Транспозоны в геноме человека

Транспозны – последовательности ДНК, способные менять своё положение в геноме. Активные транспозоны различных классов обнаружены практически во всех исследованных геномах, они влияют на структуру и функционирование генетического материала и играют значительную роль в его эволюции. Механизмы распространения транспозонов в геноме и их структура очень разнообразны. Выделяют два класса транспозонов – РНК-транспозоны, известные также как ретротранспозоны, и ДНК-транспозоны. Ретротранспозоны копируются и встраиваются в новые участки, проходя стадию РНК, при этом происходит копирование и встраивание копии на новое место. Напротив, ДНК-транспозоны используют механизм вырезания-встраивания с помощью продукта входящего в их состав гена, транспозазы. Особым случаем ДНК-транспозонов являются гелитроны, которые реплицируются по механизму «катящегося кольца». Процесс начинается с разрыва одной цепи ДНК, освободившийся участок ДНК встраивается в последовательность-мишень, и формирует гетеродуплекс. С помощью ДНК-репликации завершается внедрение транспозона в новый участок.

По структуре ретротранспозоны разделяют на ретротранспозоны с длинными концевыми повторами, которые имеют ретровирусное происхождение и разнообразные ретротранспозоны без концевых повторов. Ретротранспозоны с длинными терминальными повторами  у человека могут быть представлены в количестве до 400 000 копий на геном. Эти  структуры возникли в результате рекомбинации вирусов и участков повторов. И ретротранспозоны, и ДНК-транспозоны можно разделить на автономные и неавтономные. Длинные диспергированные повторы  LINE – автономные ретротранспозоны, их последовательность включает оперон, кодирующий гены обратной транскриптазы и эндонуклеазы, продукты которых обеспечивают транспозицию. Размер таких транспозонов составляет несколько тысяч п.н. Короткие диспергированные повторы SINE - ретротранспозоны, которые, в отличие от LINE не являются автономными, не кодируют белков и зависят от ферментов LINE, в которых нуждаются для транспозиции. Их размер составляет 50–200 п.н. Отмечено, что SINE в отличие от LINE как правило встраиваются в определённые, богатые генами участки генома. Неавтономные ДНК-транспозоны  также требуют белков, кодируемых автономными ДНК-транспозонами для перемещения в геноме.

Транспозоны  могут вести к нестабильности генома, проявляющейся в изменении структуры и функции генов при транслокациях, инсерциях и делециях. Они могут влиять на транскрипцию, становясь промоторами, энхансерами, или, наоборот, сайленсерами. Ретротранспозоны могут участвовать в хромосомных перестройках, благодаря своей распространённости и сходству по структуре. Особые, специфические только для опухолевых клеток, инсерции транспозонов были найдены при исследовании рака лёгких. Такие инсерции  могут стать причиной не только злокачественных заболеваний, но и других болезней, таких  как миодистрофия.

Одни из наиболее изученных транспозонов –Alu, неавтономные ретротранспозоны без терминальных повторов размером около 300 п.н. Это наиболее молодой подтип SINE. Alu повторы ответственны за 0.1% генетических заболеваний человека. Как правило, причина кроется в гомологичной рекомбинации хромосом, однако развитие заболевания может быть связано и с изменением структуры гена, ведущим, например, к нарушению сплайсинга и изменению или утрате функции его продукта. Alu повторы также могут быть причиной делеций. Одним из наиболее известных примеров заболевания, связанного с гомологичной рекомбинацией Alu является рак молочной железы и других органов, ассоциированный с мутацией BRCA2. Инсерция  Alu  в ген фактора VIII является причиной гемофилии. Ретротранспозиция L1, автономного РНК-транспозона без терминальных повторов  – одна из главных причин геномной нестабильности при воздействии радиации. Инсерция L1 в экзоне гена APC найдена только в клетках рака кишечника. Кроме того, эти последовательности 6 тысяч п.н. длиной кодируют ферменты, необходимые для амплификации других ретротранспозонов.

Инсерции эндогенных ретровирусов ведут к образованию новых антигенов, что может привести к аутоиммунным заболеваниям – диабету первого типа, ревматоидному артриту, системной красной волчанке. Три механизма могут лежать в основе аутоиммунных нарушений, связанных с эндогенными ретровирусами. Это молекулярная мимикрия, при которой антитела к белкам вируса могут взаимодействовать с белками человека, продуцирование суперантигенов и влияние на экспрессионные профили.

Ретротранспозоны не только перемещаются в геноме, приводя к инсерционному мутагенезу, но и могут быть транскрипционно-активны и иметь регуляторную функцию. Элементы Alu находятся в > 5% всех человеческих 3'- нетранслируемых областей генов. Оказываясь в промоторной области гена они могут существенно усиливать его экспрессию. Ретротранспозоны также являются источником регуляторных микроРНК. Эндогенные ретровирусы могут кодировать белки-онкогены, в том числе Rec и Np9. Np9 влияет на сигнальный путь Notch, а Rec приводит к усилению экспрессии генов, регулируемых сигналами от андрогенового рецептора.

Транспозоны могут регулироваться гистонами, на их промоторных регионов найдены гистоны с активирующими и ингибирующими модификациями, а те транспозоны, которые содержат острова CpG регулируются метилированием ДНК. Белки Piwi и малые интерферирующие РНК, ассоциированные с повторами участвуют в посттранскрипционном ингибировании  ретротранспозонов. Активация транспозонов путём снятия метилирования обнаружена в клетках злокачественных опухолей.Потеря метилирования генома, в том числе – транспозонов – возможный механизм онкогенеза при воздействии радиации.

Несмотря на такие последствия активности транспозонов, которые могут быть фатальны для единичной особи, нельзя забывать об их вклады в разнообразие живого мира. Транспозоны участвуют в эволюции живых организмов, разрушая гены, переключая профили их экспрессии, участвуя в горизонтальном переносе генетического материала. Некоторые транспозоны стали предшественниками новых генов.