Inimese genoomi ehitusest mittebioloogidele

4. Mittekodeerivad järjestused inimese tuumagenoomis

DNA kordusjärjestused

  1. Satelliit DNA koosneb väga suurtest (100 000 bp – mõned Mb) tandeemselt korduva mittekodeeriva DNA blokkidest.
  2. Minisatelliit DNA koosneb keskmiselt suurtest (100 bp – 20 000 bp) tandeemselt korduva mittekodeeriva DNA blokkidest.
  3. Mikrosatelliit DNA koosneb väikese suurusega (<100 bp) blokkidest tandeemselt korduvast mittekodeerivast DNA-st. Bloki moodustavad <10 bp korduvad ühikud, mida leidub hajutatult kõigis kromosoomides.

Mobiilsed geneetilised elemendid

Mobiilsed geneetilised elemendid ehk transposoonid, mis „hüppavad” iseseisvalt genoomi ühest kohast teise (protsess, mida kutsutakse transpositsiooniks), koosnevad mittekodeeriva DNA kordusjärjestustest, mis moodustab inimese tuumagenoomist umbes 45%.

Transposoonide tüübid:

  • Lühikesed vahelelükitud tuuma elemendid (SINE)

SINE klassifitseeritakse kolme perekonda:

    1. Alu
    2. MIR
    3. MIR3

Alu kordus on 280 bp pikk ja inimese genoomis on see kõige enam esinev järjestus. Alu-elemendid paiknevad eelistatult intronites, geenidevahelises alas ja geenide 3’ UTR regioonides – s.o. mittekodeerivates alades geenitihedates piirkondades. Nime on saanud sellest, et neid lõikab ensüüm AluI. Olemuselt retrotransposoonid – DNA segmendid, mis amplifitseeruvad ensüüm pöördtranskriptaasi vahendusel ja liiguvad iseseisvalt genoomi ühest piirkonnast teise.

Skeem Alu elemendi retrotranspositsioonist:

4-1.png

http://www.nature.com/nrg/journal/v3/n5/box/nrg798_BX1.html

Iga Alu järjestuse 5´lõpp sisaldab RNA polümeraas III promootorit (joonisel kastid A ja B). Elementide 3´lõpud sisaldavad alati poyA – järjestust.

Neurofibromatoos, rinnavähk, hemofiilia, Apert´i sündroom jt.

  • Pikad vahelelükitud tuuma elemendid (LINE)

LINE klassifitseeritakse kolme perekonda:

    1. LINE 1
    2. LINE 2
    3. LINE 3

Kõige olulisem inimese transposoon on LINE 1, mille pikkuseks on ~6,1 kb, mis transponeerub väga aktiivselt ja võib häirida olulisi funktsionaalseid geene. Esinevad ligi 900 000 inimgenoomi saidis; (järjestused hõlmavad ~ 21% genoomist).  Ekspresseerivad mõningaid valke (ORF1 ja ORF2). Nii LINE kui SINE liikumine genoomis toimub täispika LINE kodeeritud ORF1 ja ORF2 valgu vahendusel.

Skeem kahest transposoon LINE 1 elemendist liigil Beta vulgaris:

4-2.png

Joonisel rohelised kastid tähistavad transleeritavaid regioone, punased kastid sekundaarseid struktuure. Sümbolid joonisel: RRM – RNA äratundmismotiiv, CCHC – zinc-finger domään, ORF – avatud lugemisraam, TSD – sihtmärk saidi duplikatsioon peremehe genoomis, gag – gag-sarnane valk, EN – endonukleaas, RT – pöördtranskriptaas, RN seH – ribonukleaas H. http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/ fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/ fachrichtung_biologie/ botanik/ zellmolbiopflanzen/ forschung/LINEs

  • LTR transposoonid – pikkade terminaalsete kordusjärjestustega transposoonid

Sisaldavad LTR ehk viiruslikud transposoonid (inimese genoomist ~8% ). Ei kodeeri viiruste pinnavalke ega ole võimelised nakatama teisi rakke. Sisaldavad pöördtranskriptaasi ja integraasi, liiguvad raku DNA piires.

LTR retrotransposoonid klassifitseeritakse kahte perekonda:

    1. ERV
    2. MaLR

Skeem LTR transposoonist:

4-3.png

http://www.bio.miami.edu/dana/250/250S12_17print.html

  • DNA transposoonid:

DNA transposoonid transponeeruvad uude kohta kohe DNA järjestustena. Enamasti prokarüootidel. Inimese DNAst ~3%.

DNA transposoonid klassifitseeritakse kahte perekonda:

    1. MER-1 (Charlie)
    2. MER-2 (Tigger)

Enamus DNA transposoone ei ole aktiivsed ja ei „hüppa” genoomis, seetõttu peetakse neid transposooni fossiilideks.

Mobiilsed elemendid kasutavad genoomis liikumiseks peamiselt kahte mehhanismi:

  • Konservatiivne transpositsioon – liikudes kaheahelalise DNA-na „cut – and – paste” meetodil.
  • Retrotranspositsioon – transposoonid „hüppavad” läbi RNA vaheetapi. Transposoon allub transkriptsioonile, kus tekib ensüüm RNA pöördtranskriptaasi kodeeriv RNA koopia. Pöördtranskriptaas sünteesib RNA koopialt transposooni kaheahelalise DNA koopia. Transposooni sisestamine uude kohta toimub ensüüm integraasi abiga. See mehhanism on sarnane mehhanismiga, mida kasutab oma elutsüklis retroviirus integreerumiseks peremehe genoomi.

Proviirus.

Skeem DNA transposooni liikumise kohta genoomis „cut – and – paste” meetodil:

4-4.png

http://classconnection.s3.amazonaws.com/785/flashcards/576785/jpg/dna_only_transposable_element1310260207964.jpg

Transposoonide tähtsus

Peamine on organismi geneetilise muutlikkuse mõjutamine läbi:

  • Mutatsioonid transposooni saidis
  • Geeniekspressiooni tase
  • Geeni inaktivatsioon
  • Geeni ülekanne (mehhanism on oluline bakterite antibiootikumiresistentsuse tekkel)

Mobiilsete geneetiliste elementide liikumisel bakterite hulgas on kriitiline roll virulentsusfaktorite (eksotoksiinid ja eksoensüümid) levitamisel.

Veel mittekodeeriva DNA elemente inimese genoomis:

  • Intronid (26% genoomist) – geeni regulatoorsed järjestused, mis transkriptsioonijärgse protsessingu käigus RNA järjestusest välja lõigatakse.
  • Konstitutsiooniline heterokromatiin (8% genoomist), mis asub kromosoomide tsentromeeride ja telomeeride piirkonnas.
  • Geeniväline DNA.
  • 5´-UTR geeni järjestus transleeritava regiooni ees.
  • 3´- UTR geeni järjestus peale transleeritavat piirkonda.

Skeem küpse eukarüootse mRNA struktuurist:

4-5.png

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Mature_mRNA.png

Täielikult protsessitud mRNA sisaldab  5′ cap struktuuri, 5′ UTR, kodeerivat regiooni, 3′ UTR ja poly(A) saba.

Kasutatud kirjandus:

Eelmine
Järgmine