Введение. 
ДНК-транспозоны. 
Мобильные генетические элементы. 
Значение для вирусов и эукариот

В 70-х годах в области молекулярной генетики были сделаны существенные открытия: оказалось, что отдельные фрагменты ДНК, имеющие специальную структурную организацию, могут перемещаться в геноме как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами. Они были названы подвижными элементами. Подвижные элементы включают примерно от тысячи до десятков тысяч нуклеотидных пар ДНК. Размеры подвижных элементов сопоставимы с сильно изменчивыми длинами настоящих генов, локализация которых в геноме стабильна. Почему эти фрагменты ДНК могут перемещаться в геноме? Как мы увидим, способность к перемещениям определяется особенностями их структуры и наличием белков-ферментов, обеспечивающих эти перемещения (транспозиции). Перемещения осуществляются либо путем вырезания элемента из одного места и встраивания его в другое, либо путем образования копии подвижного элемента, внедряющейся в новое место, тогда как родительская копия остается на прежнем месте. В последнем случае будет происходить размножение подвижных элементов, увеличение их числа в геноме. В некоторых случаях подвижный элемент, покидая хромосому, оставляет след своего былого присутствия, локально изменяя нуклеотидную последовательность ДНК. Открытие подвижных (мобильных) элементов показало, что последовательность нуклеотидов ДНК по длине хромосомы не неизменна, она может изменяться благодаря перемещению этих элементов. Оказалось, что подвижные элементы, встраиваясь в гены или окрестности генов, вызывают мутации. Так, например, у плодовой мушки дрозофилы подавляющая часть (более 80%) мутаций, возникающих спонтанно (то есть не вызванных облучением или химическими агентами), обусловлены внедрением подвижных элементов. Достаточно неожиданной оказалась способность подвижных элементов изменять и даже повышать уровень активности близлежащих генов. Эти открытия позволили по-новому взглянуть на природу мутационных процессов и молекулярных механизмов эволюции генома. Изменчивость генной активности и эволюция генома с участием подвижных элементов рассмотрены во второй статье (см. с. 15−21).

Подвижные элементы часто получают названия, отражающие их способность к перемещению (Улисс, Магеллан, «Бигль», hobo — бродяга, gypsy — цыган, flea — блоха, турист и др.) или, например, подвижность в прошлом, сменившуюся «заякориванием» в определенной точке хромосомы (подвижный в прошлом элемент «аврора», описанный российским автором). Коротко рассмотрим сведения о структуре подвижных элементов и способах их перемещения, а также недавно полученные интересные результаты, позволяющие считать, что подвижные элементы играют важную функциональную роль в поддержании целостности генома. Понимание изложенного материала будет сильно облегчено, если читатель обратится к статьям, ранее опубликованным в «Соросовском Образовательном Журнале» [1−3].

Подвижные элементы долгое время рассматривались как представители так называемой эгоистичной ДНК, которая ставит перед собой единственную цель — размножиться в геноме и паразитировать на нем. Эта точка зрения предполагает, что геном вынужден бороться с эгоистичной ДНК и ограничивать ее размножение. В то же время не лишены основания представления о том, что естественному отбору подвергаются не только хозяйские гены, но и эгоистичная ДНК. Нельзя исключить, что в результате естественного отбора представители паразитической ДНК будут использованы для нужд генома, если появятся полезные функции этих эгоистичных кусочков ДНК. Такое предположение начинает получать подтверждения.

Следует отметить, что в основу представлений о механизмах перемещений по крайней мере некоторых подвижных элементов, а также об их роли в эволюции генома легли исследования подвижных элементов у бактерий. Однако из-за недостатка места ограничимся рассмотрением подвижных элементов, населяющих геном эукариотической клетки.

Подвижные элементы эукариот представлены отдельными семействами, сходными по своей структуре и поведению. Внутри семейства различают подсемейства идентичных или очень сходных подвижных элементов, число которых колеблется от нескольких копий до нескольких тысяч копий на геном. В целом подвижные элементы обычно составляют 10−30% всей массы ДНК. У растений, как недавно выяснилось, подвижные элементы составляют более половины ДНК по весу. Подвижные элементы обычно рассеяны по геному, но в отдельных участках хромосом они могут концентрироваться.

Открытие подвижных элементов нисколько не посягает на классические представления хромосомной теории наследственности о стабильном расположении генов по длине хромосом. Перемещения подвижных элементов — это достаточно редкие события: у бактерий один акт перемещения обычно удается зарегистрировать примерно на десять тысяч — один миллион клеток (частоты перемещений сильно варьируют). Частоты транспозиций у дрозофилы настолько малы, что их трудно заметить и оценить. Только в особых ситуациях, вызванных внешними воздействиями или мутациями генов хозяина или самих подвижных элементов, частоты перемещений могут резко (на два-три порядка) увеличиваться, достигая, например, у дрозофилы одного события на 10−100 особей за поколение.

Рис. 1. 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 Транспозон — последовательность ДНК, способная перемещаться внутри генома в результате процесса, называемого транспозицией. Транспозоны — один из классов мобильных элементов генома, которые, встраиваясь в геном, могут вызывать мутации, в том числе и такие значительные как хромосомные перестройки. Они играют важную роль в процессах переноса лекарственной устойчивости среди микроорганизмов, рекомбинации, и обмена генетическим материалом между различными видами как в природе (горизонтальный перенос генов), так и в ходе генно-инженерных исследований.

Транспозоны были открыты в 1951 году Барбарой Мак-Клинток, которая в 1983 году была удостоена за эти исследования Нобелевской Премии. Транспозоны обычно состоят из двух прямых или инвертированных повторяющихся последовательностей ДНК, необходимых для транспозиции, между которыми находятся белок-кодирующие гены. Иногда в составе центральной части транспозонов находятся гены, обеспечивающие селективное преимущество для организма, содержащего мобильный элемент. Различают два класса транспозонов:

Класс 1 включает ретротранспозоны, которые перемещаются по геному путём обратной транскрипции с их РНК;

ДНК-транспозоны, относящиеся ко второму классу транспозонов, перемещаются путём прямого вырезания и вставки с использованием кодируемого транспозоном фермента транспозазы.

Транспозон — последовательность ДНК, способная реплицироваться и внедрять одну из копий в новое место генома .

Транспозоны — это мобильные элементы, обычно имеющие длину около 2500−7000 н.п., представленные в геноме в основном семействами диспергированных повторов. От ИЭ они отличаются тем, что переносят так называемые «экзогенные гены», то есть, гены, кодирующие некоторые функции, не имеющие отношения к транспозиции. (Следует отметить, что термин «транспозон» в литературе иногда используется для обозначения любых транспозиционных элементов, включая ИЭ, ретротранспозоны и т. д.) Бактериальные транспозоны обозначаются буквами Tn, за которыми следует номер типа. Некоторые из них являются комплексными (или композиционными) транспозонами (complex or composite transposons), и называются так потому, что два отдельных ИЭ, каждый из которых способен к независимой транспозиции, фланкируют один или более «экзогенных гена». (Рис. 8.2б) Интересно то, что в композиционных транспозонах транспозиции может подвергаться не только весь комплекс в целом, но и один или оба фланговых ИЭ в отдельности. Поскольку транспозиционная активность кодируется в ИЭ, комплексные транспозоны обычно не содержат независимого гена транспозазы.

Другие бактериальные транспозоны, так же как и многие эукариотические, фланкированы только короткими повторенными последовательностями различной ориентации и не содержат инсерционных элементов. Однако, не все транспозоны имеют симметричную структуру. У некоторых из них могут быть асимметричные концы, в которых отсутствуют либо прямые, либо инвертированные терминальные повторы (например, транспозон Tn554 из Staphilococcus aureus). Кодирующие участки некоторых транспозонов эукариот разделены интронами (например, P-элемент Drosophila).

Некоторые бактериофаги фактически являются транспозонами или транспозиционными бактериофагами (transposing bacteriophages). Например, бактериофаг Mu является очень большим транспозоном (*38 000 н.п.), который кодирует не только ферменты, ответственные за транспозицию, но также и большое число структурных белков, необходимых для упаковки его ДНК.

Транспозоны различных типов довольно широко распространены в геномах животных, растений и грибов. Например, Drosophila melanogaster содержит множественные копии 50−100 разновидностей транспозонов (Rubin, 1983).

Транспозоны еще называют инсерционными элементами. Инсерционные элементы (ИЭ) являются простейшей разновидностью транспозиционных элементов. Они не несут никакой генетической информации, за исключением той, которая необходима для транспозиции. ИЭ обычно имеют длину около 700−2500 н.п. Они были обнаружены в бактериях, бактериофагах, плазмидах и кукурузе. Бактериальные элементы обозначаются префиксом IS, за которым следует типовой номер. Структура ИЭ IS1 из кишечных бакерий Escherichia coli и Shigella dysenteria схематически показана на рис. 8.2а. IS1 имеет длину около 770 нуклеотидов, включая два неидентичных инвертированных повтора длиной 23 н.п. каждый. Он содержит две рамки считывания, InsA и InsB, которые кодируют одну или две разновидности транспозазы, фермента, катализирующего включение транспозиционных элементов в сайты встраивания. У E. coli существуют десятки различных разновидностей инсерционных элементов, и геномы большинства линий, выделенных из дикого типа, содержат различное количество каждого из них. (Sawyer et al, 1987).