Известно, что некоторые фрагменты ДНК могут перемещаться с одного места на другое в пределах одной хромосомы или встраиваться в другую хромосому.

Существование прыгающих генов впервые было показано Б. Мак-Клинток при изучении генетики кукурузы. Она выяснила, что элементы регуляторного гена перемещаются в геноме с одного места на другое и влияют на экспрессию генов, приводя к появлению фенотипических вариаций. Эта работа не привлекала внимания в течение 30 лет, пока исследования на E. Coli не подтвердили способность генов к передвижению и внедрению в другое место в геноме, а Б. Мак-Клинток была присуждена Нобелевская премия.

Способные к перемещению последовательности ДНК получили название транспозоны (Tn‑элементы) или прыгающие гены.

Изменение положения какого-то сегмента ДНК относительно окружающих его последовательностей происходят повсеместно в разных вариантах, однако большинство из них наблюдается относительно редко. Многие геномные перестройки происходят в результате гомологичной рекомбинации между аллельными последовательностями и не затрагивают соседних сегментов ДНК. Вообще же говоря, структура генома вполне стабильна. Это и не может быть иначе, поскольку необходимо поддерживать жизнеспособность особей и видов.

Многие геномные перестройки не запрограммированы, они не связаны с каким-то специфическим влиянием на экспрессию генов и в них есть элемент случайности. Случайными могут быть частота таких событий, сами сегменты ДНК или то и другое. Примерами таких довольно редких событий служит транспозиция последовательностей ДНК из одного геномного локуса в другой или дупликация и последующая амплификация сегментов ДНК. Однако сходные транспозиции и амплификации могут быть сопряжены также с неслучайными, запрограммированными изменениями. Такие запрограммированные события играют ключевую роль в регуляции экспрессии некоторых генов во время дифференцировки и развития определенных типов клеток.

Типы мобильных элементов

Различают несколько типов мобильных ДНК-элементов, но все они обладают следующими общими свойствами:

- несут ген (или несколько генов), необходимый для транспозиции (ген транспозазы – фермента участвующего в перемещении);

- во-вторых, на концах содержат специфические взаимно инвертированные повторяющиеся последовательности, также необходимые для транспозиции

- сами транспозирующиеся элементы не кодируют никаких существенных для организма функций, однако часто содержат специфические гены, например ген устойчивости к антибиотикам. Транспозиция этих элементов, как правило, сопровождается сильными мутагенными эффектами.

- К транспозирующимся элементам относят те, транспозиция которых протекает без участия обратной транскрипции

Транспозирующиеся элементы прокариот

1. Инсерционные последовательности (IS – insertion sequences – последовательности вставки).

- Это сегменты‚ способные как целое перемещаться из одного участка локализации в другой (рис 73 Коничев).

- Ип содержат лишь те гены‚ которые необходимы для их собственного перемещения – транспозиции.

- на обоих концах каждого из них всегда имеются инвертированные повторы (рис. 10.4), которые также необходимы для транспозиции. Нуклеотидные последовательности этих повторов различны для разных IS и варьируют по длине от 10 до 40 п. н.

- Их перемещения в новые геномные локусы часто приводят к мутациям, заключающимся в прерывании регуляторных и кодирующих участков‚ а промоторные элементы внутри самих IS могут влиять на экспрессию близлежащих генов.

- Частота транспозиций у разных элементов неодинакова и составляет 10–5–10–7 на поколение.

- При транспозиции IS в новое положение исходный IS – элемент остается на прежнем месте; т.е., инсерция сопровождается точным синтезом второй копии и зависит от репликативных функций хозяина.

2. Транспозоны.

– Т. называют сегменты ДНК‚ обладающие теми же свойствами‚ что и ИП‚ но содержащие также гены‚ не имеющие отношение непосредственно к транспозиции

а) сложные транспозоны

– Часто IS – элементы длиной примерно 1 т. п. н. входят в состав более сложных транспозонов (прозрачка 1).

– Их длина может достигать тысяч пар оснований, а центральные области могут содержать разнообразные гены, (например‚ гены устойчивости к антибиотикам‚ гены токсинов или гены дополнительных ферментов клеточного метаболизма)

– С обеих сторон эта центральная область фланкируется одинаковыми IS‑элементами (от IS 1 до IS 10) – IS – L и IS – R с левой и правой сторон соответственно.

– Вся информация, необходимая для перемещения сложного транспозона, содержится в его IS – части; это та самая информация, которая используется IS‑элементом как таковым.

б) Простые транспозоны.

– это транспозоны не связаны ни с какими IS – элементами:

- информация, необходимая для транспозиции, закодирована в них самих.

- В качестве примера можно привести транспозон ТnЗ (прозрачка 3), который содержит инвертированные концевые повторы длиной 38 п. н., I R-L и I R-R, необходимые для транспозиции.

- Между этими повторами находятся три гена: два из них кодируют транспозиционные белки, третий – β-лактамазу (ген атр, не связан с транспозицией).

- Кроме того, имеется некодирующий участок длиной 170 п.н., содержащий промоторы генов транспозиционных белков, а также специфический участок, называемый res и тоже необходимый для транспозиции.

Сайты-мишени

Это сегменты ДНК, в которые встраиваются Мэ

– Одни транспозирующиеся элементы довольно разборчивы и охотнее встраиваются в короткие геномные сегменты, гомологичные концам самого мобильного элемента.

– Другие менее капризны и не отдают явного предпочтения никаким сайтам-мишеням, хотя наблюдается некоторая тенденция к встраиванию их в АТ-богатые участки.

– Независимо от типа Мэ. его встраивание в новый генетический локус обычно сопровождается дупликацией короткого участка ДНК в в сайте-мишени.

– Эти дуплицированные сегменты затем фланкируют встроившийся элемент.

– Почти обязательная дупликация сайтов-мишеней указывает на то, что при различиях в механизме большинство вставок происходит с образованием в потенциальных сайтах-мишенях смещенных одноцепочечных разрывов, как это показано на рис. 10.1. Сайт-мишень в геноме, содержащий мобильный элемент, условно называют «заполненным», а не содержащий такового – «свободным».

Типы транспозиций:

Для простоты рассмотрим транспозицию из одного генома в другой (например, из плазмиды в бактериальный геном или обратно). Внутримолекулярная транспозиция протекает более сложно.

1. Коинтеграционная или репликативная транспозиция (поскольку происходит полная дупликация элемента.)

- донорный геном, который несет транспозирующийся элемент, сливается с реципиентной молекулой ДНК (прозрачка 4).

- Образовавшийся коинтеграт содержит всю донорную и реципиентную ДНК, а также по одной копии транспозирующегося элемента в местах сочленения этих ДНК.

- Коинтеграция включает разрыв исходных фосфодиэфирных связей и образование новых, дупликацию всего элемента и дупликацию сайта-мишени.