ГЕНЕТИКА, 2009, том 45, № 2, с. 149-159
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 577.21
ВОЗНИКНОВЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ГРУПП non-LTR-РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ СРЕДИ ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ
© 2009 г. О. С. Новикова, А. Г. Блинов
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090;
e-mail: novikova@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 06.02.2008 г.
Non-LTR-ретротранспозоны - древнейшая группа ретроэлементов. На сегодняшний день среди non-LTR-ретротранспозонов выделяют 21 филогенетическую группу. Наличие той или иной филогенетической группы в геноме характеризует разнообразие non-LTR-ретротранспозонов организма. В данном обзоре представлена общая картина эволюции и распространения различных филогенетических групп non-LTR-ретротранспозонов среди основных таксонов эукариотических организмов - простейших, растений, грибов и животных. Включение в анализ новых таксонов и использование новых подходов, сочетающих биоинформатические и экспериментальные методы исследования, может значительно расширить наши знания о non-LTR-ретротранспозонах и их роли в эволюции и функционировании геномов эукариот.
МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭУКАРИОТ
Мобильные генетические элементы (МГЭ) являются неотъемлемой частью геномов эукариот и на их долю приходится по меньшей мере 45% генома человека [1], 15% генома Drosophila melano-gaster и 50-80% генома некоторых растений [2, 3]. Благодаря большому количеству копий и способности перемещаться в геноме МГЭ должны играть существенную роль как в организации и функционировании, так и в эволюции эукариотических геномов [4, 5]. Имеющиеся на сегодняшний день данные о МГЭ подтверждают такое предположение. Прежде всего многие известные мутации являются следствием перемещения мобильных элементов [5]. Кроме того, перемещение МГЭ и процесс рекомбинации ДНК, в котором они участвуют благодаря высокой копийно-сти в геноме, оказывают существенное влияние на эволюцию регуляции и функционирования генов и могут быть ответственны за хромосомные перестройки [6]. Присутствие и активность МГЭ обеспечивают геному пластичность [7], они участвуют в возникновении псевдогенов [8] и перемещении экзонов (exon shuffling) [9]. Активные перемещения МГЭ могут вызывать гибридный дисгенез у Drosophila [10] и генетические болезни человека [11]. Приведенные выше данные говорят о существенном влиянии МГЭ на геном хозяина. С другой стороны, эти же данные вполне укладываются в представление о мобильных элементах как о паразитической ДНК, которая используется клетками хозяина в первую очередь для увеличения вариабельности и пластичности
генома. В настоящее время существует один пример прямого участия МГЭ в функционировании генома - некоторые non-LTR-ретротранспозоны участвуют в образовании теломер у D. melano-gaster.
Общепринято разделение МГЭ эукариот на два класса по структуре и механизму перемещения [12, 13]. К классу I относят МГЭ, в механизме перемещения которых обратная транскрипция является обязательным компонентом. Ключевым ферментом, участвующим в процессе перемещения, является обратная транскриптаза (reverse transcriptase - RT). Мобильные элементы этого класса объединяют общим термином - ре-тротранспозоны. Второй класс МГЭ (класс II), ДНК-транспозоны, использует в процессе перемещения механизм прямой транспозиции ДНК.
Ретротранспозоны разделяют на три группы [13], различающиеся механизмом перемещения и структурной организацией: 1) LTR-ретротранспо-зоны, имеющие на концах длинные прямые повторы (long terminal repeat - LTR); 2) non-LTR-ретротранспозоны, не несущие длинных концевых повторов, эту группу также называют LINE-эле-ментами (от long interspersed nuclear elements -длинные диспергированные ядерные элементы); 3) SINE-элементы (от short interspersed nuclear elements - короткие диспергированные ядерные элементы) (рис. 1).
Non-LTR-ретротранспозоны являются древнейшей группой ретроэлементов эукариот. Обратная транскриптаза, кодируемая non-LTR-ре-тротранспозонами, имеет высокую гомологию с RT, обнаруженной у интронов группы II, и тело-
Non-LTR-ретротранспозоны
ORF1
ORF2
5'-UTR
LTR-ретротранспозоны
5'-LTR
■>■ ORF1 (gag) J,
polyA
Ъ*
3'-UTR
3'-LTR
ORF2 (pol)
SINE-элементы
polyA
3'-UTR
тРНК или 7SL РНК-подобная структура
ö
ORF3 (env)
>- TSD
Рис. 1. Три группы ретротранспозонов и их структурная организация. ORF - открытая рамка считывания; 5'- и 3'-UTR - 5'- и 3'-нетранслируемые районы; polyA -аденин-богатая последовательность; 5'- и 3'-LTR -5'- и З'-длинные концевые повторы; gag - ген основного белка вирусоподобных частиц; pol - ген полипротеина; env - ген белка оболочки; TSD - короткие прямые фланкирующие последовательности.
меразой [14, 15]. Кроме того, non-LTR-ретро-транспозоны были найдены в геномах древнейших эукариотических организмов, таких как Gia-rdia lamblia (Metamonada, Protista) [16], что также свидетельствует об их древности. Считается, что возникновение non-LTR-ретротранспозонов по времени совпадает с возникновением эукариотических организмов [16, 17].
В структуре полноразмерных non-LTR-ретротранспозонов выделяют четыре основные части: 5'-нетранслируемая область (5'-UTR); первая открытая рамка считывания (ORF1), кодирующая ДНК-связывающий белок, подобный Gag-белку ретровирусов; вторая открытая рамка считывания (ORF2), кодирующая полипротеин, обладающий различными ферментативными активностями; и З'-нетранслируемая область (З'-UTR) (рис. 1). Однако далеко не все non-LTR-ретротранспозо-ны имеют две ORF (open reading frame) [13]. Многие из них содержат одну открытую рамку считывания. Следует отметить, что у ряда семейств non-LTR-ретротранспозонов до 90% элементов имеют различной длины 5'-концевые делеции [18, 19].
ЭВОЛЮЦИЯ non-LTR-РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ
Детальная классификация non-LTR-peтpo-транспозонов была сделана с использованием филогенетического анализа. Основываясь на множественном выравнивании аминокислотной последовательности доменов RT, было построено филогенетическое древо non-LTR-peтpoтpанспoзo-нов [17]. ^оБеденный анализ позволил выделить филогенетические гpyппы, пpeдставитeли кoтopыx кластepизyются в отдельные ветви на пoстpoeннoм филогенетическом дpeвe и имеют схожую струк-тypнyю opганизацию. Различные филогенетические ^уппы возникли более 600 млн. лет назад [17]. На сегодняшний день pазличают 21 филогенетическую ^уппу [16, 17, 20-24]. Анализ стpyктypы
non-LTR-ретротранспозонов из известных филогенетических групп привел к созданию возможного сценария эволюции структурной организации non-LTR-ретротранспозонов, основными этапами которого, судя по всему, являлись приобретения новых доменов [17] (рис. 2).
Наиболее древними являются шесть филогенетических групп: Gil (или GENIE), CRE, NeSL, R2, HERO и R4 (рис. 2) [17, 20, 21, 24]. Элементы, относящиеся к этим группам, имеют в своем составе одну открытую рамку считывания, кодирующую полипротеин с доменом RT и дополнительным доменом эндонуклеазы с рестриктазной активностью (restriction-enzyme-like-endonuclease -REL-endo) [17]. Благодаря наличию данного домена элементы получили название - REL-endo non-LTR-ретротранспозоны (рис. 2). Домен REL-endo обеспечивает разрыв цепи ДНК в месте встраивания. Так как REL-endo относится к эндо-нуклеазам рестрикционного типа, неудивительно, что REL-endo-ретроэлементы обладают сайт-специфичностью встраивания, m.e. внедрение новой копии элемента происходит в определенные сайты генома. Основными мишенями для встраивания REL-endo-элементов являются гены 28S ри-босомальной РНК [25], микросателлиты [26], а также субтеломерные повторы [27].
В процессе эволюции возникли новые элементы, у которых REL-endo была замещена другой эндонуклеазой, родственной апурин/апиримидин-ДНК-эндонуклеазе (APE) [17]. Элементы, имеющие в составе полипротеина APE, объединяют в обширную группу APE-ретротранспозонов. Подавляющее большинство APE-ретроэлементов не являются сайт-специфичными, а значит, имеют больше возможностей для распространения в геноме хозяина. Неудивительно, что эта группа включает в себя большинство известных non-LTR-ретротранспозонов [23]. Однако следует заметить, что в геномах большинства высших эука-риот находят как REL-endo, так и APE-ретро-транспозоны [20-27].
Ранее предполагалось, что приобретение домена APE произошло на уровне образования L1-элемен-тов, так как эта и все следующие группы имеют APE-домен (рис. 2). Однако недавние исследования выявили еще одну группу non-LTR-ретроэлементов -Dualen, которая занимает промежуточное положение между REL-endo и APE-ретротранспозонами (рис 2). Новые элементы были обнаружены в геноме зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii и они обладают сразу двумя эндонуклеазными доменами - REL-endo и APE [24]. То есть Dualen представляет собой переходную группу от REL-endo к APE-ретротранспозонам.
Среди APE-ретротранспозонов выделяют четыре обширных кластера (L1, RTE, Jockey, I), ко-
Е
Gil [GENIE]
CRE
NeSL
R2 _
HERO
R4 __
Dualen L1 REP
'TT ] RT |REL
Gil
Giardia lamblia CRE
UZ
И RT
_U_~RT" JREL^" Crithidia fasciliata __RT IREL^~ NaSnorhabditis elegans
[ REL r.-;- R2Bm Bombyx mori I_RT J fREL ^*' HEROFr Takifugu rubripes
RT REL
R4 Ascaris lumbricoides
ApE RT ; RN^REL :- .:- Cdamydomonas reinhardtii
ORF1 ORF2
APE RT
ORF1 ORF2
APE RT
J_L
L1 Homo sapiens REP2-2 Tetrahymena thermophila
RTE CR1 Rexl L2
Jockey Outcast Loner I
ingi LOA R1 Tad
ORF1 ORF2
—^APEH
ORF1
•CJZ
ORF2 APE
RTE1 Caenorhabditis elegans
CR1Ps Platemys spixii
ORF
APE RT ORF1 ORF2
APE RT
I
ORF1 ORF2
APE RT ORF1 ORF2 4. Hi tjAPELLRT I RNH
Ag-Outcast-6
Anopheles gambiae
¡APE RT : RNH Ag-Loner-1 h'
Anopheles gambiae
RT RNH [ »Ф I Drosophila melanogaster
ORF1 ORF2 APE
ORF1 ORF2
APE
RNH
RNH
Ingi
Trypanosoma brucei
I
I
C¿ H J
J M tí
Rex1 Xiphophorus maculatus
Maui Takifugu rubripes
Jockey Drosophila melanogaster
APE RT ORF2
APE RT
LOA Drosophila silvestris R1 Drosophila melanogaster
RNH j U^- Tad1-1 Neurospora crassa
Рис. 2. Эволюция non-LTR-ретротранспозонов и структурная организация представителе
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.