Играют ли роль LINE ретроэлементы в соматической дифференцировке нервной системы?

Возможна и другая роль естественной генетической инженерии в нормальном клеточном цикле многоклеточных организмов: создание соматического разнообразия внутри клеток [1]. Целый ряд ученых предполагает, что изменения генома, индуцированные ретроэлементами LINE-1, могут быть связаны с установлением нейронной индивидуальности во время развития высшей нервной системы [2] (Внимание: ГИПОТЕЗЫ!!!). Такие любопытные гипотезы явились результатом недавних наблюдений, свидетельствующих в пользу того, что LINE-1 ретротранспозиция намного чаще встречается в нервных тканях, чем в других типах клеток. Более того, высшие уровни контроля за подвижностью LINE-1 элементов, очевидно, связаны с регуляторными факторами, такими как регуляторные белки Wnt и MeCP2, которые, было подмечено, задействованы в нейрологических фенотипах типа синдром Ретта (отставание в развитии) и аутизм. Также предполагается, что соматическая LINE ретротранспозиция может участвовать в старении [3] и мутагенезе [4].

Смена пола... у дрожжей

Качественное изменение типа полового партнера у дрожжей является одним из самых удивительных и хорошо изученных примеров естественной генетической инженерии при обычных условиях, в нормальных клетках. И почкующиеся (пивоваренные) дрожжи Saccharomyces cerevisiae, и делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe (из которых делали пиво в Африке) могут изменять тип половых клеток (по-простому, пол), перенося генетическую информацию из молчащих кассет в экспрессирующиеся локусы, ответственные за тип спаривания.

Сайт-специфичная рекомбинация в конечной дифференцировке бактериальных клеток

Еще одна роль сайт-специфичной рекомбинации в нормальном жизненном цикле появляется в бактериях, которые претерпевают конечную дифференцировку. Два примера такого рода были исследованы детально: "материнская" клетка, помогающая сформировать спящую спору во время спорообразования у Bacillus subtilis, и азот-фиксирующая гетероциста, которая формируется в результате азотного голодания фотосинтетических цианобактерий.

Сайт-специфичная рекомбинация при репликации хромосом и плазмид у бактерий

В течение бактериального клеточного цикла сайт-специфичная рекомбинация играет важную роль в репликации и распределении бактериальной ДНК, хромосом и плазмид (в совокупности известных как репликон, или реплицирующиеся единицы).

Сайт-специфичная рекомбинация в умеренном цикле фагов

Первая система сайт-специфичной рекомбинации была обнаружена и описана в бактериальном вирусе, бактериофаге λ, та самая система, которая была использована Вайгелем в его исследованиях мутагенеза.
Бактериофаг λ называется умеренным бактериофагом, так как обладает сложным жизненным циклом, который включает покоящуюся стадию профага, описанную Андре Львовом [1]. Молекулярно-генетический анализ показывает, что профаг находится в интегрированной в хромосому кишечной палочки форме [2]. Геном умеренного бактериофага, таким образом, существует в одной из трех форм: неактивная, внутри частицы вируса, активно размножающаяся, внутри бактериальных клеток, производящих вирусные частицы, и неактивная, подавленная форма провируса, внедренная в геном бактерии. Переход между активной формой и формой профага осуществляется за счет вставки и вырезания из хромосомы E. coli (кишечная палочка) посредством сайт-специфичной рекомбинации [3]. Для λ-фага и многих других умеренных бактериофагов внедрение и вырезание происходят под строгим контролем: скоординированно с экспрессией белков вирусного размножения [4].


Словарь

Профаг -- покоящаяся, но унаследованная форма генома бактериофага, либо интегрированная в прокариотический геном хозяина, либо реплицирующаяся как плазмида.

Литература

[1] Андре Львов:
- Lwoff, A. The Life Cycle of a Virus. Sci Am 190, 34-37 (1954).

[2] Профаг интегрирован в хромосому кишечной палочки:
- Cambell, A.M. How Viruses Insert their DNA into the DNA of the Host Cell. Sci Am 235, 102-113 (1976).

[3] Вставка и вырезания профага посредством сайт-специфичной рекомбинации:
- Landy, A. Dynamic, structural, and regulatory aspects of lambda site-specific recombination. Annu Rev Biochem 58, 913-49 (1989).

[4] Регуляция внедрения и вырезания профага-λ
- Van Duyne, G.D. Lambda integrase: armed for recombination. Curr Biol 15, R658-60 (2005).

Сайт-специфичная рекомбинация, гомологичная рекомбинация и разнообразие генерирующие ретроэлементы в фазовой и антигенной изменчивости

Многим микроорганизмам необходимо изменять репертуар белков на своей поверхности. Эти белки определяют места присоединения к поверхностям и другим клеткам, они также являются главной мишенью иммунной системы организма-хозяина в случае болезнетворных микроорганизмов. Условия постоянно меняются в течение жизни микроба: от одного хозяина (например, насекомое-переносчик) до другого (млекопитающее), от сожительства в кишечнике до жизни во внешней среде или по мере того, как иммунная система хозяина распознает поверхностные антигены микроба.

(См. также сайт-специфичная рекомбинация, гомологичная рекомбинация, разнообразие генерирующие ретроэлементы)

Естественная генная инженерия как часть обычного жизненного цикла: Вступление

Главной позицией многих традиционных мыслителей относительно эволюции и мутации является то, что живые организмы не могут использовать в специальных адаптивных целях свои естественные генно-инженерные возможности. Они придерживаются этого мнения в защиту своих взглядов на эволюцию как на результат случайных, ненаправленных генетических изменений. Однако их позиция — философская, не научная и не основывается на эмпирическом наблюдении.

В данном разделе книги мы рассмотрим огромное количество хорошо задокументированных случаев, когда естественные генно-инженерные способности используются во время обычного жизненного цикла клетки. Во многих этих случаях различные процессы естественной генетической инженерии вовлекаются в одну, нацеленную и хорошо регулируемую серию превращений с получением очевидного приспособительного преимущества. Самым изученным примером нацеленного манипулирования геномом является, вероятно, работа высоко скоординированной последовательности естественных генно-инженерных событий в адаптивной иммунной системе.

Если, как вы и увидите в этом разделе, клетки могут координировать процессы геномной перестройки для адаптационных нужд в нормальном жизненном цикле, нет никаких научных оснований утверждать, что клетки не могут использовать те же самые функциональные возможности для создания значительных эволюционных новшеств.

С этого момента мы будем рассматривать примеры таких процессов.

Разнообразие генерирующие ретроэлементы

Разнообразие генерирующие элементы (РГР) были недавно обнаружены в вирусе, который заражает патогенные бактерии, вызывающие бронхит, Bordetella bronchisepticum [1]. Вирус использует механизм, основанный на обратной транскриптазе, для того, чтобы разнообразить последовательность своего белка, который ответственен за первичное соединение с клеткой, и тем самым адаптируется заражать разные штаммы бактерий.

Интеины

Интеины являются сегментами белковых молекул, которые вырезают сами себя из большего по размеру белка и сращивают концы двух оставшихся белковых сегментов, в результате чего получается интеин и новый белок. Найдены во всех типах живых организмов. Интеины --- естественные генетические инженеры, ведь многие приобретают эндонуклеазную активность после вырезания из белка и могут разрезать геном, так что копия кодирующей интеин последовательности может быть вставлена в место разрыва [1]. Разрезание генома происходит исключительно в сайте, кодирующем большой белок,  но не имеющем кодирующей интеин последовательности (как, например, в случае аллелей одного и того же гена в гомологичных хромосомах). Включение ДНК интеина происходит за счет гомологичного замещения из сайта с интеиновой последовательностью. Таким способом интеин распространяется по организмам, которые имеют и пустой, и интеин-кодирующий вариант (аллель) одной и той же кодирующей последовательности. Заполненный сайт более не чувствителен к эндонуклеазной функции, так как включение разрывает последовательность, используемую для распознавания интеином. Таким образом, когда все пустые сайты заполнены, данный белок теряет свои мишени и может деградировать.

Интроны группы II ретросплайсинга

Интроны группы II являются самостыкующимися (осуществляющими сплайсинг на самих себе) каталитическими РНК молекулами, или рибозимами [1]. Реакция сплайсинга обратима: вырезанный интрон может заново вставиться в состыкованный транскрипт, --- и такая же реакция может произойти на соответствующей комплементарной кодирующей цепи ДНК. Обратный сплайсинг в ДНК создает РНК кольцо, которое может быть преобразовано в полностью интегрированную двуцепочечную ДНК-копию интрона несколькими альтернативными способами, включая обратную транскрипцию по типу LINE или гомологичную рекомбинацию [2].

Ретроэлементы без ДТП

Такие элементы являются самыми многочисленными в человеческом геноме (свыше 2,3 млн. копий составляют около 34% ДНК). Эти элементы используют механизм обратной транскрипции, который не создает ДТП структур на каждом конце. Первыми найденными примерами таких элементов являются длинные перемежающиеся нуклетидные элементы (LINE, long interspersed nucleotide elements) и аналогичные короткие элементы (SINE, short [...]).

LINE ретротранспозоны обычно имеют длину около несколько тысяч пар оснований, содержат внутри себя транскрипционный сигнал для РНК полимеразы II и кодируют два белка, участвующих в обратной транскрипции. SINE элементы короче (обычно от 100 до 300 пар оснований в длину), похожи по последовательности на устойчивые клеточные РНК: транспортную РНК, короткие рибосомные РНК и белок-экспортирующую частицу 7S РНК --- и содержат внутренний промотор для РНК полимеразы III. SINE элементы не кодируют белки и зависят от LINE в осуществлении обратной транскрипции и включения в геном.