Мобильные элементы: Мобильные генетические элементы | «Биомолекула»

Поиск генетических отличий человека от его ближайших родственников – шимпанзе – является одной из интереснейших задач современной биологии. На настоящий момент представляется совершенно очевидным, что мобильные генетические элементы отнюдь не являются ненужным «мусором» генома на фоне «важных» белоккодирующих последовательностей. Напротив, показано, что мобильные генетические элементы, радикальным образом влияя на работу генов, играют одну из ключевых ролей в эволюции организмов, в том числе, и на эволюцию человека. Подробный анализ специфических для человека мобильные генетические элементы, возможно, позволит выявить множество генов, имеющих уникальный для человека характер экспрессии. Генов, отличающих, таким образом, человека от животных.

Что отличает нас от животных? Поэт, романтик и философ скажут, что человека от животных отличает наличие души. Специалист в области высшей нервной деятельности вслед за Павловым заметит, что только у человека есть вторая сигнальная система. Нейробиолог добавит, рассказав нам много об особенностях строения мозга человека: и про увеличение ассоциативных полей неокортекса, и про увеличение височных долей, про центры речи и про многое другое. Антрополог, изучающий кости ископаемых предков Homo sapiens, обязательно скажет, что только у нас есть подбородочный выступ в черепе, нет надбровных дуг, несоразмерно большой мозговой отдел черепа и т.д. (Существует даже красивая теория, что одно из отличий человека от животных – это умение смеяться и плакать.) И все они будут правы. Выходит, искать отличия человека от животных можно в самых разных областях науки, да и жизни вообще. Однако, поскольку все признаки организма определяются его геномом, все эти отличия можно свести к отличиям в геноме. И поиск генетической основы, ответственной за очевидные различия в фенотипах человека и животных, особенно, его ближайших родственников, представляется одной из интереснейших задач современной биологии. Показано, что значительный вклад в структуру и функционирование генома, и, соответственно, в его видоспецифичность, вносят мобильные генетические элементы (МГЭ).

В обсуждаемой статье, посвященной роли МГЭ в функционировании генома человека, К. К. Баскаев и А. А. Буздин из Института биоорганической химии им. акад. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН приводят краткий обзор основных генетических отличий человека от его ближайших нынеживущих родственников – шимпанзе, представленных в настоящее время двумя видами: обыкновенный шимпанзе (Pan troglodytes) и карликовый шимпанзе, или бонобо (P. paniscus). Авторы выделяют четыре основные группы генетических различий человека от шимпанзе.

1. Различная хромосомная организация, включающая утраты частей хромосом (делеции), различные вставки (инсерции), удвоения частей хромосом (дупликации) и обмен участками между негомологичными хромосомами (транслокации). Таких хромосомные перестройки происходят сравнительно часто, они имели место и на филогенетической линии, ведущей к человеку, и на линии шимпанзе. Посчитано, что инсерции и делеции, по которым человек отличается от шимпанзе, включают около 150 млн. п.о. Гораздо реже происходят более крупномасштабные события, такие как изменения числа хромосом. На человеческой линии произошло объединение двух предковых хромосом с образованием человеческой 2 хромосомы. У шимпанзе эта хромосома соответствует 12 и 13 хромосомам. Еще одно существенное отличие – перестройки в теломерных и центромерных областях, а так же в некоторых участках Y-хромосомы

2. Вариации в числе копий, положении в геноме и активности общих для человека и шимпанзе последовательностей.

3. Различия в белоккодирующих регионах, результатом которых являются различия в первичной структуре некоторых белков.

4. Видоспецифичные инсерции МГЭ.

Различия между ДНК человека и шимпанзе составляют в среднем около 1,24% и всего примерно 0,5% в белоккодирующих участках. Это значит, что если из всего генома человека наугад выбрать 100 нуклеотидов, то из них, скорее всего, только 1,24 будут не такими, как у шимпанзе. Тем не менее, никто не спутает человека с шимпанзе. Дело в том, что геном организован так, что один маленький эффект – экспрессия белоккодирующего гена — регулируется сложнейшей огромной сетью регуляторных генов. И маленькое изменение в этой пирамиде может радикальным образом увеличить или уменьшить экспрессию какого-то белка.

Особое внимание в обзоре было уделено анализу вклада специфических для человека МГЭ в структуру и функционирование генома человека.

Напомню о принципе строения, функционирования и вкладе МГЭ в геном. Тем, кто все это знает, следующие три абзаца можно пропустить. МГЭ – это фрагмент двунитевой молекулы ДНК, часть генома организма-хозяина, способная к самовоспроизведению, независимо от воспроизведения остального генома.

Этот белок умеет «вырезать» МГЭ из молекулы ДНК, делать ступенчатые разрывы в сайте встраивания в молекуле ДНК-мишени и вшивать вырезанный МГЭ в «ступенчато разорванный» сайт встраивания. После вшивания, ДНК-полимераза и ДНК-лигаза заполняют появившиеся в результате ступенчатых разрывов «липкие концы» ДНК, и образуются концевые прямые повторы — отличительный признак МГЭ, уже прошедшего транспозицию (рис. 3).

У эукариот, помимо описанных выше IS-элементов, существует два класса транспозонов: транспозоны I класса, присущие только эукариотам, и транспозоны II класса, общие для прокариот и эукариот. Транспозоны II класса, или ДНК-транспозоны, отличаются от описанных IS-элементов лишь тем, что они включает не только ген транспозазы, но и другие, посторонние, гены. Бывают составные ДНК-транспозоны и несоставные, или комплексные, ДНК-транспозоны. Составные ДНК-транспозоны представляют собой два идентичных типичных IS-элемента, окружающих центральную часть, содержащую посторонние гены, и вся эта конструкция вырезается, переносится и вшивается как единое целое. Комплексные ДНК-транспозоны по сути являются IS-элементами, отличие от типичных IS-элементов в том, что у этих транспозонов в центральной части присутствуют посторонние гены. Транспозоны II класса, или ретротранспозоны, присущи только эукариотам. И это, наряду с эндогенными ретровирусами (см. ниже), единственный способный к транспозиции класс МГЭ, найденный у млекопитающих и человека. МГЭ других классов утратили способность автономно воспроизводиться и перемещаться по геному из-за накопившихся мутаций. Главное отличие ретротранспозонов от ДНК-транспозонов в том, что их цикл репродукции включает стадию промежуточной молекулы РНК и стадию обратной транскрипции. Соответственно, в составе ретротранспозонов, как правило, имеется участок, кодирующий обратную транскриптазу, или ревертазу. На ретротранспозоны очень похожи т.н. эндогенные ретровирусы эукариот – ретровирусы, прочно интегрированные в геном клетки-хозяина и утратившие способность к образованию вирионов. Т.е. эндогенные ретровирусы можно рассматривать как МГЭ, имеющие вирусное происхождение, но на настоящей стадии являющиеся в большей степени частью организма-хозяина, чем частью вирусного паразита.

Результатом вставок МГЭ является отключение генов в результате непосредственной вставки МГЭ в их белоккодирующие части и изменение их активности в результате вставки МГЭ в регуляторные участки. Так, например, у человека не работает ген CMP, кодирующий фермент гидроксилазу сиаловой кислоты. Это фермент превращает N-ацетилнейраминовую кислоту в N-гликолилнейраминовую кислоту, которую человек, в отличие от шимпанзе, синтезировать не умеет. Причина отключения гена – вставка в его белоккодирующую часть специфического для человека ретротранспозона из семейства Alu. Другой результат транспозиции – это рекомбинация генома (рис. 4).

Итак, вернемся к специфическим для человека вставкам МГЭ. Как писалось выше, геном человека отличается от генома шимпанзе на 1,24%. Из этих отличий 78% приходится на МГЭ-независимые делеции и дупликации, 19% — на простые замены и лишь 3% — на вставки ретроэлементов – единственных активных (не выключенных накопившимися мутациями) МГЭ человека. Авторы обсуждаемой статьи выделяют четыре группы «человеческих» ретроэлементов: HERV-K (от Human endogenous retroviruses, эндогенные ретровирусы человека), L1, Alu и SVA, на которые приходится, соответственно, 5%, 51%, 24% и 20% от всех «человеческих» ретроэлементов. В обзоре перечислены основные известные на сегодняшний день виды влияний специфических для человека МГЭ на функционирование генома человека.

1. МГЭ – субстраты рекомбинации. Основные механизмы МГЭ-зависимой рекомбинации приведены на рис. 4.

2. МГЭ – энхансеры транскрипции. Действительно, известно много случаев, когда МГЭ увеличивает уровень экспрессии гена. Так, например, ретроэлемент семейства Alu является частью энхансерной области (т.е. области, повышающей активность) человеческого гена CD8.

3. МГЭ – транскрипционные промоторы. Оказывается, около 25% человеческих промоторов [0] (сайтов связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы) содержат в своей последовательности ретроэлементы.

4. МГЭ – поставщики альтернативных сайтов сплайсинга. Здесь ключевая роль принадлежит ретротранспозонам Alu. По краям белоккодирующего участка гена всегда есть нетранслируемые участки, в которых присутствие Alu может оказывать существенное влияние на то, что происходит с мРНК после транскрипции. Механизмы этого влияния могут быть разными: влияние на трансляцию, стабильность мРНК и альтернативный сплайсинг. Т.е. МГЭ могут влиять на продукт гена уже после его транскрипции. Примером такого влияния может служить специфическая для человека вставка Alu в ген, связанный с врождённой мышечной дистрофией.

5. МГЭ – доноры сигнала полиаденилирования. Напомню, что полиаденилирование – один из важных этапов созревания мРНК перед трансляцией, состоящий в присоединении 100-200 остатков аденина к определенной сигнальной последовательности – сигналу полиаденилирования. МГЭ человека кодируют свои гены, и эти гены имеют свои сигналы полиаденилирования. Значит, включение МГЭ в гены человека создает альтернативные сайты полиаденилирования.

6. МГЭ – антисмысловые регуляторы транскрипции . Антисмысловые РНК – это РНК, комплементарные мРНК. Показано, что МГЭ, присутствующие в интронах генов, как правило, находятся в антисмысловой ориентации относительно направления транскрипции этого гена. Таким образом, промоторы МГЭ могут управлять транскрипцией РНК, комплементарной участкам мРНК соответствующего гена. Получившаяся антисмысловая РНК, комплементарно связываясь с мРНК, может подавлять ее сплайсинг и трансляцию.

Не будет лишним еще раз отметить, что все перечисленные механизмы влияния МГЭ обнаружены у человека. И для каждого механизма есть примеры, отсутствующие у шимпанзе. Таким образом, по мнению авторов обсуждаемой статьи, специфические для человека МГЭ можно рассматривать в качестве важного кандидата на роль агента антропогенеза. Если выйти за рамки эволюции человека и подойти к проблеме влияния МГЭ на эволюцию в целом, то можно увидеть, что это влияние неожиданно велико. Показано, что МГЭ играли ключевую роль в эволюции млекопитающих («Прочтение генома опоссума доказало ключевую роль транспозонов в эволюции млекопитающих»). Учитывая, что на настоящий момент детально изучено лишь 2% всех специфических для человека МГЭ, можно надеяться, пишут авторы, что дальнейший полногеномный анализ МГЭ человека позволит выявить множество генов, имеющих уникальный для человека характер экспрессии. Возможно, это позволит нам приблизиться к извечному вопросу человечества как группы организмов, способных к научному изучению самих себя: «Что же делает нас людьми?».

Мобильные элементы ДНК: тайное становится явным

Алексей Ржешевский
«Троицкий вариант» №1(170), 13 января 2015 года

Звание первооткрывателя мобильных генетических элементов по праву принадлежит нобелевскому лауреату американскому ученому-генетику Барбаре Мак-Клинток, которая в середине прошлого века обнаружила их активность в геноме кукурузы. И до нее некоторые исследователи обращали свое внимание на загадочные перестройки в геноме и мутации, которые нельзя было объяснить имевшимися тогда знаниями. Поначалу изучение подвижных элементов находилось в тени других научных направлений из-за укоренившейся догмы о постоянстве генома и не воспринималось серьезно большинством ученых. Те исследователи, которые набирались смелости заявить научному сообществу о нестабильности наследственного материала, всерьез рисковали своей репутацией.

По всей видимости, первым, кто выдвинул предположение о наличии подвижных генов и связанных с ними перестройках генома, был голландский генетик Гуго де Фриз. Специализируясь на изучении растений, он в начале прошлого века обратил внимание на мозаичность в окраске цветка львиный зев (Antirrhinum majus). Гуго де Фриз напрямую связал это явление с наличием неизвестных неустойчивых факторов в геноме растений. Спустя почти сто лет предположение де Фриза нашло свое практическое подтверждение: в геноме львиного зева был обнаружен мобильный элемент (названный Tam, transposable element Antirrhinum majus), отвечающий за характерную для этого растения мозаичность окраски.

После работ де Фриза еще несколько исследователей сталкивались со странными передвижениями «незыблемого» генома. Но исходя из имевшихся тогда знаний не могли понять сущность этого явления. Прорыв в изучении мобильных элементов наступил в конце 40-х годов прошлого века, когда за дело взялась энергичная исследовательница генома кукурузы Барбара Мак-Клинток. Изучая разрывы и воссоединения цепи ДНК одной из хромосом кукурузы, она обнаружила загадочный элемент, который перемещался по геному и вызывал мутации. Ее коллеги встретили новость о нестабильном геноме с большим недоверием и критичностью. Мак-Клинток даже обвиняли, что она ищет дешевой популярности, выдвигая фантастические и непроверенные идеи. Вероятно, ей пришлось выслушать немало обидных и едких замечаний.

Удивительно, но только лишь на основе своих теоретических предположений и доступных тогда технических средств Мак-Клинток сумела практически без ошибок описать все основные свойства мобильных генетических элементов, известные сегодня. И поэтому вполне закономерно, что Нобелевский комитет спустя тридцать лет отметил эту выдающуюся исследовательницу премией в области медицины и физиологии. Заслуженная награда нашла своего героя.

После теоретического предсказания Мак-Клинток пришло время обнаружения подвижных генов на молекулярном уровне. В конце 60-х годов, в ходе изучения механизмов мутаций у бактерий, немецкими и американскими учеными (Д. Шапиро, Х. Сэлдером и Р. Штарлингером) были открыты простейшие мобильные элементы у одноклеточных. Шаг за шагом ученые во всем мире приближались к переломному моменту в изучении мобильных элементов — обнаружению их в геномах сложных организмов. Наиболее в этом направлении продвинулись ученые из США и Советского Союза, изучавшие ДНК плодовой мушки дрозофилы и добившиеся примерно одинаковых результатов. И лишь счастливый случай определил, кто будет первооткрывателем.

Первыми, кому удалось открыть мобильные элементы у дрозофилы, были российские ученые из Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта и Института атомной энергии им. И. В. Курчатова — руководители лабораторий Г. П. Георгиев и В. А. Гвоздев и трое их молодых сотрудников Ю. Ильин, Н. Чуриков и Е. Ананьев. Это открытие было сделано ими в 1976 году.

Как вспоминал позднее один из участников тех исследований, Н. А. Чуриков, российским генетикам приходилось проводить работы по клонированию ДНК буквально «на ощупь», многое делая впервые. Руководитель лаборатории, академик Георгиев, был знаком со многими известными западными учеными. И они по его просьбе, несмотря на холодную войну между США и СССР, любезно снабжали своих российских коллег всеми необходимыми для исследований материалами. Дружный коллектив генетиков двух институтов и целенаправленная работа в конце концов дали свои результаты — мобильные элементы у дрозофилы были обнаружены.

Параллельно с российскими работами американцы, Дэвид Хогнесс и его коллеги, тоже занимались клонированием фрагментов ДНК у дрозофилы. Спустя некоторое время они также сумели обнаружить подвижные гены в геноме плодовой мушки, хотя вначале сомневались в их существовании.

Вот как об этом рассказал академик В. А. Гвоздев: «Я был тогда невыездным, а мой коллега Г. П. Георгиев, в это время уже всемирно известный ученый, периодически ездил за границу и по возвращении рассказывал большому собранию наших ученых о зарубежных научных успехах. Г. П. Георгиев рассказал, что он демонстрировал различное расположение мобильных генов в гомологичных хромосомах особи, но Хогнесс посчитал тогда это артефактом. А потом он сам получил такие же результаты. Но в чем-то, что касалось молекулярной характеристики мобильных элементов, американцы были впереди нас. Выделение мобильных элементов из дрозофилы сделали Юрий Ильин и Николай Чуриков из лаборатории Георгиева. Снимки же с расположением мобильных элементов по длине хромосом были получены впервые в мире Евгением Ананьевым в нашей лаборатории».

В 1977 году в Трудах Национальной академии наук США вышла совместная работа известного российского генетика М. Д. Голубовского и его американских коллег, в которой они теоретически обосновывали природу генетической нестабильности у дрозофилы. В их работе указывалось, что нестабильные генные варианты возникали во время загадочных вспышек мутаций, происходивших практически синхронно в географически удаленных природных популяциях. Нестабильные гены из природы меняли свое состояние с частотой в сотни и тысячи раз выше обычного темпа мутирования. Нестабильность оказалась связана со вставками разных мобильных элементов в районы расположения нестабильных генов. Таким образом, была доказана важная роль мобильных элементов в возникновении природного генетического разнообразия. Впервые был даже найден поразительный случай природной генетической инженерии, когда два изначально удаленных на хромосоме гена были с помощью мобильного элемента перенесены один к другому и стали совместно проявляться и мутировать.

Открытие подвижных генов у дрозофилы фактически послужило отправной точкой в последующем исследовании мобильных элементов, изучение которых после этого получило мощнейший импульс и приобрело очень широкие масштабы. По мнению многих ученых, российские генетики за открытие подвижных генов дрозофилы вполне могли претендовать на самую высокую научную премию — Нобелевскую.

Вскоре после этого российские ученые сделали еще одно важное открытие. В 1979 году академиком Георгиевым и его сотрудниками Д. А. Крамеровым и А. П. Рысковым был открыт новый, неизвестный ранее тип мобильных элементов, названный SINE (Short Interspersed Elements). Вот как вспоминает о тех исследованиях руководитель лаборатории эволюции геномов эукариот (Институт молекулярной биологии РАН) Д. А. Крамеров: «Мы обнаружили, что по геному мыши “разбросаны” сотни тысяч копий элементов SINE двух видов, названных нами В1 и В2. В сотрудничестве с лабораторией академика А. А. Баева мы сумели определить, из каких нуклеотидов состоят В1 и В2, чего до нас с мобильными элементами еще никто в мире не делал. В то же время сотрудники лаборатории Карла Шмида (США) описали SINE человека, который они назвали Alu. Более миллиона копий этого элемента рассеяно по всему нашему геному. Помимо обилия копий в геноме SINE отличаются от других мобильных элементов малой длиной, иным эволюционным происхождением и неспособностью самостоятельно передвигаться. Позднее стало ясно, что SINE играют большую роль в эволюции генов и всего генома в целом».

С начала 80-х годов вместе с развитием технических возможностей начинается этап активного изучения подвижных генетических элементов. Открытия следуют одно за другим. Выясняется тесная взаимосвязь подвижной ДНК со старением и многими патологиями. Исследования мобильных элементов, кроме чисто научного интереса, приобретают также и практическую направленность, связанную в первую очередь с медициной. Так, обнаруживается, что бактерии активно используют для сопротивления антибиотикам мобильные элементы генома, при помощи которых формируют свою устойчивость к лекарствам. Один из видов подвижных генов, ретроэлементы, оказывается тесно связанным с вирусами, в том числе и с ВИЧ.

Сегодня некоторые исследователи связывают с транспозонами механизм горизонтального переноса генов, т. е. обмена генетическим материалом между организмами разных видов. Обычно мы можем с вами наблюдать лишь вертикальный перенос генов внутри вида: от родителей к детям. Но в последние годы стали накапливаться данные и о других возможных генетических взаимодействиях. Так, обнаружено, что у близких видов могут доминировать в геноме разные типы транспозонов, что сложно объяснить лишь вертикальным переносом генов. Одним из главных подтверждений гипотезы горизонтального переноса генов послужила чрезвычайная распространенность и характерное распределение в геномах уже упоминавшегося выше транспозона mariner.

Еще в 1991 году американские генетики К. Маруяма и Д. Хартл обнаружили, что последовательности элемента мariner у двух разных видов плодовых мушек, Zaprionus tuberculatus и Drosophila mauritiana, на 97% идентичны друг другу. В то же время у родственного D. mauritiana вида, Drosophila tsacasi, последовательность мariner показала идентичность всего 92%. Транспозоны из близких видов оказались менее похожи друг на друга, чем из более далеких. Позже обнаружилось присутствие в одном геноме разных подсемейств мariner и высокая степень идентичности мariner-подобных элементов в геномах разных организмов, филогенетически весьма далеких друг от друга. Естественным объяснением этих наблюдений является горизонтальный перенос.

В конце 90-х годов российский генетик Владимир Капитонов и его коллеги разработали биоинформатический метод поиска транспозонов. Благодаря этому методу в 1999 году были открыты два неизвестных ранее семейства транспозонов: Arnold и Harbinger. Второй элемент получил символическое название (нarbinger в переводе с англ. — «предвестник»), которое оказалось пророческим.

В. В. Капитонов (Genetic Information Research Institute, США): «Мне посчастливилось обнаружить таким образом самое первое новое семейство транспозонов, которые я назвал Harbinger. Чуть позже я обнаружил другое новое семейство мобильных элементов, Transib, названное мной так в честь Транссибирской магистрали. Впоследствии оказалось, что это семейство имеет чрезвычайно примечательную особенность. Мы открыли, что примерно 500 млн лет тому назад один из транспозонов, transib, превратился из “молекулярного паразита” в ключевой элемент иммунной системы, белок RAG, который сегодня присутствует почти у всех позвоночных, включая рыб, лягушек, млекопитающих и человека».

Благодаря подобным работам ученые смогли «заглянуть» на миллионы лет назад в прошлое, восстанавливая этапы развития жизни на Земле. Так, на основе анализа ДНК удалось установить, что эволюционные линии человека и нашего ближайшего «родственника», шимпанзе, разошлись примерно 6 млн лет назад.

Следом за Transib-ом В. В. Капитоновым и его коллегами были открыты гигантские элементы полинтон и уникальные транспозоны хелитрон, перемещающиеся по геному по принципу катящегося кольца. В. В. Капитонов: «К сожалению, до сих пор еще никому не удалось выделить экспериментально активный хелитрон, способный перемещаться. Решением последней проблемы может оказаться так называемое воскрешение транспозона: когда теоретически, путем “усреднения” последовательностей ДНК многих копий транспозона, который был активен миллионы лет тому назад, можно очень аккуратно восстановить ДНК-последовательность этого древнего активного транспозона. Эта задача похожа качественно на то, что делают палеонтологи, когда восстанавливают скелет неизвестного доселе динозавра из остатков костей, поврежденных внешней средой за многие миллионы лет».

В 2001 году в Институте молекулярной генетики РАН было сделано еще одно открытие, связанное с подвижными элементами. Российскими учеными академиком В. А. Гвоздевым, А. А. Аравиным и их коллегами был обнаружен неизвестный ранее механизм, при помощи которого живые организмы подавляют излишнюю активность мобильных элементов.

Он получил название РНК-сайленсинг. В основе этого механизма — специальные РНК, piwiRNA, которые блокируют активность генов подвижных элементов.

А. А. Аравин (California Institute of Technology, США): «Мобильные элементы, транспозоны, стараются увеличить свое число в ДНК и в процессе этого могут повреждать хорошие гены. Естественно, клетка старается предотвратить такую экспансию транспозонов. Одной из таких защитных систем являются короткие РНК, которые умеют узнавать и подавлять активность мобильных элементов. Роль коротких piРНК можно сравнить с иммунной системой и антителами, которые распознают чужеродные белки в болезнетворных бактериях. Только вместо бактерий, которые заражают организм, короткие РНК отличают мобильные элементы, внедрившиеся в наш геном от хороших клеточных генов — поистине непростая задача. Как piРНК это удается — до сих пор основной предмет изучения в нашей лаборатории».

В начале 90-х годов в Институте биоорганической химии РАН началось активное изучение еще одного класса подвижных элементов — эндогенных (т. е. находящихся постоянно внутри клеток человека) ретровирусов. Академиком Е. Д. Свердловым и его коллегами была выдвинута гипотеза о роли эндогенных ретровирусов в эволюции приматов. Как предполагают российские генетики, развитие человека и обезьян сопровождалось большими вирусными эпидемиями, из-за которых вымирала большая часть популяции. Оставшиеся в живых приматы приобретали устойчивость к вирусам и использовали внедрившиеся в геном эндогенные ретровирусы как новые гены и регуляторные элементы. И как считают ученые, во многом благодаря этому и произошли те изменения, превратившие в итоге древнюю человекоподобную обезьяну в человека.

В подтверждение своей гипотезы академик Свердлов и его коллеги проводят исследования ретровирусов, характерных лишь для генома людей. И уже ими обнаружены несколько ретровирусов, которые подверглись «одомашниванию» в человеческой ДНК и выполняют полезные функции. Так, в 2013 году большой группой российских генетиков из нескольких лабораторий, А. А. Буздиным и его коллегами, был найден человеческий ретровирус HERV, находившийся вблизи одного из генов и усиливавший его активность. Когда исследовали геном шимпанзе, никакого ретровируса вблизи аналогичного гена обнаружено не было.

А. А. Буздин (Институт биоорганической химии РАН): «Это интересный, но, похоже, не единственный пример того, как эндогенные ретровирусы повлияли на эволюцию человека. Так, несколько лет назад мы в своей лаборатории обнаружили, что антисмысловые РНК, образующиеся при помощи двух специфичных для человеческого генома копий hsERV, регулируют еще два человеческих гена. И эти гены также связаны с развитием нервной системы. А вот наши результаты этого года впечатляют еще сильнее: всего в нашей ДНК мы нашли более 110 000 созданных эндогенными ретровирусами участков, связывающих белковые транскрипционные факторы, то есть регулирующих активность соседних генов. Становится всё более очевидно, что эндогенные ретровирусы, как и другие мобильные элементы человеческого генома, необходимы для его нормального функционирования».

Очевидно, что это только начало активного изучения мобильных генетических элементов. И в ближайшие годы стоит ожидать новых связанных с ними удивительных открытий. Мобильные элементы генома, миллионы лет существовавшие вместе с живыми организмами, постепенно открывают свои тайны перед напором науки.

Мобильные генетические элементы — Mobile genetic elements

Последовательность ДНК, положение которой в геноме варьируется

Мобильные генетические элементы ( MGE ), иногда называемые эгоистичными генетическими элементами, представляют собой тип генетического материала, который может перемещаться внутри генома или передаваться от одного вида или репликона к другому. МГЭ присутствуют во всех организмах. Считается, что у человека примерно 50% генома составляют MGE. МГЭ играют особую роль в эволюции. События дублирования генов также могут происходить через механизм MGE. MGE также могут вызывать мутации в областях, кодирующих белок, что изменяет функции белка. Они также могут перестраивать гены в геноме хозяина. Одним из примеров MGE в эволюционном контексте является то, что факторы вирулентности и гены устойчивости MGE к антибиотикам могут транспортироваться, чтобы делиться ими с соседними бактериями. Вновь приобретенные гены с помощью этого механизма могут улучшить физическую форму за счет получения новых или дополнительных функций. С другой стороны, MGE также могут снижать приспособляемость за счет введения вызывающих болезнь аллелей или мутаций.

Типы

• Транспозоны (также называемые мобильными элементами) — это последовательности ДНК, которые могут перемещать участки внутри генома, включая ретротранспозоны и транспозоны ДНК.
  • Ретротранспозоны — наиболее распространенный класс транспозонов у млекопитающих. РНК-транскрипт MGE копируется обратной транскриптазой. Затем последовательность ДНК может быть вставлена ​​обратно в случайное место генома.
  • Транспозоны ДНК — это сегменты ДНК, которые могут перемещаться в новое место с помощью стратегии «вырезать и вставить».
• Плазмиды бактерий являются передаваемым генетическим элементом посредством бактериальной конъюгации . Это механизм горизонтального переноса генов, который позволяет бактериям иметь общие факторы вирулентности и гены устойчивости к антибиотикам.
• Элементы бактериофага , такие как Mu , случайным образом интегрируются в геном путем трансдукции . В более широком смысле некоторые авторы рассматривают все вирусы и субвирусные агенты ( сателлиты и вироиды ) как мобильные генетические элементы.
• Интроны группы I и группы II являются продуктом самосплайсинга в транскриптах хозяина, и они действуют как  рибозимы, которые могут вторгаться в тРНК, рРНК и гены, кодирующие белок в бактериях.
• Интегроны : это генные кассеты, которые часто несут гены устойчивости к антибиотикам бактериальным плазмидам и транспозонам.

Примеры исследований

Системы CRISPR-Cas у бактерий и архей представляют собой адаптивные иммунные системы для защиты от смертельных последствий от MGE. Используя сравнительный геномный и филогенетический анализ, исследователи обнаружили, что варианты CRISPR-Cas связаны с различными типами MGE, такими как мобильные элементы. Кроме того, CRISPR-Cas контролирует переносимые элементы для их распространения.

МГЭ, такие как плазмиды, посредством горизонтальной передачи обычно полезны для организма. Возможность передачи плазмид (совместного использования) важна с эволюционной точки зрения. Таззиман и Бонхёффер обнаружили, что фиксация (получение) перенесенных плазмид в новый организм так же важна, как и возможность их переноса. Полезные редкие и переносимые плазмиды имеют более высокую вероятность фиксации, тогда как вредные переносимые генетические элементы имеют более низкую вероятность фиксации, чтобы избежать летального исхода для организмов-хозяев.

Один тип MGE, а именно интегративные конъюгативные элементы (ICE), играют центральную роль в горизонтальном переносе генов, формирующем геномы прокариот, что позволяет быстро приобретать новые адаптивные черты.

В качестве репрезентативного примера ICEs, ICE Bs1 хорошо охарактеризован своей ролью в глобальном SOS-ответе на повреждение ДНК Bacillus subtilis, а также его потенциальной связью с радиационной устойчивостью и устойчивостью к высыханию спор Bacillus pumilus SAFR-032, выделенных из чистой комнаты космического корабля. объекты.

Транспозиция мобильными элементами мутагенна. Таким образом, организмы эволюционировали, чтобы подавлять события транспозиции, и неспособность подавить события вызывает рак в соматических клетках. Cecco et al. обнаружили, что в раннем возрасте транскрипция ретротранспозиционных элементов у мышей минимальна, но в пожилом возрасте уровень транскрипции увеличивается. Этот зависящий от возраста уровень экспрессии мобильных элементов снижается диетой с ограничением калорий.

Болезни

Последствия мобильных генетических элементов могут изменять образцы транскрипции, что часто приводит к генетическим нарушениям, таким как иммунные нарушения, рак груди, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз. У людей стресс может приводить к транзакционной активации MGE, таких как эндогенные ретровирусы , и эта активация связана с нейродегенерацией .

Прочие примечания

Совокупность всех мобильных генетических элементов в геноме может называться мобиломом .

Барбара МакКлинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине 1983 года «за открытие мобильных генетических элементов» ( мобильных элементов ).

Мобильные генетические элементы играют решающую роль в распространении факторов вирулентности, таких как экзотоксины и экзоферменты , среди бактерий. Были предложены стратегии борьбы с некоторыми бактериальными инфекциями путем воздействия на эти специфические факторы вирулентности и мобильные генетические элементы.

Смотрите также

использованная литература

Список используемой литературы

• Миллер, WJ; Кэпи, П., ред. (2004), Мобильные генетические элементы: протоколы и геномные приложения , Humana Press, ISBN   978-1-58829-007-6
• Шапиро, JA , изд. (1983), Мобильные генетические элементы , Academic Press, ISBN   978-0-12-638680-6

Участие мобильных элементов в нейрогенезе | Мустафин

1. Allen Brain Atlas. Available at: www.brain-map.org

2. Aprea J., Prenninger S., Dori M., Ghosh T., Monasor L.S., Wessendorf E., Zocher S., Massalini S., Alexopoulou D., Lesche M., Dahl A., Groszer M., Hiller M., Calegari F. Transcriptome sequencing during mouse brain development identifies long non-coding RNAs functionally involved in neurogenic commitment. EMBO J. 2013;32(24):3145-3160.

3. Bachiller S., Del-Pozo-Martin Y., Carrio A.M. L1 retrotransposition alters the hippocampal genomic landscape enabling memory formation. Brain. Behav. Immun. 2017;64:65-70.

4. Bailie J.K., Barnett M.W., Upton K.R., Gerhardt D.J., Richmond T.A., De Sapio F., Brennan P.M., Rizzu P., Smith S., Fell M., Talbot R.T., Gustinicich S., Freeman T.C., Mattick J.S., Hume D.A., Heutink D.A., Carninci P., Jeddeloh J.A., Faulkner G.J. Somatic retrotransposition alters the genetic landscape of the human brain. Nature. 2011;479:534-537.

5. Cappucci U., Torromino G., Casale A.M., Camon J., Capitano F., Berloco M., Mele A., Pimpinelli S., Rinaldi A., Piacentini L. Stressinduced strain and brain region-specific activation of LINE-1 transposons in adult mice. Stress. 2018;21:575-579.

6. Carone D.M., Zhang C., Hall L.E., Obergfell C., Carone B.R., O’Neill M.J., O’Neill R.J. Hypermorphic expression of centromeric retroelement-encoded small RNAs impairs CENP-A loading. Chromosome Res. 2013;21:49-62.

7. Cheng Z.J., Murata M. A centromeric tandem repeat family originating from a part of Ty3/gypsy-retroelement in wheat and its relatives. Genetics. 2003;164:665-672.

8. Coufal N.G., Garcia-Perez J.L., Peng G.E., Yeo G.W., Mu Y., Lovci M.T., Morell M., O’Shea K.S., Moran J.V., Gage F.H. L1 retrotransposition in human neural progenitor cells. Nature. 2009;460: 1127-1131.

9. De Koning A.P., Gu W., Castoe T.A., Batzer M.A., Pollock D.D. Repetitive elements may comprise over two-thirds of the human genome. PLoS Genet. 2011;7:e1002384.

10. De Laco A., Planet E., Coluccio A., Verp S., Cuc J., Trono D. DUXfamily transcription factors regulate zygotic genome activation in placental mammals. Nat. Genet. 2017;49:941-945.

11. Djebali S., Davis C.A., Merkel A., Dobin A., Lassmann T., Mortazavi A., Tanzer A., Lagarde J., Lin W., Schlesinger F., Xue C., Marinov G.K., Khatun J., Williams B.A., Zaleski C., Rozowsky J., Roder M., Kokocinski F., Abdelhamid R.F., Alioto T., Antoshechkin I., Carninci P., Guigo R., Gingeras T.R. Landscape of transcription in human cells. Nature. 2012;489(7414):101-108.

12. Erwin J.A., Paquola A.C., Singer T., Gallina I., Novotny M., Quayle C., Bedrosian T., Ivanio F., Butcher C.R., Herdy J.R., Sarkar A., Lasken R.S., Muotri A.R., Gage F.H. L1-associated genomic regions are deleted in somatic cells of the healthy human brain. Nat. Neurosci. 2016;19:1583-1591.

13. Evrony G.D., Lee E., Mehta B.K., Benjamini Y., Johnson R.M., Cai X., Yang L., Haseley P., Lehmann H.S., Park P.J., Walsh C.A. Cell lineage analysis in human brain using endogenous retroelements. Neuron. 2015;85:49-59.

14. Faulkner G.J. Retrotransposons: mobile and mutagenic from conception to death. FEBS Lett. 2011;585(11):1589-1594.

15. Galej W.P., Oubridge C., Newman A.J., Nagai K. Crystal structure of Prp8 reveals active site cavity of the spliceosome. Nature. 2013; 493:638-643.

16. Garcia-Perez J.L., Marchetto M.C., Muotri A.R., Coufal N.G., Gage F.H., O’Shea K.S., Moran J.V. LINE-1 retrotransposition in human embryonic stem cells. Hum. Mol. Genet. 2007;16(13):1569- 1577.

17. Garcia-Perez J.L., Widmann T.J., Adams I.R. The impact of transposable elements on mammalian development. Development. 2016; 143:4101-4114.

18. Gianfrancesco O., Bubb V.J., Quinn J.P. SVA retrotransposons as potential modulators of neuropeptide gene expression. Neuropeptides. 2017;64:3-7.

19. Habibi L., Pedram M., AmirPhirozy A., Bonyadi K. Mobile DNA elements: the seeds of organic complexity on earth. DNA Cell Biol. 2015;34:597-609.

20. Han J., Masonbrink R.E., Shan W., Song F., Zhang J., Yu W., Wang K., Wu Y., Tang H., Wendel J.F., Wang K. Rapid proliferation and nucleolar organizer targeting centromeric retrotransposons in cotton. Plant J. 2016;88:992-1005.

21. Hancks D.C., Kazazian H.H. Jr. Active human retrotransposons: variation and disease. Curr. Opin. Genet. Dev. 2012;22(3):191-203. DOI 10.1016/j.gde.2012.02.006.

22. Honson D.D., Macfarlan T.S. A lncRNA-like role for LINE1s in development. Dev. Cell. 2018;46:132-134.

23. Irie M., Koga A., Kaneko-Ishino T., Ishino F. An LTR retrotransposonderived gene displays lineage-specific structural and putative species-specific functional variations in eutherians. Front. Chem. 2016; 4:26.

24. Ito J., Suqimoto R., Nakaoka H., Yamada S., Kimura T., Hayano T., Inoue I. Systematic identification and characterization of regulatory elements derived from human endogenous retroviruses. PLoS Genet. 2017;13(7):e1006883.

25. Jachowicz J.W., Bing X., Pontabry J., Boskovic A., Rando O.J., TorresPadilla M.E. LINE-1 activation after fertilization regulates global chromatin accessibility in the early mouse embryo. Nat. Genet. 2017;49:1502-1510.

26. Jjingo D., Conley A.B., Wang J., Marino-Ramirez L., Lunyak V.V., Jordan I.K. Mammalian-wide interspersed repeat (MIR)-derived enhancers and the regulation of human gene expression. Mob. DNA. 2014;5:5-14.

27. Johnson R., Guigo R. The RIDL hypothesis: transposable elements as functional domains of long noncoding RNAs. RNA. 2014;20(7): 959-976.

28. Joly-Lopez Z., Bureau T.E. Exaptation of transposable element coding sequences. Curr. Opin. Genet. Dev. 2018;49:34-42.

29. Kapusta A., Feschotte C. Volatile evolution of long noncoding RNA repertoires: mechanisms and biological implications. Trends Genet. 2014;30(10):439-452.

30. Klein S.J., O’Neill R.J. Transposable elements: genome innovation, chromosome diversity, and centromere conflict. Chromosome Res. 2018;26:5-23.

31. Kopera H.C., Moldovan J.B., Morrish T.A., Garcia-Perez J.L., Moran J.V. Similarities between long interspersed element-1 (LINE-1)reverse transcriptase and telomerase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011;108:20345-20350.

32. Kubiak M.R., Makalowska I. Protein-coding genes’ retrocopies and their functions. Viruses. 2017;9(4):pii: E80.

33. Kurnosov A.A., Ustyugova S.V., Nazarov V., Minervina A.A., Komkov A.Y., Shugay M., Pogorelyy M.V., Khodosevich K.V., Mamedov I.Z., Lebedev Y.B. The evidence for increased L1 activity in the site of human adult brain neurogenesis. PLoS One. 2015;10(2): e0117854.

34. Lapp H.E., Hunter R.G. The dynamic genome: transposons and environmental adaptation in the nervous system. Epigenomics. 2016;8:237.

35. Lee K.H., Horiuchi M., Itoh T., Greenhalgh D.G., Cho K. Cerebellumspecific and age-dependent expression of an endogenous retrovirus with intact coding potential. Retrovirology. 2011;8:82.

36. Linker S.B., Marchetto M.C., Narvaiza I., Denli A.M., Gage F.H. Examining non-LTR retrotransposons in the context of the evolving primate brain. BMC Biol. 2017;15:68.

37. Lopez-Flores I., de la Herran R., Garrido-Ramos M.A., Boudry P., Ruiz-Rejon C., Ruiz-Rejon M. The molecular phylogeny of oysters based on a satellite DNA related to transposons. Gene. 2004;339: 181-188.

38. Lu X., Sachs F., Ramsay L., Jacques P.E., Goke J., Bourque G., Ng H.H. The retrovirus HERVH is a long noncoding RNA required for human embryonic stem cell identity. Nat. Struct. Mol. Biol. 2014; 21(4):423-425.

39. Lugli G., Torvik V.L., Larson J., Smalheiser N.R. Expression of microRNAs and their precursors in synaptic fractions of adult mouse forebrain. J. Neurochem. 2008;106:650-661.

40. Macia A., Munoz-Lopez M., Cortes J.L., Hastings R.K., Morell S., Lucena-Aguilar G., Marchal J.A., Badge R.M., Garcia-Perez J.L. Epigenetic control of retrotransposons expression in human embryonic stem cells. Mol. Cell. Biol. 2011;31(2):300-316.

41. McGurk M.P., Barbash D.A. Double insertion of transposable elements provides a substrate for the evolution of satellite DNA. Genome Res. 2018;28(5):714-725.

42. Mercer T.R., Dinger M.E., Sunkin S.M., Mehler M.F., Mattick J.S. Specific expression of long noncoding RNAs in the mouse brain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008;105(2):716-721.

43. Muotri A.R. L1 retrotransposition in neural progenitor cells. Methods Mol. Biol. 2016;1400:157-163.

44. Muotri A.R., Chu V.T., Marchetto M.C., Deng W., Moran J.V., Gage F.H. Somatic mosaicism in neuronal precursor cells mediated by L1 retrotransposition. Nature. 2005;435:903-910.

45. Mustafin R.N., Khusnutdinova E.K. Non-coding parts of genomes as the basis of epigenetic heredity. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2017;21(6): 742- 749. DOI 10.18699/VJ17.30-o. (in Russian)

46. Mustafin R.N., Khusnutdinova E.K. The role of transposons in epigenetic regulation of ontogenesis. Russian Journal of Developmental Biology. 2018;49(2):61-78.

47. Mustafin R.N., Khusnutdinova E.K. The role of transposable elements in the ecological morphogenesis under the influence of stress. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23(4):380-389. DOI 10.18699/VJ19.506. (in Russian)

48. Nampoothiri S.S., Rajanikant G.K. Decoding the ubiquitous role of microRNAs in neurogenesis. Mol. Neurobiol. 2017;54:2003-2011.

49. Natera-Naranjo O., Aschrafi A., Gioio A.E., Kaplan B.B. Identification and quantitative analyses of microRNAs located in the distal axons of sympathetic neurons. RNA. 2010;16:1516-1529.

50. Notwell J.H., Chung T., Heavner W., Bejerano G. A family of transposable elements co-opted into developmental enhancers in the mouse neocortex. Nat. Commun. 2015;6:6644.

51. Paquola A.C.M., Erwin J.A., Gage F.H. Insight into the role of somatic mosaicism in the brain. Curr. Opin. Syst. Biol. 2017;1:90-94.

52. Pastor T., Talotti G., Lewandowska M.A., Pagani F. An Alu-derived intronic splicing enhancer facilitates intronic processing and modulates aberrant splicing in ATM. Nucleic Acids Res. 2009;37:7258- 7267.

53. Pastuzyn E.D., Day C.E., Kearns R.B., Kyrke-Smith M., Taibi A.V., McCormick J., Yoder N., Belnap D.M., Erlendsson S., Morado D.R., Briggs J.A.G., Feschotte C., Shephered J.D. The neuronal gene Arc encodes a repurposed retrotransposon Gag protein that mediates intercellular RNA transfer. Cell. 2018;172:275-278.

54. Percharde M., Lin C.J., Yin Y., Guan J., Peixoto G.A., Bulut-Rarslioglu A., Biechele S., Huang B., Shen X., Ramalho-Santos M. A LINE1-nucleolin partnership regulates early development and ESC identity. Cell. 2018;174:391.

55. Piriyapongsa J., Marino-Ramirez L., Jordan I.K. Origin and evolution of human microRNAs from transposable elements. Genetics. 2007; 176(2):1323-1337.

56. Qin S., Jin P., Zhou X., Chen L., Ma F. The role of transposable elements in the origin and evolution of microRNAs in human. PLoS One. 2015;10(6):e0131365.

57. Richardson S.R., Morell S., Faulkner G.J. L1 retrotransposons and somatic mosaicism in the brain. Annu. Rev. Genet. 2014;48:1-27.

58. Rohrback S., Siddoway B., Liu C.S., Chun J. Genomic mosaicism in the developing and adult brain. Dev. Neurobiol. 2018;78:1026-1048.

59. Schrader L., Schmitz J. The impact of transposable elements in adaptive evolution. Mol. Ecol. 2018(6):1537-1549. DOI 10.111/mec.14794.

60. Seifarth W., Frank O., Zeilfelder U., Spiess B., Greenwood A.D., Hehlmann R., Leib-Mosch C. Comprehensive analysis of human endogenous retrovirus transcriptional activity in human tissues with a retrovirus-specific microarray. J. Virol. 2005;79(1):341-352.

61. Sharma A., Wolfgruber T.K., Presting G.G. Tandem repeats derived from centromeric retrotransposons. BMC Genomics. 2013;14:142.

62. Shepherd J.D. Arc – An endogenous neuronal retrovirus? Semin. Cell Dev. Biol. 2018;77:73-78.

63. Smirnova L., Grafe A., Seiler A., Schumacher S., Nitsch R., Wulczyn F.G. Regulation of miRNA expression during neural cell specification. Eur. J. Neurosci. 2005;21:1469-1477.

64. Stappert L., Roese-Koerner B., Brustle O. The role of microRNAs in human neural stem cells, neuronal differentiation and subtype specification. Cell Tissue Res. 2015;359:47-64.

65. Suarez N.A., Macia A., Muotri A.R. LINE-1 retrotransposons in healthy and diseased human brain. Dev. Neurobiol. 2018;78:434-455.

66. Sultana T., Zamborlini A., Cristofari G., Lesage P. Integration site selection by retroviruses and transposable elements in eukaryotes. Nat. Rev. Genet. 2017;18(5):292-308.

67. Thomas C.A., Muotri A.R. LINE-1: creators of neuronal diversity. Front. Biosci. (Elite Ed). 2012;4:1663-1668.

68. Trizzino M., Kapusta A., Brown C.D. Transposable elements generate regulatory novelty in a tissue-specific fashion. BMC Genomics. 2018;19:468.

69. Upton K.R., Gerhardt D.J., Jesuadian J.S., Richardson S.R., SanchezLuque F.J., Bodea G.O., Ewing A.D., Salvador-Palomeque C., van der Knaap M.S., Brennan P.M., Vanderver A., Faulkner G.J. Ubiquitous L1 mosaicism in hippocampal neurons. Cell. 2015;161(2): 228-239.

70. Van den Hurk J.A., Meij I.C., Seleme M.C. L1 retrotransposition can occur early in human embryonic development. Hum. Mol. Genet. 2007;16(13):1587-1592.

71. Veremeyko T., Kuznetsova I.S., Dukhinova M., Yung A., Kopeikina E., Barteneva N.S., Ponomarev E.D. Neuronal extracellular microRNAs miR-124 and miR-9 mediate cell-cell communication between neurons and microglia. J. Neurosci. Res. 2019;97(2):162-184.

72. Volff J.N. Turning junk into gold: domestication of transposable elements and the creation of new genes in eukaryotes. BioEssays. 2006; 28:913-922.

73. Wang J., Li X., Wang L., Li J., Zhao Y., Bou G., Li Y., Jiao G., Shen X., Wei R., Liu S., Xie B., Lei L., Li W., Zhou Q., Liu Z. A novel long intergenic noncoding RNA indispensable for cleavage of mouse two-cell embryos. EMBO Rep. 2016;17:1452-1470.

74. Yuan Z., Sun X., Jianq D., Ding Y., Lu Z., Gong L., Liu H., Xie J. Origin and evolution of a placental-specific microRNA family in the human genome. BMC Evol. Biol. 2010;10:346-358.

75. Yuan Z., Sun X., Liu H., Xie J. MicroRNA genes derived from repetitive elements and expanded by segmental duplication events in mammalian genomes. PLoS One. 2011;6(3):e17666.

Диспергированные мобильные элементы — Справочник химика 21

    Существуют ли мобильные элементы в геноме человека До сих пор подобные элементы в геноме человека еще не выявлены. Однако, также как и у дрозофилы, у человека имеются рассеянные по геному повторяющиеся фрагменты ДНК (разд. 2.3.1.1), иногда содержащие даже палиндромные последовательности, которые по аналогии могли бы рассматриваться в качестве мобильных элементов. Например, онкогены имеют структурную гомологию с клеточными РНК-вирусами (ретровирусами, разд. 5.1.6) сходные с ретровирусами повторяющиеся элементы идентифицированы в ДНК человека [429] показано, что вирусная ДНК мутагенна для клеток млекопитающих [1463]. В геноме человека обнаружена особая группа диспергированных повторяющихся последовательностей, так называемые Alu-последовательности. Уже указывалось, что ядерная ДНК человека организована по типу ДНК Xenopus, т.е. состоит из уникальных последовательностей длиной 1-2 т.п.н., перемежающихся повторяющимися последовательностями длиной 0,1-0,3 т.п.н. Мы говорили также, что некоторые из этих последовательностей представляют собой палиндромы, т.е. состоят из комплементарных инвертированных повторов (разд. 2.3.1.1). Однако если в геноме Xenopus эти повторяющиеся последовательности формируют много разных семейств, то у млекопитающих, таких, как грызуны или приматы, они обнаруживают сильную гомологию [505]. У человека 3-6% всей геномной ДНК приходится на повторяющиеся последовательности длиной 300 п. н. и 60% таких повторов, как показано рестрикционным анализом, ока- [c.143]

    В. Мобильные элементы как диспергированные повторяющиеся последовательности [c.229]

    В составе геномов животных мобильные элементы еще не найдены, но обнаружены следы транспозиционных событий в форме прямых повторов мишени, фланкирующих диспергированные повторяющиеся последовательности. Механизмы, подобные транспозиции, по-видимому, используются ретровирусами, чтобы внедрять ДНК-копии своего РНК-генома в хромосомы клеток хозяина. Эти случаи обсуждаются вместе с другими примерами вариабельности эукариотической ДНК в гл. 38. [c.473]

    В советской литературе обычно используется термин. идг-элементы (мобильные диспергированные генетические элементы). Именно для одного из них (мгд 1) была впервые показана подвижность в геноме.-Прим. ред. [c.474]

    Как правило, каждый тип мобильных элементов встречается в геноме многократно, т.е. элементы образуют семейства диспергированных повторяющихся последовательностей. Такие семейства благоприятствуют дальнейшим геномным перестрой- [c.229]

    У эукариот сходные подвижные генетические элементы получили название мобильно диспергированных генов . [c.40]

    Методы генетической инженерии успешно применяются для решения фундаментальных проблем. Решающее значение они имеют для исследования молекулярной структуры геномов и генов, а также молекулярных механизмов регулирования их экспрессии. Уже на начальных этапах их применения удалось достигнуть существенного прогресса при изу тении эукариотических opi a-низмов. Был установлен факт прерьшного строения генов, выявлены мобильные диспергированные гены, поняты основные механизмы переключения генов при дифференцировке клеток, определена структура многих регуляторных элементов на уровне ДНК, в отдельных случаях выяснены генетические причины злокачественного перерождения клеток и т.д. Генетическая инженерия способствовала становлению новых научных направлений, составляюпдах базу молекулярной медицины молекулярной вирусологии, молекулярной онкологии, молекулярной нейрофизиологии и т. д. [c.10]

Советы по доступности интерактивных элементов на мобильных устройствах | by Workafrolic (±∞) | Web Standards

На устройствах с тач-экраном курсором является палец пользователя. Конечно, из-за этого точность касания гораздо ниже, нежели при работе с мышкой. Следовательно, область, на которую может тапнуть пользователь, должна быть достаточно большой для пальцев разного размера.

Согласно правилу 2.5.5, интерактивные элементы должны иметь размер не меньше чем 44×44 пикселя, за исключением случаев, когда цель встроена в блок текста.

Этот совет лучше всего проиллюстрировать следующим примером. Предположим, что у нас есть ссылка, ведущая на главную страницу сайта и, помимо этого, у нас также есть иконка домашней страницы. По различным причинам мы можем захотеть разделить эти два элемента и в итоге получим две ссылки, ведущие в одно и то же место.

<!-- Не рекомендуется --><a href="/"><img src="/home/png" alt="Home icon"></a>
<a href="/">Главная</a>

У этого метода два основных недостатка:

1. Уменьшается размер области касания, поскольку промежуток между ссылками не будет активным.
2. Увеличивается количество элементов, по которым придётся проходить пользователю при навигации с клавиатуры. Если перемещаться по странице при помощи таба, то подобное дублирование может утомить.

Лучшим решением будет сгруппировать оба элемента в одну ссылку:

<!-- Так гораздо лучше! --><a href="/">
<img src="/home/png" alt="Home icon">
Главная
</a>

Это не только увеличит область касания для ссылки, но и уменьшит количество ссылок, по которым придётся проходить при навигации с клавиатуры.

Одна из главных проблем устройств с тач-экранами — набор текста с экранной клавиатуры. Мы можем упростить этот момент, предоставляя специальные клавиатуры в зависимости от типа вводимых данных.

Например, если нужно вводить цифры, то мы можем показать клавиатуру с цифрами, указав нужное значение атрибута type у элемента <input>.

<label>
Сколько вам лет?
<input type="number">
</label>

В некоторых случаях мы должны указать определённое значение атрибута type у элемента <input>, например, text, хотя всё ещё ожидаем от пользователя ввода цифр. В этой ситуации на помощь приходит атрибут inputmode, который позволяет указать, какую именно клавиатуру показать пользователю, вне зависимости от значения атрибута type.

<label>
Сколько вам лет?
<input type="text" inputmode="numeric">
</label>

На момент написания статьи атрибут inputmode имеет не очень хорошую поддержку.

Ещё один способ решить проблему с набором текста на тач-устройствах — уменьшить количество ситуаций, в которых требуется ввод текста.

Вообще, на мобильных устройствах проще работать с чекбоксами, радиокнопками и выпадающими списками, чем с полями для ввода текста.

В тех местах, где требуется ввод текста, мы можем постараться автоматически заполнять поля. Например, подставляя текущую локацию в поле адреса.

мобильных элементов в геноме человека: последствия для болезней | Genome Medicine

Роль мобильных генетических элементов в эволюции бактерий и их адаптивность

Мобильные элементы, такие как плазмиды, профаги, островки патогенности, системы рестрикции и модификации, транспозоны, среди прочего, способны перемещаться внутри генома хозяина, а также перемещаться по геномам, формируя хромосомные геномы и эволюционируя вместе с ними.Мобильные элементы могут менять место установки и …

Мобильные элементы, такие как плазмиды, профаги, островки патогенности, системы рестрикции и модификации, транспозоны, среди прочего, способны перемещаться внутри генома хозяина, а также перемещаться по геномам, формируя хромосомные геномы и эволюционируя вместе с ними. Мобильные элементы могут изменять место их вставки и количество копий, обеспечивать новые функции генов или влиять на экспрессию хромосомных генов.Вместе этот набор всех мобильных элементов составляет бактериальный мобилом.

Мобильные элементы разнообразны по своей природе, стратегии сохранения в геноме хозяина и механизмам передачи между геномами. Демократизация секвенирования следующего поколения все больше увеличивает количество доступных полногеномов, что позволяет лучше понять истинные размеры бактериального мобилома. Эволюция генома отражает изменения, происходящие в составе генома и организации вида.Известно, что мобильные элементы усиливают рост и потерю генов, что является основной силой, которая может серьезно изменить приспособленность бактерий. Это изменение может способствовать генетической адаптации к новым условиям окружающей среды и появлению дивергентных бактериальных популяций, которые могут давать эволюционно различные виды. Однако механизмы персистенции и взаимодействия мобильных элементов с хозяином, а также влияние мобильных элементов на эволюцию и адаптивность бактерий остаются плохо изученными.

В этой теме исследования приветствуются статьи об оригинальных исследованиях, обзорах, мини-обзорах и методах, посвященные следующим вопросам:

• Характеристики и методы обнаружения, принимая во внимание такие аспекты, как, помимо прочего, генетический состав мобильного элемента, распространенность встречаемости среди видов, биологическая функция и инструменты биоинформатики или влажные лабораторные инструменты, используемые для идентификации мобильных элементов;
• Сравнительная геномика мобильных элементов;
• Биотехнологические приложения, такие как использование мобильных элементов для доставки генов, использование генов мобильных элементов, таких как лизины, для фаговой терапии, среди других приложений;
• Роль бактериальных мобильных элементов в бактериальной эволюции и приспособляемости.

Ключевые слова : Мобильные элементы, плазмиды, про (фаги), транспозоны, инсерционные последовательности, острова патогенности, мобилома, эволюция, приспособленность, адаптивность

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки объема, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Мобильные элементы и эволюция генома

Мобильные элементы вносят свой вклад в уникальность генома человека с 15 000 специфичных для человека вставок и увеличением последовательности на 14 Мбит / с | Исследование ДНК

Абстракция

Мобильные элементы (ME) в совокупности составляют не менее 50% генома человека.Благодаря своему прошлому инкрементному накоплению и постоянной транспозиции ДНК, ME служат важным источником как межвидового, так и внутривидового генетического и фенотипического разнообразия во время эволюции приматов и человека. Используя новейшие последовательности генома человека и многих других близкородственных приматов и надежный многофакторный сравнительный геномный подход, мы идентифицировали в общей сложности 14 870 человекоспецифичных ME (HS-ME), из которых более 8000 были идентифицированы впервые. В совокупности эти HS-ME вносят вклад в 14.Увеличение чистой последовательности генома на 2 Мбит / с. На основе этих HS-ME было сделано несколько новых наблюдений, включая обнаружение Y-хромосомы как поразительно горячей мишени для HS-ME и сильное взаимное предпочтение SINE-R / VNTR / Alu (SVA). Кроме того, было обнаружено, что около 8000 из этих HS-ME находятся в непосредственной близости от около 4900 генов, и в совокупности они вносят вклад в последовательности около 84 т.п.н. в эталонном транскриптоме человека в ассоциации с более чем 300 генами, включая последовательности, кодирующие белок для 40 генов. . В заключение, наши результаты демонстрируют, что ME внесли значительный вклад в эволюцию генома человека, участвуя в функции генов специфическим для человека образом.

1. Введение

Как и в большинстве геномов высших организмов, мобильные элементы или мобильные элементы (далее «МЕ») составляют основной компонент генома человека. Сообщалось, что процент МЕ в геноме человека составляет от 45 до 48,5%, ^1–3 , и в этом исследовании мы пересмотрели его до 52,1% на основе самых последних эталонных последовательностей генома и аннотации МЕ. Этот процент, вероятно, немного увеличится с дальнейшим улучшением последовательностей генома человека, особенно для конститутивных областей гетерохроматина, и с инструментами, способными обнаруживать более дивергентные и новые ME.

В геноме человека ME в основном представлены ретротранспозонами, которые размножаются методом копирования и вставки через транскрибируемые РНК в качестве промежуточных продуктов, и они делятся на длинные концевые повторы (LTR) и ретротранспозоны, не относящиеся к LTR. ^{2 , 3} Группа ретротранспозонов LTR характеризуется наличием LTR на двух концах внутренних вирусных последовательностей и в основном представлена ​​эндогенным ретровирусом (ERV) или ERV человека (HERV).Эти ERV произошли от экзогенного вируса, поражающего клетки зародышевой линии и интегрирующегося в геномы на разных этапах эволюции приматов и человека, и они составляют около 8% генома человека. ⁴ Группа ретротранспозонов, не относящихся к LTR, состоит из нескольких очень разных типов, включая короткие чередующиеся элементы (SINE), длинные чередующиеся элементы (LINE) и химерный тип повторяющихся элементов (SINE-R / VNTR / Alu или SVA) . Не-LTR ретротранспозоны обладают общими свойствами наличия 3′-поли (A) хвоста и основанного на L1 механизма обратной транскрипции (TPRT) для ретротранспозиции. ^{4 , 5} Среди не-LTR ME элементы Alu , представляющие относительно молодые и наиболее успешные SINE по количеству у приматов, имеют более 1 миллиона копий и составляют около 13% генома человека. ^{4 , 6} L1, представляющие доминирующую группу LINE, имеют более полумиллиона копий и вносят наибольший вклад в геном человека по длине последовательности (~ 17%). L1 с полной кодирующей способностью также отвечают за транспонирование всех не-LTR ME. ^{7 , 8} SVA, возникшая как новейшая и наиболее активная группа ретротранспозонов, которые в основном обнаруживаются в группе приматов гоминид, имеют ~ 5000 копий и составляют ~ 0,1% генома человека. ^{9 , 10}

Несмотря на то, что изначально они считались мусорной ДНК, подразумевая, что у них нет функции, ¹¹ исследовательская работа, в основном за последние два десятилетия, убедительно продемонстрировала, что МЕ вносят очень значительный вклад в формирование эволюция геномов и влияние на функцию генов через множество механизмов.Эти механизмы варьируются от генерации инсерционных мутаций и вызывающих нестабильность генома, создания новых генов и изоформ сплайсинга и перетасовки экзонов до изменения экспрессии генов и эпигенетической регуляции. ^12–22 Функционируя также как эндогенные инсерционные мутагены, МЭ, как известно, вызывают определенные генетические заболевания у людей. ^{23 , 24}

Недавно было показано, что ME вносят вклад в образование тандемных повторов и обеспечивают окончательную регуляторную функцию или потенциалы.Было показано, что по крайней мере 23% всех тандемных повторов, другого типа повторяющихся элементов, были получены из мобильных элементов. ²⁵ В недавнем исследовании Ward et al. продемонстрировали, что в гетерологичной регуляторной среде регуляторные сайты в ME, в том числе специфические для человека, могут быть активированы для изменения модификаций гистонов и метилирования ДНК, а также экспрессии близлежащих генов как в зародышевых, так и в соматических клетках. ²⁶ Глубокое следствие этого наблюдения состоит в том, что клоноспецифичные и видоспецифичные ME могут обеспечивать новые регуляторные участки для генома хозяина, которые потенциально могут регулировать экспрессию близлежащих генов в зависимости от клонов и видов и приводить к фенотипическим различиям. .Недавно проведенное исследование добавило такой пример, показав, что элемент ERV отвечает за регуляцию врожденного иммунитета у людей, контролируя экспрессию соседних IFN-индуцированных генов. ²⁷

Прошлая и текущая ретротранспозиция порождает генетическое разнообразие среди видов и среди людей внутри одного и того же вида. ^{3 , 28–30} Следовательно, анализ видоспецифичных ME может помочь понять роль ME в видообразовании и видоспецифичных фенотипах.В геноме человека некоторые члены семейств L1, , Alu, , SVA и HERV все еще активны в ретротранспозиции, и они несут ответственность за генерацию HS-ME и ME, которые являются полиморфными среди людей по наличию или отсутствию вставок. ^{8 , 31 , 32} До сих пор в нескольких исследованиях также изучались HS-ME как присутствующие в геноме человека, но не в ортологичных областях каких-либо других геномов приматов. ^{30 , 33 , 34} Среди них исследование Mills et al., представляющий наиболее полный анализ видоспецифичности в масштабе генома, идентифицировал в общей сложности 7 786 и 2 933 ME, которые специфичны для человека и шимпанзе, соответственно. ³⁰ Это исследование было выполнено с более ранними версиями последовательностей генома человека и шимпанзе (GRHc35 / hg17 и CGSC1.1 / panTrol1.1), которые содержали больше несеквенированных областей и ошибок сборки, в частности для генома шимпанзе, и не содержали доступны другие последовательности генома приматов. С тех пор последовательности генома человека и шимпанзе подверглись нескольким значительным улучшениям, а также стали доступны последовательности генома многих других близкородственных приматов. ^35–40 Эти дополнительные геномы приматов могут быть полезны для предоставления дополнительной информации последовательностям генома шимпанзе для анализа HS-ME. Руководствуясь этими факторами, мы разработали более надежный многофакторный сравнительный геномный подход для сравнения генома человека с геномом девяти геномов нечеловеческих приматов. Мы идентифицировали в общей сложности около 15000 HS-ME, из которых более 8000 были впервые зарегистрированы как HS-ME. Этот набор данных представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими исследованиями и позволил нам предоставить более полную и точную картину недавней транспозиции ДНК в геноме человека с помощью нескольких новых наблюдений.

2. Материалы и методы

2.1. Источники геномных последовательностей приматов

Последовательности генома человека, использованные в этом исследовании, были последней версией, выпущенной в декабре 2013 года (GRCh48 / UCSC hg38). Были также включены самые последние версии последовательностей генома для девяти других видов приматов. К ним относятся шимпанзе (май 2016 г., CSAC Pan_tro 3.0 / panTro5), горилла (декабрь 2014 г., проект NCBI 31265 / gorGor4.1), орангутанг (июль 2007 г., версия WUSTL Pongo_albelii-2.0.2 / ponAbe2), гиббон ​​(октябрь 2012 г., GGSC Nleu3.0 / nomLeu3), зеленая обезьяна (март 2014 г., Chlorocebus_sabeus 1.1 / chlSab2), крабоядная макака (июнь 2013 г., WashU Macaca_fascicularis_5.0 / macFas5), ноябрь 2015 г., BCM Mmul_8.0.1 / rheMac8), павиан (анубис) (март 2012 г., Baylor Panu_2.0 / papAnu2) и мартышка (март 2009 г., WUGSC 3.2 / calJac3). Все последовательности генома в формате fasta и соответствующие файлы аннотаций RepeatMasker были загружены с геномного веб-сайта UCSC (http: //genome.ucsc.edu) на наши локальные серверы для внутреннего анализа.

2.2. Идентификация HS-ME

2.2.1. Предварительная обработка человеческих ME

Наш начальный список ME — это те, которые аннотированы в геноме человека с помощью RepeatMasker (http://hgdownload.soe.ucsc.edu/goldenPath/hg38/database/rmsk.txt.gz). Поскольку RepeatMasker сообщает о фрагментах МЕ, прерванных другими последовательностями, и внутренних инверсиях / удалениях как об отдельных записях МЕ, мы выполнили предварительный процесс для интеграции этих фрагментов обратно в последовательности МЕ, представляющие исходные события ретротранспозиции.Вкратце, мы исследовали частичные МЕ, которые находятся рядом друг с другом на расстоянии до 50 т.п.н., и проверили их положения картирования в повторяющейся согласованной последовательности и ориентации. Если две соседние частичные ME отображаются на одну и ту же повторяющуюся консенсусную последовательность в соседних неперекрывающихся областях и в той же ориентации и показывают наличие дупликаций сайтов-мишеней (TSD) на исправленных концах ME, мы затем рассматриваем эти сегменты ME как один Ввод ME с соответствующим изменением начального и конечного положений.Для ретротранспозонов LTR RepeatMasker сообщает о двух LTR и внутренних вирусных последовательностях как отдельную запись, и мы сгруппировали все компоненты полноразмерного LTR как одну запись.

2.2.2. Идентификация HS-ME

Как показано на рис.1, наша стратегия идентификации HS-ME заключается в изучении последовательностей в сайте вставки и двух его фланкирующих областях для каждой из ME (после интеграции), аннотированных в эталонном геноме человека, и сравнении с последовательностями ортологичные области в каждом из девяти геномов нечеловеческих приматов.Если установлено, что ME с уверенностью отсутствует в ортологичных регионах всех других геномов приматов, то он считается специфичным для человека. Вкратце, мы использовали два инструмента, BLAT ⁴¹ и liftOver (http://genomes.ucsc.edu), для определения ортологичных последовательностей и специфического для человека статуса ME с использованием вышеупомянутого интегрированного списка ME RepeatMasker в качестве входных данных. Только ME, поддерживаемые как уникальные для человека обоими инструментами, были включены в окончательный список HS-ME. Основываясь на том, были ли обнаружены фланкирующие последовательности ME в одном или нескольких геномах вне группы, мы разделили наши HS-ME на две категории.Те, у кого одна или обе фланкирующие последовательности, обнаруженные в ортологичной области геномов внешней группы, помещаются в категорию I, представляющую HS-ME с высокой степенью достоверности. Те, у которых ни одна из фланкирующих последовательностей не обнаружена в ортологичной области геномов вне группы, помещаются в категорию II, вероятно, представляя HS-ME, которые расположены внутри других специфичных для человека последовательностей. Блок-схема метода показана на рис. 1, а дальнейшее подробное описание приведено в дополнительных материалах и методах.

Рисунок 1.

Блок-схема идентификации HS-ME.

Рисунок 1.

Блок-схема идентификации HS-ME.

2.3. Валидация HS-ME

Чтобы оценить точность наших HS-ME как с точки зрения ложноположительных, так и ложноотрицательных ошибок, мы выполнили ручную проверку с использованием браузера генома UCSC с набором из 100 случайно выбранных кандидатов HS-ME и выполнили дальнейшие проверки с использованием следующие 3 метода.

2.3.1. Метод 1

Мы сравнили наш список с предыдущим списком HS-ME, представленным Миллсом и др. . ³⁰ и специфические для человека HERV-K, о которых сообщают Shin et al. ³⁴

2.3.2. Метод 2

Всего в эталонном геноме присутствует 3110 полиморфных записей ME, что составляет 2221 или 50% записей, задокументированных в dbRIP, ⁴² плюс дополнительные 779 записей, идентифицированных командой 1000 Genome Project ^{43 , 44} и сопоставлен со списком кандидатов HS-ME.

2.3.3. Метод 3

Всего 15 случайно выбранных записей HS-ME были подвергнуты валидации ПЦР с использованием образцов ДНК приматов (подробности приведены в дополнительных материалах и методах).

2.4. Идентификация TSD и анализ мотивов последовательностей в сайтах интеграции ME

TSD, а также делеции, опосредованные трансдукцией и вставкой ретротранспозона (RIMD), для всех HS-ME были идентифицированы с использованием собственных скриптов Perl, включающих утилиту NCBI bl2seq и UCSC liftOver tools.Метод берет геномную последовательность человека, покрывающую HS-ME, плюс фланкирующую последовательность с каждой стороны и выравнивает их с соответствующей ортологичной последовательностью из генома шимпанзе (или следующего ближайшего генома с доступными ортологическими последовательностями), что представляет собой предварительную интеграцию аллель. Для извлечения ортологичных последовательностей аллелей до интеграции с помощью liftOver были идентифицированы ортологические положения обеих фланкирующих последовательностей HS-ME во внегрупповых геномах. Для типичного HS-ME Категории I, liftOver может найти ортологическую область непосредственных фланговых областей.Однако непосредственные фланкирующие последовательности HS-ME в геноме человека могут не представлять последовательность до интеграции из-за трансдукции или событий RIMD. Таким образом, наши скрипты поднимают несколько последовательных блоков фланкирующих последовательностей, извлеченных в геноме человека, на геномы вне группы (100 п.н. на блок до 5 т.п.н.). Затем результаты liftOver были сгруппированы вместе, чтобы идентифицировать самую короткую ортологическую область, содержащую сайт предварительной интеграции, которую использовали для выравнивания с двумя фланкирующими последовательностями человека с помощью инструмента NCBI bl2seq.Перекрывающаяся область в аллеле до интеграции между двумя выровненными областями с фланкирующими последовательностями ME представляет собой TSD. Для пациентов с TSD после удаления последовательности ME и одной копии TSD из аллелей ME была извлечена последовательность из 30 п.н. с центром в каждом сайте вставки на преинтеграционных аллелях. Мотив последовательности для областей, покрывающих 15 п.н. до и после сайтов вставки, был получен с использованием инструмента weblogo (http://weblogo.berkeley.edu/logo.cgi).

Записи с идентифицированными TSD и дополнительными последовательностями между ME и любой копией TSD считались кандидатами для трансдукций, опосредованных вставкой ME, и подлежали дальнейшей проверке (см. Подробности в дополнительном материале).Для записей без TSD, если есть дополнительные последовательности в сайте предварительной интеграции в геномах внешней группы, они считались кандидатами на RIMD в геноме человека, которые подлежали дальнейшей валидации, как описано в дополнительных материалах и методах. .

2,5. Анализ HS-ME в Y-хромосоме

Анализ HS-ME для Y-хромосомы потребовал некоторых особых соображений по двум причинам. Во-первых, аутентичные последовательности Y-хромосомы в настоящее время доступны только для человека, шимпанзе, зеленой обезьяны, резуса и мартышки, и они не так полны, как для аутосомных хромосом. ⁴⁵ Кроме того, поскольку последовательности для псевдоавтосомных областей были в основном скопированы с X-хромосомы того же генома, мы исключили эти области из анализа Y-хромосомы.

2.6. Анализ ассоциации HS-ME с генами и регуляторными элементами

Геномные координаты генов вплоть до отдельных экзонов и кодирующих областей были основаны на GENCODE ⁴⁶ и аннотации NCBI RefSeq ⁴⁷ , предоставленной в UCSC Genome Browser.Весь геном был разделен на неизбыточный список категоризированных областей в контексте гена, таких как кодирующая последовательность (CDS), некодирующая РНК, 5′-UTR, 3′-UTR, промотор (1 kb), интрон и межгенные области. используя собственный Perl-скрипт. Этот порядок категорий генных областей, как указано выше, использовался для установки приоритета от высокого к низкому при обработке перекрытий между формами сплайсинга одного и того же гена или разных генов. Например, если область представляет собой CDS для одного транскрипта / гена и является UTR или интроном для другого, тогда эта область будет отнесена к категории CDS.

Для идентификации HS-ME, перекрывающихся с известными сайтами связывания транскрипционных факторов (TFBS), мы использовали ENCODE ⁴⁶ Transcription Factor ChIP-seq, содержащийся в wgEncodeRegTfbsClusteredV3.bed.gz, доступном на сайте браузера генома UCSC.

3. Результаты

3.1. Пересмотренный состав ME в геноме человека и краткое изложение HS-ME

Для повышения точности идентификации HS-ME и их TSD и расчета скорости ретротранспозиции мы предварительно обработали ME, аннотированные RepeatMasker, чтобы интегрировать фрагментированные ME для представления исходных событий ME.Этот процесс интеграции привел к сокращению почти на один миллион (1 180 428) количества ME с 5 520 017 записей ME RepeatMasker в NCBI38 / hg38 до 4 339 589 (дополнительная таблица S1). Между тем, это привело к увеличению полноразмерных ME на 21% (данные не показаны). Как видно из дополнительной таблицы S1, количество аннотированных ME показало постоянный рост в новых версиях эталонных геномов человека, особенно между более ранними обновлениями, в основном из-за улучшенного охвата секвенированных областей.Примечательно, что доля ME в эталонном геноме человека увеличилась с 48,8% для более ранней версии ³ до 52,1% в последней версии (GRCh48, декабрь 2013 г.) (дополнительная таблица S1). На основе GRCh48 количество копий (после интеграции) и процентное соотношение генома для ДНК-транспозонов, L1, Alus , LTR, SVA и «других» (все остальные ME, состоящие в основном из ЛИНИЙ, не относящихся к L1) составляют 295 956 ( 3,5%), 564195 (17,8%), 1 132 541 (10,5%), 488 208 (9,1%), 4933 (0,1%) и 1733 490 (11.2%) соответственно. Насколько нам известно, эти данные представляют собой наиболее обновленный состав ME в эталонном геноме человека.

Сводка по мобильным элементам, специфичным для человека (HS-ME)

Сводка по мобильным элементам, специфичным для человека (HS-ME)

Используя многосторонний сравнительный геномный подход, включающий сравнение последовательностей генома человека с последовательностями девяти других близкородственных приматов, как показано на рисунке 1, мы идентифицировали в общей сложности 14 870 HS-ME, состоящих из 8 817 Alus. , 3912 L1, 1571 SVA и 530 HERV. По наличию / отсутствию фланкирующей последовательности в геномах нечеловеческих приматов 14 247 человек относятся к категории I и 583 — к категории II (таблица 1). Среди этих HS-ME в общей сложности 8049 ME были зарегистрированы как HS-ME впервые, а 6738 записей были совместно использованы с ранее зарегистрированными HS-ME ⁴⁸ (дополнительная таблица S2).Полный список HS-ME представлен в дополнительном файле S1 и в базе данных dbRIP (http://dbrip.org). ⁴²

3.2. Валидация HS-ME

Из-за сложности задачи идентификации видоспецифичных ME, как будет обсуждаться позже, данные, полученные с помощью вычислительных методов, с большой вероятностью будут иметь как ложноположительные, так и ложноотрицательные результаты. Несмотря на то, что экспериментальная проверка всех 14 830 HS-ME обходится дорого из-за чрезвычайно большого количества, нам удалось проверить точность нашего списка HS-ME тремя способами в дополнение к ручной проверке 100 случайно выбранных записей в геноме UCSC. Браузер, показавший точность 98% (данные не показаны).Во-первых, мы использовали полиморфные ME в качестве тестового набора данных для оценки чувствительности метода [истинно положительный / (истинно положительный + ложноотрицательный)]. Здесь мы полагаем, что полиморфные МЕ представляют собой самые недавние вставки в геномы человека, и, следовательно, они должны быть в основном, если не всеми, HS-ME. Таким образом, любые полиморфные ME, которые не удалось идентифицировать как человеческие ME, считаются ложноотрицательными. Путем перекрестной проверки списка HS-ME с 3110 полиморфными МЕ, присутствующими в эталонном геноме (2331 из dbRIP, не используемых в обучающем наборе, и 779 из проекта 1000 геномов), мы получили чувствительность 95.5% (2972/3 110) (данные не показаны).

Во-вторых, мы перепроверили HS-ME с 7 786 ранее сообщенными HS-ME Миллсом и др., ³⁰ , и мы получили 6738 общих записей (дополнительная таблица S2). Среди 1048 записей, не включенных в наш список, мы обнаружили, что 904 на самом деле представляли ложноположительные результаты из предыдущего исследования, а 26 отсутствовали в новой версии последовательностей генома, 47 записей для типов ME не были включены в наш входной список (в основном из-за различия между различными версиями Repeatmasker), а 71 запись представляет собой ложноотрицательные результаты в нашем списке (они были добавлены в окончательный список HS-ME; дополнительная таблица S2).Это преобразуется в чувствительность 99,0% (6,738 / 6,738 + 71)) для нашего метода. Поскольку как полиморфные МЭ, так и те, что описаны Mills et al. ³⁰ в основном из неповторяющихся регионов, которые менее подвержены ошибкам при секвенировании и вычислительном анализе, ожидается высокий коэффициент перекрытия, и в нашем анализе они были в основном идентифицированы как HS-ME категории I. Далее мы сравнили наш список со списком HERV-K для человека, опубликованным Shin et al. ³⁴ Среди 28 записей ME_IN 26 совпадают с нашим списком, в то время как другие записи не были включены в окончательный список из-за низкой достоверности.

В-третьих, мы выполнили проверку с помощью ПЦР, которая является золотым стандартом для установления ME. Нам удалось проверить 12 из 13 случайно выбранных локусов HS-ME, для которых ПЦР была успешной. Это преобразуется в процент истинных положительных результатов (точность) 92,3% или 7% ложноположительных результатов. Типичные результаты ПЦР можно увидеть на дополнительном рисунке S1, а полная информация обо всех исследованных локусах представлена ​​в дополнительной таблице S3.

В целом, объединив результаты трех вышеуказанных методов проверки, мы показали, что наш метод имеет минимальную чувствительность 95.5% и точность 92,3%.

3.3. Основные источники вновь выявленных HS-ME

Мы изучили вклад различных факторов в 8049 новых HS-ME, среди которых HS-ME в ME, интеграция ME, неканонические ME (трансдукция, RMID, no-TSD), дополнительные ME в hg38 (больше hg17). и использование нескольких геномов, при этом каждый из этих факторов рассматривается независимо (существует избыточность среди категорий, дополнительная таблица S4a) и объединяется в пошаговом порядке (дополнительная таблица S4b).При независимом рассмотрении каждого источника основными участниками новых HS-ME являются «ME в ME» (3744) и неканонические случаи (3256), за которыми следует интеграция ME (972), использование множественных геномов (822) и новые геном человека (161) (дополнительная таблица S4a). Интеграция ME является основным фактором для новых HS- Alu s, в то время как неканонические ME вносят основной вклад в L1, SVA и LTR (дополнительная таблица S4a). Эти источники в совокупности внесли вклад в более 6000 неизбыточных записей или 75% новых HS-ME (дополнительная таблица S4b).Остальные 25% новых HS-ME, вероятно, связаны с другими факторами, такими как улучшенная версия генома шимпанзе. По процентному содержанию новых HS-ME среди всех HS-ME четырех типов ME LTR и L1 показали гораздо более высокие отношения (78 и 73% соответственно), чем Alu и SVA (46 и 44%, соответственно) (дополнительная таблица S4b ).

3.4. HS-ME внесли увеличение размера нетто в геном человека на 14 Мбит / с

ME могут приводить к увеличению размера генома за счет вставки ME, генерации TSD и трансдукций, а также они могут уменьшать размер генома через RIMD.Как показано в таблице 2, для каждого типа ME наблюдали наличие всех четырех механизмов и чистое увеличение последовательности генома. В совокупности все HS-ME внесли свой вклад в общее увеличение размера нетто-генома на 14,2 Мбит / с с момента последнего общего предка (LCA) с шимпанзе. Среди типов ME наибольшее чистое увеличение получили L1 (~ 8,3 Мбит / с), за ними следуют Alu с (~ 2,6 Мбит / с), SVA (~ 2,4 Мбит / с) и HERV (0,8 Мбит / с). Как и ожидалось, HS-L1 внесли наибольший вклад в изменение размера из-за вставки, интермодуляционных искажений и преобразований из-за их большого размера вставки и большого количества копий, в то время как HS- Alu способствовали большему увеличению размера с помощью TSD, чем любые другие типы ME из-за до самых крупных прошивок в количестве HS- Alu s.Несмотря на низкую ретротранспозиционную активность, LTR вносили вклад в увеличение размера генома на ~ 750 т.п.н. с 530 специфичными для человека копиями. Также интересно отметить, что по коэффициенту увеличения размера по отношению ко всем ME в типе SVA показала самый высокий коэффициент среди всех (Таблица 2), по-видимому, связанный с сочетанием большого среднего размера вставок, самого высокого отношения трансдукция и самое высокое соотношение HS-ME.

Влияние специфичных для человека мобильных элементов (HS-ME) на размер генома (kb)

Влияние специфичных для человека мобильных элементов (HS-ME) на размер генома (kb)