НОВОСТИ

 
08 июля 2020 г.

Повторяющиеся элементы обильно распределены в геномах млекопитающих. Учёные обнаружили поразительную связь между типами мобильных генетических элементов находящегося поблизости гена и той ролью которую он играет в развитии организма. SINE, L1 и повторы низкой сложности разграничивают различные функциональные категории генов и могут диктовать время и уровень экспрессии генов, предоставляя сайты связывания для различных регуляторных белков. Важно отметить, что анализ изображений и секвенирования показывает, что повторы L1 секвестируют большой набор генов со специализированными функциями в неактивных доменах, связанных с ядрышком (Nucleus) и ядерной ламиной (НАДы и ЛАДы, NAD & LAD), которые лишены повторов SINE. Кроме того, транскрипты L1 активно связываются с ДНК L1 в эмбриональных стволовых клетках (ESC) через вспомогательные белки. Истощение РНК L1 в ЭСК приводит к перемещению хромосомных сегментов, обогащенных L1, из неактивных доменов во внутреннюю часть ядра и дерепрессии генов, связанных с L1. Эти результаты демонстрируют роль ДНК и РНК L1 в молчании генов и предполагают роль мобильных генетических элементов и тандемных повторов в управлении функцией, регуляцией и экспрессией их хозяйских генов. Полностью статью в Cell можно скачать здесь.

SINE, L1 и повторы низкой сложности - управляют генами с различными функциями:

SINE – генами домашнего хозяйства.

L1 – специализированными генами

Повторы низкой сложности (тандемные повторы) – генами связанными с развитием эмбриона

Геномные повторы определяют время и уровень экспрессии генов во время развития

L1-обогащенные гены изолированны в неактивных доменах NAD/LAD для сайленсинга

РНК L1 способствует ядерной локализации и репрессии генов, обогащенных L1

Барбара Мак-Клинток разработала метод визуализации хромосом клеток кукурузы и, применив микроскопический анализ, сделала множество фундаментальных открытий в цитогенетике, в их числе рекомбинация наследственной информации в результате кроссинговера («перекреста» и обмена участками хромосом) во время мейоза. Она составила первую генетическую карту кукурузы, описав физические свойства участков хромосом, показала роль теломер и центромер (участков хромосом, задействованных в сохранении генетической информации), провела обширные исследования по цитогенетике и этноботанике южноамериканских видов кукурузы, разработала теорию, объясняющую репрессию и экспрессию генетической информации при передаче от одного поколения к другому на примере кукурузы.

Barbara McClintock (1902-1992) shown in her laboratory in 1947.jpg

Рис 1. Барбара Мак-Клинток в лаборатории, 1947 г.

В 1948-1950 годах Мак-Клинток разрабатывала теорию, согласно которой мобильные элементы влияют на гены, селективно ингибируя и регулируя их активность. Она охарактеризовала диссоциатор и активатор как «контролирующие единицы», а позже как «контролирующие элементы», чтобы подчеркнуть их свойство влиять на работу соседних генов. Она предположила, что генная регуляция может объяснить, почему в сложных многоклеточных организмах образуются различные клетки и ткани, несмотря на то, что все клетки обладают идентичным геномом. Открытие Мак-Клинток поставило под сомнение представление о геноме как о статичном наборе правил, передающихся из поколения в поколение. В 1950 году она опубликовала свою работу об активаторах и диссоциаторах.

Работы Мак-Клинток по исследованию контролирующих элементов и генной регуляции в силу их сложности не сразу были осмыслены и приняты современниками. Научные изыскания воспринимались, по её словам, как «загадочные, даже враждебные». Летом 1951 года Мак-Клинток доложила об исследовании изменчивости генов на ежегодном симпозиуме в Колд Спринг Харбор. Её работа была встречена «каменным молчанием». Несмотря на это, Мак-Клинток продолжила проведение исследований контролирующих элементов. В 1953 году она опубликовала статью, где представила полученные статистические данные, и в 1950-х годах провела лекционный тур в нескольких университетах, посвящённый её работе. Она продолжила исследования в этой области и обнаружила новый элемент Супрессор-мутатор (англ. Suppressor-mutator, Spm), охарактеризованный как траспозон и обладающий сложными свойствами, так же как и комплекс Ac/Ds (система «ассоциация — диссоциация»). Основываясь на отношении научного сообщества к её работам и чувствуя опасность отчуждения от научного мейнстрима, с 1953 года Мак-Клинток перестала публиковать отчёты об исследованиях контролирующих элементов. В 1983 году Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине с формулировкой «За открытие мобильных генетических элементов».

Повторяющиеся последовательности как, содержащие перемещаемые элементы и простые повторы, составляют до 45% генома у мыши и 50–70% у человека. Коме того около четверти генома представляют из себя пиРНК, которые подавляют активность контролирующих элементов, как в оригинале называла их автор. И вот сейчас группа ученых из разных стран спустя 70 лет после открытия Мак-Клинток, разобралась в молекулярных механизмах работы контролирующих элементов, многие десятилетия незаслуженно называемых генетическим мусором. Статья опубликована в журнале Cell.

На основе механизмов транспозиции транспонируемые элементы можно разделить на ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. Последние преобладают у большинства млекопитающих и могут быть далее разделены на транспозоны эндогенных ретровирусов (ERV), содержащие длинный концевой повтор (LTR), и транспозоны не LTR (включая короткие вкрапленные ядерные элементы [SINEs] и длинные вкрапленные ядерные элементы [LINEs]) , Наиболее распространенный подкласс SINE включает специфичные для приматов элементы Alu у человека и близкородственные повторы B1 у мышей, длина которых примерно 300 пн и которые в изобилии присутствуют в богатой GC ДНК. Мыши и люди имеют до 0,6 млн и 1,4 млн. Копий этих повторов соответственно, что составляет около 2,7% или 10,6% геномной ДНК. Длинный диспергированный элемент-1 (LINE1 или L1), длина которого составляет 6–7 т.п.н. и содержит много ДНК, обогащенной AT, составляет 19% и 17% (от 0,9 млн. До 1,0 млн. Копий) генома у мыши и человека, соответственно и составляют наибольшую долю перемещаемых элементов, полученных из последовательностей.

Повторяющиеся элементы когда-то считались нежелательной или «паразитической» ДНК, но все больше доказательств постепенно пересматривали и расширяли наше понимание геномных повторов и того, как они влияют на геномы млекопитающих. Геномные повторы могут влиять на экспрессию генов хозяина как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях посредством цис- и транс-механизмов и участвовать в регуляции разнообразных биологических и патологических процессов. Например, короткие тандемные повторы способствуют изменениям экспрессии генов и генетической архитектуре количественных человеческих признаков. ERV1 и HERVH содержат сайты связывания ДНК с факторами транскрипции POU5F1, NANOG и STAT1 и участвуют в плюрипотентности стволовых клеток и врожденном иммунитете. Повторы SINE несут новые сайты связывания для CTCF и могут служить в качестве граничных элементов, влияющих на структуру и транскрипцию хроматина. Повторы L1 регулируют глобальную доступность хроматина в начале развития, и эмбрионы задерживаются на двухклеточной стадии, если подавлена активность транскриптов L1. В мышиных эмбриональных стволовых клетках (ESCs) РНК L1 способствует связыванию нуклеолина (NCL) и белка-1, ассоциированного с ядерным корепрессором KRAB (KAP1 или TRIM28), с рибосомной ДНК (рДНК) и локусами гена DUX для стимуляции транскрипции рРНК или репрессируют транскрипционную программу, специфичную для двухклеточного эмбриона, соответственно. Поскольку нокаут DUX вызывает незначительные дефекты в активации зиготического генома (ZGA) и совместим с развитием мыши, мы предполагаем, что роль L1-повторов превышает регуляцию гена DUX.

Несмотря на эти первоначальные результаты, наши современные знания о том, как повторяющиеся последовательности формируют структуру и функцию генома, все еще ограничены. Степень, в которой функция геномных повторов может быть обобщена независимо от биологического контекста, плохо изучена. Разъяснение ролей отдельных повторных подсемейств в регуляции генов все еще отсутствует. Здесь мы провели всесторонний и количественный анализ различных подклассов повторов в геномах мыши и человека и выявили поразительную связь генных повторов с функцией, регуляцией и экспрессией их генов-хозяев. Важно отметить, что мы демонстрируем ключевую роль РНК L1 в передаче информации о ДНК L1 и секвестрации большого набора генов, которые специализируются на функциях, связанных с терминально дифференцированными клетками, в гетерохроматических ядрышковых и ядерных перифериях для транскрипционного сайленсинга в ESC. Эти результаты раскрывают общую тему повторных последовательностей в формировании регуляторных сетей генов в геноме их хозяина.

Неслучайное распределение повторяющихся элементов

Мы исследовали геномы мыши и человека и обнаружили, что значительная часть (примерно 21% -73%) отдельных подклассов повторов находится рядом с геном, который часто содержит несколько подклассов повторов с разной частотой. Более 72% повторов B1 / Alu и 42% -59% L1 расположены в пределах ± 10 кБ гена у человека и мыши и 59% B1 / Alu и 32% -48% L1 в пределах ± 2 кБ от гена (фигуры 1A, S1A и S1B). В примере четырех генов, кодирующих белки RPS15 (рибосомный белок), OLFR441 (обонятельный рецептор), FGF5 (фактор транскрипции) и ZFP72 (белок цинкового пальца), они имеют резко отличающиеся повторяющиеся составы (рис. 1В), Хотя все они содержат SINE в своих промоторах, ясно, что эти четыре гена, несущие меньшее количество или набор элементов SINE, принадлежат к разным функциональным категориям. Это наблюдение свидетельствует о том, что простое определение гена как «повторяющего, содержащего» затмило бы потенциальные регуляторные различия, которые присваиваются различными повторными подклассами.

График тепловых карт содержания повторов в генных областях (± 2 т.п.н. гена) выявил дифференциальные распределения различных повторов в геномах мыши и человека (Рисунки 1C, S1C и S1D). Во-первых, SINE сильно обогащены генами мРНК по сравнению с длинными некодирующими РНК (lncRNAs) в регуляторных областях, включая «промотор», «интрон» и «вниз по течению» (выделено розовой рамкой). Во-вторых, L1, по-видимому, более обогащен фоном генома, чем генные области. В-третьих, lncRNAs имеют более высокое содержание ERV в экзонах и нижележащих областях по сравнению с генами мРНК (выделено оранжевой рамкой), что согласуется с предыдущим отчетом. В-четвертых, простые повторы с низкой сложностью сильно обогащены промоторами генов мРНК и lncRNA, а последовательности с низкой сложностью также обогащены в 50 UTR мРНК (выделено зеленым прямоугольником). В-пятых, спутниковые повторы являются единственным повторным подклассом, который сильно обогащен CDS мышиных мРНК. Эти наблюдения указывают на неслучайное распределение генных повторов в геномах мыши и человека и предполагают потенциальную связь между особенностями повторов и функциями генов хозяина, содержащих повторы.

Генные повторы категоризируют функции генов

Для дальнейшего изучения того, как состав и распределение повторов связаны с функцией генов, мы рассчитали содержание ДНК для каждого из 14 повторных подклассов, которые делятся на шесть областей гена для 22,432 кодирующих белок генов у мышей (рис. S2). Гены, которые были сгруппированы по повторяющимся признакам, более вероятно, будут обогащены определенными функциями, чем случайные группы (Рисунки 1D и S1D). Иерархическая кластеризация выявила четыре видных кластера генов, которые имеют различные повторяющиеся подтипы (Рис. 1E и S3A): (1) набор из 2041 гена, который обогащен повторами SINE (B1, B2 и B4) в регуляторных областях (обозначен как '' SINE-обогащенные гены ''); (2) набор из 1480 генов, обогащенных L1 в регуляторных областях (обозначен как «L1-обогащенные гены»); (3) набор из 2439 генов, обогащенных последовательностями с низкой сложностью в промоторах, 50 UTR и областях CDS и обогащенных простыми повторами в 50 UTR и CDS (обозначены как «повторяющиеся гены низкой сложности»); и (4) набор из 383 генов, обогащенных спутниковыми повторами в областях CDS и 30 областей UTR (обозначенных как «спутниковые повторные гены») (Таблица S1).

Интересно, что анализ генной онтологии показал, что эти четыре функциональных термина обогащены различными функциональными терминами (Рисунки 1F и S3B). Обогащенные SINE гены значительно обогащены функциями «домашнего хозяйства», связанными с РНК, включая связывание и процессинг рибосом, трансляции, ядрышка и РНК. Напротив, L1-обогащенные гены сильно обогащены специализированными функциями, включая обонятельные, вомероназальные и феромонные рецепторные функции, иммуноглобулиновую функцию и метаболизм ретинола, которые, как правило, экспрессируются в терминально дифференцированных клетках. Для сравнения, гены низкой сложности с повторным обогащением высоко обогащены в регуляции транскрипции и процессах развития. Известно, что факторы развития и тканеспецифические транскрипционные факторы имеют в своем составе промоторы CpG-островков или GC-богатых последовательностей низкой сложности. Примечательно, что гены, обогащенные спутниковыми повторами, в основном кодируют KRAB-содержащие и транскрипционные факторы цинкового пальца, которые участвуют в подавлении вновь появившихся ретротранспозонов. Положение сателлитных повторов в этих генах в значительной степени перекрывается с последовательностями ДНК, которые кодируют домен цинкового пальца (Рисунки S3C и S3D), подразумевая, что эндогенные сателлитные повторы могли эволюционировать для защиты экзогенных повторяющихся элементов, таких как ретротранспозон.

Интересно, что анализ генной онтологии (GO) показал, четыре типа генов по их функциональным группам соотносится с четырьмя типами повторяющимися последовательностями. Обогащенные SINE гены значительно обогащены функциями «домашнего хозяйства», связанными с РНК, включая связывание и процессинг рибосом, трансляции, ядрышка и РНК. Напротив, L1-обогащенные гены сильно обогащены специализированными функциями, включая обонятельные, вомероназальные и феромонные рецепторные функции, иммуноглобулиновую функцию и метаболизм ретинола, которые, как правило, экспрессируются в терминально дифференцированных клетках. Для сравнения, гены обогащённые повторами низкой сложности участвуют в регуляции транскрипции и процессах развития. Известно, что факторы развития и тканеспецифические транскрипционные факторы имеют в своем составе промоторы CpG-островков или GC-богатых последовательностей низкой сложности. Примечательно, что гены, обогащенные спутниковыми повторами, в основном кодируют KRAB-содержащие и транскрипционные факторы цинкового пальца, которые участвуют в подавлении вновь появившихся ретротранспозонов. Положение сателлитных повторов в этих генах в значительной степени перекрывается с последовательностями ДНК, которые кодируют домен цинкового пальца (Рисунки S3C и S3D), подразумевая, что эндогенные сателлитные повторы могли эволюционировать для защиты экзогенных повторяющихся элементов, таких как ретротранспозон.

Рисунок 2. Модель, изображающая три аспекта повторяющихся элементов в классификации генов с различными функциями для организованной регуляции и экспрессии. Во-первых, повторы SINE, L1 и низкой сложности классифицируют гены с различными функциями, которые связаны с различными уровнями активности транскрипции (левая панель). Во-вторых, повторы SINE и L1 изолируют свои обогащенные гены в разных активных и неактивных ядерных доменах для скоординированной активации или молчания соответственно (правая панель). В частности, РНК L1 связывает ДНК L1, чтобы облегчить ее функцию в молчании генов, обогащенных L1, которые связаны с неактивными NAD и LAD на периферии ядрышка и ядра. В-третьих, временная активация повторов и обогащенных повторами генов в процессе развития и дифференцировки (нижняя панель). После оплодотворения и до стадии бластоцисты повторы SINE, и гены домашнего хозяйства, связанные с процессингом РНК, биогенезом рибосом и функцией ядрышка, сильно экспрессируются. Когда плюрипотентные клетки в ICM бластоцисты или в культивируемых ESCs дифференцируются в три эмбриональных зародышевых слоя, гены обогащённые повторами низкой сложности, которые обычно кодируют транскрипционные факторы развития, имеют высокую экспрессию. В терминально дифференцированных клетках L1-обогащенные гены становятся активированными. Мы предлагаем, чтобы геномные повторы формировали регуляторные сети транскрипции для достижения организованной активации или сайленсинга генов с различными функциями на определенных стадиях. Уровни активации показаны как степень цветовой темноты.

Влияние колонизации генома повторами на организацию и регуляцию генов млекопитающих остается предметом спекуляций и противоречий. Учитывая широко распространенную и разнообразную природу повторов, рассмотрение их как совокупного класса без определения их подтипов и содержания приведет к недооценке их потенциальных регуляторных различий и функций. В этом исследовании наш количественный и систематический обзор повторных композиций для каждого гена в геноме выявил обширные ассоциации повторов с функцией, регуляцией и экспрессией их генов-хозяев. В частности, SINE, L1 и повторы с низкой сложностью разграничивают свои ассоциированные гены на три основные функциональные категории, которые дифференциально экспрессируются на разных стадиях развития, вероятно, путем набора различных наборов регуляторов в их геномные последовательности и / или секвестрации их ассоциированных генов в разные ядерные домены (Рисунок 7). Комбинирующие эффекты белкового нацеливания и ядерной секвестрации координируют экспрессию генов в генах, содержащих похожие повторы, а также определяют разные уровни активности генов в разных повторных подклассах. Гены, обогащенные SINE, с большей вероятностью кодируют вспомогательные белки, связанные с процессингом РНК, рибосомным биогенезом и нуклеолярной функцией; Эти гены показывают обогащение сайтов связывания для факторов, вовлеченных в активную транскрипцию, и они сначала активируются во время ZGA и высоко экспрессируются в ESCs. Гены, обогащенные L1, имеют тенденцию продуцировать белки со специализированными функциями в терминально дифференцированных клетках; они преимущественно являются мишенями для гетерохроматиновых белков и эпигенетических репрессоров и изолируются в репрессивных ядерных доменах для сайленсинга генов в ESCs. Гены имеющие рядом повторы низкой сложности имеют тенденцию кодировать транскрипционные факторы развития и тканеспецифичные факторы, которые PRC2 преимущественно направляет на транскрипционную уравновешенность. Динамическое и оркестрированное открытие хроматина последовательностей SINE- и повторов, связанных с низкой сложностью, и последовательная активация связанных с ними генов в раннем эмбриональном развитии, дополнительно подтверждают роль генных повторов в динамических регуляторных сетях транскрипции для достижения специфической для стадии активации или молчания генов с различными функциями.

Несмотря на резкие различия в распределении L1 и Alu / B1 в геноме, они оба зависят от обратной транскриптазы, кодируемой ORF L1, для ретротранспозиции и имеют общую специфичность AT-богатого сайта вставки во время интеграции. Два недавних исследования вставок ретротранспозона L1 в культивируемых клетках показали, что ландшафт эндогенных элементов L1 значительно отличается от ландшафта новых вставок, которые, по-видимому, широко нацелены на все области человеческого генома, будучи нечувствительными к состоянию хроматина. Предполагается, что очистительный отбор, а не смещенные вставки, изменяет геномное распределение L1 и Alu после их интеграции. Мы предполагаем, что специфическая ассоциация семейств генов и повторов настолько важна, что в ходе эволюции она оказала избирательное давление на разные классы повторов, чтобы они накапливались в определенных наборах генов, изображая соадаптивные траектории перемещаемых элементов с их хозяином. Несмотря на детектируемую экспрессию белка L1 ORF1 в ESCs, лечение антиретровирусными препаратами, которые ингибируют ретротранспозицию L1, не проявляло эффекты истощения РНК L1. Ингибирование ретротранспозиции L1 также не помогло продлить развитие двухклеточного эмбриона и аберрантной доступности хроматина из-за длительной активации L1. Эти сообщения предполагают, что функциональная роль L1 в регуляции гена и хроматина, вероятно, не зависит от его ретротранспозиционной активности.

Визуальный анализ и секвенирование ДНК ESCs иллюстрируют заметный эффект пространственной ядерной сегрегации повторов L1 и B1 в секвестрации их ассоциированных генов в отдельных ядерных компартментах. Преобладающая локализация L1-повторов и L1-ассоциированных генов в NAD и LADs, которые лишены B1, вероятно, вносит большой вклад в геномное молчание L1-ассоциированных генов. Это мнение подтверждается результатами, которые показали, что истощение РНК L1 в ESCs привело к отрыву ДНК с повтором L1 от NAD и LAD и глобальному активированию L1-ассоциированных генов. В терминально дифференцированных про-В клетках или сенсорных нейронах, активация L1-ассоциированных иммуноглобулиновых или обонятельных генов, соответственно, сопровождается их перемещением с периферии ядра во внутреннее пространство ядра. Сообщалось, что снижение уровней белков семейства HP1, содержания H3K9me3 и гетерохроматина, рецидивирующая ретротранспозиция L1 и аномальная экспрессия иммуноглобулина в нелимфоидных неопластических клетках коррелируют с раком человека. Эти данные указывают на то, что динамическая регуляция ядерного позиционирования богатой L1 ДНК и ассоциированных генов посредством эпигенетических и транскрипционных механизмов имеет решающее значение для правильной экспрессии генов и клеточной функции. Учитывая важную роль РНК L1 в регуляции ядерной локализации и репрессии генов, ассоциированных с L1, и учитывая короткий период полураспада и обширное связывание РНК L1 с ее последовательностями ДНК, мы предполагаем, что транскрипты L1 могут действовать в хроматиновых окрестностях их транскрипционных сайтов, для прикрепления L1-богатых геномных сегментов к ядерной и ядрышковой периферии, частично через L1-взаимодействующих белковых партнеров. Таким образом, РНК L1 осуществляет транскрипцию репрессивной и структурной информации, закодированной в повторах ДНК L1, способствуя макроскопической структуре и регуляции генома хозяина.

Таким образом, отдельные повторные подклассы наделяют геном сотнями тысяч сходных последовательностей, что может обеспечить эффективный и мощный способ координации разнообразных геномных последовательностей в одну регуляторную сеть. По аналогии со сложными смесями микроорганизмов, которые, как полагают, совместно эволюционировали со своими человеческими хозяевами, мобильные генетические элементы, другой стабильно внедренный «паразит», сильно определили, сформировали и повлияли на геномы их хозяев. А возможно и были причиной появления многоклеточной жизни вообще, вернее причиной появления дифференцировки на различные специфические слои ткани и органы.

Источник: Cell и Википедия

Есть вопрос или комментарий?..


Ваше имя Электронная почта
Получать почтовые уведомления об ответах:

| Примечание. Сообщение появится на сайте после проверки модератором.


Вернуться в раздел НОВОСТИ

Регистрация ЛСCRO Биоконсалтинг предлагает любые виды услуг по юридическому оформлению лекарственных средств на территории РФ....
Открыть раздел Регистрация ЛС
ЦТМ г.СухумЦентр трансляционной медицины (ЦТМ) «Биоконсалтинг» г....
Открыть раздел ЦТМ г.Сухум
Подработка для студентов! Участие в медицинских-научных исследованиях. Исследования проводятся в течении 4-х дней (2+2 через 2 недели) (оплата от 3 000 рублей в день)....
Открыть раздел Вакансии
ЦТМ г.СухумЦентр трансляционной медицины (ЦТМ) «Биоконсалтинг» г....
Открыть раздел ЦТМ г.Сухум
Политика в области качестваОсновная цель деятельности Общество с ограниченной ответственностью «Биоконсалтинг» (далее ООО «Биоконсалтинг») – проведение токсикологических,...
Открыть раздел Политика в области качества
The LineAct Platform