Exon míchání - Exon shuffling

Exon míchání je molekulární mechanismus pro tvorbu nových genů. Je to proces, jehož prostřednictvím dva nebo více exony z různých genů ektopicky, nebo lze stejný duplikát duplikovat a vytvořit tak novou strukturu exon-intron.^[1] Existují různé mechanismy, kterými dochází k míchání exonů: transposon zprostředkované přeskupování exonů, crossover během sexuální rekombinace rodičovských genomů a nelegitimní rekombinace.

Přeskupování exonů se řídí určitými pravidly sestřihu. Introny může přerušit čtecí rámec genu vložením sekvence mezi dva po sobě následující kodony (introny fáze 0), mezi první a druhý nukleotid kodonu (introny fáze 1) nebo mezi druhý a třetí nukleotid kodonu (fáze 2 introny). Exony lze dále rozdělit do devíti různých skupin na základě fáze obklopujících intronů (symetrické: 0-0, 1-1, 2-2 a asymetrické: 0-1, 0-2, 1-0, 1-2, atd.) Symetrické exony jsou jediné, které lze vložit do intronů, podstoupit duplikaci nebo je odstranit bez změny čtecího rámce.^[2]

Dějiny

Exon shuffling byl poprvé představen v roce 1978, kdy Walter Gilbert objevil, že existence intronů může hrát hlavní roli ve vývoji proteinů. Bylo poznamenáno, že rekombinace uvnitř intronů může pomoci samostatně třídit exony a že opakující se segmenty uprostřed intronů mohou vytvářet hotspoty pro rekombinaci, aby se zaměnily exonové sekvence. Avšak přítomnost těchto intronů v eukaryoty a absence v prokaryoty vytvořil debatu o době, ve které se tyto introny objevily. Vznikly dvě teorie: teorie „introny brzy“ a teorie „introny brzy“. Zastánci „rané teorie intronů“ věřili, že introny a Sestřih RNA byly pozůstatky světa RNA, a proto prokaryoti i eukaryoti měli na začátku introny. Prokaryoty však eliminovaly své introny, aby získaly vyšší účinnost, zatímco eukaryoty si zachovaly introny a genetickou plasticitu předků. Na druhou stranu zastánci teorie „introns late“ věří, že prokaryotické geny se podobají genům předků a introny byly vloženy později do genů eukaryot. Nyní je jasné, že eukaryotická struktura exon-intron není statická, introny jsou neustále vkládány a odstraňovány z genů a vývoj intronů se vyvíjí paralelně s přesouváním exonu.^{[Citace je zapotřebí ]}

Aby míchání exonu začalo hrát hlavní roli v evoluci bílkovin, musel se objevit vzhled spliceozomálních intronů. To bylo způsobeno skutečností, že samo-sestřihové introny světa RNA nebyly vhodné pro přeskupování exonů intronovou rekombinací. Tyto introny měly základní funkci, a proto je nebylo možné rekombinovat. Navíc existují silné důkazy o tom, že spliceosomální introny se vyvinuly poměrně nedávno a jsou omezeny v jejich evoluční distribuci. Proto se míchání exonu stalo hlavní rolí při konstrukci mladších proteinů.^{[Citace je zapotřebí ]}

Kromě toho, abychom přesněji definovali čas, kdy se přeskupování exonu stalo u eukaryot významným, byla u různých organismů (tj. U mikroorganismů) zkoumána evoluční distribuce modulárních proteinů, které se vyvinuly tímto mechanismem. Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana Tyto studie naznačují, že existuje inverzní vztah mezi kompaktností genomu a podílem intronických a opakujících se sekvencí. Stejně jako skutečnost, že přeskupování exonů se stalo významným po metazoanovém záření.^[3]

Mechanismy

Crossover během sexuální rekombinace rodičovských genomů

Vývoj eukaryot je zprostředkován sexuální rekombinací rodičovských genomů a protože introny jsou delší než exony, většina křížení se vyskytuje v nekódujících oblastech. V těchto intronech existuje velké množství transponovatelných prvků a opakovaných sekvencí, které podporují rekombinaci nehomologních genů. Kromě toho bylo také prokázáno, že mozaikové proteiny jsou složeny z mobilních domén, které se během evoluce rozšířily do různých genů a které jsou schopné samy se skládat.^{[Citace je zapotřebí ]}

Existuje mechanismus pro tvorbu a přeskupování uvedených domén, to je hypotéza modularizace. Tento mechanismus je rozdělen do tří fází. První fází je vložení intronů do pozic, které odpovídají hranicím proteinové domény. Druhou fází je, když „protomodula“ prochází tandemovou duplikací rekombinací uvnitř vložených intronů. Třetí etapa je, když je jeden nebo více protomodul přenesen do jiného nehomologního genu intronovou rekombinací. Všechny stavy modularizace byly pozorovány v různých doménách, jako jsou hemostatické proteiny.^[2]

Zprostředkovaný transposonem

Dlouhý proložený prvek (LINE) -1

Potenciálním mechanismem pro přeskupování exonů je 3 'transdukce zprostředkovaná dlouhým rozptýleným prvkem (LINE) -1. Nejprve je však důležité pochopit, co ŘÁDKY jsou. LINIE jsou skupina genetických prvků, které se v eukaryotických genomech nacházejí v hojném množství.^[4] LINE-1 je nejčastější LINE nalezená u lidí. Přepisuje se RNA polymeráza II dát mRNA který kóduje dva proteiny: ORF1 a ORF2, které jsou nezbytné pro transpozici.^[5]

Po transpozici se L1 asociuje s 3 'obklopující DNA a nese sekvenci non-L1 do nového genomového umístění. Toto nové umístění nemusí být v homologní sekvenci nebo v těsné blízkosti sekvence DNA dárce. Sekvence DNA dárce zůstává během tohoto procesu nezměněna, protože funguje způsobem kopírování a vkládání prostřednictvím meziproduktů RNA; prokázalo se však, že cílem duplikace jsou pouze ty regiony, které se nacházejí v 3 'oblasti L1.^{[Citace je zapotřebí ]}

Přesto je důvod se domnívat, že to nemusí platit pokaždé, jak ukazuje následující příklad. Lidský gen ATM je zodpovědný za lidskou autosomálně-recesivní poruchu ataxia-telangiektázie a nachází se na chromozomu 11. Částečná sekvence ATM se však nachází v chromozomu 7. Molekulární rysy naznačují, že tato duplikace byla zprostředkována retrotranspozicí L1: odvozená sekvence byla ohraničena duplikacemi cílové strany 15 bp (TSD), sekvence kolem 5 'konec odpovídal konsensuální sekvenci pro místo štěpení endonukleázou L1 a a poly (A) ocas předcházel 3 'TSD. Ale protože prvek L1 nebyl přítomen ani v retrotranspozovaném segmentu, ani v původní sekvenci, nelze mobilizaci segmentu vysvětlit 3 'transdukcí. Další informace vedly k přesvědčení, že transmobilizace sekvence DNA je dalším mechanismem L1 k zamíchání exonů, ale je třeba provést další výzkum na toto téma.^[6]

Helitron

Další mechanismus, kterým dochází k přeskupování exonů, je použití helitrony. Helitron transpozice byly poprvé objeveny během studií opakujících se segmentů DNA rýže, červů a genomů thale crest. Helitrony byly identifikovány ve všech eukaryotických královstvích, ale počet kopií se u jednotlivých druhů liší.^{[Citace je zapotřebí ]}

Proteiny kódované helitronem se skládají z iniciátoru replikace s rotujícím kruhem (RC) (Rep) a domény DNA helikázy (Hel). Rep doména se podílí na katalytických reakcích pro endonuklelytické štěpení, přenos DNA a ligaci. Tato doména navíc obsahuje tři motivy. První motiv je nezbytný pro vazbu DNA. Druhý motiv má dva histidiny a podílí se na vazbě kovových iontů. Třetí motiv má dva tyrosiny a katalyzuje štěpení a ligaci DNA.^{[Citace je zapotřebí ]}

Existují tři modely zachycení genů helitrony: model „read-through“ 1 (RTM1), model „read-through“ 2 (RTM2) a model DNA výplně (FDNA). Podle modelu RTM1 náhodná „porucha“ terminátoru replikace na 3 'konci Helitronu vede k transpozici genomové DNA. Skládá se z čtecího prvku Helitron a jeho následných genomových oblastí, lemovaných náhodným místem DNA, které slouží jako terminátor RC „de novo“. Podle modelu RTM2 slouží 3 'konec jiného Helitronu jako RC terminátor transpozice. K tomu dochází po poruše terminátoru RC. A konečně v modelu FDNA mohou části genů nebo nekódujících oblastí náhodně sloužit jako šablony během opravy zlomů ds DNA vyskytujících se v helitronech.^[7] I když se ukázalo, že helitrony jsou velmi důležitým evolučním nástrojem, je třeba ještě určit konkrétní podrobnosti jejich mechanismů transpozice.^{[Citace je zapotřebí ]}

Příkladem evoluce pomocí helitronů je rozmanitost, která se běžně vyskytuje v kukuřici. Helitrony v kukuřici způsobují neustálé změny genových a negenických oblastí pomocí transponovatelných prvků, což vede k rozmanitosti mezi různými liniemi kukuřice.^{[Citace je zapotřebí ]}

Retrotranspozony s dlouhodobým opakováním (LTR)

Long-Terminal Repeat (LTR) retrotranspozony jsou součástí jiného mechanismu, jehož prostřednictvím dochází k přeskupování exonů. Obvykle kódují dva otevřené čtecí rámce (ORF). První ORF s názvem gag souvisí s virovými strukturálními proteiny. Druhý ORF s názvem pol je polyprotein složený z aspartátové proteázy (AP), která štěpí polyprotein, Rnase H (RH), která štěpí DNR-RNA hybrid, reverzní transkriptáza (RT), která produkuje kopii cDNA transpozonové RNA a DDE integrázu, která vloží cDNA do genomu hostitele. Retrotransponsony LTR jsou dále klasifikovány do pěti podrodin: Ty1 / copia, Ty3 / gypsy, Bel / Pao, retroviry a endogenní retroviry.^[8]

Retrotransponsony LTR vyžadují ve svém mechanismu transpozičního cyklu meziprodukt RNA. Retrotransponsony syntetizují kopii cDNA na základě řetězce RNA pomocí reverzní transkriptázy související s retrovirovou RT. Kopie cDNA je poté vložena do nových genomových pozic za vzniku retrogenu.^[9] Ukázalo se, že tento mechanismus je důležitý v genovém vývoji rýže a jiných druhů trav prostřednictvím míchání exonů.^{[Citace je zapotřebí ]}

Neoprávněná rekombinace

A konečně, nelegitimní rekombinace (IR) je dalším z mechanismů, kterými dochází k přeskupování exonů. IR je rekombinace mezi krátkými homologními sekvencemi nebo nehomologními sekvencemi.^[10]

Existují dvě třídy IR: První odpovídá chybám enzymů, které štěpí a spojují DNA (tj. DNázy). Tento proces je iniciován replikačním proteinem, který pomáhá generovat primer pro syntézu DNA. Zatímco se syntetizuje jedno vlákno DNA, druhé se vytěsňuje. Tento proces končí, když je vytlačené vlákno spojeno svými konci stejným replikačním proteinem. Druhá třída IR odpovídá rekombinaci krátkých homologních sekvencí, které dříve uvedené enzymy nerozpoznávají. Mohou však být rozpoznány nespecifickými enzymy, které zavádějí řezy mezi opakováním. Konce jsou poté odstraněny exonukleázou, aby byly vystaveny opakování. Poté se opakování žíhají a výsledná molekula se opraví pomocí polymerázy a ligázy.^[11]

Reference