Мобильные генетические элементы - Mobile genetic elements

Мобильные генетические элементы (MGE) иногда называют эгоистичные генетические элементы[1] являются разновидностью генетический материал которые могут перемещаться внутри генома или передаваться от одного вида или репликона к другому. МГЭ присутствуют во всех организмах. Считается, что у человека примерно 50% генома составляют MGE.[2] МГЭ играют особую роль в эволюции. События дупликации генов также могут происходить через механизм MGE. MGE также могут вызывать мутации в областях, кодирующих белок, что изменяет функции белка. Они также могут перестраивать гены в геноме хозяина. Одним из примеров MGE в эволюционном контексте является то, что факторы вирулентности и устойчивость к антибиотикам гены MGE могут транспортироваться, чтобы делиться ими с соседними бактериями. Вновь приобретенные гены с помощью этого механизма могут улучшить физическую форму за счет получения новых или дополнительных функций. С другой стороны, MGE могут также снижать приспособляемость, вводя вызывающие болезнь аллели или мутации.[3]

Мобильные генетические элементы в клетке (слева) и способы их получения (справа)

Типы

  • Транспозоны (также называемые мобильными элементами) - это последовательности ДНК, которые могут перемещать участки в геноме, который включает ретротранспозоны и транспозоны ДНК.
    • Ретротранспозоны являются наиболее распространенным классом транспозонов у млекопитающих.[4] РНК-транскрипт MGE копируется обратной транскриптазой. Затем последовательность ДНК может быть вставлена ​​обратно в случайное место генома.[5]
    • Транспозоны ДНК представляют собой сегмент ДНК, который может перемещаться в новое место с помощью стратегии «вырезать и вставить».
  • Плазмиды бактерий являются передаваемым генетическим элементом через бактериальная конъюгация. Это механизм горизонтального переноса генов, который позволяет бактериям иметь общие факторы вирулентности и гены устойчивости к антибиотикам.
  • Бактериофаг элементы, такие как Му, который случайным образом интегрируется в геном посредством трансдукция.[6] В более широком смысле некоторые авторы считают, что все вирусы и субвирусные агенты (спутники и вироиды ) как мобильные генетические элементы.[1]
  • Группа I и II группа интроны продукт из самосращивание в транскриптах хозяина, и они действуют какрибозимы которые могут проникать в тРНК, рРНК и гены, кодирующие белок в бактериях.[7]
  • Интегроны: Они есть генные кассеты которые часто несут устойчивость к антибиотикам гены бактериальных плазмид и транспозонов.[1]

Примеры исследований

CRISPR-Cas системы в бактериях и археи являются адаптивными иммунными системами для защиты от смертельных последствий от MGE. Используя сравнительный геномный и филогенетический анализ, исследователи обнаружили, что варианты CRISPR-Cas связаны с различными типами MGE, такими как мобильные элементы. Кроме того, CRISPR-Cas контролирует переносимые элементы для их распространения.[8]

МГЭ, такие как плазмиды, посредством горизонтальной передачи обычно полезны для организма. Возможность передачи плазмид (совместного использования) важна с эволюционной точки зрения. Таззиман и Бонхёффер обнаружили, что фиксация (получение) перенесенных плазмид в новый организм так же важна, как и возможность их переноса.[9] Полезные редкие и переносимые плазмиды имеют более высокую вероятность фиксации, тогда как вредные переносимые генетические элементы имеют более низкую вероятность фиксации, чтобы избежать летального исхода для организмов-хозяев.

Один тип MGE, а именно интегративные конъюгативные элементы (ICE), играют центральную роль в горизонтальном переносе генов, формирующем геномы прокариот, что позволяет быстро приобретать новые адаптивные черты.[10][11]

Как типичный пример ДВС, ДВСBS1 хорошо известен своей ролью в глобальном SOS-ответе на повреждение ДНК Bacillus subtilis [12] а также его потенциальная связь с радиационной и высыхающей стойкостью Bacillus pumilus Споры SAFR-032[13], изолированные от помещений чистых помещений космического корабля.[14][15][16]

Транспозиция мобильными элементами мутагенна. Таким образом, организмы эволюционировали, чтобы подавлять события транспозиции, и неспособность подавить события вызывает рак в соматических клетках. Cecco et al. обнаружили, что в раннем возрасте транскрипция ретротранспозиционных элементов у мышей минимальна, но в пожилом возрасте уровень транскрипции увеличивается.[17] Этот зависящий от возраста уровень экспрессии мобильных элементов снижается диетой с ограничением калорий.

Болезни

Последствия мобильных генетических элементов могут изменять образцы транскрипции, что часто приводит к генетическим нарушениям, таким как иммунные нарушения, рак груди, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз. У людей стресс может привести к транзакционной активации MGE, таких как эндогенные ретровирусы, и эта активация была связана с нейродегенерация.[18]

Прочие примечания

Сумма всех мобильных генетических элементов в геноме может быть обозначена как мобиломе.

Барбара МакКлинток был награжден 1983 Нобелевская премия по физиологии и медицине «За открытие мобильных генетических элементов» (сменные элементы ).[19]

Мобильные генетические элементы играют решающую роль в распространении факторов вирулентности, таких как экзотоксины и экзоферменты, среди бактерий. Были предложены стратегии борьбы с некоторыми бактериальными инфекциями путем воздействия на эти специфические факторы вирулентности и мобильные генетические элементы.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Вирусы и мобильные элементы как движущие силы эволюционных переходов. NCBI.
  2. ^ Mu, X .; Ahmad, S .; Гур, С. (2016). Эндогенные ретроэлементы и сенсоры врожденного иммунитета хозяина. Успехи иммунологии. 132. С. 47–69. Дои:10.1016 / bs.ai.2016.07.001. ISBN  9780128047972. ЧВК  5135014. PMID  27769507.
  3. ^ Сингх, Пармит Кумар; Бурк, Гийом; Craig, Nancy L .; Дубнау, Джош Т .; Фешотт, Седрик; Flasch, Diane A .; Gunderson, Kevin L .; Малик, Хармит Сингх; Моран, Джон В. (18 ноября 2014 г.). «Мобильные генетические элементы и эволюция генома 2014». Мобильная ДНК. 5: 26. Дои:10.1186/1759-8753-5-26. ЧВК  4363357. PMID  30117500.
  4. ^ Richardson, Sandra R .; Гарсия-Перес, Хосе Луис; Doucet, Aurélien J .; Kopera, Huira C .; Молдован, Джон Б .; Моран, Джон В. (2015-03-05). «Влияние ретротранспозонов LINE-1 и SINE на геномы млекопитающих». Микробиологический спектр. 3 (2): 1165–1208. Дои:10.1128 / microbiolspec.mdna3-0061-2014. ISBN  9781555819200. ЧВК  4498412. PMID  26104698.
  5. ^ Сюй, Эллен; Льюис, Сюзанна М. (2015). «Происхождение V (D) J диверсификации». Молекулярная биология В-клеток. С. 133–149. Дои:10.1016 / b978-0-12-397933-9.00009-6. ISBN  9780123979339.
  6. ^ Ранкин, Д. Дж .; Rocha, E. P. C .; Браун, С. П. (январь 2011 г.). «Какие черты несут мобильные генетические элементы и почему?». Наследственность. 106 (1): 1–10. Дои:10.1038 / hdy.2010.24. ЧВК  3183850. PMID  20332804.
  7. ^ Хауснер, Георг; Хафез, Мохамед; Эджелл, Дэвид Р. (10 марта 2014 г.). «Бактериальные интроны группы I: мобильные РНК-катализаторы». Мобильная ДНК. 5 (1): 8. Дои:10.1186/1759-8753-5-8. ЧВК  3984707. PMID  24612670.
  8. ^ Peters, Joseph E .; Макарова, Кира С .; Шмаков, Сергей; Кунин, Евгений В. (2017-08-29). «Рекрутирование систем CRISPR-Cas с помощью Tn7-подобных транспозонов». Труды Национальной академии наук. 114 (35): E7358 – E7366. Дои:10.1073 / pnas.1709035114. ЧВК  5584455. PMID  28811374.
  9. ^ Tazzyman, Samuel J .; Бонхёффер, Себастьян (2013). «Вероятность фиксации мобильных генетических элементов, например плазмид». Теоретическая популяционная биология. 90: 49–55. Дои:10.1016 / j.tpb.2013.09.012. PMID  24080312.
  10. ^ Guglielmini J, Quintais L, Garcillan-Barcia MP, de la Cruz F, Rocha EP (август 2018). «Репертуар ICE у прокариот подчеркивает единство, разнообразие и повсеместность конъюгации». PLoS Genet. 7 (8): e1002222. Дои:10.1371 / journal.pgen.1002222. ЧВК  3158045. PMID  21876676.
  11. ^ Возняк Р.А., Вальдор М.К. (август 2010 г.). «Интегративные и сопряженные элементы: мозаичные мобильные генетические элементы, обеспечивающие динамический латеральный поток генов». Нат Рев Микробиол. 8 (8): 552–563. Дои:10.1038 / nrmicro2382. PMID  20601965.
  12. ^ Auchtung JM, Lee CA, Garrison KL, Grossman AD (июнь 2007 г.). «Идентификация и характеристика репрессора иммунитета (ImmR), который контролирует мобильный генетический элемент ICE.BS1 из Bacillus subtilis". PLoS Genet. 64 (6): 1515–1528. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2007.05748.x. ЧВК  3320793. PMID  17511812.
  13. ^ Тирумалай MR, Fox GE (сентябрь 2013 г.). "Элемент, подобный ICEBs1, может быть связан с чрезвычайной радиационной и высыхающей стойкостью Bacillus pumilus Споры SAFR-032 ". Экстремофилов. 17 (5): 767–774. Дои:10.1007 / s00792-013-0559-z. PMID  23812891.
  14. ^ Линк Л., Сойер Дж., Венкатесваран К., Николсон В. (февраль 2004 г.). «Чрезвычайная стойкость спор к УФ-излучению Bacillus pumilus изоляты, полученные из сверхчистой сборки космических аппаратов ". Microb Ecol. 47 (2): 159–163. Дои:10.1007 / s00248-003-1029-4. PMID  14502417.
  15. ^ Ньюкомб Д.А., Шергер А.С., Бенардини Дж. Н., Дикинсон Д., Таннер Р., Венкатесваран К. (декабрь 2005 г.). «Выживание микроорганизмов, связанных с космическими кораблями, при моделировании марсианского УФ-излучения». Appl Environ Microbiol. 71 (12): 8147–8156. Дои:10.1128 / AEM.71.12.8147-8156.2005. ЧВК  1317311. PMID  16332797.
  16. ^ Кемпф М.Дж., Чен Ф., Керн Р., Венкатесваран К. (июнь 2005 г.). «Повторное выделение устойчивых к перекиси водорода спор Bacillus pumilus из сборочного цеха космических кораблей ». Астробиология. 5 (3): 391–405. Дои:10.1089 / ast.2005.5.391. PMID  15941382.
  17. ^ Де Чекко, Марко; Criscione, Стивен В .; Peterson, Abigail L .; Неретти, Никола; Седивы, Джон М .; Крейлинг, Джилл А. (2013). «Мобильные элементы становятся активными и мобильными в геномах стареющих соматических тканей млекопитающих». Старение. 5 (12): 867–883. Дои:10.18632 / старение.100621. ЧВК  3883704. PMID  24323947.
  18. ^ Антоний, Джозеф М; Марле, Гвидо ван; Opii, Wycliffe; Баттерфилд, Д. Аллан; Малле, Франсуа; Йонг, Вун Ви; Уоллес, Джон Л; Дьякон, Роберт М; Уоррен, Кеннет (октябрь 2004 г.). «Индукция окислительно-восстановительных реагентов, опосредованная эндогенным ретровирусом человека, вызывает гибель олигодендроцитов и демиелинизацию». Природа Неврология. 7 (10): 1088–1095. Дои:10.1038 / nn1319. PMID  15452578.
  19. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1983 г.". nobelprize.org. Получено 14 июля 2010.
  20. ^ Кин, Э. С. (декабрь 2012 г.). «Парадигмы патогенеза: нацеливание на мобильные генетические элементы болезни». Границы клеточной и инфекционной микробиологии. 2: 161. Дои:10.3389 / fcimb.2012.00161. ЧВК  3522046. PMID  23248780.

Библиография