Посещений:
Alu Элементы

Эволюционные Аспекты

Evolutionary impact of human Alu repetitive elements
Jerzy Jurka
Current Opinion in Genetics & Development 2004, 14:1–6

Early studies of human Alu retrotransposons focused on their origin, evolution and biological properties, but current focus is shifting toward the effect of Alu elements on evolution of the human genome. Recent analyses indicate that numerous factors have affected the chromosomal distribution of Alu elements over time, including male-driven insertions, deletions and rapid CpG mutations after their retrotransposition. Unequal crossing over between Alu elements can lead to local mutations or to large segmental duplications responsible for genetic diseases and long-term evolutionary changes. Alu elements can also affect human (primate) evolution by introducing alternative splice sites in existing genes. Studying the Alu family in a human genomic context is likely to have general significance for our understanding of the evolutionary impact of other repetitive elements in diverse eukaryotic genomes.
Наиболее повторяющимися ДНК элементами, которые присутствуют в геноме человека, являются копии клеточных РНК, генерируемые с помощью обратных транскриптаз, кодируемых с помощью эндогенных ретровирусов и non-long terminal repeat (LTR) ретротранспозонов [1,2]. Элементы, которые кодируют энзимы, необходимые для их пролиферации в геноме называются 'autonomous'. Активные в данное время, автономные, non-LTR ретротранспозоны человека принадлежат к long interspersed nuclear element 1 (LINE1) семейству повторов, чьи члены обобщенно называют 'L1 elements'. L1 семейство занимает более 20% ДНК человека. Дополнительно от 10% до 11% геномной ДНК представлено примерно 1.2 миллионов копиями Alu элементов.
Alu элементы представляют одно из многих семейств неавтономных ретротранспозонов, называемых short interspersed nuclear elements (SINEs), которые имеют отношение к ферментативной кухне (machinery) автономных элементов. Alu элементы ретротранспозируются с помощью L1-кодируемой обратной транскриптазы. Др. L1-размножаемые человеческие SINEs включают SVA элементы [3], которые представлены ретровирусным фрагментом, слитым с Alu фрагментами и варьирующим количеством тандемных повторов [4]. Более мелкий вариант SVA, SVA2, также идентифицирован в геноме человека [5]. Вск L1-ретротранспозированные SINEs содержат polymerase III внутренний промотор и полиаденилированы. Почти все SINEs млекопитающих или включают или происходят из фрагментов РНК, которые взаимодействуют главной рибосомальной субъединицей. L1-обеспечиваемая обратная транскрипция продуцирует также тысячи processed ретропсевдогенов, происходящих из разных мРНК, экспрессирующихся в клетках [6-8].
Происхождение и эволюция Alu элементов человека известно в деталях благодаря многочисленным исследованиям их ДНК последовательностей (обзор [9]). Alu элементы человека являются димерными структурами из примерно 300 п.н., которые представлены двумя сходными, но не идентичными мономерами, которые независимо произошли из 7SL РНК и разможились около 100 миллионов лет тому назад от общего предшественника у приматов и грызунов [10,11]. 7SL РНК является стержневым компонентом сигнальной распознающей частицы - рибонуклеопротеиновой молекулы, которая взаимодействует с рибосомальной системой и участвует в cotranslational транспорте белков через клеточные мембраны.
Семейство Alu человека состоит из многочисленных подсемейств, некоторые из которых продолжают активно ретротранспозироваться, на что указывают популяционные генетические исследования [12]. По практическим причинам все подсемейства Alu собраны в кластеры в три большие группы: AluJ и AluS подсемейства, которые первоначально были определены на базе самого раннего расщепления семейства Alu [13]; и самая молодая AluY группа, которая включает все активно ретранспозируемые Alu подсемейства [14]. Рассматривается эволюционное значение L1-обусловленной Alu ретротранспозиции. Вновь вставленные Alu элементы м. запускать геномные реакции, такие как recombination/replication slippage и CpG метилирование, которые м. приводить к дупликациям/делециям генов и альтернативному сплайсингу.

L1-mediated Alu retrotranspositon


Alu повторы и др. SINEs млекопитающих преимущественно вставляются в ДНК сайты-мишени из примерно 15 п.н., которые содержат консервативную консенсусную последовательность 5' TTjAAAA [6,15], которая разрезается с помощью эндонуклеолитической части L1-кодируемой обратной транскриптазы [16]. Alu сайт-мишень оказывается удвоенной после завершения интеграции Alu.
Alu элементы имеют общие target site duplications (TSDs) с B1 SINEs, tRNA-производными SINEs, такими как B2 и BC1 элементы и L1 элементы [6,15]. Эта общность TSDs ведет к модели, постулирующей L1-обусловленную ретротранспозицию Alu и др. SINE элементов у млекопитающих и возможно у др. позвоночных. такиех как лягушки [6,15]. Недавно эта модель была подтверждена непосредственно в исследованиях вставки маркированных Alu последовательностей в HeLa клетки человека [17]. Dewannieux et al. [17] использовали конструкцию, содержащую недавно ретротранспозированные Alu элементы [18] и tetracycline-dependent neomycin (neoTet) репортерный ген, вставленные или в богатый А линкер между левым и правым мономером или непосредственно выше 3' poly(A) хвоста. В этом подходе ген neoTet становится функциональным только после завершения всех этих стадий ретротранспозиции Alu. Dewannieux et al.[17] показали, что ретротранспозиция маркированных Alu элементов происходит в клетках HeLa в присутствии векторов экспрессии, кодирующих L1 белки человека. Секвенирование 5 клонов с вновь ретротранспозированными Alu элементами показало, что их TSDs очень сильно напоминают те, что и в 'диком типе', включая варианты консенсусного разрезаемого (nicking) сигнала TTjAAAA. Было также отмечено, что poly(A) хвост удлиняется или сокращается во время ретротранспозиции.
Ретротранспозиция de novo Alu элементов наблюдалась и в др. эксперименте, в котором Alu-содержащая конструкция вносилась в гематопоэтические клетки мышей [19]. Вновь ретротранспозированные Alu элементы ретротранспозировались вблизи TTjAAAA-подобных nicking сигналов, что согласуется с L1-обеспечиваемой ретротранспозицией Alu. Кроме того, длина poly(A) хвоста вновь ретротранспозированных Alu элементов варьировала, как это было отмечено ранее [17]. В эксперименте с мышиными клетками ретротранспозиция Alu элементов происходила без каких-либо экзогенно экспрессируемых белков, но запускалась с помощью генотоксического стресса, индуцируемого с помощью ингибитора topoisomerase II, etoposide [19].
Необходимы дальнейшие экспериментальные исследования, чтобы понять др. ранее предположенные ступени интеграции, такие как формирование второго пробела (nick) и последующего синтеза и залечивания двунитчатой ДНК после интеграции Alu. Несмотря на это, L1-обеспечиваемая ретротранспозиция Alu представляет собой хорошо изученную модель ретротранспозиции большинства SINEs у млекопитающих.

Chromosomal distribution of recently retrotransposed Alu elements


Очень молодые Alu элементы примерно в три раза более многочисленны в Y хромосоме на единицу длины, чем в Х хромосоме

Representation of female and male diploid cells that produce haploid gametes. Top, female cells; bottom, male cells; A, X and Y indicate autosomes and chromosomes X and Y, respectively. Numbers below the chromosomes reflect average population weights of the corresponding chromosomes. Arrows on the left and right side of the male box indicate Alu insertions and Alu deletions, respectively. On the basis of the paternal retrotranspositon model, the expected proportions of the densities of newly inserted Alu elements on chromosomes X and Y and autosomes are 1/3:1:1/2 or 1:3:3/2. Analogous chromosomal proportions are expected for the rates of replication-slippage-related Alu deletions in male germ lines.

и примерно их вдвое на Y хромосоме, чем в аутосомах [20,21]. Это указывает на то, что процесс ретротранспозиции Alu происходит в отцовской зародышевой линии (Рис. 1). Получены прямые доказательства генетических заболеваний, вызываемых отцовскими инсерциями Alu элементов [18,22,23]. Благодаря общей зависимости Alu элементов от L1 reverse transcriptase, м. ожидать, что L1 и Alu элементы следуют одной и той же модели отцовской ретротранспозиции. Ограниченные экспериментальные доказательства, однако, указывают на ретротранспозицию L1 в материнской зародышевой линии [24,25] и у ранних эмбрионов [26].
Имеется недостаточно данных по последовательностям, чтобы м. было проверить приложима или нет модель отцовской ретротранспозиции Alu к др. SINE элементам млекопитающих. Анализ доступных 22Mb последовательностей мышиной Y хромосомы не выявил молодых B1 или B2 элементов [27]. Это м.б. обусловлено быстрой потерей и мутированием недавно ретротранспозированных SINE элементов. Следовательно, остается определить м. или нет модель отцовского ретротранспозирования Alu описывать раннюю пролиферацию др. non-LTR ретротранспозонов.

Elimination of young Alu elements


Недавно ретротранспозированные Alu элементы элиминируются из генома человека довольно быстро. Подобно инсерциям, делеции Alu , по-видимому. происходят преимущественно в отцовской зародышевой линии, т.к. скорость элиминации Alu самая быстрая из Y хромосомы, самая низкая в Х хромосоме и промежуточная в аутосомах [21]. Потеря Alu, по-видимому, наиболее быстрая в областях с высоким содержанием GCt, это согласуется с повышенными скоростями рекомбинации [28]. Быстрая потеря Alu элементов наблюдалась в контексте различного геномного распределения L1 и Alu элементов, которое обнаруживает тенденцию к сохранению в AT-богатой и GC-богатой ДНК, соотв. [29]. Первоначально и Alu и L1 элементы интегрируются в ДНК со сравнимыми составами оснований, но в противоположность L1 элементам, Alu элементы, по-видимому, 'сдвигаются' со временем в направлении GC-богатой ДНК [30]. Некоторые из этих 'сдвигов' ,по-видимому, коррелируют с изменениями в локальной плотности Alu элементов.
Хотя Alu элементы составляют в среднем около 10.5% генома человека по длине их локальная плотность варьирует от 0% до более чем 50% на 50 т.п.н. ДНК. Кластеры Alu обнаруживают тенденцию накопления в очень богатых GC нуклеотидах, частично из-за высокого содержания GC внутри действительных Alu последовательностей (~60%). Следовательно, этот 'сдвиг' Alu подсемейства в направлении богатой GC ДНК соответствует более быстрой элиминации тех, что вставлены вне GC-богатых Alu кластеров, по сравнению с теми, что вставлены внутри таких GC-богатых кластеров [21].
Имеется, однако, проблема с интерпретацией аналогичного 'сдвига' для Alu субклассов, когда субклассы определяются исходя из взаимной дивергенции скорее, чем характеристик подсемейства, особенно если CpG сайты не исключены [30]. Как показано на Рис. 2, снижение в среднем содержания CpG на Alu элемент на хромосоме Y довольно быстрое в молодом AluY подсемействе, но замедляется со временем и остается почти постоянным в старых Alu элементах. Напротив, все подсемейства Alu на Х хромосоме сохраняют грубо одну и ту же среднюю пропорцию CpG относительно аутосом. Др. словами, скорость распада CpG м. отличаться между более молодыми и более старыми подсемействами, создавая впечатление различий в скорости 'исчезновения'.
Ускоренная отцовская элиминация Alu элементов, описанная выше и 'сдвиг' в направлении GC-богатых Alu кластеров скорее всего являются проявлениями одного и того же отцовского процесса делетирования. Если аналогичный процесс происходит и у грызунов, то он д. протекать значительно быстрее, чем у людей. Изучение B1 и B2 SINEs не выявило 'сдвига' в направлении SINE кластеров, т.к. даже самые молодые элементы присутствовали в SINE-dense кластерах и не встречаются молодые SINEs на хромосоме Y [27]. На базе Alu модели м. предсказать, что самые молодые SINEs, которые локализуются вне SINE кластеров, уже элиминировались или мутировали у грызунов, особенно на Y хромосоме. Это ускоренное 'удаление' м.б. связано с более коротким репродуктивным циклом у грызунов, чем у людей. Альтернативное объяснение базируется на недавних изменениях

Proportions of CpG dinucleotide counts in Alu elements located on sex chromosomes and autosomes. Vertical axes show the ratios of the geometric mean of CpG counts per full-length Alu element on chromosome X (top) and chromosome Y (bottom), relative to those on autosomes. Horizontal axes show average Alu element sequence identities to the consensus sequence of their corresponding subfamily. The major Alu subfamilies are Jo, Jb, Sq, Sx, Sg, Sc, Sp and Y (filled squares), and the young sub-subfamilies are Ya1, Ya4, Ya5, Yb8, Yc1, Yd2 and Ye5 (open squares). For details of Alu classification, see [20]. The different rates of CpG decay may reflect differences in methylation patterns between female and male germ lines [49].

в механизмах интеграции SINE у людей по сравнению с грызунами [31,32]. Элиминация недавно вставленных SINEs м.б. обусловлена отбором против их повреждающих эффектов или неравных обменов (эктопических рекомбинаций)между разными SINE элементами во время митоза [33-37]. Др. процесс, такой как replication slippage между Alu элементами [38] также м. объяснять потерю молодых Alu элементов во всех хромосомах, включая Y хромосому, проходящих через отцовскую зародышевую линию.

Alu-mediated gene duplication, rearrangements and alternative splicing


Alu дупликации более часты в Alu-богатых кластерах, чем в бедных Alu регионах хромосом [21]. Это м. отражать неравные обмены между кластерами Alu элементов, это м. приводить к делециям и дупликациям рекомбинирующих Alu элементов и хромосомных областей между ними. В отсутствие отбора количество делеций и удвоений д.б. одинаковым. В богатых генами областях, однако, удвоения ДНК скорее предоминируют над делециями, особенно если удвоенные сегменты длинные. Длинные, удвоенные хромосомные области обычно известны как low copy repeats (LCRs) или сегментные дупликации [39,40]. Они представляют от 5% до 6% генома человека [41] и имеют более высокое содержание GC, чем геном в среднем [21]. Однажды возникнув сегментные дупликации м. подвергаться дальнейшим не-аллельным гомологическим рекомбинациям [42] и Alu-обусловленным перестройкам [43], приводящим к генетическим болезням и эволюционным изменениям в геноме [44].
Модель участия Alu в возникновении сегментных дупликаций согласуется с недавно наблюдаемым обогащением субсемейств AluY и AluS вокруг соединений LCRs [45]. Эти два подсемейства размножились в последние 40 миллионов лет или около того, это согласуется с возрастом большинства LCRs. Не выявлено достоверного обогащения для более старых AluJ подсемейств. Обогащение Alu также более значительно внутри удвоенных сегментов, чем вне [45], это согласуется с моделью долговременного накопления Alu элементов в GC-богатых областях хромосом посредством удвоений Alu-обогащенных ДНК, возможно происходящих их LCRs [21].
В дополнение к роли Alu элементов в удвоениях и перестройках генов, Alu-обусловленный сплайсинг мРНК также м. приводить к новым мутациям и генетическим болезням, таким как Alport syndrome и gyrate atrophy of choroid или сетчатки [2]. Этот феномен был впервые описан более 10 лет тому назад [46], но до сих пор привлекает внимание [47,48] благодаря его потенциалу управлять эволюцией приматов путем генерации дополнительных вариантов белков при ограниченном количестве генов.

Conclusions


The propagation of Alu elements in the human genome by L1-mediated retrotransposition triggers various genomic mechanisms of Alu elimination and suppression. Such mechanisms seem to be particularly effective in paternal germ lines, where Alu retrotransposition seems to be most active.
Alu-mediated unequal exchanges between meiotic chromosomes can produce both deletions and duplications. The latter are likely to survive in gene-rich chromosomal regions where deletions would be harmful or lethal, thereby stimulating evolution by gene duplication. Aside from unequal exchanges, the elimination of Alu elements may involve replication slippage fueled by higher rates of germ-cell divisions in males than in females. In addition to elimination, silencing by CpG methylation and accelerated substitution rates are important for suppressing Alu proliferation. Once fixed in the genome, Alu elements may continue to produce alternatively spliced proteins, which can be further tested by natural selection. Studies of Alu elements significantly contribute to our understanding of L1-mediated retrotransposition in mammals and beyond. Current studies of genomic response to Alu retrotransposition are expected to reveal general mechanisms of post-insertion coevolution between transposable elements and eukaryotic genomes.
Сайт создан в системе uCoz