Перетасовка экзонов - Exon shuffling

Перетасовка экзонов молекулярный механизм образования новых генов. Это процесс, в ходе которого два или более экзоны из разных генов можно собрать вместе эктопически, или один и тот же экзон может быть дублирован, чтобы создать новую структуру экзон-интрон.[1] Существуют разные механизмы, посредством которых происходит перетасовка экзонов: транспозон опосредованная перетасовка экзонов, кроссовер при половой рекомбинации родительских геномов и незаконная рекомбинация.

Перестановка экзонов подчиняется определенным правилам кадра сращивания. Интроны может прервать рамку считывания гена, вставив последовательность между двумя последовательными кодонами (интроны фазы 0), между первым и вторым нуклеотидами кодона (интроны фазы 1) или между вторым и третьим нуклеотидами кодона (фаза 2 интроны). Кроме того, экзоны можно разделить на девять различных групп в зависимости от фазы фланкирующих интронов (симметричные: 0-0, 1-1, 2-2 и асимметричные: 0-1, 0-2, 1-0, 1-2, и т.д.) Симметричные экзоны - единственные, которые могут быть вставлены в интроны, подвергнуты дупликации или удалены без изменения рамки считывания.[2]

История

Перетасовка экзонов была впервые представлена ​​в 1978 году, когда Уолтер Гилберт обнаружили, что существование интронов может играть важную роль в эволюции белков. Было отмечено, что рекомбинация внутри интронов может помочь в независимой сортировке экзонов и что повторяющиеся сегменты в середине интронов могут создавать горячие точки для рекомбинации, чтобы перетасовать экзонные последовательности. Однако наличие этих интронов в эукариоты и отсутствие в прокариоты вызвал дискуссию о времени появления этих интронов. Возникли две теории: теория «ранних интронов» и теория «поздних интронов». Сторонники «ранней теории интронов» считали, что интроны и Сплайсинг РНК были реликтами мира РНК, и поэтому и прокариоты, и эукариоты изначально имели интроны. Однако прокариоты удалили свои интроны, чтобы получить более высокую эффективность, в то время как эукариоты сохранили интроны и генетическую пластичность предков. С другой стороны, сторонники теории «поздних интронов» считают, что прокариотические гены похожи на предковые гены, а интроны были позже вставлены в гены эукариот. Теперь ясно, что структура экзон-интрон эукариот не статична, интроны постоянно вставляются и удаляются из генов, а эволюция интронов развивается параллельно с перетасовкой экзонов.[нужна цитата ]

Для того чтобы перетасовка экзонов начала играть важную роль в эволюции белка, должно было произойти появление сплайсосомных интронов. Это было связано с тем, что самосплайсинговые интроны мира РНК были непригодны для перетасовки экзонов с помощью интронной рекомбинации. Эти интроны выполняли важную функцию и поэтому не могли быть рекомбинированы. Кроме того, есть убедительные доказательства того, что сплайсосомные интроны эволюционировали сравнительно недавно и ограничены в своем эволюционном распределении. Следовательно, перетасовка экзонов стала важной ролью в построении более молодых белков.[нужна цитата ]

Более того, чтобы более точно определить время, когда перетасовка экзонов стала значимой у эукариот, эволюционное распределение модульных белков, которые развивались с помощью этого механизма, было исследовано у разных организмов (т. Е. кишечная палочка, Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana и др.) Эти исследования показали, что существует обратная зависимость между компактностью генома и соотношением интронных и повторяющихся последовательностей. А также тот факт, что перетасовка экзонов стала значительной после облучения многоклеточными животными.[3]

Механизмы

Кроссовер при половой рекомбинации родительских геномов

Эволюция эукариот опосредована сексуальной рекомбинацией родительских геномов, и поскольку интроны длиннее экзонов, большинство кроссоверов происходит в некодирующих областях. В этих интронах имеется большое количество мобильных элементов и повторяющихся последовательностей, которые способствуют рекомбинации негомологичных генов. Кроме того, было также показано, что мозаичные белки состоят из мобильных доменов, которые распространились на разные гены в ходе эволюции и которые способны сворачиваться.[нужна цитата ]

Существует механизм образования и перетасовки указанных доменов, это гипотеза модуляризации. Этот механизм разделен на три этапа. Первый этап - вставка интронов в положения, соответствующие границам домена белка. Вторая стадия - это когда «протомодуль» подвергается тандемным дупликациям за счет рекомбинации внутри вставленных интронов. Третья стадия - это когда один или несколько протомодулей переносятся на другой негомологичный ген посредством интронной рекомбинации. Все состояния модуляризации наблюдались в разных доменах, например, в доменах гемостатических белков.[2]

Опосредованный транспозоном

Длинный вкрапленный элемент (ЛИНИЯ) -1

Потенциальным механизмом перетасовки экзонов является 3'-трансдукция, опосредованная длинным вкрапленным элементом (LINE) -1. Однако сначала важно понять, что ЛИНИИ находятся. ЛИНИИ - это группа генетических элементов, которые в большом количестве встречаются в геномах эукариот.[4] ЛИНИЯ-1 - наиболее распространенная ЛИНИЯ, встречающаяся у людей. Это расшифровано РНК-полимераза II дать мРНК который кодирует два белка: ORF1 и ORF2, которые необходимы для транспозиции.[5]

После транспозиции L1 связывается с 3'-фланкирующей ДНК и переносит последовательность, отличную от L1, в новое место генома. Это новое местоположение не обязательно должно быть в гомологичной последовательности или в непосредственной близости от последовательности донорной ДНК. Последовательность донорской ДНК остается неизменной на протяжении всего этого процесса, потому что она функционирует методом копирования-вставки через промежуточные соединения РНК; однако только те регионы, которые расположены в 3'-области L1, оказались мишенью для дупликации.[нужна цитата ]

Тем не менее, есть основания полагать, что это не всегда верно, как показано в следующем примере. Ген ATM человека отвечает за аутосомно-рецессивное заболевание человека. атаксия-телеангиэктазия и расположен на хромосоме 11. Однако частичная последовательность ATM обнаружена в хромосоме 7. Молекулярные особенности предполагают, что эта дупликация опосредована ретротранспозицией L1: полученная последовательность фланкирована дупликациями на стороне мишени 15 п.н. (TSD), последовательность около 5 'конец совпадает с консенсусной последовательностью для сайта расщепления эндонуклеазой L1 и поли (А) хвост предшествовал 3 'TSD. Но поскольку элемент L1 не присутствовал ни в ретротранспозированном сегменте, ни в исходной последовательности, мобилизация сегмента не может быть объяснена 3'-трансдукцией. Дополнительная информация привела к убеждению, что трансмобилизация последовательности ДНК является еще одним механизмом L1 для перетасовки экзонов, но необходимо провести дополнительные исследования по этому вопросу.[6]

Helitron

Другой механизм, посредством которого происходит перетасовка экзонов, - это использование гелитроны. Helitron транспозоны были впервые обнаружены во время изучения повторяющихся сегментов ДНК геномов риса, червя и таллома. Гелитроны были обнаружены во всех царствах эукариот, но количество копий варьируется от вида к виду.[нужна цитата ]

Белки, кодируемые гелитроном, состоят из инициатора репликации (Rep) с вращающимся кругом (RC) и домена ДНК-геликазы (Hel). Домен Rep участвует в каталитических реакциях эндонуклеалитического расщепления, переноса ДНК и лигирования. Кроме того, этот домен содержит три мотива. Первый мотив необходим для связывания ДНК. Второй мотив содержит два гистидина и участвует в связывании ионов металлов. Наконец, третий мотив содержит два тирозина и катализирует расщепление и лигирование ДНК.[нужна цитата ]

Существует три модели захвата гена гелитронами: модель «сквозного чтения» 1 (RTM1), модель «сквозного чтения» 2 (RTM2) и модель ДНК-наполнителя (FDNA). Согласно модели RTM1 случайная «неисправность» терминатора репликации на 3'-конце Helitron приводит к транспозиции геномной ДНК. Он состоит из считываемого элемента Helitron и его нижележащих геномных областей, фланкированных случайным участком ДНК, служащим терминатором RC de novo. Согласно модели RTM2 3'-конец другого Helitron служит терминатором переноса RC. Это происходит после выхода из строя терминатора RC. Наконец, в модели FDNA части генов или некодирующие области могут случайно служить в качестве матриц во время репарации ds-разрывов ДНК, происходящих в гелитронах.[7] Несмотря на то, что было доказано, что гелитроны являются очень важным инструментом эволюции, конкретные детали механизмов их перемещения еще предстоит определить.[нужна цитата ]

Примером эволюции с использованием гелитронов является разнообразие, обычно встречающееся в кукурузе. Гелитроны кукурузы вызывают постоянное изменение генетических и негенных регионов за счет использования мобильных элементов, что приводит к разнообразию среди различных линий кукурузы.[нужна цитата ]

Ретротранспозоны с длинным концевым повтором (LTR)

Длинно-концевой повтор (LTR) ретротранспозоны являются частью другого механизма, посредством которого происходит перетасовка экзонов. Обычно они кодируют две открытые рамки считывания (ORF). Первая ORF, названная gag, относится к вирусным структурным белкам. Вторая ORF, названная pol, представляет собой полипротеин, состоящий из аспарагиновой протеазы (AP), которая расщепляет полипротеин, Rnase H (RH), которая расщепляет гибрид DNR-RNA, обратной транскриптазы (RT), которая производит копию кДНК транспозонов РНК. и интеграза DDE, которая вставляет кДНК в геном хозяина. Кроме того, ретротранспононы LTR подразделяются на пять подсемейств: Ty1 / copia, Ty3 / gypsy, Bel / Pao, ретровирусы и эндогенные ретровирусы.[8]

Ретротранспононы LTR нуждаются в промежуточном РНК в механизме цикла транспозиции. Ретротранспононы синтезируют копию кДНК на основе цепи РНК с использованием обратной транскриптазы, связанной с ретровирусным ОТ. Затем копию кДНК вставляют в новые позиции генома для образования ретрогена.[9] Было доказано, что этот механизм важен для эволюции генов риса и других видов трав посредством перетасовки экзонов.[нужна цитата ]

Незаконная рекомбинация

Наконец, незаконная рекомбинация (IR) - еще один механизм, посредством которого происходит перетасовка экзонов. IR - это рекомбинация между короткими гомологичными последовательностями или негомологичными последовательностями.[10]

Существует два класса IR: первый соответствует ошибкам ферментов, которые разрезают и соединяют ДНК (т.е. ДНКазы). Этот процесс инициируется белком репликации, который помогает генерировать праймер для синтеза ДНК. Пока одна цепь ДНК синтезируется, другая вытесняется. Этот процесс заканчивается, когда смещенная цепь соединяется своими концами одним и тем же белком репликации. Второй класс IR соответствует рекомбинации коротких гомологичных последовательностей, которые не распознаются ранее упомянутыми ферментами. Однако они могут быть распознаны неспецифическими ферментами, которые вводят разрезы между повторами. Затем концы удаляются экзонуклеазой, чтобы обнажить повторы. Затем повторяется отжиг, и полученная молекула восстанавливается с помощью полимеразы и лигазы.[11]

Рекомендации

  1. ^ Лонг, Маньюань; Бетран, Эстер; Торнтон, Кевин; Ван, Вэнь (2003). «Происхождение новых генов: взгляды молодых и старых». Природа Обзоры Генетика. 4 (11): 865–75. Дои:10.1038 / nrg1204. PMID  14634634.
  2. ^ а б Kolkman, Joost A; Стеммер, Виллем П.К. (2001). «Направленная эволюция белков путем перетасовки экзонов». Природа Биотехнологии. 19 (5): 423–8. Дои:10.1038/88084. PMID  11329010.
  3. ^ Патти, Ласло (1999). «Эволюция генома и эволюция перетасовки экзонов - обзор». Ген. 238 (1): 103–14. Дои:10.1016 / S0378-1119 (99) 00228-0. PMID  10570989.
  4. ^ Певица, Максин Ф (1982). «SINE и LINE: часто повторяющиеся короткие и длинные чередующиеся последовательности в геномах млекопитающих». Клетка. 28 (3): 433–4. Дои:10.1016/0092-8674(82)90194-5. PMID  6280868.
  5. ^ Bogerd, H.P; Wiegand, H.L; Hulme, A.E; Гарсия-Перес, Дж. Л; О'Ши, К. С; Moran, J. V; Каллен Б. Р. (2006). «Клеточные ингибиторы длинного вкрапления элемента 1 и ретротранспозиции Alu». Труды Национальной академии наук. 103 (23): 8780–5. Bibcode:2006ПНАС..103.8780Б. Дои:10.1073 / pnas.0603313103. ЧВК  1482655. PMID  16728505.
  6. ^ Ejima, Y; Ян, Л. (2003). «Трансмобилизация геномной ДНК как механизм перетасовки экзонов, опосредованной ретротранспозоном». Молекулярная генетика человека. 12 (11): 1321–8. Дои:10.1093 / hmg / ddg138. PMID  12761047.
  7. ^ Морганте, Микеле; Бруннер, Стефан; Горох, Джорджио; Фенглер, Кевин; Цукколо, Андреа; Рафальский, Антони (2005). «Дублирование генов и перетасовка экзонов с помощью гелитроноподобных транспозонов создают внутривидовое разнообразие кукурузы». Природа Генетика. 37 (9): 997–1002. Дои:10,1038 / ng1615. PMID  16056225.
  8. ^ Muszewska, Анна; Хоффман-Зоммер, Марта; Гринберг, Марцин (2011). «Ретротранспозоны LTR в грибах». PLoS ONE. 6 (12): e29425. Bibcode:2011PLoSO ... 629425M. Дои:10.1371 / journal.pone.0029425. ЧВК  3248453. PMID  22242120.
  9. ^ Ван, В. (2006). «Высокая скорость образования химерных генов ретропозицией в геномах растений». Растительная клетка онлайн. 18 (8): 1791–802. Дои:10.1105 / tpc.106.041905. ЧВК  1533979. PMID  16829590.
  10. ^ Ван Рейк, Анке (2003). «Молекулярные механизмы перетасовки экзонов: незаконная рекомбинация». Genetica. 118 (2–3): 245–9. Дои:10.1023 / А: 1024138600624. PMID  12868613.
  11. ^ Эрлих, С.Д .; Bierne, H; d'Alençon, E; Vilette, D; Петранович, М; Нуаро, П; Мишель, Б. (1993). «Механизмы нелегитимной рекомбинации». Ген. 135 (1–2): 161–6. Дои:10.1016/0378-1119(93)90061-7. PMID  8276254.