ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 73, № 1, с. 3-20
УДК 577.21
ЭВОЛЮЦИОННО НЕДАВНИЕ ВСТАВКИ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ВКЛАД В СТРУКТУРУ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
© 2012 г. К. К. Баскаев, А. А. Буздин
Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН 117997ГСП, Москва, В-437, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 e-mail: by3dun@mail.ru
Поступила в редакцию 26.05.2011 г.
Мобильные элементы - это фрагменты ДНК, способные к самовоспроизведению в геноме организма-хозяина. Мобильные элементы обычно составляют ~40-50% генома млекопитающих. В настоящем обзоре рассматриваются эволюционно недавние вставки мобильных элементов, которые произошли после расхождения предковых линий человека и шимпанзе, т.е. позднее, чем ~6 млн. лет назад. Человекспецифические мобильные элементы представлены сравнительно небольшим общим числом копий. Они подразделяются на четыре группы: HERV-K (HML-2), L1, Alu и SVA. Количество человекспецифических копий представителей HERV-K(HML-2), L1, Alu и SVA составляет около 150, 1200, 5500 и 860 копий на геном соответственно. Кроме того, нам удалось описать новое семейство человекспецифических мобильных элементов, присутствующее только в геноме человека и отсутствующее в ДНК других приматов. Вставки человекспецифических мобильных элементов можно рассматривать как важных кандидатов на роль молекулярно-генетических агентов антропогенеза - каждая новая вставка такого мобильного элемента предоставляет акцепторному геномному локусу набор новых функциональных сайтов связывания транскрипционных факторов, которые могут вносить существенные изменения в работу соседних генов. Исходя из известных случаев влияния человекспецифических мобильных элементов на экспрессию соседних генов, можно оценить общее число регулируемых ими генов человека как сотни.
ОСОБЕННОСТИ НЕДАВНЕЙ ЭВОЛЮЦИИ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГЕНОМА
Главные генетические различия между человеком и шимпанзе
Понимание генетической основы, ответственной за очевидные различия в фенотипах человека и его ближайших родственников - двух видов шимпанзе Pan paniscus и Pan troglodytes- представляется одной из интереснейших задач современной биологии. Эта задача не имеет простого и очевидного решения, в основном из-за высокой степени идентичности ДНК человека и шимпанзе (Cooper et al., 2003; Sakaki et al., 2003; consortium, 2005; Osada et al., 2005). Действительно, различие между ДНК человека и шимпанзе составляет в среднем около 1.24% (Ebersberger et al., 2002) и всего примерно 0.5% в белоккодирующих участках (Goodman, 1999). Предковые линии человека и шимпанзе разделились около 6 млн. лет назад (Haile-Selassie, 2001). В настоящее время, мы точно не знаем, какие генетические черты "делают человека человеком", но некоторые функцио-
нально важные различия между геномами людей и высших приматов были достоверно установлены.
Вся совокупность генетических различий между ДНК человека и шимпанзе может быть подразделена на четыре основные группы:
(/) различная хромосомная организация, включающая протяжённые делеции, инсерции, дупликации и транслокации;
(//) вариации в числе копий, геномной локализации и функциональном статусе среди предсу-ществующих общих последовательностей;
(///) различия в белоккодирующих регионах;
(/У) вид о специфичные инсерции мобильных элементов (МЭ).
Десятки миллионов локусов, содержащих полиморфные в человеческой популяции замены, делеции и дупликации, не рассматриваются в данной статье, поскольку они не могли играть определяющей роли в видообразовании человека.
Различия, не обусловленные МЭ
Геномы человека и шимпанзе имеют размер каждый около 3 • 109 п.о. и идентичны на ~98.8% (Ebersberger et al., 2002), что делает поиск функциональных человекспецифических последовательностей непростой задачей. Теоретически успехи в секвенировании геномов человека и шимпанзе (Ruvolo, 2004; consortium, 2005) предоставляют возможность для прямого сравнения геномов с последующей ассоциацией геномных различий с межвидовыми особенностями на уровне экспрессии белков. Хотя геном шимпанзе и доступен в публичных базах данных, существуют серьёзные претензии к качеству его сборки (Chen et al., 2007). Впрочем, ряд широкомасштабных биоинформатических скринингов был проведён при сравнении имеющихся нуклеотидных последовательностей двух геномов (Hahn, Lee, 2006; Pollard et al., 2006; Prabhakar et al., 2006; Lee et al., 2007). Некоторые вид о специфичные замены, делеции, инсерции, дупликации, появление новых копий псевдогенов, встройки мобильных элементов были найдены и хотя бы отчасти проанализированы, но гораздо большая часть геномных различий по-прежнему еще ждёт своего исследования.
Цитогенетические различия. Сравнение ка-риотипов человека и африканских высших приматов, проведённое с помощью флуоресцентной гибридизации in situ, показало, что наибольшее различие в линиях человека и шимпанзе заключается в объединении двух предковых хромосом (человеческая хромосома 2), что отвечает хромосомам шимпанзе 12 и 13 (Yunis et al., 1982).
Другое важное отличие - массивные перестройки в теломерных и центромерных областях (Royle et al., 1994; Meneveri et al., 1995; Nickerson et al., 1998; Horvath et al., 2000), делеции и амплификации некоторых генных семейств, а также изменения в нерекомбинирующих частях Y-хро-мосомы (Glaser et al., 1998).
По данным Керер-Савадски и Купера (Kehrer-Sawatzki, Cooper, 2007), инсерции и делеции, присутствующие или отсутствующие в человеческой ДНК в сравнении с ДНК шимпанзе, занимают около 150 млн. пар оснований.
Появление или инактивация функциональных генов. Некоторые функциональные гены различаются в ДНК человека и других приматов. Во-первых, это функциональная делеция одного экзона в белоккодирующей последовательности человеческого гена CMP (гидроксилаза сиаловой кислоты). Мутация, причиной которой являет-
ся вставка человекоспецифических мобильных элементов (чсМЭ), относящегося к ретротранс-позонам Alu, в экзон CMP, прерывает нормальную рамку считывания для этого фермента, что приводит к отсутствию N-гликолилнейраминовой кислоты (Neu5Gc) на поверхности человеческих клеточных мембран (Chou et al., 1998; Irie et al., 1998). Neu5Gc, таким образом, заменяется в случае человека на ее предшественника N-ацетил-нейраминовую кислоту (Neu5Ac). Это отсутствие Neu5Gc - главное биохимическое различие между людьми и шимпанзе, которое теоретически может влиять на межклеточные взаимодействия и эмбриональное развитие.
Некоторые другие предковые гены, в основном кодирующие обонятельные рецепторы (Gilad et al., 2003), в человеческой линии были потеряны или превратились в псевдогены из-за накопления прерывающих рамку считывания мутаций (Hahn, Lee, 2006; Wang et al., 2006). Недавно обнаруженная человекспецифическая последовательность, названная геном c1orf37-dup, кодирующая короткий трансмембранный белок с неизвестной функцией, тканеспецифично экспрессируется в мозге (Yu et al., 2006). Также в ходе недавней эволюции человеческой линии была изменена копийность и/или были сильно изменены многие гены, вовлеченные в иммунный ответ, такие, как лейкоцитарные рецепторы (Gagneux, Varki, 2001). Поллард с соавт. (Pollard et al., 2006) сообщили о человекспецифическом белок-некодирующем гене HAR1F, кодирующем предположительно регуляторную РНК, которая экспрессируется специфично при образовании зон новой коры у человеческого зародыша с 7-й по 19-ю неделю беременности.
Дупликации генов. Дупликации генов могут влиять на клеточную физиологию или предоставлять дополнительные копии транскрибируемых генов, которые меняют правила количественной регуляции генной экспрессии. Например, 7-11 копий гена обонятельного рецептора OR-A находятся в человеческой ДНК, тогда как в геноме шимпанзе присутствует только одна копия. Различные новоприобретённые человеческие копии транскрибируются с различной специфичностью, зависящей от их нового геномного окружения (Trask et al., 1998; Lane et al., 2001). Аналогично в человеческой ДНК были картированы восемь копий гена фактора роста кератиноцитов KGF, тогда как только пять копий были найдены в геноме шимпанзе (Zimonjic et al., 1997).
Нуклеотидные замены, специфичные для линий человека и шимпанзе. Описаны мил-
Человекспецифические Человекспецифические эндогенные ретровирусы SVA 20%
Человекспецифические Alu
Человекспецифические
L1 '
• 51% • •
Человекспецифические ретроэлементы 3%
Делеции и дупликации 78%
Простые замены 19%
Рис. 1. Эндогенные ретровирусы занимают около 5% ДНК, созданной чсМЭ, которая в свою очередь составляет ~3% от всей ДНК, специфичной для человека.
лионы человекспецифичных однонуклеотидных замен, коротких делеций, дупликаций и ампли-фикаций микросателлитов (Sakaki et al., 2003; Kehrer-Sawatzki, Cooper, 2007). Многие из них были картированы в белоккодирующих последовательностях или в регуляторных областях генома. Например, кодирующая часть гена дофаминового рецептора шимпанзе D4 имеет делецию длиной 12 п.о., что приводит к укорочению белкового продукта на четыре аминокислоты в сравнении с человеческим ортологом (Livak et al., 1995).
Впрочем, биологическая значимость этих многочисленных замен, насчитывающих ~36 млн. пар оснований в нашей ДНК (большая часть - одно-нуклеотидные замены), пока остается неясной.
Различия в экспрессии генов. Идентификация дифференциально транскрибируемых последовательностей может быть лучшим решением для нахождения функциональных генов, которые могут отвечать за видоспецифичные черты организма (Enard et al., 2002; Fu et al., 2007). Например, На-деждину с соавт. (Nadezhdin et al., 2001) удалось выявить дифференциальную транскрипцию гена транстиретина, переносчика тиреоидных гормонов, в мозжечке человека и шимпанзе. Однако у этого подхода есть очень важное ограничение: нужно сравнивать образцы тканей, взятые от
одинаковых по полу и физиологическому состоянию доноров. Вследствие ограниченного числа доступных образцов тканей шимпанзе надежного сравнения экспрессии генов провести пока не удалось, и пока наблюдаемые различия в экспрессии генов в межвидовых сравнениях меньше, чем во внутривидов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.