Мигрирующие генетические элементы бактерий. Транспозоны. Бактериофаги, как мигрирующие генетические элементы.

Слайд 1Описание слайда:

Мигрирующие генетические элементы Лекция №8 Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

Слайд 2Описание слайда:

План лекции:

Слайд 3Описание слайда:

Мобильные генетические элементы Подвижные генетические элементы входят в состав бактериальной хромосомы и плазмид. К ним относятся инсерционные последовательности и транспозоны. Бактериальные транспозоны обозначаются буквами Tn, инсерционные вставки — Is, за которыми следует номер типа.

Они могут инактивировать гены, в которые включились («выключение» гена) или, встраиваясь в хромосому, проявлять эффект промотора, включающего или выключающего транскрипцию соответствующих генов; повышают частоту делеций и инверсий, приводят к транслокациям и образованию коинтегратов.

Некоторые бактериофаги фактически являются транспозонами или транспозиционными бактериофагами (transposing bacteriophages). Например, бактериофаг Mu является очень большим транспозоном (38000 н.п.

), который кодирует не только ферменты, ответственные за транспозицию, но также и большое число структурных белков, необходимых для упаковки его ДНК.

Слайд 4Описание слайда:

Инсерционные последовательности Вставочные или инсерционные последовательности ( Is -элементы) представляют собой участки ДНК, способные перемещаться из одного места локализации в другое, и содержат только гены, необходимые для перемещения. Имеют длину около 1-2 тысяч пар нуклеотидов.

Слайд 5Описание слайда:

Прямые и инвертированные повторы Прямые повторы: 5’agtcctgattcg agtcctgattcg 3’ 3’tcaggactaagc tcaggactaagc 5’ Инвертированные повторы: 5’agtcctgattcg cgaatcaggact 3’ 3’tcaggactaagc gcttagtcctga 5’

Слайд 6Описание слайда:

Транспозоны Транспозоны ( Tn ) — это сегменты ДНК, состоящие из вставочных последовательностей и структурных генов, обеспечивающих синтез молекул со специфическими биологическими свойствами (токсичность, устойчивость к антибиотикам и др.) длиной от 3 до 20 т. н. п.. Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и размножаются только в составе бактериальной хромосомы.

Слайд 7Описание слайда:

Открытие мобильных генетических элементов Транспозоны впервые были открыты в 40-х годах американской ученой Барбарой Мак-Клинток у кукурузы. Эти гены, индентифицированные по их способности подавлять экспрессию других генов кукурузы, находящихся рядом с ними, не имели фиксированного положения в хромосоме.

Они как бы передвигались по всему геному растения. Регуляторные элементы могли встраиваться и выщепляться, причем после их выщепления зачастую начинали функционировать ранее молчащие гены.

Оказалось, что гены, ассоциированные с регуляторными элементами, становились нестабильными и часто мутировали из-за нестабильности самих этих элементов. В течение многих лет кукуруза оставалась единственной системой, в которой обнаруживались такие подвижные генетические элементы.

Сейчас — и у бактерий, дрозофил и других организмов. Инсерционные последовательности были открыты в начале 1970-х гг. П. Старлинжером, Г. Седлером и Дж. Шапиро при изучении мутаций необычного типа у E.coli.

Слайд 8Описание слайда:

Биологический смысл Поскольку подвижные гены могут перемещаться в пределах генома с одного места на другое, то они могут быть весьма эффективными векторами для передачи рекомбинантной ДНК. Генетическая трансформация с помощью векторов на основе транспозонов была впервые осуществлена на дрозофиле.

Поведение транспозонов можно расценить как паразитическое. Большинство их перемещается изредка, но, так как их в клетке довольно много, транспозиция оказывает значительное влияние на разнообразие видов.

Биологический смысл перемещения отдельных сегментов ДНК: — прерывание соответствующего гена, что ведет к эволюции; — регуляция деятельности генов.

Слайд 9Описание слайда:

Классификация

Слайд 10Описание слайда:

Перемещение транспозонов ДНК переносится ферментом транспозазой. Фермент кодируется последовательность длиной около 20 нуклеотидов в середине транспозона.

Он специфически взаимодействует с концевыми инвертированными повторами мобильного элемента и может вырезать его из хромосомы.

Вырезание может происходить точно – с восстановлением исходной структуры участка ДНК, и неточно, то есть с делециями и вставками от одного до нескольких нуклеотидов.

Слайд 11Описание слайда:

Перемещение транспозонов Механизмы транспозиции: Нерепликативная (консервативная, простое встраивание) двуцепочечные разрывы в реципиенте и мобильном элементе, соединение концов (образуются одноцепочные фланкирующие последовательности, с этим связана дупликация сайта-мишени размером 3-12 нуклеотидов).

Слайд 12Слайд 13Описание слайда:

Перемещение транспозонов Механизмы транспозиции: Репликативная в реципиентной и донорной ДНК происходят одноцепочечные разрывы, воссоединение с образованием коинтеграта при участии транспозазы, репликация и рекомбинация, диссоциация коинтеграта под действием резолвазы.

Мигрирующие генетические элементы

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Мигрирующие генетические элементы (мобильные гены, прыгающие гены), дискретные фрагменты (сегменты) ДНК, способные встраиваться в разные участки генома; их расположение на хромосомах может меняться как в процессе историч. развития мира организмов, так и в пределах жизни одного индивидуума. Найдены практически во всех изученных организмах — от бактерий до человека. Они весьма разнятся по своему нуклеотидному составу и той роли, к-рую они играют в клетке.

У прокариот (бактерии и синезеленые водоросли) выделено неск. осн. групп мигрирующих генетических элементов-IS- и Tn-элементы, эписомы, а также нек-рые бактериофаги, или фаги (вирусы бактерий, способные ее поражать, репродуцироваться в ней и вызывать ее гибель).

IS-элементы-простые вставочные (ин-серционные) последовательности (обозначаются — в зависимости от их нуклеотидного состава номерами IS1, IS2 и т.д.); содержат от 700 до 1500 пар нуклеотидов. Эти сегменты ДНК имеют инвертир. повторы на концах, содержащие обычно неск.

десятков нуклеотидных пар, и не содержат никаких генов, кроме тех, к-рые необходимы для их перемещения (транспозиции) по геному. Они встречаются в нек-рых плазмидах (внехромосомные носители наследственности) и умеренных фагах (способны существовать в клетке в форме профага). Так, у разных штаммов бактерии Escherichia coli (E.

coli) присутствует в геноме 19 копий IS1-элементов. Большинство др. IS-элементов также представлено в хромосомах разных штаммов E. coli мн. копиями: IS2-от 0 до 12,IS3-от 4 до 6, IS4-от 1 до 2, IS5-от 0 до 10.

Транспозиции IS-элементов не сопряжены с их исключением из мест исходной локализации в плазмидах или хромосоме; при транспозиции IS-элемент удваивается и одна его копия остается на прежнем месте, а другая попадает в новый локус (местоположение гена в хромосоме или плазмиде). Таким образом транспозиции этого элемента сопряжены с репликацией (удвоением) его ДНК.

Обычно IS-элементы встраиваются (интегрируют) в разл. места бактериального генома, однако нек-рые участки оказываются более предпочтительными, чем другие. Встраивание и исключение этих элементов происходит с высокой точностью, что свидетельствует об участии в этих процессах ферментов, узнающих инвертир. концевые повторы IS-элементов.

Ферментные системы, обусловливающие транспозиции IS-элементов, по крайней мере, частично кодируются их собств. ДНК. Так, IS1, судя пo длине его нуклеотидной последовательности, может кодировать лишь небольшие полипептиды, к-рые участвуют в его транспозиции, вероятно, в комплексе с клеточными белками.

Значение IS-элементов для эволюции бактерий связано с тем, что эти элементы при своих перемещениях инакти-вируют разл. гены или нарушают их нормальную регуляцию.

Помимо прямого влияния на экспрессию гена (раз-вития признака, контролируемого данным геном) вследствие транспозиции инсерционной последовательности непосредственно в кодирующую часть гена или его регулятор-ную зону, эти мигрирующие генетические элементы могут влиять также на транскрипцию (биосинтез информационной РНК на матрице ДНК) окружающих их последовательностей ДНК генома. Это происходит вследствие того, что мн. IS-элементы содержат промоторные (инициирующие транскрипцию) и термина-торные (прекращающие транскрипцию) участки ДНК. Транспозиции IS-элементов могут вызывать слияние двух не связанных ранее генов или оперонов (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков) с образованием новых функцион. единиц, а также индуцировать все виды хромосомных перестроек (см. Мутации). Соединение разнородных репликонов (элементарная генетич. структура, способная к самокопированию) имеет большое биол. значение, т. к. объединяет ранее разобщенные генетич. детерминанты, подчас принадлежащие разным видам организмов.

Tn-элементы (сложные перемещающиеся элементы, или транспозоны) принципиально отличаются от IS-элементов только тем, что содержат дополнит. структурные гены, не имеющие отношения к ф-ции транспозиции. Известно много транспозонов, в состав к-рых входят гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и др. ядам.

При этом один и тот же транспозон иногда несет целый набор Детерминант резистентности (т. наз. V-детерминанты). Такие транспозоны наиб. широко распространены, т.к. представляют ценность для селекции бактерий. Существуют транспозоны, содержащие гены, к-рые кодируют токсины, а также свойственные данному организму ферменты.

Как правило, Tn-элементы несут на концах целые или частично измененные IS-элементы, к-рые сообщают им способность перемещаться по геному и вызывать в нем те же изменения, что и своб. IS-элементы. При этом 2 концевые IS-подобные терминальные последовательности в зависимости от типа транспозона могут иметь прямую или инвертир. последовательность нуклеотидов.

Разные транспозоны часто содержат одинаковые терминальные последовательности нуклеотидов.

Транспозоны вместе с плазмидами и фагами (в к-рые они легко интегрируются) способны осуществлять обмен разл. заключенных в них генов между весьма отдаленными видами бактерий, поэтому они играют чрезвычайно важную роль в эволюции бактерий, включая адаптацию их к лек. в-вам и продуцирования ими новых токсинов.

Транспозиция Tn-элементов осуществляется по такому же механизму, как и IS-элементов, и также включает стадию трансляции. Большинство транспозонов не выбирает для своего включения строго определенные последовательности в ДНК. Однако обычно они предпочитают нек-рые районы хромосом и даже специфич. участки, причем разные Тn-эле-менты различаются по специфичности выбора мест интеграции.

Частота и характер перемещений IS- и Тn-элементов варьируют в весьма широких пределах и зависят прежде всего от св-в самих элементов. Напр., ТnЗ плазмиды перемещаются чаще в др. плазмиды, чем в хромосому.

На транспозиции влияют не только генетич., но и разл. внеш. факторы, напр. УФ облучение.

По-видимому, яды, инактивация к-рых обусловлена генами транспозонов, могут индуцировать синтез ферментов, необходимых для транспозиции этих транспозонов.

Др. группу мигрирующих генетических элементов бактерий составляют эписомы-сложные плазмиды, способные к интеграции в хромосому. Эписомы, как правило, содержат IS- или Tn-элементы, и в большинстве случаев именно благодаря им они могут включаться в состав хромосомы. Так, в половой F-эписоме E. coli (мол. м. 6.107) имеется одна копия IS2, две копии IS3 и одна копия Тn1000.

К мигрирующим генетическим элементам прокариот относят также умеренные фаги. l-Фаги (лямбдоидные фаги) обычно встраиваются в одно место хромосомы, но при определенных условиях могут располагаться и в др. участках генома.

m-Фаги способны включаться в любые места бактериальной хромосомы, а также в ДНК мн. др. фагов и плазмид.

Интеграция лямбдо-идных фагов обеспечивается ферментной системой, состоящей из клеточных белков и белков, кодируемых геномом фага.

m-Фаг во мн. отношениях сходен с IS- и Tn-элементами и отличается от них только тем, что может формировать вирусные частицы. Предполагают, что IS- и Тn-элементы произошли из фага типа ц в результате утери большинства его генов.

Умеренные фаги способны вносить существ. изменения в структуру и функционирование бактериального генома благодаря двум процессам — интеграции фаговой ДНК в хромосому бактерии и трансдукции (переносу фагом бактериальных генов из одних клеток в другие). Трансдуцирую-щие фаги образуются в результате неточного исключения из хромосомы интегрир. фаговой ДНК.

При этом часть собственной ДНК фага утрачивается, и вместо нее в фаговый геном включается участок бактериальной ДНК, достигающий иногда значит. размеров. Интегрир. фаги могут мутировать и терять способность к исключению из хромосомы, становясь вследствие этого ее неотъемлемой частью. В этом случае гены фага начинают определять ф-ции клетки, т.е. становятся ее собств.

генами.

У эукариот (все организмы, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) также широко распространены мигрирующие генетические элементы, к-рые аналогичны мигрирующим генетическим элементам прокариот по общему плану строения, способу транспозиции и генетич. эффекту.

Элементы, подобные IS и транспозонам, найдены у мн. эукариот (грибы, растения, млекопитающие и др.). Разл. эписомоподобные факторы обнаружены в ядре и цитоплазме дрожжей.

Умеренным фагам бактерий соответствуют онкогенные вирусы, в частности РНК-содержащие вирусы (ретровирусы) позвоночных.

В геномах низших эукариот обнаружены мигрирующие генетические элементы разных типов, среди к-рых лучше всего изучена т. наз. последовательность Tyl дрожжей. Этот элемент представлен в геноме 4-35 копиями, локализация к-рых отличается у разных штаммов. Tyl содержит 5,6 тыс.

пар нуклеотидов и ограничен прямыми повторами, содержащими ок. 300 пар нуклеотидов (т. наз. 5-последовательности). Копии Tyl не полностью идентичны друг другу и составляют таким образом гетерог. семейство.

В том случае, если две копии Tyl заключают между собой клеточные гены, они перемещают их по генoму, т. е. образуют истинные транспозоны.

Включение Tyl-подобных элементов в регуляторные зоны генов может вызывать не только инактивацию локусов, но и изменения механизма их регуляции, что, по-видимому, связано с присутствием в нуклеотидной последовательности Tyl специфич. участков узнавания регуляторных белков.

Важным отличием мигрирующих генетических элементов эукариот от таковых у бактерий является их способность при включении в тот или иной локус изменять св-ва ферментов (продуктов генов-мишеней), а не только прерывать их синтез.

В геноме дрозофилы, а также др. животных, включая млекопитающих, обнаружен целый ряд семейств подвижных генетич. элементов, к-рые, как предполагают, подобно транспозонам бактерий, меняют свою локализацию, не покидая хромосом. Примером могут служить FB-элементы, или палиндромы-сегменты ДНК, ограниченные длинными инвертер.

повторами; протяженность последних варьирует в широких пределах-от 0,2 тыс. до 1,3 тыс. пар нуклеотидов. Участок, заключенный между инвертир. повторами и условно называемый петлей, не является обязательной составной частью FB-элемента.

Возможно, что в нек-рых случаях он соответствует участку генома, захваченному этим элементом при транспозиции.

Наиб. изучена мол. организация т.наз. мобильных дис-пергир. генов (МДГ) дрозофилы, построенных также по типу транспозонов. Известно неск. семейств МДГ. Все они имеют много общих св-в; это множественные видоспеци-фичные активно транскрибируемые гены, локализация к-рых на хромосомах варьирует не только у разных линий дрозофилы, но даже у разных особей одной линии. Все они содержат 5-7 тыс.

пар нуклеотидев и повторяются в геноме от 10 до 200 раз. Отличит. особенность МДГ-присутствие на их концах повторяющихся нуклеотидных последовательностей (250-500 пар), имеющих прямую ориентацию. Считается, что МДГ способны перемещаться в результате синтеза РНК-копии и последующей ее обратной транскрипции в ДНК, к-рая замыкается в кольцо, после чего снова интегрируется в клеточный геном.

Мобильными элементами генома эукариот являются также проретровирусы (интегрированные в геном ретровирусы), транспозиция к-рых, вероятно, осуществляется по такому же механизму, как и у МДГ. Не исключено, что последние и проретровирусы являются генетич. элементами одной природы.

Роль МДГ в экспрессии прилежащих к ним генов, в мутагенезе и в общей эволюции эукариотич. генома м. б. весьма значительной. МДГ-подобные элементы могут включаться в геном вирусов, а с ними, вероятно, переноситься между организмами одного или разных видов.

Обычно транспозиции МДГ происходят чрезвычайно редко. Однако они могут в определенных условиях учащаться. Известны т. наз. транспозиц. взрывы, ведущие к одновременным перемещениям целого ряда разных мобильных элементов.

Поскольку в составе многих МДГ присутствуют промоторы транскрипции, а также особые последовательности-усилители, обладающие способностью повышать эффективность транскрипции с участием др. промоторов, внедрение МДГ может активно влиять на деятельность всего генного окружения.

Возможно, активация определенных генов иногда оказывается полезной для организма. В то же время внедрение рядом с протоонкогенами МДГ может вести к онкогенной трансформации клетки.

Предполагают, что в опухолевых клетках происходит активация процессов транспозиции нек-рых типов мигрирующих генетических элементов, что ускоряет микроэволюцию опухолевых клеток и способствует развитию опухолей.

Мигрирующие генетические элементы открыты в 40-х гг. 20 в. Б. Мак-Клинток на основании генетич. анализа нестабильных мутаций у кукурузы. Исследование их мол. природы начато в 60-х гг. в связи с обнаружением нового типа мутационных изменений у бактерий (т.наз.

вставочных мутаций) и идентификацией носителей этих мутаций. Структурно-функцион. исследования мигрирующих генетических элементов эукариот на мол. уровне ведутся с кон. 70-х гг.

с использованием методов клонирования (получение наследственно однородных поколений особи или клетки путем бесполого размножения) и генетич. инженерии.

===

Исп. литература для статьи «Мигрирующие генетические элементы»: Хесин Р. Б., Непостоянство генома, М., 1984; Mobile genetic elements, ed. by J.A. Shapiro, N.Y., 1983. П.Л. Иванов.

Страница «Мигрирующие генетические элементы» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

ПОИСК

    Наследственные изменения можно подразделить на изменения, возникающие в результате мутаций и рекомбинаций генетического материала. Скачкообразные изменения в генетическом материале клетки, приводящие к появлению новых признаков, получили название мутаций.

Мутации возникают в популяции особей всегда, часто без видимых воздействий на популяцию. Такие мутации, причины возникновения которых нам неизвестны, называются спонтанными. Повышать частоту мутаций по сравнению со спонтанным фоном, т.е.

индуцировать их, могут физические, химические и биологические факторы, действующие на генетический материал клетки. Физические факторы — это прежде всего коротковолновое излучение (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи). К химическим мутагенам относятся аналоги оснований, производные акридина, алкилирующие и дезаминирующие агенты.

Биологические факторы — это в первую очередь мигрирующие элементы (транспозоны и 15-элементы). [c.147]     У многих бактерий обнаружены нехромосомные генетические элементы плазмиды, умеренные фаги и мигрирующие элементы (транспозоны и 15-элементы). Для плазмид характерно стабильное существование в нехромосомном состоянии.

Транспозоны и 15-элементы входят, как правило, в состав хромосом, но способны переходить из хромосомы в плазмиду, поэтому также могут быть отнесены к нехромосомным генетическим элементам. [c.

143]

    Таким образом, перемещающиеся генетические элементы индуцируют все виды хромосомных перестроек слияние и диссоциацию репликонов, транслокации, делеции, инверсии и дупликации.

Вместе с плазмидами и фагами они переносят гены между видами бактерий, подчас весьма отдаленными, и следовательно, играют важную роль в эволюции микроорганизмов. Новые возможности открывает использование мигрирующих элементов в генетическом конструировании. На основе их применения создаются методы транспозонного мутагенеза и генетической инженерии in vivo, существенно ускоряется разработка частной генетики бактерий, имеющих важное промышленное значение (N. Kle kner et al., [c.109]

    Для переноса мигрирующих элементов между клетками нужен переносчик, которым могут быть определенные плазмиды или фаги.

Встраивание мигрирующих элементов в бактериальную хромосому оказывает мутагенное действие, так как при этом происходит включение фрагмента ДНК, приводящее к изменению порядка расположения нуклеотидов в триплете и, как следствие этого, нарушению процесса транскрипции. [c.145]

    Как редкое событие, происходящее с частотой 10″ —10″ , плазмиды или отдельные гены, входящие в их состав, могут включаться в бактериальную хромосому. Поскольку ДНК плазмиды и бактериальной клетки не имеют одинаковых нуклеотидных последовательностей, т. е.

не являются гомологичными, рекомбинация между ними происходит не по механизму обмена, а по механизму встраивания (рис. 40, ). Рекомбинации такого типа происходят также с участием транспозонов и 18-элементов при их перемещении (транспозиции) в пределах хромосомы.

Встраивание плазмид и мигрирующих элементов помимо того, что приводит к введению в хромосому дополнительного генетического материала, может вызывать перестройку бактериального генома  [c.152]

    Помимо хромосомной ДНК в клетках архебактерий обнаружены типичные для эубактерий фаги, плазмиды, мигрирующие элементы. [c.412]

    Примеров таких перегруппировок с участием атомов водорода или атомов каких-либо других элементов достаточно много. Для доказательства протекания таких специфических процессов сравнивают масс-спектр исследуемого соединения с масс-спектром того же вещества, но содержащего в соответствующем положении изотоп мигрирующего элемента, таких, как дейтерий, Ю, С, и т. д. [c.165]

    Наряду с плазмидами, ответственными за устойчивость бактерий к антибиотикам, в бактериальных клетках имеются так называемые мигрирующие элементы, одни из которых — транспозоны — сложные структуры, иногда содержащие дополнительные гены, связанные с резистентностью к антибиотикам. Но и сами продуценты многих антибиотиков способны служить источниками генов резистентности, передавая их с помощью различных механизмов другим микроорганизмам, в том числе и патогенным. [c.457]

    В последние годы у дрозофилы обнаружено несколько типов экстрахромосомных элементов, а также мигрирующих элементов, которые могут менять свою локализацию в геноме. Они получили название прыгающих генов. Эти элементы весьма напоминают онкогенные РНК-содержащие вирусы, или ретро-вирусы. [c.251]

    Обычно хромосома Е. соИ имеет несколько /5-элементов, например 8 копий /5/, 5 копий /52 и т.д. Они перемещаются по хромосоме с частотой около 1 10 — 1 10 на клеточное деление. /5-элементы локализованы также в F-факторе Е.

соИ два /53, один /52 и еще один элемент, обозначаемый у Именно по этим мигрирующим элементам и происходит рекомбинация, когда F-фактор интегрирует с хромосомой Е. соИ, образуя ///г-штаммы. На это указывают результаты изучения ДНК F -факторов (см. гл.

9), у которых участок ДНК бактериальной хромосомы, включенный в F -фак-тор, оказывается отделенным от ДНК F-фактора по обоим концам одной и той же последовательностью /5-элемента.

/5-элементы F-фактора и такие же последовательности, разбросанные по бактериальной хромосоме, создают условия для образования Я/г-доноров с различными началами и направлениями переноса бактериальной хромосомы. [c.339]

    Таким образом, изменения и дальнейшая эволюция перекрывающихся генов должны происходить сопряженно. Это представляет как бы плату за тенденцию к увеличению информационной емкости небольшого генома.

По-видимому, перекрывание генов отражает приспособление к образу жизни бактериофагов, который принято называть сугубо паразитическим.

Примеры перекрывания генов известны и у сложных бактериофагов, например X, а также в мигрирующих элементах бактерий и эукариот. [c.478]

    Обнаруженные уже у бактерий подвижные элементы, перемещаясь, затрагивают экспрессию целых оперонов. У эукариот мигрирующие элементы изменяют экспрессию отдельных генов.

Тем самым создается более тонкая система настройки, большее разнообразие реакций, подхватываемых естественным отбором.

При этом следует учесть, что в своей структуре мобильные элементы часто несут сигналы инициации (промоторы) и терминации транскрипции. [c.494]

    Таким образом, мигрирующие элементы, перемещаясь по геному, действуют и как средство изменения экспрессии генов, и как средство эволюции структуры генома.

Это происходит благодаря тому, что один и тот же мигрирующий элемент, локализованный в разных (негомологичных) частях генома, служит для рекомбинации, приводящей к хромосомным перестройкам и транспозициям генов (см. гл. 13).

В то же время мобильные элементы могут играть роль мигрирующих промоторов, объединяя структурные гены и регуляторные элементы, настраивая их на общие сигналы регуляции. Таким образом, пути эволюции структуры и экспрессии генома оказываются объединенными. [c.494]

    Все эти различия объясняются миграцией, т. е. перемещением элементов из одних участков земной коры в другие, многообразными процессами их концентрации и рассеяния. Поэтому геохимиков очень интересует, с какой интенсивностью мигрируют элементы.

Казалось бы, задача решается просто надо определить содержание элементов в воде, полагая, что элементы, которых много, мигрируют интенсивно, а которых мало — слабо. В ряде случаев такой подход оправдывает себя. Например, в речных водах среди катионов преобладает кальций (Са » ), и он является энергичным водным мигрантом.

Б тех же водах очень мало алюминия, мигрирующего слабо. Однако подобный критерий применим не всегда. Так, в водах крайне мало золота — всего около 10 %. Значит ли это, что золото мигрирует слабее, чем железо н алюминий Содержание меди, цинка, молибдена, урана и многих других металлов в большинстве вод в сотни и тысячи раз меньше, чем кальция, магния, натрия.

Значит ли это, что тяжелые металлы мигрируют в сотни и тысячи раз менее интенсивно Очевидно, оценивать интенсивность миграции только по содержанию элементов в водах нельзя. Причина кроется в различной распространенности элементов в земной коре, в различии их кларков. Действительно, для природных вод литосфера является первоисточником многих элементов.

Большинство вод не насыщено микроэлементами, в связи с чем при более высоком содержании в горных породах вероятно и повышенное содержание этих элементов в водах. Конечно, [c.18]

    На долю растений, произрастающих еще ниже по направлению основного потока мигрирующих элементов, не будет доставаться в избытке и даже в больших количествах легкопоглащаемых элементов групп А, В и С. В этих условиях (надводные, супераквальные ландшафты) комфортным должно быть нахождение растений, образующих растительное сообщество 4 (см. рис. 17). [c.80]

    Мигрирующие элементы, представленные транспозонами и 18-элементами, — это линейные молекулы двухнитевой ДНК, размеры которых колеблются от 200 до 6000 пар нуклеотидов. Отличительная особенность мифирующих элементов — их неспо- [c.144]

    В настоящее время наиболее изучены два представителя этого рода Ps. aeruginosa (штамм РАО) и Ps. putida. Для генетического анализа псевдомонад используются конъюгативные плазмиды, способные мобилизовать перенос хромосомных генов, и неконъюгативные плазмиды. Разработаны методы индукции инсерционных или делеционных мутаций при внедрении транспозонов и других мигрирующих элементов. Система клонирования [c.164]

    Впервые мигрирующие генетические элементы были описаны Б. Мак-Клинток в 1947 г. в связи с изучением хромосомных разрывов у кукурузы. Был обнаружен мигрирующий локус (( истциатпр). в котором предпочтительно происходят разрывы хромосом. Сам по себе не вызывает рызрывов.

Они поЖляются в Этом локусе, если только в геноме присутствует другой мигрирующий элемент — Ас (активатор). Оба эти элемента мотут теряться с частотой нескольких процентов в мейотическом потомстве или менять свою локализацию при митотических делениях. При этом перемещается только в присутствии Ас.

 [c.337]

    Только в 80-х годах благодаря успехам генной инженерии удалось выделить и исследовать Ас, Ds и некоторые другие мигрирующие элементы кукурузы (рис. 13.15).

Оказалось, что Ds — это дефектный делатировандый вариант Ас.

Структура элемента Ас оказалась типичной для мигрирующих элементов, которые к этому времени были изучены прежде всего у бактерий, а также у дрозофилы и дрожжей Sa h. erevisiae. [c.338]

    В дальнейшем у бактерий были обнаружены более сложные мигрирующие элементы — транспозоны, которые отличаются от /5-элементов тем, что в них включены некоторые гены, не имеющие отношения к самому процессу транспозиции. Известны транспозоны, включающие гены устойчивости к антибиотикам, ионам тяжелых металлов и другим ингибиторам.

Транспозоны обычно фланкированы длинными прямыми или инвертированными повторами, в роли которых часто выступают /5-элементы (см. рис. 13.17). Сходно устроены и транспозоны эукариот, например Ту /-элемент Sa h. erevisiae размером 5700 п. н., вызывающий дупликации 5 п. н. в точках интеграции с ДНК хромосом (рис. 13.16). Подобное строение имеют и множественные диспергированные гены D.

melanogaster (МДГ), и ДНК-копии ретровирусов. [c.339]

    Изучение нуклеотидной последовательности дуплицируемых сайтов-мишеней на концах мигрирующих элементов показало, что они, как правило, неодинаковы как у различающихся элементов, так и у одного и того же элемента, локализованного в разных местах. Следовательно, мигрирующие элементы внед- [c.339]

    Некоторые мигрирующие элементы, покидая точку своей локализации, претерпевают внутрихромосомную гомологичную рекомбинацию по фланкирующим их длинным концевым повторам. В результате этого транспозон оставляет после себя одну копию своего концевого повтора, как это показано, например, для дрожжевого транспозона Ту 1 (рис. 13.17), оставля- [c.340]

    Было замечено также, что точки разрывов при транслокациях у дрозофилы предпочтительно локализуются в районах эктопического спаривания, т. е. в районах негомологичных хромосом, время от времени синаптирующих на препаратах слюнных желез.

Это указывало на существование в негомологичных хромосомах участков частичной гомологии и позволяло искать рекомбинационный механизм хромосомных перестроек.

Несомненный успех в этом направлении был достигнут только с открытием мигрирующих элементов генома и в связи с применением техники рекомбинантной ДНК для их выделения и изуче-ния. [c.343]

    Делеции и дупликации могут происходить, если два мигрирующих элемента в одной и той же хромосоме одинаково ориентированы.

Тогда рекомбинация по гомологии между этими элементами после репликации между сестринскими хроматидами или гомологичными хромосомами приведет к дупликации (трипликации) и делеции в качестве реципрокных продуктов рекомбинации (рис. 13.19, А).

Делеции могут возникать и в результате рекомбинации двух гомологичных элементов, расположенных в одной хромосоме и одинаково ориентированных (рис. 13.19, Б). При этом дупликация отсутствует. [c.343]

Рис. 13.19. Механизм возникновения хромосомных- перестроек, опосредованных мигрирующими элементами. А — делеции и дупликации Ь — делеции без дупликаций Й— инверсии Г — транслокации Д—образование мостов и фрагментов в анафазе 1 Г — исходная копия мигрирующего элеменгга, 2 — копия мигрирующего элемента, переместившаяся в новое место

    Большинство перечисленных здесь рекомбинационных механизмов возникновения хромосомных аберраций продемонстрированы в экспериментальной работе с бактериями и дрожжами. Мигрирующие элементы способны захватывать и переносить на новое место гены, рядом с которыми они располагаются. По образному выражению Р. Б. Хесина, попав в плохую компанию, гены из добропорядочных превращаются в бродяг . Тем самым осуществляется дупликация отдельных генов, необходимая для дивергенции генетического материала, т. е. возникновения генов с новыми функциями. Кроме того, повторы одинаковых или сходных участков генетического материала сами по себе создают условия для рекомбинации по гомологии между генами, располагающимися в негомологичных участках генетического материала. Подобная рекомбинация происходит значительно реже, чем полностью гомологичная рекомбинация — кроссинговер, но она также связана с инициирующей рекомбинацию конверсией. Это показано для дрожжей-сахаромицетов, имеющих два одинаковых гена his 3 один на своем месте в хромосоме XY, а другой — внесенный с плазмидой в результате интегративной трансформации (см. гл. 11). Второй ген his 3 был интегрирован в другую часть генома благодаря рекомбинации плазмиды с Ту 1-элементом, который она также несла. С помощью такой модели была продемонстрирована конверсия между негомологичными хромосомами. Аналогичный результат был получен и для разных генов дрожжей с высоким уровнем гомологии нуклеотидных последовательностей сус 1 и сус 7, кодирующих изо-1 и ИЗО-2-ЦИТОхромы С. У другого вида дрожжей негомологичная конверсия показана между генами, кодирующими очень близкие по структуре тРНК. В редких случаях негомологичная конверсия сопровождается реципрокными транслокациями. [c.345]

    Рассмотренные здесь способы возникновения повторов в геноме при участии мигрирующих элементов следует назвать первичными дупликациями, т. е. дупликациями, возникающими de novo.

Очевидно, существует большая группа так называемых вторичных дупликаций, примерами которых могут быть повторы, возникающие вследствие кроссинговера в гетерозиготных Инверсиях и транслокациях (см. рис. 13.7, 13.8, 13.

11), а также вследствие нерасхождения хромосом и полиплоидии (см. гл. 14). [c.345]

    В связи с модификациями и генотипической изменчивостью представляют интерес полученные в последние годы данные о том, что одни и те же воздействия, вызывающие стрессовую адаптивную реакцию организма, могут активировать мигрирующие элементы генома.

Так, показано, что при температурном шоке у дрозофилы резко и значительно повышается количество транскриптов мигрирующего элемента opia. В длинных терминальных повторах этого элемента содержатся последовательности, гомологичные усредненной структуре промоторов генов теплового шока.

Эти данные соответствуют тому, что температурные воздействия активируют перемещения мобильных элементов у кукурузы, дрозофилы и дрожжей, а также позволяют рассматривать мигрирующие элементы как мобильные промоторы, регулирующие экспрессию близлежащих генов в экстремальных условиях.

 [c.451]

Мобильные генетические элементы прокариот

У прокариот выявлено несколько различных МГЭ: IS-элементы, транспозоны, плазмиды, а также некоторые бактериофаги.

IS-элементы (insertion sequences)

IS-элементы их еще называют инсерционные последовательности чаще состоят из 700 – 1500 пар нуклеотидов. На их концах располагаются инвертированные повторы, необходимые для перемещения, и содержащие обычно 10-40 пар нуклеотидов.

В составе IS-элементов содержится один или несколько генов ответственных за их перемещение (транспозицию) по геному. Продуктом этих генов является транспозаза – белок, обеспечивающий перемещение IS-элемента. Транспозиция IS-элементов может происходить двумя способами.

При транспозиции IS-элемента по первому способу происходит его удвоение, при этом одна из его копий остается на прежнем месте, а вторая встраивается в новый участок ДНК. Встраивание IS-элемента сопряжено также и с удвоением сайта-мишени, имеющего определенную длину (обычно 5 – 10 пар нуклеотидов) для каждого элемента.

Обычно IS-элементы могут интегрировать в различные участки генома бактерий. В тоже время некоторые последовательности ДНК могут оказаться более предпочтительными, чем другие. При втором способе перемещения

происходит вырезание IS-элемента и последующее его встраивание в другой участок генома. IS-элементы при транспозиции могут попасть в регуляторную или кодирующую части гена и вследствие этого его инактивировать, или нарушить его нормальную регуляцию. IS-элементы могут влиять и на экспрессию генов расположенных с ними поблизости.

• Транспозоны
• Транспозоны (Tn-элементы) обладают теми же характеристиками, что и IS-элементы, но несут дополнительные гены, несвязанные с транспозицией. Такими генами могут быть:
• а) гены устойчивости к антибиотикам, позволяющие бактериальной клетке выживать в присутствии соответствующих антибиотиков;
• б) гены устойчивости к тяжелым металлам и другим ядам, позволяющие бактерии выживать при их наличии в среде обитания;
• в) гены токсинов, снижающие жизнеспособность хозяев;
• г) гены, позволяющие бактериям использовать нетрадиционные субстраты;
• д) другие гены.
• Транспозон может быть организован, так же, как и IS-элемент.

Но в отличие от IS-элементов транспозоны еще несут дополнительные гены, несвязанные с транспозицией. Как и IS-элементы транспозоны ограничены короткими прямыми повторами, возникшими в результате дупликации при его интеграции в геном.

Механизм перемещения Tn-элементов сходен с таковым IS-элементов. Встраивание транспозонов, как и IS-элементов, может происходить в различные районы генома.

Однако они могут предпочитать определенные области хромосом для интеграции.

Транспозоны способны передавать заключенные в них гены от одних бактерий другим, что может играть важную роль при адаптации бактерий к антибиотикам или продуцирования ими новых токсинов.

Плазмиды

В бактериальных клетках присутствуют внехромосомные факторы наследственности – плазмиды. Они способны переносить генетическую информацию от одной бактерии в другую. Существуют плазмиды, способные обратимо интегрировать в хромосому. Их называют – эписомы.

Эписомы, обычно, содержат IS- или Tn-элементы, благодаря которым они могут включаться в состав хромосомы. Размер ДНК плазмид составляет 0,1 – 5 % размера хромосомы. Плазмиды в большинстве случаев кольцевые, ковалентнозамкнутые, суперсперализованные молекулы ДНК.

Однако, существуют и линейные плазмиды, у таких плазмид концы защищены белками или соединены ковалентно.

Плазмиды несут гены, необязательные для бактерий: гены устойчивости к антибиотикам; гены устойчивости к тяжелым металлам и другим ядам; гены токсинов; гены, позволяющие бактериям использовать нетрадиционные субстраты; другие гены.

Плазмиды для своей репликации используют клеточный репликативный аппарат. Каждая плазмида представляет собой репликон, репликация которого находится под контролем, поэтому каждая плазмида в клетке бактерии представлена определенным числом копий. Различают:

1. а) однокопийные плазмиды – представлены в клетке одной копией на клетку;
2. б) мультикопийные плазмиды, присутствуют в клетке обычно в 10 – 20 копиях;
3. в) плазмиды с ослабленным контролем репликации, они могут накапливаться в клетке до 1000 копий.

Плазмиды могут передаваться от одной бактерии к другой при конъюгации. В связи с этим различают трансмиссивные плазмиды. Эти плазмиды содержат tra-гены.

Плазмиды могут иметь широкий круг хозяев. Их называют космополитными плазмидами. Существуют плазмиды, способныет существовать в клетках грамположительных и грамотрицательных бактерий. Существуют плазмиды, способные существовать как в

прокариотических клетках, так и в клетках дрожжей.

Поиск на сайте: