grad-green grad-gray grad-blue grad-red grad-pink grad-purple grad-yellow
Нести помощь людям

Вход на сайт

Вы здесь

Главная » Физиология » Молекулярная биология » Лекционный курс по Молекулярной биологии

Обратная транскрипция

 

Лекция 19. Нестабильность генома. Обратная транскрипция
 
В 40-х годах Барбара Мак-Клинток, американский генетик, обнаружила мозаичность окраски зерен у кукурузы, небъяснимую законами Менделя и мутационной теорией.
Она предположила, что некоторые гены могут менять свое место в геноме.
Определение: мобильные генетические элементы (МГЭ) - это последовательности нуклеотидов, меняющие свою локализацию и копийность в геноме.
Выделяют следущие классы МГЭ:
1. IS - вставочные элементы у прокариот.
2. Tn - транспозоны у прокариот.
3. Эписомы у прокариот.
4. Некоторые умеренные фаги.
5. Контролирующие элементы кукурузы.
6. Мобильные диспергированные гены у дрозофилы, мыши, человека.
7. Провирусы.
В литературе "транспозоны" - все мобильные генетические элементы. Это элементы генома, которые меняют свое положение и копийность в геноме.
 
Это самые простые транспозоны.
Размер IS-элементов ~1000 п.н. На концах они содержат инвертированные повторы (~20 п.н.). IS- элементы содержат только один ген - ген транспозазы, фермента, обеспечивающего перемещение IS-элемента по геному.
Транспозаза - это обобщеный термин.
Разные транспозазы работают по-разному, но смысл общий:
транспозаза вырезает ДНК в одном месте и вставляет в другое место генома.
Перед геном в IS-элементе имеется промотор, за геном - слабый терминатор транскрипции. Не всегда РНК-полимераза останавливается на нем, она может продолжать транскрибировать и рядом стоящий участок генома до сильного терминатора.
 
Помимо гена транспозазы Tn-транспозоны содержат один или несколько генов лекарственной устойчивости. Копийность транспозона возрастает при наличии провокационного фона (например, наличие в среде антибиотика, ген устойчивости к которому кодируется в транспозоне).
Есть транспозоны, не содержащие гена транспозазы.
 Такие транспозоны содержат по краям IS-элементы.Размер транспозонов - 2.5-10 тыс. п. н.
Всем транспозонам свойствен-но наличие прямых повторов, LTR (long terminal repeats - длинные концевые повторы)
После перехода из основной ДНК в плазмиду транспозон может попасть с ней в другую бактерию, придавая новому хозяину ранее отсутствующую лекарственную устойчивость. Кроме того, при вырезании транспозона из геномной бактериальной ДНК захватываются участки генома одной бактерии, которые вместе с транспозоном переносятся в другую бактерию. Захват ДНК происходит, если эта ДНК находится между двумя транспозонами.
 
Умеренные фаги
-фаг может захватывать часть генетической информации одной бактерии и переносить ее в другую. Поэтому сегодня говорят о едином генофонде прокариот.
 
Эффекты, вызываемые мобильными элементами
- Внедрение мобильных элементов внутрь гена приводит к выключению гена.
- Может нарушаться регуляция гена, если мобильный элемент внедряется между оператором и цистроном (у мобильного элемента есть свой промотор).
- Вставка мобильного элемента может привести к экспрессии генов, которые не должны в данное время работать.
Наличие мобильных элементов является фактором, способствующим незаконной рекомбинации.
При незаконной рекомбинации перетасовываются гены, не имеющие отношения друг к другу.
Мобильные элементы провоцируют образование делеций, инверсий, дупликаций. Все это - хромосомные мутации.
Некоторые вирусы - на самом деле тоже мобильные элементы. В форме провируса они находятся в геноме клетки хозяина, а потом могут начать перемещаться. Это, например, онкорнавирусы, являющиеся ретровирусами.
 
Молекулярные основы канцерогенеза
Признаки трансформированной клетки
1. Неконтролируемое деление.
Искажен клеточный цикл. Продолжителен S-период. Стадия G2 сведена к минимуму.  Клетка вступает в митоз неготовой.
Последствия: нарушения при расхождении хромосом.
Высокая потребность в энергии. При этом в элокачественных клетках гликолиз (идущий без кислорода) превалирует над окислительным фосфорилированием.
2. Клетки перестают узнавать друг друга.
Происходит утрата контактного торможения. Это связано с изменением мембранных белков - белков-рецепторов и пр.
Нарушается адгезия (прилипание к поверхности).
3.          Раковые клетки дедифференцированы.
4.           
Теории рака
До 70-х годов существовало три теории рака:
1. Канцерогенная теория.
Известны професиональные раковые заболевания: рак кожи у трубочистов, рак губы у кровельщиков и пр.
Бензпирен - первый описанный канцероген.
Определение: канцерогены - это вещества, повышающие частоту возникновения рака.
Но в экспериментах с канцерогенами не все животные заболевали.
2. Генетическая теория.
Появилась в 30-х годах. У лабораторных мышей известны высоко- и низкораковые лабораторные линии 
3. Вирусная теория.
В молоке мышей был найден "фактор молока" (вирус Битнера).
Объединение всех этих теорий произошло в 50-х годах. Отечественный ученый Лев Зильбер высказал гипотезу, что причиной рака может быть вирус, который становится геном.
 
Обратная транскрипция
Определение: обратная транскрипция - это синтез ДНК по матрице РНК.
Обратную транскрипцию обнаружили в 1970 г. Темин, Балтимор, Дульбеко, работавшие с вирусом саркомы Рауса (ВСР). Этот вирус вызывает саркому у кур. Это онкорнавирус (oncoRNA) - относится к ретровирусам.
Определение: ретровирусы - это РНК-содержащие вирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в геном клетки хозяина в форме провируса.
Предпочтительного места внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам.
В состав ретровируса входит две идентичные молекулы РНК. На 5'-конце имеется Сap, на 3'-конце - поли А-хвост. Фермент обратную транскриптазу вирус "носит" c собой.
Геном ретровируса содержит 4 гена: gag - белок нуклеоида,
pol - обратная транскриптаза,
env - белок капсида (оболочки),
onc - онкоген, ответственный за злокачественную трансформацию клетки.
str5 = str3 - (short terminal repeat) короткий концевой повтор;
U5, U3 - уникальные последовательности (U5 - 80 н., U3 - 200 н.);
PB (primer binding site) - участок связывания затравки.
 На РВ садится (за счет комплементарности) tРНК и служит затравкой для синтеза ДНК.
Синтезируется небольшой кусок ДНК.
Обратная транскриптаза, обладая еще и активностью РНК-азы Н, удаляет РНК в гибриде с ДНК, а за счет идентичности str3 и str5 этот одноцепочечный участок ДНК взаимодействует с 3'-концом второй молекулы РНК, которая служит матрицей для продолжения синтеза цепи ДНК.
Затем РНК-матрица уничтожается и по образовавшейся цепи ДНК строится комплементарная.
Образованная молекула ДНК длиннее РНК. Она содержит LTR (U3 str 3(5) U5). В форме провируса она находится в геноме клетки хозяина. При митозе и мейозе передается дочерним клеткам и потомкам.
Для экспрессии вирусных генов нужен толчок: канцерогены, изменения метаболизма в клетке хозяина, стресс.
Большинство изученных вирусных онкогенов кодируют протеинкиназу, фермент, который фосфорилирует белки. Как правило - это тирозиновая протеинкиназа. В клетке есть собственные протеинкиназы, в том числе и тирозиновая, но гораздо более активны сериновая и треониновая. Гены, кодирующие клеточные протеинкиназы, обозначают oncc, вирусные - oncv. Oncc - клеточные гены, работающие в дифференцированных клетках. Oncc имеют интроны, oncv - не имеют. Oncv либо добавляет тирозиновую протеинкиназу - и сказывается дозовый эффект гена тирозиновой протеинкиназы, либо, по сравнению с клеткой, не имеющей oncv, клетка, его имеющая, фосфорилирует тирозин, а не серин или треонин, как обычно, то есть происходит смена мишени.
В первую очередь это касается белков, присутствующих в клетке в большом количестве. Это белки цитоскелета (нарушение адгезии), мембранные белки (нарушение контактного торможения), гистоны (нарушение регуляции, компактизации, облегчение репликации ДНК).
Ретровирусы скорее всего возникли в результате внедрения мобильных элементов в непосредственной близости от oncc генов. В дальнейшем oncc превратился в oncv, а клеточная полимераза - в обратную транскриптазу. Вирус начал самостоятельную жизнь. Стадия провируса говорит о его клеточном происхождении.
В медицине рак - это злокачественная опухоль только эпителиальных тканей.
Метастазы - возникающие опухоли в районах, удалённых от исходной опухоли.
Рак - болезнь генома.
Одним из путей активации oncc является такая перестройка генома, в результате которой рядом с онкогеном появляется новый регуляторный элемент, обеспечивающий его более активную транскрипцию.
Другой путь - структурная мутация в протоонкогене, т.е. нормальном клеточном гене, способном превратиться в онкоген.
Существуют антионкогены, или гены-супрессоры опухолей, подавление активности которых приводит к развитию опухолей.
Природа белковых продуктов онкогенов и антионкогенов чрезвычайно разнообразна. К онкогенам относят некоторые гены белков - факторов роста, а также гены рецепторов факторов роста. Перепроизводство факторов роста или нарушение структуры их рецепторов может привести к более частому делению клеток. Изменения в генах, кодирующих белки - передатчики сигналов от рецепторов к ядру клетки, в основном, протеинкиназы различной специфичности, а также изменения экспрессии генов, ответственных за белковые факторы транскрипции, могут превратить нормальную клетку в раковую.
Подавление активности генов, ответственных за рост и размножение клеток, осуществляется белковыми продуктами генов - супрессоров опухолей. Так, ключевая роль в разрешении на переход из одной фазы клеточного цикла в другую принадлежит белкам - циклинам. Только находясь в комплексе с циклинами, циклинзависимые протеинкиназы способны фосфорилировать белки мишени, необходимые для перехода в следующую фазу клеточного цикла.
Специальные белки сканируют ДНК перед репликацией на предмет выявления нерепарированных повреждений. Если ДНК не проходит тест, то включаются системы реализации "запрограммированной смерти" - апоптоза, в результате чего разрушаются жизненно важные структуры клетки, в том числе хромосомы и цитоскелет. Апоптоз определяется большим числом генов, центральное место среди которых занимает ген, кодирующий белок с молекулярным весом 53 кДа, - ген p53. Этот ген поврежден в 50% всех опухолей человека. Когда он выведен из строя, клетки с поврежденной (мутантной) ДНК перестают выбраковываться и в них происходит накопление новых мутаций, которые могут затрагивать как протоонкогены, так и гены-супрессоры опухолей.

Как правило, рак развивается у людей пожилого и старого возраста. Это связано с тем, что мутации возникают случайно - и вероятность накопления в клетке нужного для злокачественного превращения набора измененных генов увеличивается с годами. Посчитано, что в среднем в клетке человека должно накопиться 10 независимых мутаций, касающихся онкогенов и генов - супрессоров опухолей.

Источники: Дымшиц Г.М. Молекулярная биология: http://www.medliter.ru/?page=get&id=012131

Поделиться с друзьями:
Ваша оценка: 
5
Средняя: 5 (6 проголосовавших)