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.

---

Стандартные операции

• Полимеризация ДНК цепи на комплементарной к ней цепи ДНК или РНК.
• Полимеризация ДНК цепей без матрицы комплементарной цепи (мутагенные полимеразы и конечная деоксирибонуклеотид-трансфераза).
• Расщепление фосфодиэфирных связей в каркасе ДНК цепи на одной или обеих цепях (экзонуклеаза и эндонуклеаза).
• Зашивание (лигирование) разорванных фосфодиэфирных связей в новых комбинациях с использованием одноцепочечных и двуцепочечных ДНК молекул.
• Расщепление и лигирование фосфодиэфирных связей для соединения РНК и ДНК молекул.

Стандартные операции по ДНК модификации также дополняются в подавляющем большинстве свободноживущих прокариот и эукариот специальными операциями по мобилизации и перестройке генома. Ключевым является включение этих хорошо задокументированных операторов мобилизации и перестройки генома (естественная генная инженерия) в любую современную версию теории эволюции.

Системы естественной генной инженерии

• ДНК импорт и экспорт.
• Гомологичная рекомбинация (ГР).
• Негомологичное соединение концов.
• Сайт-специфичная обоюдная рекомбинация (тирозиновая и сериновая рекомбиназа).
• ДНК транспозоны (репликативные, типа вырезать-и-вставить, хелитроны).
• Ретроэлементы с длинным концевым повтором (Long Terminal Repeat, LTR) (ретровирусы, ретротранспозоны).
• Ретроэлементы без LTR (LINE, SINE, SVA ретротранспозоны).
• Интроны ретросплайсинга группы II.
• Интеины и "хоуминг" интроны группы I.
• Разнообразие генерирующие ретроэлементы (diversity-generating retroelements, DGR).

Словарь

В следующих статьях мы познакомимся ближе с каждым типом естественной генной инженерии. Однако, общее представление об элементах реорганизации генома поможет понять материал данной и нескольких прошлых статей.

Тирозин и серин — аминокислоты, входящие в состав белков.

Рекомбиназа — фермент, осуществляющий рекомбинацию.

Транспозон — участок генома, который способен к транслокации и размножению внутри генома. Т. относится к классу мобильных генетических элементов.

Ретротранспозон — транспозон, осуществляющий транслокацию и размножение при помощи промежуточного РНК продукта.

Термин "репликативный транспозон" был предложен самим автором книги Джеймсом Шапиро в 1979 году. При репликативной транспозиции транспозон удваивается и встраиваемый элемент является копией исходного транспозона.

Длинные концевые повторы (LTR) — последовательности ДНК, повторенные сотни и тысячи раз на краях генов.

Длинные диспергированные повторы (LINE) — длинные (несколько тысяч п.о.) последовательности ДНК, относящиеся к ретротранспозонам без LTR.

Короткие диспергированные повторы (SINE) — короткие (меньше 500 п.о.) ретротранспозоны без LTR. SINE ретротранспозоны зависят от других мобильных элементов в своем передвижении.

Тандемные повторы нуклеотидов различной длины (variable nucleotide tandem repeats, VNTR) — короткие последовательности, которые собраны в тандемные повторы; часто варьируют по количеству повторов в тандеме.

Alu-повтор — короткие повторы ДНК типа SINE. Распространен у человека и приматов.

SVA (SINE-VNTR-Alu) ретротранспозоны — неавтономные ретротранспозоны, то есть нуждаются в других мобильных элементах для транслокации.

Интрон — участки ДНК, которые удаляются из конечного мРНК транскрипта и не присутствуют в зрелой мРНК, то есть они не кодируют конечный белковый продукт. Удаление интронов происходит в процессе сплайсинга.

Интеин — внутренняя часть белковой молекулы, которая вырезается в автокаталитическом процессе, известном как белковый сплайсинг, при этом две концевых части белка соединяются друг с другом. Интеин от "ин[трон]" и "[про]теин".

Разнообразие генерирующие элементы (DGR) — специальный аппарат генома, который ускоряет эволюцию белок кодирующей последовательности. Встречается у паразитов, адаптирующихся к защитным функциям хозяина (например, бактериофаги).