Классификация подвижных элементов, их структура и способы перемещения

Различают два основных класса подвижных элементов: транспозоны и ретротранспозоны. Такая классификация основана на молекулярных механизмах, с помощью которых перемещаются подвижные элементы. Транспозоны перемещаются с участием комплекса белков, обеспечивающего активность фермента транспозазы, которая узнает элемент и обеспечивает его перенос на новое место. Транспозоны ограничены с двух сторон так называемыми инвертированными повторами, то есть последовательностями, направленными навстречу друг другу (рис. 1). Инвертированные повторы необходимы для перемещения элемента, которое осуществляется благодаря их сближению друг с другом и узнаванию транспозазами. Инвертированные повторы сближаются и точно отрезаются от соседних участков ДНК хозяина (см. рис. 1). Вопросы, касающиеся проблемы узнавания ДНК белками, основанной на специфичном нековалентном взаимодействии аминокислотных остатков с нуклеотидами, были рассмотрены ранее [2]. Успешному вырезанию элемента способствует дополнительная сверхспирализация двухнитевой спирали ДНК, обеспечивающая изгибы двойной спирали и сближение отдельных ее участков. Роль сверхспирализации в функционировании генетического аппарата рассмотрена в книге М.Д. Франк-Каменецкого [4], а также автором статьи [2]. Вырезанный транспозон внедряется в район вносимого транспозазой разрыва в молекуле-мишени и сшивается с ДНК хозяина в новом месте (см. рис. 1). Разрыв и зашивание осуществляются транспозазой и вспомогательными белками. Транспозаза может кодироваться как самим подвижным элементом, который будет перемещаться, так и другой копией элемента, локализованной в том же геноме в отдалении.

Итак, подвижность элементов становится возможной благодаря активности ферментов, которые способны точно вырезать элемент из хромосомы для того, чтобы затем вставить его в какое-то другое место генома. А брешь в ДНК, оставляемая после вырезания транспозона, может залечиваться — застраиваться с участием гомологичного участка, например сестринской, только что редуплицированной молекулы ДНК. Этот процесс схематически и в упрощенном виде представлен на рис. 1. Осуществляются комплементарные взаимодействия нитей (красная с желтой) в гомологичных участках ДНК, соседствующих с транспозоном, затем происходит достройка — синтез комплементарных нитей (синие пунктирные стрелки), после чего образовавшаяся структура разрезается (волнистые стрелки), а «синие» участки новосинтезированной ДНК, содержащие материал ДНК транспозона, сшиваются с «желтыми» или «красными» флангами. В итоге залечивается дырка на месте вырезанного транспозона, а число копий транспозона увеличивается на одну копию. Обратим внимание на то, что клетка способна залечивать любой двухнитевой разрыв, образовавшийся, например, при облучении, с помощью механизма, изображенного на рис. 1. Может ли клетка справиться с такой важной задачей, если эти механизмы восстановления целостности хромосомы будут нарушены? Как мы увидим, в таком случае на помощь могут прийти ретротранспозоны.

Здесь не рассматриваются транспозоны бактерий. Однако необходимо упомянуть, что они очень хорошо изучены [5]. Бактериальный транспозон кроме гена транспозазы может содержать ген, обеспечивающий устойчивость бактерии к тому или иному антибиотику — пенициллину, тетрациклину и др. Поэтому большой практический интерес представляют исследования закономерностей распространения подобных бактериальных транспозонов. Транспозоны активно исследуют у растений, насекомых, и, наконец, недавно они были обнаружены в хромосомах человека. Эти подвижные элементы можно рассматривать как вездесущие.

Другой большой класс также вездесущих подвижных элементов — это ретротранспозоны, они не умеют вырезаться из хромосомы, как это делают транспозоны. Механизм их перемещения основан на существовании открытой в 1970 году Г. Теминым и Д. Балтимором реакции обратной транскрипции — синтеза нити ДНК на РНК. Химическая реакция протекает так же, как при образовании нити комплементарной ДНК на ДНК-матрице при репликации двухнитевой молекулы ДНК [1]. Обратная транскрипция была обнаружена при изучении ретровирусов, содержащих РНК, которвя служит матрицей при образовании ДНК-копии РНК вируса [6]. Фермент, осуществляющий эту реакцию синтеза ДНК на РНК (вспомним, что транскрипция — это синтез РНК на ДНК), называют обратной транскриптазой или (в русской литературе) ревертазой. Ревертаза не только ведет синтез нити ДНК на РНК, но и осуществляет синтез второй комплементарной нити ДНК, а РНК-матрица распадается и удаляется. Двухнитевая ДНК синтезируется в цитоплазме, а затем перемещается в ядро и может встроиться в геном, образуя провирус (рис. 2). Находясь в хромосоме, провирус стабильно наследуется в ряду поколений как обычный ген. В хромосомах млекопитающих содержатся так называемые эндогенные провирусы, которые безвредны, а может быть, даже несут какие-нибудь биологические функции. Провирус ограничен так называемыми длинными концевыми повторами (ДКП, английская аббревиатура: LTR от «long terminal repeats»), содержащими обычно по 250−700 нуклеотидных пар. Они необходимы для транскрипции провируса и его репликации (воспроизведения) (см. рис. 2). Левый повтор содержит промотор, с которым взаимодействует РНК-полимераза, начинающая синтез РНК (см. [2] о промоторах и РНК-полимеразе). Синтезированная молекула РНК, равно как и РНК из вирусной частицы, заразившей клетку, транслируется с образованием белков-ферментов, необходимых для синтеза ДНК провируса и его внедрения в геном, а также белков самой вирусной частицы. В некоторых случаях может образоваться зрелый вирус, содержащий РНК, упакованную в белковую оболочку.

Вирусная частица может выйти из одной клетки и заразить другие. Для встраивания (интеграции) ДНК провируса необходим фермент интеграза, разрезающий ДНК-мишень и сходный по механизму своего действия с транспозазой. Наличие ДКП не только обеспечивает транскрипцию, но и полноценную репликацию провируса с двумя ДКП (этот сложный механизм здесь не рассматривается). Может случиться, что в процессе обратной транскрипции и репликации ДНК в состав будущего провируса случайно попадет материал других клеточных генов, если, например, ревертаза будет копировать какие-либо клеточные РНК. Ревертаза работает неточно, она может вносить ошибки в нуклеотидную последовательность ДНК, образующуюся на РНК, в отличие от ДНК-полимеразы, работающей почти безошибочно при воспроизведении всех хромосом [1]. Если такая ошибочно скопированная последовательность, соответствующая некоторым важным генам, управляющим размножением клеток, попадет в состав провируса и, следовательно, в геном клетки, то это событие может привести к злокачественному перерождению клетки, поскольку клетка теперь будет нести ген, кодирующий измененный белок, отвечающий за рост и размножение клеток. Поэтому ретровирусы, несущие протоонкогены [2], опасны для клетки и организма.

Структуру провирусов практически повторяют подвижные элементы, получившие название ретротранспозонов. Ретротранспозоны широко распространены у эукариот, населяя геномы дрожжей, растений, насекомых и позвоночных, включая человека. По-видимому у растений они могут занимать значительную часть межгенных пространств. Процесс синтеза ДНК при размножении ретротранспозона с участием ревертазы происходит в вирусоподобных частицах (см. рис. 2), белковые компоненты которых также кодируются генами ретротранспозона. Однако такие частицы неинфекционны, поскольку большая часть ретротранспозонов в отличие от ретровирусов не содержит гена, который мог бы кодировать белок оболочки вирусной частицы, обеспечивающей ее выход из клетки и способность к заражению других клеток. Правда, резкой границы между ретротранспозонами и ретровирусами провести нельзя. Так, один из ретротранспозонов плодовой мушки дрозофилы (gypsy — цыган) можно назвать как недавно оказалось, настоящим ретровирусом: путем инъекции или скармливанием вирусных частиц удается заразить мух, не несущих ретротранспозона. В то же время этот ретротранспозон в одной определенной линии мух является лишь внутригеномным наследуемым в ряду поколений элементом, локализация нескольких его копий неизменна в одной линии мух, но различается в разных линиях. Подавляющая часть ретротранспозонов либо потеряла ген оболочки, либо еще не приобрела его и, следовательно, представляет собой исключительно внутригеномные, неинфекционные элементы, способные лишь к самовоспроизведению и «подзаражению» того же генома. Остается открытым один из излюбленных дискуссионных вопросов: произошли ли ретровирусы из ретротранспозонов или же, напротив, ретротранспозоны возникли из вирусов в результате потери способности к заражению?

Рис. 3. Сохранение концов хромосомы в процессе повторных актов репликации, РНК-затравка изображена волнистой линией

Другой большой класс ретротранспозонов не несет длинных концевых повторов. Механизм внедрения таких ретротранспозонов в ДНК иной, хотя он также осуществляется с помощью обратной транскрипции. К числу таких ретротранспозонов относятся представители так называемого семейства L1, населяющие геном человека. Если репликация ретротранспозонов с ДКП не зависит от точки будущей инсерции, то репликация элемента без длинных концевых повторов непосредственно сопряжена с районом будущего внедрения ретротранспозона (см. рис. 2). РНК, образовавшаяся при транскрипции ретротранспозона, перемещается к достаточно случайному месту разрыва ДНК-мишени, причем в ряде случаев показано, что она даже сшивается с одной из нитей ДНК. Сюда же устремляются и необходимые для интеграции белки — ревертаза и интеграза. Другая, комплементарная нить ДНК служит затравкой для копирования РНК-копии элемента с участием ревертазы (см. рис. 2). Сначала ревертаза копирует небольшой участок ДНК-мишени, а затем меняет матрицу и копирует РНК. Затем РНК удаляется и образуется вторая комплементарная нить ДНК.

Рис. 4. Перемещение транспозона

Концы транспозона (инвертированные повторы) показаны направленными навстречу стрелками. Дочерние нити ДНК после репликации изображены разными цветами. Внизу на схеме направленные навстречу стрелки указывают положение транспозона в районе «красной» двойной спирали. Синими стрелками изображен синтез комплементарных нитей.