Мигрирующие генетические элементы

1. Мигрирующие генетические элементы

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение
высшего образования «Оренбургский государственный университет»
Химико-биологический факультет
Кафедра биохимии и микробиологии
Мигрирующие генетические
элементы
Лекция №8
Лектор:
Давыдова Ольга Константиновна, к.б.н., доцент

2. План лекции:

• Мобильные генетические элементы микроорганизмов.
Инсерционные последовательности (Is) и транспозоны (Tn) бактерий.
• Мигрирующие элементы и естественный отбор. Горизонтальный
перенос генов и его роль в эволюции бактерий.
• Классификация и структура.
• Молекулярные механизмы транспозиции. Репликативная и
нерепликативная транспозиция.
2

3. Мобильные генетические элементы

Подвижные генетические элементы входят в состав бактериальной
хромосомы и плазмид. К ним относятся инсерционные последовательности и
транспозоны.
Бактериальные транспозоны обозначаются буквами Tn, инсерционные
вставки - Is, за которыми следует номер типа.
Они могут инактивировать гены, в которые включились («выключение» гена)
или, встраиваясь в хромосому, проявлять эффект промотора, включающего
или выключающего транскрипцию соответствующих генов; повышают
частоту делеций и инверсий, приводят к транслокациям и образованию
коинтегратов.
Некоторые бактериофаги фактически являются транспозонами или
транспозиционными бактериофагами (transposing bacteriophages). Например,
бактериофаг Mu является очень большим транспозоном (38000 н.п.),
который кодирует не только ферменты, ответственные за транспозицию, но
также и большое число структурных белков, необходимых для упаковки его
ДНК.
3

4. Инсерционные последовательности

Вставочные или инсерционные последовательности ( Is -элементы)
представляют собой участки ДНК, способные перемещаться из одного
места локализации в другое, и содержат только гены, необходимые для
перемещения. Имеют длину около 1-2 тысяч пар нуклеотидов.
© http://www.slideshare.net/guest06ad101/bacterial-transposons
4

5. Прямые и инвертированные повторы

• Прямые повторы:
5’agtcctgattcg
3’tcaggactaagc
agtcctgattcg 3’
tcaggactaagc 5’
• Инвертированные повторы:
5’agtcctgattcg
3’tcaggactaagc
cgaatcaggact 3’
gcttagtcctga 5’
©http://www.slideshare.net/guest06ad101/bacterial-transposons

6. Транспозоны

Транспозоны ( Tn ) - это сегменты ДНК, состоящие из вставочных
последовательностей и структурных генов, обеспечивающих синтез
молекул со специфическими биологическими свойствами (токсичность,
устойчивость к антибиотикам и др.) длиной от 3 до 20 т. н. п..
Транспозоны не способны к самостоятельной репликации и
размножаются только в составе бактериальной хромосомы.
© http://www.slideshare.net/guest06ad101/bacterial-transposons
6

7. Открытие мобильных генетических элементов

Транспозоны впервые были открыты в 40-х годах американской ученой
Барбарой Мак-Клинток у кукурузы. Эти гены, индентифицированные по их
способности подавлять экспрессию других генов кукурузы, находящихся
рядом с ними, не имели фиксированного положения в хромосоме. Они как
бы передвигались по всему геному растения. Регуляторные элементы могли
встраиваться и выщепляться, причем после их выщепления зачастую
начинали функционировать ранее молчащие гены.
Оказалось, что гены, ассоциированные с регуляторными элементами,
становились нестабильными и часто мутировали из-за нестабильности
самих этих элементов. В течение многих лет кукуруза оставалась
единственной системой, в которой обнаруживались такие подвижные
генетические элементы. Сейчас - и у бактерий, дрозофил и других
организмов.
Инсерционные последовательности были открыты в начале 1970-х гг. П.
Старлинжером, Г. Седлером и Дж. Шапиро при изучении мутаций
необычного типа у E.coli.
7

8. Биологический смысл

Поскольку подвижные гены могут перемещаться в пределах генома с
одного места на другое, то они могут быть весьма эффективными
векторами для передачи рекомбинантной ДНК. Генетическая
трансформация с помощью векторов на основе транспозонов была
впервые осуществлена на дрозофиле.
Поведение транспозонов можно расценить как паразитическое.
Большинство их перемещается изредка, но, так как их в клетке довольно
много, транспозиция оказывает значительное влияние на разнообразие
видов.
Биологический смысл перемещения отдельных сегментов ДНК:
- прерывание соответствующего гена, что ведет к эволюции;
- регуляция деятельности генов.
8

9. Классификация

основана на структурных особенностях:
инсерционые вставки,
простые транспозоны,
сложные (композитные) транспозоны
© http://www.slideshare.net/guest06ad101/bacterial-transposons
9

10. Перемещение транспозонов

ДНК переносится ферментом транспозазой.
Фермент кодируется последовательность длиной около 20 нуклеотидов в
середине транспозона.
Он специфически взаимодействует с концевыми инвертированными
повторами мобильного элемента и может вырезать его из хромосомы.
Вырезание может происходить точно – с восстановлением исходной
структуры участка ДНК, и неточно, то есть с делециями и вставками от одного
до нескольких нуклеотидов.
10

11. Перемещение транспозонов

Механизмы транспозиции:
Нерепликативная (консервативная,
простое встраивание)
двуцепочечные разрывы в
реципиенте и мобильном элементе,
соединение концов (образуются
одноцепочные фланкирующие
последовательности, с этим связана
дупликация сайта-мишени размером
3-12 нуклеотидов).
© http://groh.ru/gro/lewin/levin36.html
11

12.

Перемещение транспозонов
12

13. Перемещение транспозонов

Механизмы транспозиции:
Репликативная
в реципиентной и донорной ДНК
происходят одноцепочечные
разрывы,
воссоединение с образованием
коинтеграта при участии транспозазы,
репликация и рекомбинация,
диссоциация коинтеграта под
действием резолвазы.
© http://groh.ru/gro/lewin/levin36.html
13