Сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу от ТЭС

Введение

Актуальность.
Изучение Мобильных Генетических Элементов, является в наше время одним из первостепенных вопросов, поскольку эти молекулы - ключ к пониманию и устранению мутационных факторов. В первые МЭГ или, как их еще называют «прыгающий геном» были открыты американской ученой-цитогенетиком Барбарой Мак-Клинток в 1951 году при изучении наследственности у кукурузы. Долгое время ее открытие не было признано заслуживающим внимания. Затем в середине 70-х годов группа советских генетиков Г.П.Георгиев и В.А.Гвоздев эти геномы были обнаружены у дрозофилы. В 1983 году будучи уже в возрасте восьмидесяти лет Барбаре Мак Клинток была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие " мобильных генетических элементов" при получении которой она произнесла: "Геном является высокочувствительным органом клетки, который способен в условиях стресса инициировать собственную реструктуризацию и обновление". Много лет спустя выяснится, что эти элементы в своем роде уникальны. МГЭ выполняют функции теломеразы - фермента, который наращивает укорачивающиеся при каждом делении клетки концы ДНК (теломеры). Также обнаружится, что эти элементы обладают большим сходством в строении с человеческими ретровирусами, среди которых самый известный - вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). В связи с сравнительно не давним сроком момента открытия МГЭ, они привлекают к себе все больше и больше внимания. Более полная картина функциональности наследственного материала клеток, вызванных транспозицией "прыгающих генов" раскроется только при детальном понимании обуславливающих факторов. Исследования и изучение в области генетических элементов имеют важное практическое значение, так как приобретать устойчивость к антибиотикам непосредственно связана именно с ними. На сегодняшний день многие ученые склонны рассматривать их как «генный запас» организмов, который те используют для своего развития и сопротивления стрессам. Всё то, что сегодня связано с мобильными генетическими элементами, активно и динамично изучается во многих лабораториях во всем мире, поскольку, помимо научного интереса, имеет большое прикладное значение - подвижные гены оказались тесно связаны с развитием, старением и многими патологиями. Актуальность генной инженерии человека обнаруживается сразу, стоит лишь обратиться к необходимости лечения больных с наследственными болезнями, обусловленными геномом. Значимость генной инженерии человека всем научным сообществом проявляется сразу, стоит лишь обратиться к необходимости лечения больных с наследственными болезнями, обусловленными геномом. Забота о будущих поколениях и генофонда сегодняшнего поколения, необходимость исправления "ошибок природы", генной терапии наследственных болезней выдвигает на первый план вопросы МЭГ и видообразований. В нестабильности геномов эукариот МГЭ являются ключевыми факторами, так как они участвуют в изменении структуры и размеров геномов, в нарушении и появлении новых функций. Активно проводимые исследования МГЭ показали, что с ними связан процесс развития системы поддержания продолжительности жизни клеток, формирование процесса V(D) J-рекомбинации, возникновение некоторых заболеваний человека, процесс старения, и множество других свойств организмов. Именно поэтому изучение МГЭ, на сегодняшний момент является основным первостепенным вопросом, так эти молекулы - основной ключ к пониманию и устранению мутационных факторов. Учитывая то, что с момента открытия МГЭ, по научным срокам прошло не много времени, то с каждым днем работа над их изучением привлекает ученых все больше и больше функциональности наследственного материала клеток.
Цель работы: Систематизировать, классифицировать и выделить виды Мобильных Генетических Элементов.
Задачи:
1. Определить сущность понятия МГЭ и произвести их классификацию;
2. Выделить и рассмотреть виды МГЭ;
3. Рассмотреть общие понятие об эволюции МГЭ и факторы, способные вызвать эволюционный процесс МГЭ.

ГЛАВА 1. МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

Мобильные генетические элементы или, как наиболее отражающие их свойства термин «прыгающие гены», представляют собой дискретные сегменты ДНК, которые могут перемещаться из одного местоположения в другое внутри хромосом или между ними, Хесин [2], 1984. Эти частички генома, имеют способность перемещаться из сайта в сайт, либо в процессе прямого вырезания вставки ДНК (по крайней мере, в прокариотах), другими словами транскрипции элемента, обратной транскрипции, образовавшейся РНК с образованием ДНК-копии либо же ее внедрением в другое место генома. Так называемые «прыгающие гены» не участвуют в кодировке никаких белков и в связи с этим, название МГЭ, является более точным. Когда мобильный генетический элемент, встраивается внутрь какого-то обычного гена, то своим присутствие и действиями начинает нарушать его работу, тем самым вызывая мутацию исходного гена. Когда МГЭ меняет свою локализацию, возобновляется нормальная работа гена и исчезает мутация. Исходя из этих моментов, была сформирована гипотеза о том, что «прыгающие гены» возникли из ДНК вирусов. Известно, что большинство вирусов имеют способность встраиваться в ДНК клетки хозяина, а затем ее покидать. Перемещающиеся элементы в геноме кукурузы впервые обнаружила Барбара Мак Клинток. ДНК мобильных элементов у дрозофилы была выделена и клонирована группами Г.П. Георгиева и В.А.Гвоздева в СССР и Д. Хогнесса в США. В настоящее время элементы такого типа принято называть ретротранспозонами. У микроорганизмов МГЭ были открыты в 60-их годах XX века, а также выявлены их молекулярные особенности и механизмы транспозиций. В полной мере мобильные элементы генома (они же транспозоны, или «прыгающие гены») были открыты только через три десятилетия после их теоретического предсказания, в 1970-х. Вначале П. Штарлингер и Д. Шапиро обнаружили простейшие мобильные элементы, названные инсерционными (вставочными), у бактерий. Была установлена их способность вызывать мутации у простейших организмов. Выяснилось, что таких инсерционных элементов в бактериальном геноме может быть от нескольких штук до нескольких сотен. К примеру, у дизентерийной бактерии Shigella dysenteriae на сегодня известно целых 200 копий мобильных элементов.[7]Изучение подвижных генов бактерий в конечном счете имеет важное практическое значение, потому что именно с ними непосредственно связана способность бактерий приобретать устойчивость к антибиотикам. К примеру род Drosophila и Arabidopsis (около 30 % генома); амфибии и растения (от 70-90% генома); млекопитающие (около 50 % генома).МГЭ перемещаются в геноме хозяина и этим обеспечивают транспозицию. Сложившиеся ранее стереотипы генетики и построения генетических карт, указывали на тот факт, что положение генов в геноме неизменно-стабильное (вплоть до редких хромосомных перестроек), устойчиво наследуются и карта является индивидуальной для каждого вида. С открытием МГЭ было доказано, что данная теория, постоянной стабильности генов, касается лишь некоторых частей генома. Так же было установлено, что стабильные части генома, не могут исчерпывающе охарактеризовать полную карту его строения. [5]Значительная часть генома состоит из различных МГЭ и их копий, основному количеству которых присуще относительно частое перемещение (со скоростями до 10 в 3-ей степени - 10 в 5-ой степени событий на копию за поколение). Эта показатели в разы превышают скорости мутаций и перестроек.
Исходя из этого генетический материал генома, разделяют на две сопоставленные части:1. устойчивая (совокупность стабильных генов и прочих элементов генома);2. подвижная (совокупность копий МГЭ, которые способны перемещаться, вызывая сопутствующие генетические изменения: мутации, перестройки генов и т.д.).МГЭ являются основной частью всех изученных геномов, как у прокариотов, так и эукариотов

. [4] Несмотря на это, остаются все еще недостаточно исследованными. Для генетиков, самыми малоизученными аспектами МГЭ, являются: частота, распространение и динамика, как внутри генома, так и между популяциями различных организмов.Отличительным фактором мобильных элементов является способность существовать как в интегрированном с хромосомой виде, так и в виде отдельных макромолекул - эписом, плазмид, вирусных частиц. Около 50-ти различных семейств мобильных элементов описаны в геноме дрозофилы. Вместе эти последовательности составляют около 12% гаплоидного набора. [8]В геноме млекопитающих содержится до 50000 диспергированных копий ретропозона Line размером около 6500 п.о. Семейство Аlu повторов, которое содержит от 300 до 500 тысяч копий, также относится к числу мобильных элементов генома. [3]Лизогения - присутствие вирусных последовательностей в составе ДНК человека и наличие фрагментов генов человека в вирусных геномах, служит одним из примеров мобильности ДНК и возможности "горизонтальной" передачи наследственно закрепленных признаков между видами.Обычно мобильные элементы подразделяют на две основные категории, или два класса, в зависимости от механизма их транспозиции, ретротранспозоны (1-й класс) (рис.1) и ДНК-транспозоны (2-й класс). Традиционно ретротранспозоны, в свою очередь, делят на два основных подкласса, в зависимости от того, содержат ли они на своих концах ДКП (длинные концевые повторы) или LTR (LOng Terminal Repeats). Эти подклассы называют соответственно, ДКП-содержащими (LTR-ретротранспозоны) и ДКП-не содержащими (не-LTR-ретротранспозоны) элементами, или повторами типа LINE (Long Interspersed Elements).[6]ДКП могут иметь разную длину в разных семействах мобильных элементов (от нескольких сот до двух тысяч нуклеотидов) и кодируют информацию, необходимую для прямой и обратной транскрипции данного элемента и внедрение его ДНКовой копии в геном хозяина (Евгеньев, 2007).

right41338500Рис.1

Общая схема LTR ретротранспозона
Долгое время МГЭ относили к категории так называемой «мусорной ДНК» («junk DNA»), функция которой была неизвестна. Однако, в настоящее время установлено, что МГЭ оказывают значительное влияние на эволюцию геномов хозяев. Перемещение МГЭ может приводить к нарушению функций генов, изменению регуляции генов, хромосомным перестройкам, приобретению новых функций, изменению размера геномов, обмену генетической информацией между репродуктивно изолированными видами и др. [2]


1.1 Классификация мобильных генетических элементов эукариот

МГЭ значительно различаются по структуре и механизму перемещения, единственным общим свойством МГЭ является способность к перемещению. Первая классификация МГЭ эукариот была предложена Финнеганом и основывалась на различиях механизмов перемещения, в частности использования РНК или ДНК в качестве посредника (интермедиата) в процессе перемещения. На основе данного критерия выделяется два основных класса: класс I ретротранспозоны и класс II ДНК транспозоны.Элементы класса I перемещаются по механизму «копирования - встройки» и используют РНК в качестве посредника. [9] В результате перемещения элементов класса I происходит увеличение количества копий ретротранспозона за счет образования новой копии мобильного элемента и сохранения исходной копии (репликативный механизм) (Рисунок 1.1)Рис.1.1

Классификация мобильных генетических элементов эукариот
Элементы класса II вырезаются из одного сайта и встраиваются в новый сайт по механизму «вырезания – встройки», не используя РНК-посредник. Механизм «вырезания-встройки» является нерепликативным, таким образом, в отличие от элементов класса I в результате перемещения элементов класса II не происходит увеличения количества копий мобильного элемента. Обнаружение миниатюрных транспозирующих элементов, содержащих инвертированные повторы (miniature inverted repeat transposable elements - MITEs), перемещающихся по механизму «копирования – встройки», но не использующих РНК в качестве посредника, потребовало перехода к системе трех классов или классификации элементов в зависимости от ферментов, закодированных в их последовательности.[7]Иерархическая классификация, предложенная Вайкером и коллегами в 2007 году, учитывает оба подхода (Рисунок 1.2). Данная классификация включает следующие таксономические единицы в иерархическом порядке: класс, подкласс, порядок, надсемейство, семейство и подсемейство.На самом высоком уровне классификации («класс») МГЭ подразделяются в зависимости от использования/не использования РНК посредника в процессе перемещения (Рисунок 1.2). Таксономическая единица «подкласс» используется для разделения элементов класса II образующих и не образующих копию перед вырезанием из исходного (донорного) сайта. На уровне «порядков» МГЭ подразделяются в зависимости от особенностей механизма встройки, общей организации элемента и наличию последовательностей, кодирующих ферменты перемещения. [10] Суперсемейства (надсемейства) в пределах одного порядка характеризуются сходной стратегией репликации, но отличаются по ряду характеристик.К таким характеристикам относятся структура кодирующих или не кодирующих областей, наличие и размер дупликации сайта мишени (target site duplication - TSD). TSD представляет собой короткий прямой повтор, генерируемый при встройке справа и слева от последовательности элемента. Суперсемейства подразделяются на семейства согласно гомологии последовательностей элементов. Подсемейства определяются на основании результатов филогенетического анализа.Вне зависимости от особенностей механизма перемещения МГЭ можно классифицировать по способности к самостоятельному перемещению. [2] Среди ретротранспозонов и ДНК транспозонов встречаются автономные и неавтономные элементы.Автономные элементы способны к самостоятельному перемещению, в то время как неавтономные используют ферментную систему автономных элементов для перемещения. Неавтономные элементы, как правило, представляют собой копии автономных элементов, накопившие различные мутации, но иногда они имеют лишь незначительное сходство по последовательности с их автономными предшественниками.Активные и неактивные элементы. Активные элементы в отличие от неактивных способны перемещаться по геному и создавать собственные копии в новых сайтах мишенях. Как правило, активными являются полные автономные элементы, однако неавтономные копии элементов могут использовать ферментативную систему автономных и осуществлять активное перемещение в геноме.Ретротранспозоны (класс I) – МГЭ, использующие РНК-посредник в процессе перемещения (ретротранспозиции). Путем обратной транскрипции с РНК-посредника синтезируется кДНК копия, которая впоследствии интегрируется в новый сайт генома. За полный цикл репликации образуется одна новая копия ретротранспозона.[5] На основании различий структурной организации и филогении последовательностей ключевого фермента ретротранспозиции, обратной транскриптазы (reverse transcriptase - RT), в классе ретротранспозонов выделяется один подкласс и пять порядков: LTR ретротранспозоны, DIRS-подобные элементы, Penelope-подобные элементы (PLEs), LINE (non-LTR retrotransposons – non-LTR ретротранспозоны) и SINE элементы (короткие диспергированные ядерные повторы) (Рис. 1.2).Рис. 1.2

Класс I Ретротротраспозоны
ДНК транспозоны (класс II) – МГЭ, не использующие РНК посредник в процессе перемещения (транспозиции). [1] В зависимости от количества цепей ДНК, разрезаемых в процессе транспозиции ДНК, транспозоны подразделяются на два подкласса (Рисунок 1.3)