kuudesta yksittäisestä solusta. Jokaista solua kohti luettiin noin 12 miljoonaa satunnaista fragmenttia (lukemaa). Normaalitilanteessa tämä olisi enemmän kuin tarpeeksi koota erityisillä tietokoneohjelmilla lukemista, niiden päällekkäisiä osia käyttäen, kuusi erittäin korkealaatuista (eli luetaan erittäin suurella kattavuudella, katso kattavuus) yksittäistä genomia.
Mutta niin ei ollut: vaikka melkein kaikki luetut kuuluivat kiistatta akromatiumiin (vieraan DNA:n sekoittuminen oli mitätön), luetut fragmentit kieltäytyivät jyrkästi koomasta genomeja. Lisäanalyysi selvensi epäonnistumisen syytä: kävi ilmi, että jokaisesta solusta eristetyt DNA-fragmentit eivät itse asiassa kuulu yhteen, vaan useaan aivan erilaiseen genomiin. Itse asiassa se, mitä kirjoittajat saivat jokaisesta yksittäisestä solusta, ei ole genomi, vaan metagenomi. Tällaiset lukusarjat saadaan yleensä analysoimalla ei yhtä organismia, vaan koko populaatiota, jolla on myös korkea geneettinen monimuotoisuus.
Tämä johtopäätös on vahvistettu useilla riippumattomilla tavoilla. Erityisesti tunnetaan kymmeniä geenejä, jotka ovat lähes aina läsnä bakteerigenomeissa yhtenä kopiona (yksikopion markkerigeenit). Näitä yhden kopion markkerigeenejä käytetään laajalti bioinformatiikassa genomin kokoonpanon laadun tarkistamiseen, lajien lukumäärän arvioimiseen metagenomisissa näytteissä ja muihin vastaaviin tehtäviin. Joten yksittäisten solujen genomeissa (tai "metagenomeissa"). A. oxaliferum suurin osa nämä geenit ovat läsnä useana eri kopioina. Kuten 16s rRNA:n kohdalla, näiden samasta solusta löydettyjen yksikopioisten geenien alleelit eivät yleensä ole sen enempää sukua toisilleen kuin eri soluista peräisin olevat alleelit. Solunsisäisen geneettisen monimuotoisuuden taso osoittautui vertailukelpoiseksi koko populaation monimuotoisuuden tasoon, joka on arvioitu 10 000 solun metagenomin perusteella.
Nykyaikaisessa metagenomiikassa on jo menetelmiä, jotka mahdollistavat fragmenttien eristämisen monista näytteestä löydetyistä heterogeenisistä DNA-fragmenteista, jotka todennäköisesti kuuluvat samaan genomiin. Jos tällaisia fragmentteja on tarpeeksi, niistä voidaan koota merkittävä osa genomista ja jopa täydellinen genomi. Tällä tavalla uusi arkean supertyyppi, asgardarchea, löydettiin äskettäin ja sitä karakterisoitiin yksityiskohtaisesti (katso Kuvattu uusi arkean supertyyppi, johon eukaryoottien esi-isät kuuluvat, "Elementit", 16.1.2017). Kirjoittajat sovelsivat näitä menetelmiä yksittäisten solujen "metagenomeihin". A. oxaliferum. Tämä teki mahdolliseksi tunnistaa kussakin "metagenomissa" 3–5 sarjaa geneettisiä fragmentteja, jotka todennäköisimmin vastasivat yksittäisiä pyöreitä genomeja (kromosomeja). Tai pikemminkin jokainen tällainen joukko vastaa koko ryhmää samanlaisia genomeja. Erilaisten genomien lukumäärä kussakin solussa A. oxaliferum luultavasti enemmän kuin 3-5.
Samassa solussa olevien genomien välisten erojen taso A. oxaliferum, vastaa karkeasti lajienvälistä: bakteerit, joilla on tämän tason eroja, kuuluvat yleensä saman suvun eri lajeihin. Toisin sanoen kussakin yksittäisessä solussa oleva geneettinen monimuotoisuus A. oxaliferum, ei verrattavissa edes populaatioon, vaan monilajiseen yhteisöön. Jos yksittäisen akromatiumsolun DNA:ta analysoitaisiin nykyaikaisilla metagenomiikan menetelmillä "sokeasti", tietämättä, että kaikki tämä DNA on peräisin yhdestä solusta, analyysi osoittaisi yksiselitteisesti, että näytteessä on useita bakteereja.
4. Solunsisäinen geeninsiirto
Joten, klo A. oxaliferum löysi pohjimmiltaan uuden, aivan ennenkuulumattoman tyyppisen geneettisen organisaation. Tietenkin löytö herättää paljon kysymyksiä, ja ennen kaikkea kysymyksen "miten tämä voi olla?!"
Emme harkitse kaikkein epäkiinnostavinta vaihtoehtoa, joka on se, että kaikki tämä on seurausta tutkijoiden tekemistä räikeistä virheistä. Jos näin on, saamme tietää pian: Luontoviestintä- Lehti on vakava, muut ryhmät haluavat toistaa tutkimuksen, joten on epätodennäköistä, että kumoaminen tulee olemaan kauan tulossa. Paljon mielenkiintoisempaa on keskustella tilanteesta olettaen, että tutkimus on tehty huolellisesti ja tulos on luotettava.
Tässä tapauksessa sinun on ensin yritettävä selvittää havaitun syyt A. oxaliferum ennennäkemätön solunsisäinen geneettinen monimuotoisuus: miten se muodostuu, miksi se säilyy ja kuinka mikrobi itse onnistuu selviytymään prosessissa. Kaikki nämä kysymykset ovat erittäin vaikeita.
Kaikissa muissa tähän mennessä tutkituissa polyploidisissa prokaryooteissa (mukaan lukien "Elementtien" lukijoiden tuntemat suolaa rakastavat arkeat) Haloferax tulivuori) kaikki solussa olevat genomin kopiot, riippumatta siitä kuinka monta niitä on, ovat hyvin samankaltaisia keskenään. Mikään ei vastaa valtavaa solunsisäistä monimuotoisuutta A. oxaliferum, niitä ei huomioida. Ja tämä ei ole missään nimessä sattuma. Polyploidia antaa prokaryooteille useita etuja, mutta se edistää kuitenkin resessiivisten haitallisten mutaatioiden hallitsematonta kertymistä, mikä voi lopulta johtaa sukupuuttoon (katso lisätietoja uutisesta Eukaryoottisten esi-isien polyploidia - avain mitoosin ja meioosin alkuperän ymmärtämiseen , "Elementit", 14.6.2016).
Mutaatiokuorman kertymisen välttämiseksi polyploidiset prokaryootit (ja jopa polyploidiset kasviplastidit) käyttävät aktiivisesti geenikonversiota - homologisen rekombinaation epäsymmetristä varianttia, jossa kaksi alleelia eivät vaihtaisi paikkaa, siirtyen kromosomista kromosomiin, kuten risteytyksen yhteydessä, ja yksi alleeleista korvataan toisella. Tämä johtaa kromosomien yhdistymiseen. Intensiivisen geenikonversion vuoksi haitalliset mutaatiot joko "kirjoitetaan päälle" geenin korruptoitumattomalla versiolla tai ne menevät homotsygoottiseen tilaan, ilmaantuvat fenotyyppiin ja hylätään valinnalla.
klo A. oxaliferum geenikonversio ja kromosomien yhdistyminen tapahtuu todennäköisesti myös, mutta ei koko solun mittakaavassa, vaan yksittäisten "osastojen" tasolla - kalsiittirakeiden väliset aukot. Siksi genomin eri variantit kerääntyvät solun eri osiin. Kirjoittajat vahvistivat tämän selektiivisellä värjäyksellä 16s-rRNA-geenin eri alleelisista varianteista (katso Fluoresoiva paikan päällä hybridisaatio). Kävi ilmi, että solun eri osissa eri alleelisten varianttien pitoisuus vaihtelee todellakin.
Tämä ei kuitenkaan vielä riitä selittämään solunsisäisen geneettisen monimuotoisuuden korkeinta tasoa A. oxaliferum. Kirjoittajat näkevät sen pääsyynä mutageneesin ja solunsisäisten genomien uudelleenjärjestelyjen korkeissa nopeuksissa. Saman solun kromosomien fragmenttien vertailu osoitti, että nämä kromosomit elävät ilmeisesti hyvin myrskyisää elämää: ne mutatoituvat jatkuvasti, järjestäytyvät uudelleen ja vaihtavat osia. klo A. oxaliferum Stechlin-järvestä liikkuvien geneettisten elementtien määrä on lisääntynyt jyrkästi verrattuna muihin bakteereihin (mukaan lukien lähimmät sukulaiset - suolavesien akromatiumit, joissa solunsisäisen monimuotoisuuden taso alustavien tietojen perusteella on paljon alhaisempi). Transposoituvien elementtien aktiivisuus edistää toistuvia genomisen uudelleenjärjestelyjä ja DNA-segmenttien siirtymistä kromosomista toiseen. Kirjoittajat jopa keksivät tälle erityisen termin: "intrasellulaarigeeninsiirto" (iGT), analogisesti kaiken tunnetun horisontaalisen geeninsiirron (HGT) kanssa.
Yksi selkeimmistä todisteista toistuvista kromosomien uudelleenjärjestelyistä A. oxaliferum- erilainen geenijärjestys genomin eri versioissa, myös samassa solussa. Jopa joissakin konservatiivisissa (harvoin evoluution aikana muuttuvissa) operoneissa yksittäiset geenit sijaitsevat joskus eri sekvensseissä eri kromosomeissa saman solun sisällä.
Kuvassa 2 on kaavamaisesti esitetty päämekanismit, jotka tekijöiden mukaan luovat ja ylläpitävät korkeatasoinen solunsisäinen geneettinen monimuotoisuus A. oxaliferum.
5. Solunsisäinen valinta
Toistuvat uudelleenjärjestelyt, solunsisäinen geeninsiirto, korkea mutageneesi - vaikka kaikki tämä voi ainakin selittää suuren solunsisäisen geneettisen monimuotoisuuden (ja en usko, ettei se voi, puhumme tästä alla), on edelleen epäselvää, kuinka akromatium pärjää olosuhteet säilyvät elinkelpoisina. Loppujen lopuksi valtaosan ei-neutraaleista (kuntoon vaikuttavista) mutaatioista ja uudelleenjärjestelyistä täytyy olla haitallisia! Polyploidisilla prokaryooteilla on jo lisääntynyt taipumus kerääntyä mutaatiokuormitukseen, ja jos sallimme myös erittäin korkeat mutageneesinopeudet, tulee täysin käsittämättömäksi, kuinka sellainen olento kuin akromatium voi olla olemassa.
Ja tässä kirjoittajat esittivät todella innovatiivisen hypoteesin. He ehdottavat, että luonnollinen valinta akromatiumissa ei toimi niinkään kokonaisten solujen tasolla, vaan yksittäisten osastojen tasolla - heikosti kommunikoivien aukkojen välillä kalsiittirakeiden välillä, joissa jokaisessa luultavasti omat genomin muunnelmat lisääntyvät.
Ensi silmäyksellä oletus saattaa tuntua villiltä. Mutta jos ajattelet sitä, miksi ei? Tätä varten riittää oletus, että jokaisella kromosomilla (tai jokaisella paikallisella samankaltaisten kromosomien ryhmällä) on rajoitettu "vaikutussäde", toisin sanoen tässä kromosomissa koodatut proteiinit syntetisoidaan ja toimivat pääasiassa sen välittömässä läheisyydessä. ei sekoiteta tasaisesti koko solussa. Todennäköisesti niin kuin se on. Tässä tapauksessa ne osastot, joissa on onnistuneempia kromosomeja (jotka sisältävät vähintään haitallisia ja maksimaalisia hyödyllisiä mutaatioita), replikoivat kromosominsa nopeammin, niitä on enemmän, ne alkavat levitä solun sisällä syrjäyttäen vähitellen vähemmän menestyneet kopiot genomista viereisistä osastoista. Sellainen on mahdollista kuvitella.
6. Solunsisäinen geneettinen monimuotoisuus kaipaa enemmän selitystä
Ajatus intensiivisestä solunsisäisestä genomien valinnasta, joka vastaa yhteen kysymykseen (miksi akromaatti ei kuole pois niin suurella mutageneesinopeudella), luo välittömästi toisen ongelman. Tosiasia on, että tällaisen valinnan vuoksi onnistuneempien (nopeammin replikoituvien) genomin kopioiden täytyy väistämättä pakottaa vähemmän menestyneet kopiot ulos solusta. laskeminen kun taas solunsisäinen geneettinen monimuotoisuus. Se, jonka halusimme selittää alusta alkaen.
Lisäksi on selvää, että solunsisäisen geneettisen monimuotoisuuden täytyy vähentyä jyrkästi jokaisen solun jakautumisen yhteydessä. Eri kromosomit sijaitsevat eri osastoissa, joten jakautumisen aikana jokainen tytärsolu ei saa kaikkia, vaan vain osan emosolulla olevista genomivarianteista. Tämä näkyy jopa kuvassa. 2.
Solunsisäinen valinta ja genomien lokerointi ovat kaksi voimakasta mekanismia, joiden pitäisi vähentää sisäistä monimuotoisuutta niin nopeasti, ettei mikään ajateltavissa oleva (elämän kanssa yhteensopiva) mutageneesinopeus voi vastustaa sitä. Siten solunsisäinen geneettinen monimuotoisuus jää selittämättömäksi.
Saaduista tuloksista keskusteltuaan kirjoittajat viittaavat toistuvasti työhönmme, jota kuvataan uutisessa Eukaryoottisten esi-isien polyploidia on avain mitoosin ja meioosin alkuperän ymmärtämiseen. Erityisesti he mainitsevat, että polyploidisille prokaryooteille on erittäin hyödyllistä vaihtaa geneettistä materiaalia muiden solujen kanssa. He uskovat kuitenkin, että solujen välisellä geneettisellä vaihdolla ei ole suurta roolia Achromatiumin elämässä. Tämä on perusteltua sillä, että vaikka geenit DNA:n absorptioon ulkoisesta ympäristöstä (transformaatio, katso Transformaatio) löydettiin Achromatium-metagenomista, konjugaatiogeenejä ei ole (katso Bakteerikonjugaatio).
Akromatiumin geneettinen arkkitehtuuri ei mielestäni viittaa konjugaatioon, vaan radikaalimpiin tapoihin sekoittaa eri yksilöiden geneettistä materiaalia, kuten kokonaisten kromosomien vaihtoa ja solufuusiota. Saatujen tietojen perusteella päätellen geneettisestä näkökulmasta solu A. oxaliferum on prokaryoottinen plasmodium tai syncytium, kuten ne, jotka muodostuvat monien geneettisesti erilaisten solujen fuusioitumisen seurauksena limamuotteissa. Muista, että akromatium on viljelemätön bakteeri, joten on mahdollista, että jotkin sen elinkaaren elementit (kuten jaksollinen solufuusio) voivat jäädä mikrobiologien huomion ulkopuolelle.
Sen puolesta, että muodostuu akromatiumin solunsisäinen geneettinen monimuotoisuus Ei solunsisäisesti, todistaa yksi tekijöiden löytämistä pääasiallisista tosiasioista, nimittäin se, että monien samassa solussa sijaitsevien geenien alleelit muodostavat fylogeneettiseen puuhun oksia, jotka ovat kaukana toisistaan. Jos kaikki alleelien solunsisäinen monimuotoisuus muodostuisi kloonisesti lisääntyvistä soluista, jotka eivät vaihda geenejä keskenään, voisi olettaa, että solun sisällä olevat alleelit olisivat enemmän sukua toisilleen kuin alleelit eri soluista. Mutta kirjoittajat osoittivat vakuuttavasti, että näin ei ole. Yleisesti veikkaan, että solufuusio on läsnä akromatiumin elinkaaressa. Tämä näyttää olevan taloudellisin ja todennäköisin selitys valtavalle solunsisäiselle geneettiselle monimuotoisuudelle.
Artikkelin viimeisessä osassa kirjoittajat vihjaavat, että akromatiumin geneettinen arkkitehtuuri saattaa valaista eukaryoottien alkuperää. He muotoilevat sen näin: Muuten, Markov ja Kaznacheev ehdottivat, että Shtekhlin-järven akromatiumin tavoin protoeukaryoottisolut voisivat mutatoitua nopeasti, monipuolistaen kromosomejaan, polyploidisia bakteereja / arkeja.". Aivan oikein, mutta olemme myös osoittaneet, että tällainen olento ei voisi selviytyä ilman intensiivistä organismien välistä geneettistä vaihtoa. Toivotaan, että lisätutkimukset valaisevat jäljellä olevia akromatiumin ratkaisemattomia mysteereitä.
XX vuosisadan 70-luvun puolivälissä. liikkuvia geneettisiä elementtejä löydetty. Ne ovat DNA-segmenttejä, jotka pystyvät transponoitumaan (liikkumaan) samassa tai eri genomissa. Rakenteellisen monimutkaisuuden asteen mukaan erotetaan kolme tyyppiä vaeltavia geneettisiä elementtejä: IS-elementit (englanniksi insertiosekvenssi - insertiosekvenssit), transposonit (Tn-elementit) ja jotkut bakteriofagit, erityisesti Mu-faagi.
Yksinkertaisimmat transpositioon kykenevät geneettiset rakenteet ovat IS-elementtejä. Niiden koko on keskimäärin 750-1500 emäsparia (bp). Ne sisältävät vain geenit, jotka tarjoavat oman liikkumisen. IS-elementtien rakenteessa erotetaan keskiosa ja rajoittavat (reunaavat) päätetoistot. Keskiosassa on geenejä, jotka koodaavat transpositioon tarvittavien proteiinien synteesiä. Terminaalisia osia edustavat toistuvat, 8-40 bp pituiset nukleotidisekvenssit. Toistojen suuntaus on päinvastainen ja niitä kutsutaan käänteisiksi (käänteisiksi) toistoiksi. He palvelevat tunnusmerkki erilaisia vaeltavia geneettisiä elementtejä.
Terminaalisten toistojen rakenne määrää DNA-kaksoistumisen (kaksoistumisen) koon IS-elementtien insertiokohdissa. Siten E. coli-K12 -kromosomin koostumuksesta löytyvä IS 1 -elementti koostuu 768 emäsparista, jotka muodostavat käänteisiä toistoja, joiden pituus on 30 bp. joka. Jokaisella IS-elementillä on oma nukleotidisekvenssinsä, ja se voidaan sisällyttää bakteerien, plasmidien ja faagien DNA:han missä tahansa suunnassa, mikä aiheuttaa yksittäisten rakennegeenien inaktivoitumisen ja sen seurauksena genomimutaatioita tai häiritsee operonin säätelytoimintoja. Bakteerikromosomi voi sisältää samanaikaisesti useita kopioita samasta IS-elementistä. IS-elementtien liike saa aikaan erilaisia kromosomaalisia uudelleenjärjestelyjä - päällekkäisyyksiä, inversioita, deleetioita.
Transposonit eli Tn-elementit - liikkuvat geneettiset elementit sisältävät geenejä bakteerien ja geenien fenotyyppisistä ominaisuuksista
omaa täytäntöönpanoa. Ne pystyvät tunkeutumaan kromosomin eri osiin tai kromosomin ulkopuolisiin geneettisiin rakenteisiin. Transposonit eroavat IS-elementeistä monimutkaisemmassa organisaatiossa, ja jotkut sisältävät IS-elementtejä koostumuksessaan.
Transposonit on jaettu kahteen luokkaan: A ja B (kuva 10.4). Keskiosan luokan A transposonit (Tp 5) sisältävät rakennegeenejä, jotka määrittävät fenotyyppisiä ominaisuuksia, esimerkiksi bakteerien antibioottiresistenssin, ja transpositiogeenit sisältyvät terminaalisiin käänteistoistoihin, jotka ovat IS-elementtejä. Luokan B (Tp 3) transposonit eivät sisällä vain geenejä fenotyyppisille piirteille, vaan myös geenejä transpositioon keskiosassa. Niiden päätetoistot ovat paljon lyhyempiä eivätkä voi suorittaa transponointitoimintoja. Näitä toimintoja suorittaa kaksi keskusosan geeniä. Luokan A ja luokan B transposonien väliset erot koostuvat myös plasmideihin tai kromosomeihin siirrettyjen kaksoiskappaleiden koosta: ensimmäiset muodostavat 9 nukleotidiparin kaksoiskappaleita, jälkimmäiset vain 5.
Riisi. 10.4 Luokan A ja luokan B transposonien rakennekaavio: IP - käänteiset toistot; GT - transpositiogeenit; HFP - geenit fenotyyppisille piirteille
Transposonit ovat paljon suurempia kuin IS-elementit ja keskimäärin 3500-15000 emäsparia. Siten Tp5-transposonin kokonaispituus on 5800 bp, joista kukin 1500 bp. putoaa käänteisille päätetoistoille. Tp 5 koodaa viittä proteiinia. Näistä yksi proteiini koodaa keskusosaa ja kaksi proteiinia kumpikin - terminaaliset toistot. Transposon Tp 5 määrittää resistenssin kanamysiinille, neomysiinille ja muille vastaaville antibiooteille.
Transposonien, samoin kuin IS-elementtien, liikkumisen seurauksena voi tapahtua erilaisia kromosomien uudelleenjärjestelyjä: deleetioita, inversioita, translokaatioita, duplikaatioita. Lisäksi transposonien liikkuminen kahden eri replikonin (kahden plasmidin tai plasmidin ja kromosomin) välillä voi saada nämä replikonit fuusioitumaan muodostamaan kointegraatteja. Myöhempi paikkaspesifinen rekombinaatio johtaa kointegraatin erottamiseen kahdeksi replikoniksi sisällyttämällä yksi kopio transposonista kuhunkin replikoniin. Transpositiota säätelevät omat MGE-geenit ja isäntäbakteerin kromosomigeenit.
Lauhkealla Mu-faagilla, joka eristettiin vuonna 1963 Vibrio cholerae -viljelmästä, on myös MGE-ominaisuuksia. Toisin kuin IS-elementit ja transposonit, se ei kuitenkaan sisällä suoria tai käänteisiä nukleotidisekvenssejä genomin päissä. Mu-faagin terminaaliset toistot ovat DNA-fragmentteja isäntäsolusta, jossa faagi kehittyi. Solun DNA kiinnittyy faagigenomiin sen lisääntymisen aikana ja katoaa sen integroituessa uuteen kohtaan. Ainutlaatuinen kyky Mu-faagi on bakteerigeenien siirtoa vastaanottavan solun kromosomin tai plasmidin eri osiin. Faagi Mu suorittaa jatkuvan transponoinnin koko lyyttisen syklin ajan. Sillä ei ole spesifisuutta kromosomaaliselle lokukselle ja se voi siirtyä spontaanisti eri kohtiin koko kromosomissa aiheuttaen mutaatioita kromosomaalisissa geeneissä. Korkeasta aktiivisuudestaan mutaatioiden indusoimiseksi se sai nimen Mu (englanniksi mutator).
Joistakin eroista huolimatta rakenteellinen organisaatio, yhteistä omaisuutta MGE on niiden kyky tunkeutua moniin kromosomi- tai plasmidi-DNA:n osiin aiheuttaen mutaatioita ja erilaisia geenien uudelleenjärjestelyjä. MGE:t toimivat myös spesifisinä paikkoina plasmidien viemiseksi kromosomeihin. MGE:n avulla suoritetaan rekombinaatio ei-homologisen DNA:n välillä. MGE luo homologian aikaalueen,
jotka sisältyvät johonkin kromosomin tai plasmidin osaan
DNA.
Siirtyvät geneettiset elementit, jotka aiheuttavat geenien ja kromosomien uudelleenjärjestelyjä, edistävät merkittävästi uudelleenjakautumista geneettistä tietoa, tarjoavat bakteereille selektiivisiä etuja tietyissä olemassaoloolosuhteissa, vaikuttavat merkittävästi mikrobilajien kehitykseen ja evoluutioon.
bakteerin genomi koostuu itsereplikaatioon kykenevistä geneettisistä elementeistä, ts. replikonit. Replikonit ovat bakteerien kromosomi Ja plasmidit.
Perinnöllinen tieto tallentuu bakteereihin DNA-nukleotidisekvenssin muodossa, joka määrittää proteiinin aminohapposekvenssin. Jokaisella proteiinilla on oma geeninsä, eli erillinen osa DNA:sta, joka eroaa nukleotidisekvenssin lukumäärän ja spesifisyyden suhteen.
bakteerien kromosomi Sitä edustaa yksi kaksijuosteinen pyöreän muotoinen DNA-molekyyli. Bakteerikromosomin mitat valtakunnan eri edustajissa Prokaryootit vaihdella. Bakteerikromosomi muodostaa kompaktin nukleoidin bakteerisolu. Bakteerikromosomissa on haploidi geenisarja. Se koodaa bakteerisolun elintärkeitä toimintoja.
Plasmidit bakteerit ovat kaksijuosteisia DNA-molekyylejä. Ne koodaavat toimintoja, jotka eivät ole välttämättömiä bakteerisolun elämälle, mutta jotka antavat bakteerille etuja, kun ne tulevat soluun. epäsuotuisat olosuhteet olemassaolo.
Mikro-organismien, kuten kaikkien muidenkin organismien, ominaisuudet määräytyvät niiden perusteella genotyyppi, eli yksilön geenien kokonaisuus. Termi "genomi" suhteessa mikro-organismeihin on melkein synonyymi "genotyypin" käsitteen kanssa.
Fenotyyppi on seurausta genotyypin ja ympäristön välisestä vuorovaikutuksesta, eli genotyypin ilmentymisestä tietyissä elinympäristöolosuhteissa. Mikro-organismien fenotyyppi, vaikka se riippuu ympäristöön, mutta sitä hallitsee genotyyppi, koska tietylle solulle mahdollisten stenotyyppisten muutosten luonteen ja asteen määrää geenisarja, joista jokaista edustaa tietty DNA-molekyylin alue.
Vaihtuvuuden ytimessä on joko muutos genotyypin vasteessa ympäristötekijöihin tai muutos itse genotyypissä geenimutaation tai niiden rekombinaation seurauksena. Tässä suhteessa fenotyyppinen vaihtelu jaetaan perinnölliseen ja ei-perinnölliseen.
Ei-perinnöllinen (ympäristö, modifikaatio) vaihtelevuus johtuu solunsisäisten ja ekstrasellulaaristen tekijöiden vaikutuksesta genotyypin ilmenemiseen. Kun muutoksen aiheuttanut tekijä eliminoidaan, nämä muutokset katoavat.
Mutaatioihin liittyvä perinnöllinen (genotyyppinen) vaihtelevuus - mutaatiovaihtelu. Mutaatio perustuu DNA:n nukleotidisekvenssin muutoksiin, niiden täydelliseen tai osittaiseen häviämiseen, eli tapahtuu geenien rakenteellinen uudelleenjärjestely, joka ilmenee fenotyyppisesti muuttuneen ominaisuuden muodossa.
Rekombinaatioihin liittyvää perinnöllistä vaihtelua kutsutaan rekombinaatiovaihteluksi.
liikkuvia geneettisiä elementtejä.
Bakteerigenomin koostumus, sekä bakteerikromosomissa että plasmideissa, sisältää liikkuvia geneettisiä elementtejä. Siirrettäviä geneettisiä elementtejä ovat insertiosekvenssit ja transposonit.
Lisäys (lisäys) sekvenssit IS-elementit ovat DNA-alueita, jotka voivat liikkua kokonaisuutena replikonipaikasta toiseen sekä replikonien välillä. Ne sisältävät vain ne geenit, jotka ovat välttämättömiä heidän omalle liikkumiselleen - transpositioon: entsyymiä koodaava geeni transponoida, tarjoaa prosessin IS-elementin poissulkemiseksi DNA:sta ja sen integroimisesta uuteen lokukseen sekä geenin, joka määrittää koko liikeprosessia säätelevän repressorin synteesin.
IS-elementtien erottuva piirre on läsnäolo insertiosekvenssin päissä käänteisiä toistoja. Entsyymi tunnistaa nämä käänteiset toistot transponointi. Transposaasi suorittaa yksijuosteisia katkoja DNA-säikeissä, jotka sijaitsevat liikkuvan elementin molemmilla puolilla. IS-elementin alkuperäinen kopio pysyy alkuperäisessä paikassaan, kun taas sen replikoitu kopio siirretään uuteen paikkaan.
Liikkuvien geneettisten elementtien liikkumista kutsutaan yleisesti replikatiiviseksi tai laittomaksi rekombinaatioksi. Toisin kuin bakteerikromosomi ja plasmidit, liikkuvat geneettiset elementit eivät kuitenkaan ole itsenäisiä replikoneja, koska niiden replikaatio on olennainen osa replikonin DNA:n replikaatiota, jossa ne sijaitsevat.
IS-elementtejä tunnetaan useita, jotka eroavat kooltaan ja käänteisten toistojen tyypeiltä ja lukumäärältä.
transposonit- nämä ovat DNA-segmenttejä, joilla on samat ominaisuudet kuin IS-elementeillä, mutta joilla on rakenteellisia geenejä, eli geenejä, jotka mahdollistavat molekyylien synteesin, joilla on tietty biologinen ominaisuus, kuten toksisuus, tai jotka tarjoavat vastustuskykyä antibiooteille.
Liikkuvat geneettiset elementit replikonia pitkin tai replikonien välillä aiheuttavat:
1. Niiden DNA-osien geenien inaktivointi, joihin ne liikkuessaan integroituvat.
2. Geneettisen materiaalin vaurion muodostuminen.
3. Replikonien fuusio, ts. plasmidin liittäminen kromosomiin.
4. Geenien jakautuminen bakteeripopulaatiossa, mikä voi johtaa muutokseen biologisia ominaisuuksia populaatiot, tartuntatautien taudinaiheuttajien vaihtuminen ja myötävaikuttavat myös mikrobien evoluutioprosesseihin.
Muutoksia bakteerien genomissa ja sitä kautta bakteerien ominaisuuksissa voi tapahtua mutaatioiden ja rekombinaatioiden seurauksena.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_1.jpg" alt=">LIIKKUVAT GENEETISET OSAT. SIIRTOOSAT.">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_2.jpg" alt=">Erityiset geneettiset elementit, jotka voivat siirtyä"> В геномах плазмид, бактерий и эукариот широко распространены особые генетические элементы, способные перемещаться из одного участка генома в другой, - мобильные элементы. Разнообразные рекомбинационные процессы, лежащие в основе перемещений мобильных элементов, объединены под общим названием «транспозиции». Транспозиции осуществляются особыми белками, гены которых, в основном, локализованы в самих мобильных элементах. Гомология между мобильным элементом и последовательностью ДНК, в которую он перемещается (ДНК-мишень), как правило, отсутствует. Встраивание элементов, как правило, происходит в случайные сайты ДНК-мишени. Для мобильных элементов характерно пребывание в составе хромосом или плазмид.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_3.jpg" alt=">Suurin osa prokaryoottien ja prokaryoottien liikkuvista elementeistä on rakennettu samanlainen suunnitelma. Itse elementit"> В большинстве своем мобильные элементы прокариот и эукариот построены по сходному плану. Сами элементы состоят из центральной части, фланкированной инвертированными повторами (ИП). Центральная часть обычно содержит ген (или гены), кодирующие белки транспозиции. Главный белок транспозиции – транспозаза. У ретроэлементов с длинными концевыми повторами энзим, соответствующий транспозазе, называют интегразой. Группа мобильных элементов бактерий содержит в центральной части также гены, не имеющие отношения к транспозиции, чаще всего это факторы устойчивости к антибиотикам, лекарственным веществам или ядам. Такие элементы при их открытии получили название транспозонов (Tn). Позднее так стали называть все мобильные элементы. Далее мы тоже будем называть все мобильные элементы транспозонами. Некоторые бактериальные транспозоны имеют на концах длинные ИП, в свою очередь являющиеся мобильными IS-элементами. В этих случаях центральная часть транспозона содержит только посторонние гены, а гены транспозиции находятся в IS-элементах, причем один из них, инактивирован одной или более мутациями.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_4.jpg" alt=">Perusmobiilielementtityypit">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_5.jpg" alt=">PI:t ovat ehdottoman välttämättömiä transponointiin, koska se on niiden pääte ovat yhteydessä transposaasiin ja niiden kautta"> ИП абсолютно необходимы для транспозиции, поскольку именно их концы связываются транспозазой, и по ним происходит рекомбинация. Отдельная группа ретротранспозонов не содержит никаких концевых повторов. Все мобильные элементы, кроме последней группы, на обоих концах фланкированы дуплицированными прямыми повторами (ДПП) из нескольких нуклеотидов ДНК-мишени. Состав этих нуклеотидов варьирует, так как мобильные элементы внедряются в случайные сайты ДНК-мишени, но их число постоянно для каждого элемента. Чаще всего оно равно 5. Таковы !} yleisiä ideoita liikkuvien elementtien rakenteesta. Seuraavaksi tarkastelemme erikseen prokaryoottien ja eukaryoottien liikkuvia elementtejä.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_6.jpg" alt=">Liikkuvien elementtien rakenne määrittää niiden liikkumismekanismit. nämä mekanismit eroavat yksityiskohdista, on olemassa"> Структура мобильных элементов определяет механизмы их перемещений. Хотя эти механизмы различаются в деталях, имеется !} yleinen käytäntö transponointireaktiot. Prosessi tapahtuu 3 vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa 2 transposaasimolekyylit yhdistyvät liikkuvan elementin päihin, tuovat päät yhteen ja aiheuttavat niihin katkoksia, useimmiten molemmissa ketjuissa. Sitten transposaasi tekee askelkatkoja kohde-DNA:n molemmissa juosteissa, jotka ovat niin monen emäsparin välimatkan päässä toisistaan kuin tietyn elementin DPP:stä löytyy. Toinen vaihe on juosteiden vaihto, joka johtaa DNA:n väliseen rekombinaatioon, jolloin elementin 5'-P-päiden ja kohteen 3'-OH-päiden väliin jää aukkoja vaiheittaisista katkoksista johtuen. Transposaasin katalysoima DNA-säikeiden katkaisu ja pään sulkeminen tapahtuu ilman sidosenergian menetystä, eikä se vaadi ATP:tä, mikä muistuttaa konservoitunutta paikkaspesifistä rekombinaatiota. Ero jälkimmäiseen on, että transposaasi ei muodostu kovalenttisidos DNA:n 5'-P-pään kanssa. Kolmannessa vaiheessa tapahtuu aukkojen korjaava synteesi, joka muodostaa DPP:n ja joskus myös elementin replikoinnin. Tämä on transpositiaalisen rekombinaation yleinen yleinen mekanismi. Tarkastellaan erilaisia konkreettisia transponointimekanismeja samanaikaisesti erilaisten liikkuvien elementtiluokkien kuvauksen kanssa.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_7.jpg" alt=">replikatiivisen transponoinnin periaate, joka näyttää yleisen transponoinnin kaavion reaktiot">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_8.jpg" alt=">MOBILE PROKARYOTIC GENETIC ELEMENTS: transpo GENETIC ELEMENTS plasmideille on tunnusomaista liikkuvat elementit"> МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОКАРИОТ: IS-элементы, транспозоны Для бактерий и плазмид характерны мобильные элементы с короткими или длинными ИП. Длина ДПП, как правило, 5 или 9 п.н. Бактериальные мобильные элементы можно разделить на две основные группы: 1. IS-элементы: небольшие (размером не более 2,5 т.п.н.) элементы, которые состоят из центральной части с геном транспозазы, фланкированной двумя инвертированными повторами. 2. Собственно транспозоны, которые несут, кроме транспозазы, другие гены, не имеющие отношения к транспозиции (чаще всего гены устойчивости к антибиотикам). Собственно транспозоны можно в свою очередь разделить на следующие группы 1) Сложные транспозоны (семейство Tn3) – короткие ИП на концах, делают в ДНК-мишени ДПП из 5 п.н. и перемещаются по механизму репликативной транспозиции. 2) Составные транспозоны (Tn5, Tn9, Tn10) с длинными ИП, представляющими собой различные IS-элементы. Длина ДПП обычно 9 п.н. Примеры прокариотических мобильных элементов приведены в следующей ниже таблице.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_9.jpg" alt=">Liikkuvien elementtien rakenne prokaryoottien rakenteessa Yleinen kaavio alkuaineita prokaryooteissa">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_10.jpg" alt=">Katsotaan nyt yksityiskohtia. Päämekanismit ovat transponoinnin mekanismeja alla olevissa kuvissa. Replikatiivinen transponointi"> Теперь рассмотрим детали. Основные механизмы транспозиций изображены на рисунках, следующих ниже. Репликативная транспозиция отличается тем, что мобильный элемент, перемещаясь в другую молекулу, оставляет свою копию в исходной ДНК. Это может произойти только за счет удвоения (репликации) элемента. При репликативной транспозиции на концах подвижного элемента происходят разрывы с образованием выступающих 3’-OH-концов. Одновременно транспозаза делает разрывы в ДНК-мишени. 3’-OH-концы подвижного элемента ковалентно связываются с 5’-Р-концами мишени, и образуется структура с двумя вилками репликации на концах подвижного элемента. В вилках репликации инициируется синтез ДНК (направленный «внутрь»). В результате образуется две копии мобильного элемента. При этом репликоны, содержащие «старую» и «новую» копию мобильного элемента сливаются (образуется коинтеграт). Коинтеграты разрешаются (разрезаются) на 2 репликона в рекомбинационном res-сайте ферментом резолвазой. Старая и новая копии мобильного элемента в коинтеграте находятся в одной ориентации, и разрешение коинтеграта идет через !} monimutkainen hahmo muistuttaa kahdeksaslukua. Tämän seurauksena muodostuu jälleen 2 replikonia, mutta nyt jokainen niistä kantaa kopion mobiilielementistä. Reaktio viittaa paikkaspesifiseen rekombinaatioon. Transponoinnin replikaatiomekanismi on suhteellisen harvinainen. Se löydettiin liikkuvasta elementistä Is6, faagi Mu:sta ja Tn3-perheen bakteeritransposoneista, joilla on lyhyt IP.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_11.jpg" alt=">Tn3-transposonin rakenne">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_12.jpg" alt=">">
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_13.jpg" alt=">Tn3-transposoni edustaa lyhyttä IP-mobiilielementtien perhettä 35-50 b.p.), liikkuvat avulla"> Транспозон Tn3 представляет семейство мобильных элементов с короткими ИП (35-50 п.н.), перемещающимися с помощью репликативной транспозиции и образующими ДПП из 5 п.н. У самого Tn3 центральная часть содержит гены транспозазы, резолвазы и бета-лактамазы bla (обеспечивает устойчивость к антибиотикам пенициллинового ряда). Ген транспозазы tnA кодирует большой белок из примерно 1000 а.о., ген резолвазы tnR кодирует белок из 185 а.о. Гены транспозазы и резолвазы транскрибируются в противоположных направлениях с промоторов, расположенных в межгенном пространстве длиной 170 п.н. В межгенном пространстве находится и сайт res, по которому происходит разрешение коинтегратов. Транскрипции генов резолвазы и транспозазы конкурируют друг с другом, и ген резолвазы выступает как ген-регулятор гена транспозазы. К семейству Tn3 относятся Tn1, Tn1000 и др.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_14.jpg" alt=">Useimmat prokaryoottiset mobiilielementit liikkuvat ei-replikatiivisella transpositiolla replikatiivinen transponointi on V"> Большинство прокариотических мобильных элементов перемещается с помощью нерепликативной транспозиции. Нерепликативная транспозиция заключается в вырезании элемента и его перемещении в новое место. При этом 2 молекулы транспозазы связываются с концами мобильного элемента и делают разрывы одновременно в обеих цепях ДНК на концах мобильного элемента и в ДНК-мишени. Далее транспозаза сводит вместе концы мобильного элемента и ДНК-мишень, 3-OH-концы элемента соединяются с 5-Р-концами ДНК-мишени, а между 3’-OH-концами ДНК-мишени и 5’-Р- концами элемента образуется брешь, которая заполняется с помощью репаративного синтеза ДНК, в результате чего на концах мобильного элемента возникают ДПП строго фиксированной длины. В исходном репликоне остается ДНР. Будет ли он репарирован – зависит хозяйской клетки. Этот механизм характерен для большинства мобильных элементов бактерий и эукариотических элементов с короткими ИП. По такому типу перемещаются многие IS-элементы и мобильные элементы, которые называют составными: Tn5, Tn9, Tn10 и другие. Составные транспозоны отличаются тем, что у них инвертированные повторы представлены IS-элементами, которые находятся в обратной или (гораздо реже, например, Tn9) в прямой ориентации.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_15.jpg" alt=">MOBIILI GENEETISET ELEMENTIT EU:SSA ovat paljon monipuolisempia mobiilielementtejä kuin prokaryoottiset alkuaineet.eukaryootit ovat yleisiä"> МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭУКАРИОТ Мобильные элементы эукариот значительно разнообразнее прокариотических элементов. У эукариот распространены разнообразные мобильные элементы как прокариотического типа, так и элементы, встречающиеся только у эукариот, – ретроэлементы или ретротранспозоны. Элементы прокариотического типа с короткими ИП (класс II.1) характерны для растений и дрозофилы. Элементы с длинными ИП (класс II.2) у эукариот встречаются редко. Элементы с короткими ИП (класс II.1) содержат транспозазу и перемещаются путем нерепликативной транспозии, но отличаются прокариотических мобильных элементов некоторыми особенностями, специфичными для эукариотических элементов, например, наличием у многих из них интронов. ДНК-транспозоны эукариот делают ДПП различной длины, специфичной для каждого элемента.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_16.jpg" alt=">P ja hobo P-elementti sisältyvät"> Примерами мобильных элементов класса II.1 у дрозофилы являются элементы Р и hobo. Р-элемент содержится в количестве 30-50 копий на геном. Его размер примерно 3 т.п.н., ИП из 31 п.н., ДПП – 8 п.н. Ген транспозазы в центральной части элемента содержит 3 интрона и 4 экзона и экспрессируется с использованием альтернативного сплайсинга. В !} somaattiset solut kolmesta ensimmäisestä eksonista muodostuu lyhennetty mRNA, josta transloituu 66 kDa:n polypeptidi, joka on transposaasirepressori. Generatiivisissa soluissa muodostuu 4 eksonin täyspitkä transkripti ja vastaavasti täyspitkä proteiini, transposaasi. Siten P-elementin transpositio tapahtuu vain sukusoluissa.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_17.jpg" alt=">Monet liikkuvat kasvielementit kuuluvat samaan transposonityyppiin: Spm maissi, Tgm1"> К этому же типу транспозонов относятся многие мобильные элементы растений: элементы Spm кукурузы, Tgm1 сои, Tam1 и Tam2 львиного зева и др. Отметим двухкомпонентную систему Ac/Ds кукурузы (это самый первый обнаруженный мобильный элемент, описанную Барбарой Мак-Клинток): она включает автономно транспозирующийся элемент Ас (4565 п.н., ИП из 11 п.н., ДПП из 8 п.н., ген транспозазы содержит 4 интрона) и гетерогенные по длине элементы Ds, которые являются делетированными производными Ас-элемента и перемещаются с помощью его транспозазы.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_18.jpg" alt=">Eukaryoottisten liikkuvien elementtien luokitus">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_19.jpg" alt=">">
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_20.jpg" alt=">Retrotransposonit ovat laajalle levinneitä, päinvastoin transkriptaasientsyymi on mukana (revertaasi) ja"> У эукариот широко распространены ретротранспозоны, в транспозициях которых задействованы фермент обратная транскриптаза (ревертаза) и РНК-копия элемента в качестве интермедиата. Ретроэлементы подразделяются на 2 группы: Ретротранспозоны с длинными прямыми концевыми повторами (ДКП) (класс I.1). Их структура соответствует ДНК-копиям геномов ретровирусов позвоночных, которые также являются мобильными элементами. Ретроэлементы (класс I.2), не содержащие повторов на концах (некоторые авторы используют для них название «ретропозоны»).!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_21.jpg" alt=">Retrovirukset ovat "prototyyppejä" niiden retrotransposoneista. vuorottelevien RNA- ja DNA-vaiheiden Virion"> Ретровирусы являются «прототипами» ретротранспозонов. Их цикл развития состоит из чередования РНК- и ДНК-стадий. Вирионный геном представлен РНК размером обычно 5-6 т.п.н. с короткими прямыми повторами. Когда ретровирус проникает в клетку хозяина, то с помощью кодируемой им обратной транскриптазы на матрице его РНК синтезируется ДНК-копия, но уже с ДКП (в англоязычной литературе LTR – long terminal repeats) длиной обычно 200-400 п.н. ДКП содержат двунуклеотидные инвертированные повторы на концах и еще ряд повторов на некотором расстоянии от концов, разнообразные регуляторные элементы (промоторы и терминаторы и энхансеры транскрипции). Наличием регуляторных элементов в ДКП обусловлены различные эффекты ретровирусов и ретротранспозонов, встроенных в хромосомы, на экспрессию соседних генов. Центральная часть ретровируса содержит 3 кодирующие рамки: gag – кодирует !} rakenteellinen proteiini virioni kapsidi; pol - koodaa monimutkaista polypeptidiä, jossa integraasin (vastaa DNA-kopion integroimisesta isäntägenomiin; integraasi vastaa muiden liikkuvien elementtien transposaasia), käänteiskopioijaentsyymin (revertaasi), RNaasi H:n (RNAase H poistaa RNA:n) domeenit DNA-RNA-hybridistä) ja proteaasit (fuusioidun polypeptidin transkription jälkeen proteaasi "leikkaa" sen erillisiksi toiminnallisiksi polypeptideiksi). Env ovat viruksen häntäprosessin proteiineja, jotka vastaavat retroviruksen adsorptiosta isäntäsolun pinnalle ja vastaavasti sen virulenssista. Useimmat retrovirukset eivät sisällä env-geeniä ja ovat siksi ei-tarttuvia.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_22.jpg" alt=">In viime vuodet A. I. Kim ym. ovat havainneet, että liikkuva elementti MDH-4 (gypsy),"> Viime vuosina A. I. Kim ym. ovat havainneet, että liikkuva elementti MDH-4 (gypsy) sisältää env-geenin ja ranskalaiset tutkijat tunnistettu Drosophilassa samankaltaisia ZAM:n, Idefixin jne. elementtejä, yhteensä yli 10. monet retrovirukset, gag- ja pol-lukukehykset menevät päällekkäin (ja joskus ne "sulautuvat" yhteiseksi transkriptiksi. Transposoneja molemmista ryhmistä löytyy kaikista ryhmistä Retrotransposonit valmistetaan aina 5 bp DPP:n kohde-DNA:ssa.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_23.jpg" alt=">Retroelementeissä, joissa on LCT, transponointi tapahtuu RNA-välituote. Genomisen DNA:n kanssa"> У ретроэлементов с ДКП транспозиция происходит по схеме, включающей РНК-интермедиат. С геномной ДНК элемента транскрибируется РНК-копия, но уже с короткими концевыми повторами, с нее путем обратной транскрипции синтезируется ДНК-копия с ДКП, которая встраивается в новое место с помощью интегразы. Интеграция ретротранспозонов с ДКП происходит по механизму, идентичному с нерепликативной транспозицией у прокариот. Интегразы ретротранспозонов, несмотря на различие в названиях, полностью соответствуют транспозазам. Характерно, что структура каталитического центра интегразы ретровируса человеческого иммунодефицита HIV-1 очень сходна с таковой у транспозазы прокариотического элемента Is3. Сходная ситуация наблюдается между интегразой вируса птичьей саркомы ASV и транспозазами Is50 и Mu. Рекомбинация у ретроэлементов без концевых повторов менее изучена, но она также осуществляется через РНК-интермедиат.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_24.jpg" alt=">">
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_25.jpg" alt=">Elementit ilman pitkiä loppusarjoja: LINE ja SINE"> Элементы без длинных концевых последовательностей: LINE и SINE Другая группа ретротранспозонов – элементы класса I.2 (ретропозоны). Их размер – тоже около 5-6 т.п.н., но на концах они не имеют повторов. На 3’-конце они содержат небольшую последовательность поли-A. Прямых повторов в ДНК-мишени они либо не образуют, либо делают не всегда, и, если делают, то нерегулярной длины. Ретротранспозоны класса II можно разделяют на 2 типа: LINE (long interspersed nuclear elements) и SINE (short interspersed nuclear elements) – длиной 200-300 п.н., которые не кодируют никаких белков и не способны к самостоятельному перемещению, а перемещаются, по-видимому, за счет элементов LINE.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_26.jpg" alt=">LINE-elementtirakenne">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_27.jpg" alt=">LINE-elementit ovat yleisiä sekä selkärangattomissa nisäkkäissä että selkärangattomissa. ja"> LINE-элементы широко распространены как у беспозвоночных, так и у позвоночных. У млекопитающих LINE и SINE являются преобладающим типом мобильных элементов. Особенно много в геноме позвоночных так называемых Alu-повторов (SINE-элементы, получившие свое название от рестриктазы AluI), которые представлены сотнями тысяч копий на геном и, в случае генома человека, составляют 5% геномной ДНК. LINE-элементы состоят из 5’-нетранслируемой области, центральной части и 3’-нетранслируемой области. На конце 3’-нетранслируемой области находится короткая последовательность поли-A или поли-TAA. Центральная часть содержит гены обратной транскриптазы, РНКазы H и эндонуклеазы (EN), но не содержит ни гена интегразы, ни гена протеазы, так как механизм перемещения LINE-элементов резко отличается от механизма перемещения ретротранспозонов класса I.1.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_28.jpg" alt=">LINE- ja SINE-elementtien siirtämisen mekanismi näkyy kuvassa Erilaisissa kuin tyypin I retrotransposoneissa,"> Механизм перемещения LINE- и SINE-элементов представлен на рисунке. В отличие от ретротранспозонов I типа, здесь реакцию интеграции в хозяйский геном инициируетет РНК-копия элемента. Эндонуклеаза делает ступенчатые ОНР в ДНК-мишени и РНК-копия прикрепляется к концу ДНК-мишени в точке разрыва. На матрице РНК-копии с помощью обратной транскриптазы строится ее ДНК-копия. Свободная группа 3’-OH в точке разрыва используется как праймер для обратной транскриптазы. Потом РНК-копия удаляется с помощью РНКазы H, клеточная репаративная система достраивает вторую цепь ДНК, которая оказывается интегрирированной в реципиентную ДНК. При этом на концах встроенного элемента могут возникать ДПП различной длины. SINE-элементы не способны к самостоятельной транспозиции и используют соответствующий аппарат LINE. Рассмотренный процесс принципиально отличается от других механизмов не только транспозиции, но и других типов рекомбинации вообще тем, что здесь не происходит расщепления ДНК на концах элемента и не происходит обмена цепями ДНК.!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_29.jpg" alt=">Siirrä LINE-tyyppistä mobiilielementtiä">!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_30.jpg" alt=">Mobiiliretroelementeissä on suuri biologinen merkitys. Kuten kaikki liikkuvat elementit, ne aiheuttavat "> Liikkuvilla retroelementeillä on suuri biologinen merkitys. Kuten kaikki liikkuvat elementit, ne aiheuttavat kromosomaalisia uudelleenjärjestelyjä ja inaktivoivat geenejä upottamalla geenieksoneja. Drosophilassa transpositiot muodostavat noin puolet spontaaneista mutaatioista. Tällä on luultavasti paikkansa muissa organismeissa Transposoituvilla elementeillä on erilaisia säätelyvaikutuksia. Esimerkiksi jos retroelementti liitetään introniin, se voi vaikuttaa transkription etenemiseen. Tämä tilanne on kuvattu Drosophila white -geenin kohdalla. wa-mutantissa retrotransposoni insertoitiin toiseen introniin, mikä johti kokonaisen joukon vaihtoehtoisia transkriptioita. Näin ollen geenin täydellistä inaktivoitumista ei tapahtunut ja saatiin aprikoosinväriset silmät. Toinen esimerkki on antennapedian homeoottinen mutaatio Drosophilassa. Tässä tapauksessa , liikkuva elementti integroitui myös geenin toiseen introniin, ja geenin ilmentymisen muutos johti siihen, että antennien sijasta osoittautui lisäraajoiksi. Selkärankaisilla retroelementeillä on tärkeä rooli karsinogeneesin indusoinnissa. Ne voivat integroitua kromosomiin ennen proto-onkogeenejä ja säätelyelementtiensä ansiosta aktivoida proto-onkogeenejä stimuloiden siten hallitsematonta solun jakautumista. Proto-onkogeenit ovat geenejä, jotka toimivat vasta kehityksen alkuvaiheessa (useimmiten solusyklin säätelygeenejä), ja sitten ne on hiljennettävä.
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_31.jpg" alt=">Dmelanovirgasster.Dmelanovirga-suvun edustajat on telomeerejä, toisin kuin muut organismit, muodostuvat"> У представителей рода Drosophila, D.melanogaster и D.virilis теломеры, в отличие от других организмов, формируются путем последовательных транспозиций двух элементов LINE-типа: HeT-A и TART. Ретровирус HIV-1 вызывает у человека синдром иммунодефицита. Гомеозисная мутация antennapedia!}
Src="https://present5.com/presentacii-2/20171213%5C40718-mobil_n_e_element_ffm.ppt%5C40718-mobil_n_e_element_ffm_32.jpg" alt=">Genomin merkittävät osat eukaryooteissa ovat liikkuvat elementit: Drosophilassa - 20%,"> На долю подвижных элементов у эукариот приходится значительная часть генома: у дрозофилы – 20%, у человека – около половины. Перемещение мобильных элементов находится под жестким контролем как со стороны самих элементов, так, по-видимому, и со стороны организмов-хозяев. Частота транспозиции достаточно низка – в среднем 10-4-10-7 транспозиций на клетку за клеточную генерацию.!}
Ladataan...
