Псевдогены. Их называют так потому, что они содержат нуклеотидные последовательности, сходные с последовательностями функционально- активных генов, но не могут экспрессировать с образованием фунционально – активного белка. Некоторые псевдогены имеют в целом такую же структуру, как и функционально-активные гены, с обычным расположением последовательностей соответствующих экзонам и интронам.
Они становяться не активными в результате мутации, нарушающих одну или все стадии экспрессии гена. Эти изменения могут проявляться в виде инициирования транскрипции, препятствовать осуществлению сплайсинга на границах экзон-интрон или приводить к преждевременному терминированию трансляции. Обычно псевдоген несет несколько временных мутаций, потому что ген однажды перестав быть активным стал объектом для дальнейшего накопления мутаций. Такие псевдогены обнаружены во многих системах генов, включая гены глобинов, иммуноглобинов, антигенов гистосовместимости и т.д. Например: псевдоген кролика с обычной организацией экзонов и интронов по строению близкий к функционально- активному гену, но в кодоне 20 псевдогена имеется делеция одной пары нуклеотидных оснований, вызывающая сдвиг рамки считывания, из-за которого трансляция терминируется вскоре после ее начала. В результате точковых мутаций оказались измененными несколько расположенных правее кодонов, кодирующих аминокислоты, имеющиеся во всех глобинах, но один из 2-х интронов псевдогена не сохранил пограничные последовательности, удовлетворяющих правилу. Поэтому интроны не могут быть удалены при сплайсинге даже если бы ген и транскибировался.
Общий вывод, исходя из структуры таких псевдогенов – это независимый характер эволюционирования каждого из них в процессе эволюции кластера глобина генов каждого вида организмов. Таким образом, возникновение новых генов, за которыми следует их закрепление в геноме в качестве функциональных копий, их изменение приводящее к образованию новых функционально-активных генов, или инактивация с образованием псевдогенов – процессы происходящие в кластере постоянно. Псевдогены, которые имеют сходство с РНК-транскриптом, называются процессироваными псевдогенами.
Псевдогены являються членами большей части семейства генов. Обычно псевдогены составляют очень небольшую часть от общего числа генов. Но есть исключения: рибосомный белок мыши кодируется одним активным геном, имеющим около 15 сходных с ним процессированных псевдогенов.
Псевдогены- это тупик эволюции, просто нежелательный побочный эффект перестроек функционально- активных генов. Механизмы, ответственные за дупликации, делеции и перестройки генов, воздействуют на все последовательности, относящиеся к членам кластера, независимо от того, являются они функционально – активными или нет.
Область, включающая псевдогены – это повтор последовательностей, окружающей начало активного гена (от -73 до +101 п.н.). Удивительная особенность кластера в целом заключается в том, что он, таким образом, должен содержать одинаковое число генов и псевдогенов.
Например, промотор транскрипции псевдогена 5S РНК целиком расположен внутри гена. Этот псевдоген преобрел отличия от гена в результате всего лишь девяти точковых мутаций. Таким образом, в состав псевдогена входит участок, содержащий слегка измененный внутренний промотор гена. Необходимо розобраться являются эти изменения достаточными для того, что бы псевдоген утратил способность к транскрипции с образованием РНК – продукта in vivo.
В клетке могли проходить РНК зависимые транспозиции, приводящие к образованию псевдогенов. Некоторые псевдогены – проявляют такие внешние и внутренние признаки которые свидетельствуют о возможности их происхождения из последовательности РНК.
Начало псевдогена соответствует точке эквивалентной 5′-концу РНК, и именно это свидетельствует о происхождении его ДНК из РНК. Несколько псевдогенов состоит из сочлененных последовательностей экзонов, что доказывает посредничество РНК при образовании псевдогена. Псевдоген может оканчиваться короткой областью из А-Т пар оснований. От обеих его сторон имеются короткие прямые повторы.
Если псевдоген произошел из последовательности м-РНК его гомология в 5′-конце не может распространяться на последовательности расположенные выше сайта инициации.
Транспозоны. Потенциальная возможность для изменения прокариотических и эукариотических геномов обеспечивается способностью определенных последовательностей перемещаться из одного сайта в другой – эти последовательности получили название транспозонов.
Транспозиция не основана на каком-либо родстве между последовательностями в донорных и реципиентных сайтах, и это отличает его от других механизмов, участвующих в перестройках ДНК. Каждый транспозон несет гены, требуемые для его собственной транспозиции, хотя для этого необходимы и функции генома, в которых находятся транспозоны. Транспозоны могут создавать в клеточных системах частичные области гомологии, поскольку их копии в разных местах (разные хромосомы) обеспечивают возможность реципрокной рекомбинации. Такие обмены могут приводить к делеции, инсерциям, инверсиям или транслокациям.
Транспозиционные механизмы принимают участие в целом ряде событий, от соединения негомологичных последовательностей ДНК до обеспечения специфичных рекомбинационных процессов. Любое транспозиционное событие может обеспечить селективные преимущества. Например: генетические перестройки обуславливает предпочтительную выживаемость генома, несущего активный транспозон.
Транспозирующиеся элементы были открыты при обнаружении вставок (инсерций) нового материала в пределах бактериальных оперонов.
Транспозиция связана с образованием дополнительной копии транспозона в реципиентном сайте. Большинство транспозонов имеют несколько сайтов внедрения.
Транспозон – автономная единица, которая кодирует белки, необходимые для транспозиции. Реакция включает узнавание концов транспозирующегося элемента. Самые короткие транспозоны кодируют только белки, учавствующие в транспозиции. Более крупные транспозоны несут дополнительные генетические маркеры. Транспозоны имеют регуляторные сигналы, относящиеся к их собственным генам, эти сигналы иногда могут влиять на события в оперонах. В некоторых транспозонах вблизи их границ содержатся промоторы, в которых инициируется транскрипция фланкирующего материала: активируются при этом гены, смежные с элементом. Транспозоны имеют инвентированные концевые повторы. Внедрение транспозонов вызывает образование в сайте-мишени прямых повторов фланкирующей ДНК.
Инсерционные последовательности – это простейшие транспозоны. Первая группа выделенных транспозонов получила название инсерционных последовательностей. IS-элемент представляет собой простейший класс транспозонов, их генетические функции связаны только со способностью к транспозиции несмотря на то, что каждый IS-элемент имеет присущую только ему последовательность. Форма организации у них общая. Каждый элемент обладает короткими инвертированными концевыми повторами. Обычно их протяженность колеблется от 15 до 25 нуклеотидных пар. При транспозиции IS-элемент последовательность ДНК хозяина в сайте внедрения дуплицируется. В ДНК IS-элементы всегда фланкированы очень короткими прямыми повторами. Сайт-мишень содержит последовательность только одного из этих повторов. Для большинства транспозонов последовательность прямого повтора в каждом отдельном событии транспозиции отличается, но длина её постоянная (часто равна 5-9 пар оснований). Транспозон характеризуется определенной структурой, его концы представляют собой инвертированные концевые повторы, а примыкающие концы фланкирующих ДНК хозяина являются короткими прямыми повторами. Транспозиция всегда связана с внедрением не пермутированной линейной последовательности. В результате все копии данного транспозона имеют одинаковые инвертированные терминальные повторы в местах соединения с хозяйской ДНК. Важность концевых структур подтверждается терминальной локализацией мутаций, которые предотвращают транспозицию элемента. Эти мутации действуют в цис-положении, следовательно, концы узнаются белками, ответственными за транспозицию.
Некоторые транспозоны несут маркеры лекарственной устойчивости. Такие транспозоны обозначаются Тп с добовлением соответствующего номера. Один класс более крупных транспозонов представлен сложными элементами, состоящеми из центральной области, несущей маркер лекарственной устойчивости и фланкирующих с каждой стороны родственных последовательностей (плеч) их называют длинными концевыми повторами LTR.
Инвертированные модули Тп5 служат удивительным примером, того, как небольшие мутационные изменения вызывают важные функциональные эффекты. Модуль 185Ж-функциональный; 185ОЬ-нефункциональный в отношении транспозиции.
IS-подобные элементы, так же как и IS-элементы получают номер того транспозона в котором были обнаружены. Поскольку плечи представляют собой часть сложного траспозона и в то же время напоминают IS или IS-подобные модули. В некоторых случаях модули сложных транспозонов идентичны.
Bce модули имеют концевые инвертированные повторы, поэтому сложный транспозон также заканчивается короткими инвертированные повторами. Если модули сложных транспозонов идентичны, любой из них может обеспечивать перемещение. Если модули различные, транспозиция будет зависеть от одного из них. Сложные транспозоны образуются путем объединения двух первоначально независимых модулей с центральной областью. Например, в случае когда IS-элементы транспозируются в реципиентный сайт они находятся вблизи донорного сайта. Будучи исходно идентичными, эти модули могут сохранять свою идентичность или дивергентность.
Тп10 необычный элемент, имеющий специфическую последовательность в сайте-мишени. Для этого гена характерно цис-действие белка. Но белок эффективно функционирует только на той ДНК-матрице, с которой он был транскрибирован и транслирован. Это общее свойство белков участвующих в IS-опосредованной транспозиции.
Процесс транспозиции включает дупликацию транспозона, при этом одна копия сохраняется в исходном сайте, а второй обнаруживается в новом. Следовательно, транспозиция сопровождается увеличением количества копий транспозона. Транспозиция включает две реакции: репликация транспозона без репликации прилегающих хромосомных последовательностей; разрыв последовательности ДНК-мишени, приводящий к образованию сайта, в который внедряется транспозон. Расстояние между разрезами в 2-х цепях определяет длину прямых повторов.
Существуют два основных типа транспозиции наряду с простой межмолекулярной транспозицией: одна ведет к внедрению дополнительной копии в новый сайт, а другая – способствует новым типам перестроек в ДНК.
Перестройки в хозяйской ДНК могут возникать в тех случаях, когда 2 копия транспозона внедряется в другой сайт вблизи исходного. Рекомбинация между любой парой прямых повторов будет приводить к делетированию материала между ними. Делегирование последовательности, прилегающей к транспозону, может происходить в результате 2-х ступенчатого процесса – сначала в результате транспозиции возник прямой повтор последовательности транспозона, затем между повторами происходит рекомбинация.
В списке событий, происходящих с транспозоном важное место занимает процесс его исключения. Утрату транспозона можно определить по восстановлению функции в сайте внедрения. Одной из важнейших реакций, опосредованных транспозонами, является слияние репликонов с образованием коинтегрированной структуры. Репликон содержащий транспозон, может сливаться с репликоном не несущим элемента, т.е. транспозиция может вести к слиянию донорного и реципиентного репликонов с образованием коинтегранта. Донорная молекула разрезается в каждом конце транспозона с помощью сайтспецифичного фермента, который узнает его конец. Молекула мишени разрезается в сайтах, расположенных ступенчато, на расстоянии 5 или 9 оснований друг от друга.