В начало...

Подвижная ДНК эукариот. Часть 1. Структура, механизмы перемещения и роль подвижных элементов в поддержании целостности хромосом. В. А. ГВОЗДЕВ. Продолжение.

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ РЕТРОТРАНСПОЗОНОВ В ГЕНОМЕ ЭУКАРИОТ

Ретротранспозоны и проблема сохранения концов хромосом в ряду поколений

Рис. 3. Сохранение концов хромосомы в процессе повторных актов репликации, РНК-затравка изображена волнистой линией, см. также рис. 5 в статье [1]

Для того чтобы лучше разобраться в этой проблеме, желательно прочитать статью О.О. Фаворовой [1]. При воспроизведении ДНК перед клеточным делением синтез ДНК начинается с образования затравки РНК, поскольку фермент ДНК-полимераза способен только добавлять дезоксирибонуклеотидные звенья к 3'-концу полинуклеотидной цепи, но неспособен начинать синтез цепи ДНК. Затравка затем удаляется, и бреши застраиваются. Однако на одном из концов реплицирующихся молекул останется брешь, которую не удается заделать с помощью ДНК-полимеразы, работающей в 5'-3' направлении (рис. 3). Возникает опасность, что одиноко выступающий однонитевый конец ДНК будет уничтожен каким-либо ферментом, в результате чего молекула укоротится с конца. Если не принять соответствующих мер, то при каждом акте репликации ДНК хромосома будет укорачиваться с концов. В конечном итоге могут быть утрачены важные гены и клетка погибнет. Обычно для сохранения конца ДНК (концы хромосом называют теломерами, от греч. телос - конец) используется фермент теломераза, состоящий из двух компонентов: белка и РНК-матрицы, с помощью которой удлиняется конец ДНК (см. рис. 3). Такое удлинение возможно, потому что концы хромосом содержат повторы из нескольких нуклеотидов (например, у человека ТТАGGG), которым комплементарен участок РНК - компонента теломеразы. Таким образом, теломераза узнает выступающий 3'-конец и удлиняет его. В таком случае удается, снова с использованием ДНК-затравки и РНК-матрицы, достроить конец ДНК (см. рис. 3). Теломеразная машина устроена таким образом, что конец хромосомы может не только сохраняться, но и удлиняться в ряду поколений. Действительно, последнее нетрудно себе представить, если достраиваемый 3'-конец будет достаточно длинным. Одна из причин старения видится в том, что при отсутствии теломеразы в некоторых тканях происходит укорачивание хромосомы с потерей важных генов. Наоборот, бессмертие ряда клеток в культуре вне организма, свойственное, как правило, клеткам из опухолей, объясняется реактивацией теломеразы. Мы кратко рассмотрели эту интересную проблему, связанную с активностью теломеразы и вечными проблемами биологического старения и опухолевого роста, поскольку оказалось, что иногда в борьбу с укорочением концов хромосом вступают мобильные элементы. У плодовой мушки дрозофилы отсутствует теломеразная машина, но концы ДНК удлиняются за счет перемещений ретротранспозонов. На этом примере впервые показана важная структурная и функциональная роль ретротранспозонов. Они выступают как компоненты генома, спасающие хромосому от укорачивания. В качестве спасателей выступают ретротранспозоны, относящиеся к семействам, без длинных концевых повторов. Ретротранспозоны перемещаются, образуя повторяющуюся структуру, в которой элементы соединены друг с другом по типу "голова к хвосту" (см. рис. 3). Сначала на РНК-транскрипте как на матрице с помощью ревертазы строится комплементарная нить ДНК, а затем после удаления РНК-матрицы достраивается другая. Таким образом, если эти ретротранспозоны и существовали когда-то как элементы-паразиты, то впоследствии геном хозяина приспособил их для выполнения столь важной функции, как сохранение концевых участков хромосом. Эти ретротранспозоны стали уже не эгоистами, а бесценными помощниками, спасающими хромосому от потери генов.

Ретротранспозоны залечивают двухнитевые разрывы ДНК

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

Повреждения одной из комплементарных нитей ДНК могут быть устранены за счет удаления этого участка и его ресинтеза с использованием неповрежденной комплементарной нити ДНК (рис. 4). Сложнее залечить двухнитевой разрыв, приводящий к образованию двух отдельных фрагментов двойной спирали ДНК. Хромосомы регулярно расходятся по дочерним клеткам, если они не потеряли центромеры, к которой прикрепляются нити веретена деления, растаскивающие хромосомы. Однако фрагмент хромосомы, лежащий от центромеры дальше, за разрывом, будет утрачен. Обычно двухнитевой разрыв залечивается с помощью гомологичной молекулы ДНК, например сестринской, только что реплицированной нити. Этот процесс, как мы видели (см. рис. 1), осуществляется путем ресинтеза копии утраченной ДНК на месте образовавшейся дырки. Однако если клетка лишена обычной системы залечивания двухнитевого разрыва, то в качестве заплатки может быть использована подвижная ДНК. Оказалось, что в роли такой подвижной ДНК может выступать реплицирующаяся ДНК ретротранспозонов. В этом случае спасательную функцию осуществляет класс ретротранспозонов, содержащих ДКП. Заплатка позволит хромосоме сохранить целостность и не утратить концевого фрагмента. Правда, брешь в двухнитевой спирали ДНК будет залеплена заплаткой из ретротранспозона, то есть исходная нуклеотидная последовательность не будет восстановлена. Однако если район разрыва не содержал существенного гена, то клетка, а возможно, и организм сохранят жизнеспособность. Возможность участия ретротранспозонов, содержащих длинные концевые повторы, в процессе заживления двухнитевых разрывов была обнаружена в клетках дрожжей недавно, поэтому молекулярные механизмы обнаруженного явления остаются пока невыясненными.

Рис. 4. Устранение повреждения в одной из комплементарных нитей ДНК и залечивание двухнитевого разрыва ДНК с помощью ретротранспозона

Поврежденные неактивные подвижные элементы
Чтобы представить себе роль подвижных элементов в изменчивости генома, нельзя не упомянуть о существовании множества неактивных дефектных копий этих элементов. Очень часто отдельные копии транспозонов или ретротранспозонов оказываются дефектными, то есть они не способны кодировать транспозазу или ревертазу. Однако такие элементы сохраняют способность к перемещениям, если в случае транспозонов не повреждены инвертированные повторы, узнаваемые транспозазой, а в случае ретротранспозонов сохранены промотор и возможность транскрипции элемента. Множество таких дефектных копий сохранит способность к перемещениям, если ферменты, ответственные за перемещения (ревертазы и транспозазы) будут кодироваться другими полноценными элементами. В геноме человека источником активной ревертазы является, по-видимому, так называемый ретротранспозон L1, число копий которого достигает 100 тыс. Однако число активных перемещающихся копий составляет всего 30-60 тыс., тогда как остальные настолько повреждены, что не транскрибируются и, следовательно, уже не могут перемещаться. Отметим, что перемещения L1 в геноме человека вызывают мутации генов, и предположения об их возможной благотворной роли пока остаются неподтвержденными. Таким образом, налицо своеобразная двухкомпонентность в семействе подвижных элементов: существуют как полноценные активные элементы, так и дефектные, способные перемещаться только при участии полноценных копий. Наконец, отдельные копии могут быть настолько изменены, что утратят всякую способность к перемещению из-за того, что концевые повторы будут безнадежно испорчены: станет невозможной как транскрипция, так и узнавание транспозазами.

Благодарю С.А. Лаврова за помощь при подготовке статьи.

ЛИТЕРАТУРА
1. Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: репликация ДНК // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N 4. С. 11-17.
2. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции // Там же. N 2. С. 22-31.
3. Гвоздев В.А. Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК // Там же. 1996. N 12. С. 11-18.
4. Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула. М.: Наука, 1983.
5. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1984.
6. Агол В.И. Разнообразие вирусов // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. N 4. С. 11-16.
* * *
Владимир Алексеевич Гвоздев, профессор, член-корреспондент РАН, зав. отделом молекулярной генетики животных Института молекулярной генетики РАН. Лауреат Государственной премии СССР. Область научных интересов: структура и функция генов. Соавтор учебника по молекулярной биологии, автор более 120 работ.