Введение к работе
Актуальность проблемы
Несмотря на интенсивные исследования, мобильные генетические элементы остаются одной из наиболее загадочных составных частей геномов эукариот Если одни из них (автономные) кодируют белки необходимые для проявления их мобильности, то другие (неавтономные) - не кодируют каких-либо полипептидов и их мобильность полностью зависит от автономных генетических элементов К неавтономным элементам относятся так называемые SINE (Short Interspersed Elements), или короткие ретропозоны, представляющие собой рассеянные по геному повторяющиеся последовательности ДНК длиной от 80 до 400 п и Мобильность этих элементов заключается в их способности к амплификации, приводящей к постепенному увеличению числа их копий в геноме в ходе эволюции Этот процесс называется ретропозицией и включает в себя обратную транскрипцию РНК SINE Для ретропозиции SINE используют обратную транскриптазу, закодированную в одном из видов длинных ретропозонов, или LINE (Long Interspersed Elements), относящихся к автономным мобильным элементам Таким образом, к настоящему времени в обших чертах установлены механизмы размножения SINE В то же время многие вопросы, связанные с путями и механизмами эволюции SINE, а также с их ролью в эволюции геномов и самих биологических видов, остаются малоизученными
В геномах млекопитающих одного вида имеется от двух до пяти семейств коротких ретропозонов, каждое из которых содержит десятки или сотни тысяч копий, чьи нуклеотидные последовательности обычно обладают 65-90%-ным сходством SINE транскрибируются РНК-полимеразой Ш, благодаря наличию в 5' -концевой части промотора РНК-полимеразы III, состоящего из двух боксов (А и В), которые разделены последовательностью длиной 30-40 п н Большинство SINE млекопитающих на своем V-конце содержат вариабельную А-богатую последовательность (хвост), что служит свидетельством ретропозиции таких SINE с участием обратной транскриптазы длинного ретропозрна L1
Первыми описанными SINE были В1 грызунов и Alu приматов (Kramerov et al 1979, Krayev et al 1980, Demmger et al 1981, Haynes et al 1981) Эти элементы ведут происхождение от цитоплазматической 7SL РНК, имеющей длину 300 нуклеотидов и входящей в состав рнбонуклеопротенцных частиц SRP (signal recognition particles) Позднее были открыты еще два класса SINE, чье происхождение связано с другими РНК, синтезирующимися РНК-полимеразой Ш Один из них включает несколько семейств SINE рыб, произошедших из 5S рРНК (Kapitonov & Jurka 2003, Nishihara et al 2006) Другой, наиболее распространенный класс объединяет SINE, ведущие свое
происхождение от молекул тРНК их нуклеотидные последовательности обладают определенным сходством с тем или иным видом тРНК
Уже давно в геноме крысы был обнаружен SINE, названный Ш (Sutchffe et al 1982), обладающий выраженным сходством последовательности с аланиновой тРНК (Russo et al 1986) ID имеет длину около 100 пни представлен в геноме крысы, по крайней мере, 120 тыс копиями Его также выявляли в геномах мыши, хомяков и морской свинки, но в значительно меньшем числе копий (Sapienza & St-Jacques 1986, Kim el al 1994) Путем гибридизации с ID в мозгу крысы была обнаружена РНК, длинной 160 н, названная ВСІ (brain cytoplasmic) (Sutchffe et al 1984) Клонирование и секвенирование ДНК комплементарной этой РНК показало значительное сходство ее нуклеотиднои последовательности с консенсусом ID-элемента (DeChiara & Brosius 1987) Оказалось, что ВСІ транскрибируется РНК-полимеразой III с гена, который по сути, является одной из копий ID По-видимому, ВСІ РНК участвует в регуляции трансляции мРНК в дендритах нейронов (Wang et al 2005) С другой стороны, ген ВСІ РНК стал источником распространения (master gene) новых копий ID в геномах грызунов (Kim et al 1994)
Грызуны (Rodentia) образуют самый обширный отряд млекопитающих, состоящий по крайней мере из 30 семейств (Hartenberger 1985, Павлинов 2003) Если ID сравнительно хорошо исследованы у мышей, крыс, хомяков и морской свинки (Kim et al 1994), то он остается очень мало изученным в геномах других грызунов Помимо собственно ID-элементов описаны три сложно-устроенных SINE, содержащих ID-последовательность MEN из пальмовой белки (Serdobova & Kramerov 1998), Bl-dID из белок и сонь (Kramerov & Vassetzky 2001), а также В4 (или RSINE1) из мыши (Lee el al 1998) Однако до сих пор не ясно, на сколько широко распространен ID-элемент, т е характерен ли он для всех многочисленных семейств грызунов и встречается ли он у других млекопитающих
Цели и задачи исследования
Исходной цечью данной работы было выяснение распространенности среди млекопитающих SINE, ведущих свое происхождение от аланиновой тРНК , в первую очередь ГО-элемента Особое внимание предполагалось уделить вопросу о том, характерны ли эти элементы для всего о гряда грызунов Ппанировалось клонирование, секвенирование ID-элементов из геномов грызунов различных семейств с целью изучения их разнообразия и эволюции В ходе этой работы был обнаружен SINE, содержащий помимо ID два участка, ведущих происхождение от LINE Bov-B В связи с этим возникла задача исследования распространенности у млекопитающих Bov-B-родственных SINE
Проводя эти исследования, мы обнаружили у одного из грызунов SINE, содержащий, помимо участков Bov-B, последовательность, родственную 5S рРНК Это привело нас к поиску и анализу других 5S рРНК-родственных SINE у млекопитающих Финальным этапом работы стало построение схем возможных путей эволюции, исследованных нами SINE
Научная новизна и практическая значимость работы
Впервые проведено крупномасштабное исследование распространенности ID-элемента среди млекопитающих и показано, что этот SINE детектируется у всех 21 исследованных семейств грызунов Оценено число копий ID-элемента в геномах грызунов различных видов, которое варьировало от 25 тыс до 500 тыс Описан целый ряд сложных ID-содержащих SINE Хотя большинство из них содержало В1-мономер, в геномах грызунов надотряда Geomyoidea вместо него обнаруживался мономер (Geo), неизвестной природы
В геноме африканского грызуна капского долгонога (Pcdeles capensis) обнаружены два необычных семейства SINE Элементы первого из семейств состояли из ID-родственной последовательности, расположенной на 5'-конце, и последовательности, гомологичной двум небольшим участками LINE Bov-B (один из этих участков расположен в 5'-концевом районе Bov-B, тогда как другой находился на самом 3'-конце Bov-B) SINE второго семейства имели сходную структуру, но вместо ГО в них присутствовал район, родственный 5S рРНК Нами также обнаружено, что аналогичную последовательность, состоящую из двух участков, произошедших из Bov-B, имеет ранее описанный другими авторами (Nikaido et al 2003) AfroSINE, который свойственен млекопитающим надотряда Afrothena (слоны, даманы, сирены, трубкозубы, прыгунчики, тенреки и златокроты) Изучив таксономическое распределение Bov-B и Bov-B-родственных SINE, мы выдвинули гипотезу о том, что долгоног приобрел LINE Bov-B от одного из представителей древних Afrothena в результате горизонтального переноса, в то время как SINE Pecleta tapensis и AfroSINE возникли в долгоноге и в Afrothena независимо друг от друга
Впервые проведен скрининг геномов млекопитающих на присутствие 5S рРНК-родственных SINE По-видимому, такие SINE редко встречаются в пределах этого класса позвоночных, однако нам удалось выделить два их семейства из геномов крыланов (Megachiroptera) Показано, что эти SINE не свойственны друїим рукокрылым (Microchiroptera)
Впервые проведен анализ возможных путей эволюции SINE, ведущих свое происхождение от тРНКЛ "<сс,с', 5S рРНК и LINE Bov-B у млекопитающих
Апробация работы
Результаты работы были представлены на Международной Конференции «Генетика в России и в мире» (Москва, 28 июня - 2 июля 2006 г), а также на ежегодных научных конференциях аспирантов ИМБ РАН (2006 и 2007г )
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы, из них 3 статьи
Структура и объем диссертации
