Длинные Терминальные Повторы (ДТП)

ДТП-ретроэлементы составляют один из самых обширных классов мобильных элементов в эукариотах. В человеческом геноме находится около 450 тысяч ДТП-ретроэлементов (8% от общей ДНК). Ретровирусы, например ВИЧ, принадлежат к этому классу мобильных элементов. Многие ДТП-ретротранспозоны потеряли свою способность поражать другие клетки, но все еще умеют мигрировать внутри клетки по геному хозяина.

---

ДНК-транспозоны

ДНК-транспозоны включают в себя самые первые мобильные элементы, открытые цитогенетическими методами Барбарой МакКлинток в 1940-х годах, и бактериальные элементы, открытые молекулярными методами в 1960-х и 1970-х. Вслед за этим ДНК-транспозоны были найдены почти везде среди прокариот и эукариот.

---

Сайт-специфичная рекомбинация

Еще одним способом генетической инженерии является сайт-специфичная взаимная рекомбинация. Этот процесс в основном изучается на прокариотах, но имеет аналоги в высших организмах, дрожжах и других эукариотах (у последних осуществляется за счет ретротранспозонов). Данный механизм включает в себя обмен двуцепочечными участками ДНК с помощью специальных ферментов, называемых рекомбиназами.

---

Негомологичное соединение концов

Негомологичное соединение концов (НГСК) восстанавливает двуцепочечные разрывы тогда, когда нет гомологичной копии для рекомбинации (например, во время фазы G1 клеточного цикла гаплоидных дрожжей). НГСК включает несколько отличных стадий: распознавание разрывов, процедура обработки для правильного сшивания и соединение в полноценный дуплекс [1].

---

Гомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация (ГР) является сложным механизмом, выполняющим множество функций в живом организме.

---

ДНК импорт и экспорт

Поговорим в деталях о каждой из систем молекулярной генетической инженерии, перечисленных в предыдущем разделе. Остановимся сегодня на ДНК импорте и экспорте.

---

Молекулярные механизмы естественной генной инженерии

За последние 60 лет молекула ДНК показала себя как необычайно сложный и податливый носитель информации. Практически каждая клетка обладает стандартным набором биохимических инструментов для изменения ДНК — белки, которые режут, расплетают, наращивают, осуществляют отжиг (соединение комплементарных цепей) и сплайсинг (соединение концами) цепей ДНК. Самые общие операции по модификации ДНК самими клетками, которые были показаны экспериментально, указывают на то, что любая реорганизация возможна до тех пор, пока конечный продукт соответствует всем правилам построения молекулы ДНК.

---

Различные классы молекул ДНК в геноме

Когда мы обсуждали форматирование генома, мы рассматривали различные классы последовательностей ДНК и РНК: кодирующие, некодирующие (не кодируют белки, но полны информационного содержания) и различного рода форматирующие последовательности. В биоинформатике существует задача аннотации и каталогизирования, на основе которых можно классифицировать нуклеиновые последовательности.

---

Форматирование генома при делении и репликации

Для эффективного выполнения функции наследования в делящихся клетках молекулы ДНК должны своевременно и с высокой точностью переходить в дочерние клетки. Мы уже обсуждали ранее точки контроля клеточного цикла. Однако, как и в случае с транскрипционной регуляцией, ДНК молекулы также должны быть форматированы определенными сигналами для осуществления полноценной репликации, локализации в каждой отдельной фазе клеточного цикла и точной передачи в дочерние клетки. Существует несколько отдельных типов сигналов форматирования.

---

Упаковка хроматина

В прошлый раз мы узнали о двух направлениях мысли, повлиявших на наше понимание не-генетического наследования. Первое из них составляли умозрительные ("ландшафт Уодингтона") и экспериментальные (генетический импринтинг, парамутации) попытки в области клеточной дифференциации и наследственности. Вторая линия мысли, приведшая к нынешнему пониманию эпигенетики, находилась в обширной области исследований упаковки ДНК и ее связи с репликацией и транскрипцией.

---

Эпигенетическая регуляция

В конце 20го века еще представлялось возможным полагать, что
регуляторные сети достаточно сложны, чтобы управлять доступом к
кодирующим последовательностям генома [1]. Однако, вскоре два
независимых пути размышления и эксперимента обнаружили дополнительные уровни более высокого порядка для контроля генной экспрессии. Эти два пути, хотя и независимые вначале, слились воедино и начертали удивительно стройную картину. Такой многоуровневый подход обогащает наше понимание функционирования генома, а также позволил нам учитывать временную шкалу эволюционного изменения непредвиденным образом [2].

---

Форматирование генома для правильного доступа к данным памяти

В части I книги мы узнали о белковых молекулах, контролирующих
транскрипцию lac оперона и других кодирующих последовательностей в
бактериальном и эукариотическом геномах. Понимание сигналов
форматирования генома выросло значительно в 20 веке и продолжает
стремительно расти по сей день [1].

Почему и как избегать использования термина "ген"

Термин "ген" не имеет строгого и непротиворечивого определения. Данный

термин использовали, чтобы указать на бесчисленное количество

различных характеристик геномной организации. Иначе говоря, "ген"

придает впечатление определенности, тогда как определяет множество

различных компонент генома.

Когда "ген" употребляется для обозначения протяженного участка ДНК,

кодирующего белковую последовательность, он указывает, на самом деле,

на то, чего не существует. Так как обычно кодирующие сегменты ДНК

содержат несколько экзонов, которые соединяются на уровне

мРНК. Вместо "гена", таким образом, необходимо использовать термин

"кодирующая последовательность", который обозначает ДНК

последовательность, определяющую первичную структуру белка.

Более того, термин "генетический локус" еще более предпочтительнее,

так как указывает на определенный дискретный сегмент генома, включая

сигналы, форматирующие транскрипцию и посттранскрипционный процесс,

результатом которого являются одна или несколько молекул мРНК,

которые, в свою очередь, кодируют один или несколько белковых

молекул [1]. Генетический локус может быть определен генетически и с

помощью молекулярного анализа, а также такая фраза не несет в себе

столь теоретический и сбивающих с толку последствий, как многообразное

слово "ген" [2].

Литература

[1] Ast G. The Alternative Genome. Sci Am 292, 58-65 (2005).

[2] Portin P. The elusive concept of the gene. Hereditas 146, 112-7 (2009).

Часть II: геном как устройство чтения-записи

Молекулярная биология сегодняшнего дня достигла детального понимания
регуляции клеточного цикла, распределения генетической информации во
время деления, транскрипционной и эпигенетической регуляции
проявления/экспрессии генетической информации, а также естественной
генетической инженерии. На данном этапе область более совместима с
понятиями информационной когнитивной науки, которые были изложены в
первой части книги, нежели с традиционной механистической точкой
зрения, которой придерживались с начала 20 века классические генетики,
те, кто формулировал современный эволюционный синтез дарвинизма и
менделизма, а также родоначальники молекулярной биологии [1].

Ревизия центральной догмы молекулярной биологии

Те несколько примеров, приведенные нами до сих пор, являются лишь незначительной частью множества точно описанных молекулярных механизмов клеточной перцепции, передачи информации и принятия решений — механизмов клеточного восприятия, которое распространяется на все области от бактериального питания до клеточной биологии и эмбриологии млекопитающих. Познавательная, информационная картина того, как живые клетки функционируют и используют свой геном, значительно отличается от видения генетического детерминизма, выраженного наиболее лаконично, в прошлом веке, известной формулировкой Фрэнсиса Крика "Центральная Догма Молекулярной Биологии". Итак, наступило время обратить наше внимание на законность формулировки Крика в свете знания, доступного в 21-м веке.

---

Роль межклеточной сигнализации в запрограммированной клеточной гибели

Весомым доказательством того, что клетки активно контролируют собственную участь, явилось открытие процессов, которые определяют, когда клетка погибает. Хотя мы и привыкли думать, что клетки гибнут в результате непоправимой травмы или накопления дефектов с возрастом (некроз), значительное (возможно, подавляющее) количество клеток гибнет в результате активации биохимических путей, которые запускают организованный процесс клеточной разборки, известной под термином запрограммированная клеточная гибель или апоптоз (от греческого "исчезновение", "опадание")

---