Геном про и эукариот

Повторенные последовательности
Тандемные повторы, включая кластеры генов
Псевдогены
Мобильные элементы
Распределение различных повторов в хромосоме.

Тандемы – сателлиты
Сателлиты Drosophila melanogaster.
Cателлиты – многократно повторенные короткие последовательности ДНК.
Тандемные повторы с длиной периода от 2 до ~ 6 называют микросателлиты
…tttatttatttatttatttatttatttatttatttatttatttatttatttatttatttattta…
…gggaaggtgatggggaaggatgat
gggaaggatgatggggaaggatgat
ggtaaggatgatggagaaggatgat
…ccaccatcaccaccaccaccatcaccatcaccaccaccatcaccatcactaccaccaccaccaccaccaccatcactacca…
ggcagggggcagggggcagggggcagggggcagggggc…
Тандемные повторы с длиной периода от 6 до ~ 100 называют минисателлиты
Cателлиты не встречаются у прокариот, однако очень широко распространены у эукариот. Паттерн и набор сателлитов может сильно варьировать даже при сравнении индивидуумов одного вида.

Тандемы – сателлиты
Наиболее часто встречающиеся короткие повторы, обнаруженные у крысы и собаки в различных хромосомах – расположены по частоте встречаемости.
Крыса, chr10 и chr12 Собака, chr1 и chrX

Микросателлиты используются в качестве маркеров для популяционного анализа, а также в криминалистике и установлении отцовства (генетическая генеалогия).
Тандемы – микросателлитная изменчивость
Распространение различных гаплотипов Y хромосомы
на основе STR (short tandem repeat) анализа.

Тандемы – кластеры генов
Кластеры глобиновых генов в хромосомах 11 и 16 человека
У эукариот гены, контролирующие последовательные биохимические реакции или даже одну и ту же реакцию расположены в различных участках генома. В тоже время, известны примеры кластерной организации генов. Например, гены, кодирующие различные гемоглобины человека.

Тандемы – кластеры генов
Hox-кластер плодовой мушки и мыши. Считается, что дифференцировка частей тела проходит в том же порядке, в котором располагаются гены в Hox кластере.
Самый известный и активно изучаемый кластер генов – Hox кластер или кластер Hox-генов, отвечающих за дифференцировку основных частей тела у двухсторонне симметричных животных

Тандемы – кластеры генов
Предполагаемая эволюция Hox-кластера
Кластеры генов возникают в результате дупликаций исходных генов и последующих мутационных процессов, включая рекомбинации – как гомологичные, так и негомологичные. В процессе эволюции кластеры генов преобразуются в семейства генов.

Тандемы – кластеры генов
Общая схема эволюции животных и их Hox-генов.

Тандемы – кластеры генов прокариот
Однако не только у эукариот существуют кластеры генов. У бактерий обнаружены различные кластеры генов, имеющих общее происхождение и схожую функцию. Например, у E. coli описан ряд антибактериальных агентов, кодируемых кластерами генов. В частности – миокрины.
Кластеры генов, кодирующих миокрины (miocrin) класса I E. coli
Кластеры генов, кодирующих миокрины (miocrin) класса II E. coli

Псевдогены
Псевдогены – последовательности, сходные с обычными структурными генами, но, как правило, не экспрессирующиеся с образованием функционально активных полипептидов.
Псевдогены в составе кластера глобиновых генов.

Псевдогены
Псевдогены образуются двумя путями: через дупликацию с последующей инактивацией копий мутациями и через интеграцию в геном копий ДНК, комплементарных зрелой молекуле мРНК, возникающих в результате ее обратной транскрипции
Два пути возникновения псевдогенов.

Мобильные элементы
В геноме человека представлены non-LTR ретротранспозоны, LTR ретротранспозоны, эндогенные ретровирусы, ДНК транспозоны. В общей сложности около 45% генома.
Мобильные элементы – последовательности ДНК, способные менять свою локализацию в геноме. Выделяют два обширных класса мобильных элементов на основе различий механизмов перемещения и структурной организации.
Ретротранспозоны – мобильные элементы, использующие процесс обратной транскрипции.
ДНК-транспозоны – мобильные элементы, перемещающиеся в виде ДНК копий с использованием нескольких отличных друг от друга механизмов.
В геномах эукариот встречаются оба класса мобильных элементов, у прокариот обнаружены только ДНК-транспозоны.

Ретротранспозоны
Среди ретротранспозонов выделяют три подкласса:
- non-LTR ретротранспозоны
- LTR ретротранспозоны
- и SINE (short interspersed elements) элементы
Представители различных подклассов ретротранспозонов отличаются не только структурной организацией, но и механизмом перемещения.
Структура различных ретротранспозонов. Ключевой фермент – обратная транскриптаза (RT – reverse transcriptase), необходима для синтеза новой копии элемента. SINE элементы используют RT соответствующих non-LTR ретротранспозонов для своего перемещения.

Non-LTR ретротранспозоны
Non-LTR ретротранспозоны используют праймер опосредованный механизм синтеза новой копии элемента (TPRT – target-primed reverse transcription).
Синтез кДНК начинается только после образования разрыва ДНК в месте встраивания новой копии – 3’ конец геномной ДНК используется в качестве затравки для начала синтеза первой цепи кДНК.
Все процессы синтеза новой копии non-LTR ретротранспозонов осуществляются в ядре - в месте встройки будущей копии элемента.

LTR ретротранспозоны
LTR ретротранспозоны используют механизм синтеза новой копии сходный с образованием новых копий кДНК ретровирусов.
В качестве затравки LTR ретротранспозоны используют тРНК. Все процессы синтеза новой копии LTR ретротранспозона осуществляются в цитоплазме, а к месту встраивания доставляется уже синтезированная кДНК копия элемента.

SINE элементы
SINE элементы используют ферментативную машину non-LTR ретротранспозонов для собственного перемещения. SINE элементы, чаще всего, видо- или родо-специфичны, то есть обнаруживаются у определенных видов или группы родственных видов. Механизм возникновения SINE элементов остается неизвестным. Считается, что SINE элементы могут возникать de novo у различных организмов.

ДНК-транспозоны

ДНК-транспозоны
Ранее считали, что ДНК-транспозоны эукариот делятся по механизму перемещения на два класса: размножающиеся с помощью нерепликативной транспозиции (по механизму «вырезание-встраивание») и репликативной транспозиции. Однако в последние годы благодаря секвенированию геномов многих организмов были открыты in silico два новых класса ДНК-транспозонов эукариот: Helitrons и Polintons. Helitrons перемещаются с помощью полурепликативной транспозиции по принципу катящегося кольца, подобно плазмидам и некоторым вирусам. Polintons, или самосинтезирующиеся транспозоны, при размножении используют свою собственную ДНК-полимеразу, праймером для которой служит белок, и считаются в настоящее время самыми сложными ДНК-транспозонами эукариот.
ДНК-транспозоны найдены как в геномах эукариот, так и прокариот.

ДНК-транспозоны
Основной механизм перемещения ДНК-транспозонов – вырезание/встраивание (cut-and-paste).

Мобильные элементы
Мобильные элементы в геноме человека и мыши
Состав и количество мобильных элементов сильно варьирует не только между различными таксонами, но и между близкородственными видами и даже между представителями одного и того же вида.

Мобильные элементы - роль
Мобильные элементы могут играть существенную роль в организации и эволюции генома

Мобильные элементы - роль
Наиболее известный пример участия мобильных элементов в функционировании генома – сохранение теломер у Drosophila melanogaster.
Организация теломер у различных насекомых. Теломеры Drosphila образованы двумя non-LTR ретротранспозонами, а у Bombyx в сохранении теломер участвуют как теломераза, так и non-LTR ретротранспозоны.

Мобильные элементы - роль
Различные варианты хромосомных перестроек в результате рекомбинаций между повторами, в частности – мобильными элементами.