Роль некодирующих последовательностей ДНК



жүктеу 59.53 Kb.

Дата18.08.2018
өлшемі59.53 Kb.

Молекулярные механизмы

прогрессивной эволюции

многоклеточных организмов: 

роль некодирующих последовательностей ДНК

Алсу Фаритовна Сайфитдинова


РНК

ДНК

белок

Центральная догма молекулярной биологии, 1958 г, Френсис Крик

В 1972 г. Сусуми Оно предложил термин «мусорная ДНК»

(junk DNA)

1957 г. Дж. Б. С. Холдейн установил несоответствие реальной скорости

видообразования и ожидаемой в соответствии с популяционно-

генетической моделью. Мутации не могут обеспечить приспособление и

выживаемость популяции при быстром изменении условий внешней

среды


1968 г. Мото Кимура выдвинул теорию «нейтральной эволюции», 

согласно которой ДНК может свободно мутировать на протяжении

долгого времени без всякого воздействия со стороны внешней среды.  

1980 г. Лесли Оргель и Френсис Крик закрепили за некодирующей ДНК

роль эволюционного балласта в высказывании «It has little specificity and

conveys little or no selective advantage to the organism" 



Геном человека – организма, состоящего

более чем из 100 триллионов клеток, 

различных по дифференцировке и

координировано работающих для

обеспечения не только

жизнедеятельности, но и мыслительного

процесса – включает около 20 тысяч

белок-кодирующих последовательностей. 

Приблизительно из того же количества

генов, причем имеющих значительное

сходство с генами человека, состоит

геном свободноживущей нематоды



Caenorhabditis elegans длиной около 1мм, 

тело которой состоит из одной тысячи

соматических клеток, включая 302 

нейрона. 



http://www.cbs.dtu.dk/services/GenomeAtlas/

Archaea:


Размер генома

п.о.

Число цистронов

Aeropyrum pernix K1

1,669,696

1,700

Candidatus Korarchaeum cryptofilum OPF8

1,590,757

1,602

Methanocaldococcus fervens AG86

1,507,251

1,581

Methanococcus maripaludis C5

1,789,046

1,822

Methanosarcina barkeri str. Fusaro

4,873,766

3,625

Nanoarchaeum equitans Kin4-M

490,885


536

Pyrococcus abyssi GE5

1,768,562

1,784

Sulfolobus acidocaldarius DSM 639

2,225,959

2,223

Thermofilum pendens Hrk 5

1,813,393

1,876

Thermococcus gammatolerans EJ3

2,045,438

2,157


Bacteria:

Размер генома

п.о

Число цистронов

Acetobacter pasteurianus IFO 3283-01

3,340,249

3,050

Burkholderia cenocepacia MC0-3

7,971,389

7,008

Escherichia coli ATCC 8739

4,746,218

4,200

Prochlorococcus marinus str. MIT 9301

1,641,879

1,907

Streptomyces scabiei 87.22

10,148,695

8,809

Streptomyces bingchenggensis BCW-1

11,936,683

10,022

Treponema pallidum subsp. pallidum str. Nichols

1,138,011

1,031

Candidatus Phytoplasma mali

601,943


497

Chlamydophila pneumoniae CWL029

1,230,230

1,052

Lactobacillus fermentum IFO 3956

2,098,685

1,843

Staphylococcus aureus subsp. aureus ST398

2,885,367

2,710

http://www.cbs.dtu.dk/services/GenomeAtlas/



Размер генома

млн.п.о.

Число предсказанных генов

тыс

Saccharomyces cerevisiae

12.1


5.6

Schizosaccharomyces pombe

14

4.8



Arabidopsis thaliana

145 25


Drosophila melanogaster

165


14

Mus musculus

2600


22

Homo sapiens 

XY / XX


3080/3022

23

Caenorhabditis elegans

97

20.1


NCBI Entrez Genomes

Плотность генов в геномах разных организмов

Haemophilus influenzae

1 ген на 1000 п.о.



Escherichia coli

1 ген на 1400 п.о.



Saccharomyces cerevisiae

1 ген на 2000 п.о.



Caenorhabditis elegans

1 ген на 5000 п.о.



Arabidopsis thaliana

1 ген на 4000 п.о.



Drosophila melanogaster

1 ген на 9000 п.о.



Mus musculus

1 ген на 100,000 п.о.



Homo sapiens

1 ген на 100,000 п.о.



Escherichia coli

87,8% генома – реальные и вероятные белок-кодирующие последовательности

0,8%  генома – гены стабильных фракций РНК (21 ген тРНК, 86 генов рРНК) 

11,0% генома – регуляторные элементы (репликация, транскрипция)

0,7%  генома – некодирующие повторы:

Октамер GCTGGTGG – встречается

в 186 позициях в прямой ориентации

и 148 в обратной ориентации, играет

ключевую роль в конъюгационной

рекомбинации, соответствует

"горячим точкам рекомбинаций" 



Повтор

REP

– палиндром, 40 п.о., 

581 копия на геном (составляет

0,54% всей ДНК), функция

неизвестна

Транскрибирующиеся регуляторные некодирующие

последовательности в составе полицистронных мРНК


J.S. Mattick.The Journal of Experimental Biology, 2007

Homo sapiens

размер генома

3.02 млрд п.о., 

число предсказанных генов

23 000

средняя длина гена



27 000 нт

среднее число экзонов на ген

8.8

средний размер экзона



145 нт

средний размер интрона

3 365нт

средняя длина 5’-НТО



300 нт

средняя длина 3’-НТО

770 нт

средний размер кодирующей части



1300 нт

http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/info.shtml



кодирующие белки последовательности составляют 1,2% всего генома

Показано наличие транскриптов для

93% генома Homo sapiens

E. Birney,et al. Nature, 2007

70% генома Mus musculus

P. Carninci et al. Science, 2005 

85% генома Drosophila melanogaster

J.R. Manak et al. Nat Genet, 2007 

70% генома Caenorhabditis elegans

H. He et al Genome Research, 2007

По данным базы данных FANTOM из всех транскриптов из генома мыши

длиной более 200 нт около 34% не кодируют белок.

60% из них подвергнуты сплайсингу, 44% полиаденилированы.

70% транскриптов перекрываются с транскриптами в другой ориентации, 

образуя дуплексы с 58.7 % некодирующих РНК и 87% всех кодирующих

белки РНК (18,021 генов имеют участки , перекрывающиеся другими

кодирующими и некодирующими последовательностями.



некодирующие участки мРНК: 5’-НТО, 3’-НТО, интроны

регуляция трансляции, предшественники других типов РНК



длинные некодирующие РНК (от 200нт и больше)

изменение состояния хроматина, ретротранспозиция, регуляция

транскрипции, трансляции, компартментализация ядра, хранение сигналов

быстрого ответа на стресс, позиционная информация, межклеточные

взаимодействия, предшественники других типов РНК

рибосомальные РНК

каталитическая составляющая рибосом



малые ядерные РНК (до 300нт)

сплайсинг, регуляция транскрипции, поддержание целостности теломер



малые ядрышковые РНК (60-300нт)

редактирование РНК, процессинг рРНК, тРНК, мяРНК



транспортные РНК (около 80нт)

перенос специфичных аминокислот к местам синтеза белка на рибосоме



микроРНК (21-22нт)

образуются из коротких несовершенных шпилек

модуляция трансляции, направленная деградация мишени - мРНК

малые интерферирующие РНК (20-25нт)

образуются из дуплексов и длинных шпилек

деградация вирусных РНК, изменение состояния хроматина, регуляция

транскрипции



взаимодействующие с PIWI РНК (28-33нт) и ассоциированные с

повторами РНК (23-28нт)

образуются из однонитевых предшественников

инактивация транспозонов в половых и соматических клетках

сканирующие РНК (около 25 нт)

транскрибируются с генома микронуклеуса во время мейоза, 

транскрипция контролируется РНК интерференцией

определяют точные границы разрезания хроматина во вермя

реконструкции макронуклеуса инфузорий


Chlamydomonas reinhardtii

размер генома 121 млн п.о., 17 хромосом

15,143 белок-кодирующих последовательностей, 

большинство из них содержит интроны (в

среднем 8 интронов на ген) 

3 кластера рРНК, 259 генов тРНК. 

70% составляют некодирующие

последовательности:

61 класс простых повторов; около 100 семейств

ретротранспозонов; 64 семейства коротких

промежуточных элементов (SINEs) 

происходящих от генов тРНК

Длинные шпилечные структуры 150 – 729 нт. служат основой для получения

микроРНК, которая участвует в регуляции гаметогенеза.

Molnar A, et al.  Nature, 2007

Zhao T, et al. Genes and Development, 2007

Merchant, S.S. et al. (117 authors) Science, 2007


Tetrahymena – малые интерферирующие РНК участвуют в разметке ДНК

перед элиминацией хроматина созревающего макронуклеуса

Liu Y, et al. Genes and Development, 2007

Oxytricha trifallax – при созревании макронуклеуса длинные материнские

некодирующие РНК покрывают участки генома, которые не должны быть

элиминированы.

Nowacki M. et al. Nature, 2007



Инфузории

Paramecium tetraurelia – короткие сканирующие РНК 25 нт. точно определяют

границы последовательностей, которые должны остаться в новом

макронуклеусе

Lepe`re G. et al. Genes and Development, 2008



реакция на изменяющиеся условия окружающей среды

защита от вирусов

хранение сигналов быстрого ответа на стресс

компартментализация ядра и клетки

структурная организация хроматина

компенсация дозы генов, как за счет активации транскрипции,

так и за счет гетерохроматинизации

импринтинг

организация хроматина гамет

дифференцировка половых клеток

ответ на межклеточные взаимодействия

формирование позиционной информации

регулирование индивидуального развития

формирование осей тела

сегментация

дифференцировка органов и тканей

развитие нервной системы


J.S. Mattick.The Journal of Experimental Biology, 2007

У человека и мыши доля высококонсервативных последовательностей

генома составляет 5%.

R.H. Waterston et al. Nature, 2002

Длинная некодирующая РНК Xist млекопитающих имеет непротяженные

высококонсервативные участки.

K.C.Pang et al. Nrendt in Genetics, 2006

В среднем степень сходства в длинных некодирующих РНК составляет

4,1-5,5 %, что практически соответствует таковому в мРНК – 5,2%.

J. Ponjavic et al. Genome Research, 2007

В геномах млекопитающих наиболее консервативные участки кодируют

микро РНК, регулирующие тканевую дифференцировку и процессы

развития. 

K.C.Pang et al. Nrendt in Genetics, 2006

Наименее консервативные участки генома кодируют быстро

эволюционирующие видоспецифичные микро РНК, к которым относятся, 

например, специфичные для мозга человека транскрипты.

P.P. Amaral, J.S.Mattick. Mammalian Genome, 2008


L.M.M.Soares, J. Valcárcel. The EMBO Journal, 2006

Saccharomyces cerevisiae

Размер генома 12.1 млн.п.о. 

Число генов 5600

Schizosaccharomyces pombe

Размер генома 14 млн.п.о. 



Число генов 4800

Document Outline

  • Молекулярные механизмы прогрессивной эволюции многоклеточных организмов:





©stom.tilimen.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет