Mobilní genetické prvky - Mobile genetic elements

Mobilní genetické prvky (MGE) někdy nazýván sobecké genetické prvky[1] jsou typem genetický materiál které se mohou pohybovat v rámci genomu nebo které lze přenést z jednoho druhu nebo replikonu na jiný. MGE se nacházejí ve všech organismech. U lidí je přibližně 50% genomu považováno za MGE.[2] MGE hrají v evoluci zřetelnou roli. K událostem genové duplikace může dojít také prostřednictvím mechanismu MGE. MGE mohou také způsobovat mutace v oblastech kódujících proteiny, které mění proteinové funkce. Mohou také uspořádat geny v hostitelském genomu. Jedním z příkladů MGE v evolučním kontextu je, že faktory virulence a odolnost proti antibiotikům geny MGE mohou být transportovány a sdílet je se sousedními bakteriemi. Nově získané geny prostřednictvím tohoto mechanismu mohou zvýšit kondici získáním nových nebo dalších funkcí. Na druhou stranu mohou MGE také snížit kondici zavedením alel nebo mutací způsobujících onemocnění.[3]

Mobilní genetické prvky v buňce (vlevo) a způsoby, jak je lze získat (vpravo)

Typy

  • Transpozony (nazývané také transponovatelné prvky) jsou sekvence DNA, které se mohou pohybovat v rámci genomu, což zahrnuje retrotranspozony a DNA transpozony.
    • Retrotranspozony jsou nejrozšířenější třídou transpozonů u savců.[4] RNA transkript MGE je kopírován reverzní transkriptázou. Poté může být sekvence DNA vložena zpět do náhodného umístění genomu.[5]
    • Transpozony DNA jsou segmentem DNA, který se může přesunout na nové místo pomocí strategie „vyjmout a vložit“.
  • Plazmidy bakterií je přenositelný genetický prvek bakteriální konjugace. Jedná se o mechanismus horizontálního přenosu genů, který umožňuje bakteriím sdílet faktory virulence a geny rezistence na antibiotika.
  • Bakteriofág prvky, jako Mu, který se náhodně integruje do genomu pomocí transdukce.[6] Obecněji řečeno, někteří autoři berou v úvahu všechny viry a subvirové látky (satelity a viroidy ) jako mobilní genetické prvky.[1]
  • Skupina I a Skupina II introny jsou produktem od self-sestřih v hostitelských přepisech a fungují jakoribozymy které mohou napadnout tRNA, rRNA a proteiny kódující geny v bakteriích.[7]
  • Integrony: Oni jsou genové kazety které často nesou odolnost proti antibiotikům geny na bakteriální plazmidy a transpozony.[1]

Příklady výzkumu

CRISPR-Cas systémy v bakteriích a archaea jsou adaptivní imunitní systémy na ochranu před smrtícími důsledky MGE. Pomocí srovnávací genomové a fylogenetické analýzy vědci zjistili, že varianty CRISPR-Cas jsou spojeny s odlišnými typy MGE, jako jsou transponovatelné prvky. CRISPR-Cas navíc řídí transponovatelné prvky pro jejich šíření.[8]

MGE, jako jsou plazmidy s horizontálním přenosem, jsou obecně prospěšné pro organismus. Schopnost přenosu plazmidů (sdílení) je z evolučního hlediska důležitá. Tazzyman a Bonhoeffer zjistili, že fixace (příjem) přenesených plazmidů v novém organismu je stejně důležitá jako schopnost je přenášet.[9] Výhodné vzácné a přenosné plazmidy mají vyšší pravděpodobnost fixace, zatímco škodlivé přenositelné genetické prvky mají nižší pravděpodobnost fixace, aby se zabránilo letalitě pro hostitelské organismy.

Jeden typ MGE, konkrétně Intergrativní konjugativní prvky (ICE), jsou ústředním bodem horizontálního přenosu genů, který formuje genomy prokaryot, což umožňuje rychlé získání nových adaptivních znaků.[10][11]

Jako reprezentativní příklad ICE, ICEBs1 je dobře charakterizován svou rolí v SOS odpovědi globálního poškození DNA Bacillus subtilis [12] a také jeho potenciální souvislost s radiační a desikační odolností Bacillus pumilus Výtrusy SAFR-032[13], izolovaný od zařízení pro čisté prostory kosmických lodí.[14][15][16]

Transpozice pomocí transponovatelných prvků je mutagenní. Organismy se tedy vyvinuly tak, aby potlačovaly transpoziční události, a jejich neschopnost potlačuje rakovinu v somatických buňkách. Cecco a kol. zjistili, že během raného věku jsou transkripce retrotranspozovatelných prvků u myší minimální, ale v pokročilém věku se úroveň transkripce zvyšuje.[17] Tato věkově závislá úroveň exprese transponovatelných prvků se snižuje kalorickou dietou.

Nemoci

Důsledek mobilních genetických prvků může změnit transkripční vzorce, což často vede k genetickým poruchám, jako jsou poruchy imunity, rakovina prsu, roztroušená skleróza a amyotrofická laterální skleróza. U lidí může stres vést k transakční aktivaci MGE, jako je endogenní retroviry a tato aktivace byla spojena s neurodegenerace.[18]

Další poznámky

Celkem všech mobilních genetických prvků v genomu lze označit jako mobilome.

Barbara McClintocková byl oceněn 1983 Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu „za objev mobilních genetických prvků“ (transponovatelné prvky ).[19]

Mobilní genetické prvky hrají klíčovou roli při šíření faktorů virulence, jako je např exotoxiny a exoenzymy mezi bakteriemi. Byly navrženy strategie boje proti určitým bakteriálním infekcím zaměřením na tyto specifické faktory virulence a mobilní genetické prvky.[20]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Viry a mobilní prvky jako hnací síly evolučních přechodů. NCBI.
  2. ^ Mu, X .; Ahmad, S .; Hur, S. (2016). Endogenní retroelementy a hostitelské vrozené imunitní senzory. Pokroky v imunologii. 132. 47–69. doi:10.1016 / bs.ai.2016.07.001. ISBN  9780128047972. PMC  5135014. PMID  27769507.
  3. ^ Singh, Parmit Kumar; Bourque, Guillaume; Craig, Nancy L .; Dubnau, Josh T .; Feschotte, Cédric; Flasch, Diane A .; Gunderson, Kevin L .; Malik, Harmit Singh; Moran, John V. (2014-11-18). „Mobilní genetické prvky a vývoj genomu 2014“. Mobilní DNA. 5: 26. doi:10.1186/1759-8753-5-26. PMC  4363357. PMID  30117500.
  4. ^ Richardson, Sandra R .; García-Perez, José Luis; Doucet, Aurélien J .; Kopera, Huira C .; Moldovan, John B .; Moran, John V. (2015-03-05). „Vliv retrotranspozonů LINE-1 a SINE na savčí genomy“. Mikrobiologické spektrum. 3 (2): 1165–1208. doi:10.1128 / microbiolspec.mdna3-0061-2014. ISBN  9781555819200. PMC  4498412. PMID  26104698.
  5. ^ Hsu, Ellen; Lewis, Susanna M. (2015). "Původ diverzifikace V (D) J". Molekulární biologie B buněk. 133–149. doi:10.1016 / b978-0-12-397933-9.00009-6. ISBN  9780123979339.
  6. ^ Rankin, D. J .; Rocha, E. P. C .; Brown, S. P. (leden 2011). „Jaké vlastnosti se nesou na mobilních genetických prvcích a proč?“. Dědičnost. 106 (1): 1–10. doi:10.1038 / hdy.2010.24. PMC  3183850. PMID  20332804.
  7. ^ Hausner, Georg; Hafez, Mohamed; Edgell, David R. (03.03.2014). „Bakteriální introny skupiny I: mobilní katalyzátory RNA“. Mobilní DNA. 5 (1): 8. doi:10.1186/1759-8753-5-8. PMC  3984707. PMID  24612670.
  8. ^ Peters, Joseph E .; Makarova, Kira S .; Shmakov, Sergey; Koonin, Eugene V. (2017-08-29). „Nábor systémů CRISPR-Cas transpozony typu Tn7“. Sborník Národní akademie věd. 114 (35): E7358 – E7366. doi:10.1073 / pnas.1709035114. PMC  5584455. PMID  28811374.
  9. ^ Tazzyman, Samuel J .; Bonhoeffer, Sebastian (2013). "Pravděpodobnost fixace mobilních genetických prvků, jako jsou plazmidy". Teoretická populační biologie. 90: 49–55. doi:10.1016 / j.tpb.2013.09.012. PMID  24080312.
  10. ^ Guglielmini J, Quintais L, poslanec Garcillan-Barcia, de la Cruz F, EP Rocha (srpen 2018). „Repertoár ICE v prokaryotech podtrhuje jednotu, rozmanitost a všudypřítomnost konjugace“. PLoS Genet. 7 (8): e1002222. doi:10.1371 / journal.pgen.1002222. PMC  3158045. PMID  21876676.
  11. ^ Wozniak RA, Waldor MK (srpen 2010). „Integrativní a konjugační prvky: mozaikové mobilní genetické prvky umožňující dynamický boční tok genů“. Nat Rev Microbiol. 8 (8): 552–563. doi:10.1038 / nrmicro2382. PMID  20601965.
  12. ^ Auchtung JM, Lee CA, Garrison KL, Grossman AD (červen 2007). "Identifikace a charakterizace represoru imunity (ImmR), který řídí mobilní genetický prvek ICEBs1 z Bacillus subtilis". PLoS Genet. 64 (6): 1515–1528. doi:10.1111 / j.1365-2958.2007.05748.x. PMC  3320793. PMID  17511812.
  13. ^ Tirumalai MR, Fox GE (září 2013). „Prvek podobný ICEBs1 může být spojen s extrémním radiačním a vysoušecím odporem Bacillus pumilus Spory SAFR-032 ". Extremophiles. 17 (5): 767–774. doi:10.1007 / s00792-013-0559-z. PMID  23812891.
  14. ^ Link L, Sawyer J, Venkateswaran K, Nicholson W (únor 2004). "Extrémní odolnost proti UV záření Bacillus pumilus izoláty získané z ultračistého montážního závodu kosmických lodí ". Microb Ecol. 47 (2): 159–163. doi:10.1007 / s00248-003-1029-4. PMID  14502417.
  15. ^ Newcombe DA, Schuerger AC, Benardini JN, Dickinson D, Tanner R, Venkateswaran K (prosinec 2005). „Přežití mikroorganismů spojených s kosmickými loděmi při simulovaném marťanském UV záření“. Appl Environ Microbiol. 71 (12): 8147–8156. doi:10.1128 / AEM.71.12.8147-8156.2005. PMC  1317311. PMID  16332797.
  16. ^ Kempf MJ, Chen F, Kern R, Venkateswaran K (červen 2005). "Opakovaná izolace spor odolných vůči peroxidu vodíku Bacillus pumilus ze zařízení pro montáž kosmických lodí ". Astrobiologie. 5 (3): 391–405. doi:10.1089 / ast.2005.5.391. PMID  15941382.
  17. ^ De Cecco, Marco; Criscione, Steven W .; Peterson, Abigail L .; Neretti, Nicola; Sedivy, John M .; Kreiling, Jill A. (2013). „Transponovatelné prvky se stávají aktivními a mobilními v genomech stárnoucích somatických tkání savců“. Stárnutí. 5 (12): 867–883. doi:10.18632 / stárnutí.100621. PMC  3883704. PMID  24323947.
  18. ^ Antony, Joseph M; Marle, Guido van; Opii, Wycliffe; Butterfield, D Allan; Mallet, François; Yong, Voon Wee; Wallace, John L; Deacon, Robert M; Warren, Kenneth (říjen 2004). „Lidská endogenní retrovirová glykoproteinem zprostředkovaná indukce redoxních reaktantů způsobuje smrt a demyelinaci oligodendrocytů“. Přírodní neurovědy. 7 (10): 1088–1095. doi:10.1038 / nn1319. PMID  15452578.
  19. ^ „Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu 1983“. nobelprize.org. Citováno 14. července 2010.
  20. ^ Keen, E. C. (prosinec 2012). „Paradigmata patogeneze: Cílení na mobilní genetické prvky nemoci“. Hranice v buněčné a infekční mikrobiologii. 2: 161. doi:10.3389 / fcimb.2012.00161. PMC  3522046. PMID  23248780.

Bibliografie