Эволюционная связь теломер дрозофилы и "теломеразных" теломер
Принцип организации теломер - короткие повторы ДНК, синтезируемые специальным ферментом теломеразой, - удивительно схож у сильно различающихся организмов: животных, растений и одноклеточных эукариот. Существует гипотеза, согласно которой теломеры Drosophila демонстрируют четкую связь между теломерами и мобильными элементами. Эта концепция предполагает два варианта эволюционной связи: от мобильных элементов к теломерным последовательностям и наоборот [ Pardue ea 1999 ]. Гипотеза эволюционного родства между ретротранспозонами и теломерами основана на высокой степени гомологии между обратной транскриптазой ретротранспозонов типа LINE и каталитической субъединицей теломеразы. Привлекала ли Drosophila существующие мобильные элементы, чтобы заменить теломеразу; происходят ли НеТ-А и TART от теломеразы или эти элементы относятся к более древнему механизму, используемому самыми ранними эукариотами? Если предположить, что LINE-ретротранспозоны дрозофилы произошли из теломеразы, то возникшие в результате эволюции элементы НеТ-А и TART должны играть важную роль в организации теломер дрозофилы. Однако, приведенные выше результаты предполагают, что почти любой повтор может выполнять функцию теломеры. Так, Л. Мельникова показала, что несколько копий транспозонов МДГ4 на конце терминальной делеции могут выполнять функцию теломеры (неопубликованные данные). Поэтому трудно предположить, что сложноорганизованная функциональная система теломера- теломераза эволюционировала в маловажные для дрозофилы ретротранспозоны типа LINE. Исследования [ Pardue ea 1999 ] показали, что элементы TART и НеТ-А принадлежат к различным подгруппам LINE-ретротранспозонов. TART имеет два идентичных повтора: один - на 5'-конце и второй - на небольшом расстоянии от З'-конца. Как известно, небольшая подгруппа ДКП- несодержащих ретротранспозонов имеет такую же структуру. Поскольку последовательность между З'-повтором и концом элемента не обнаружена в 5'-повторе, члены этой подгруппы были описаны как элементы с "неравными терминальными повторами". TART также отличается от НеТ-А тем, что продуцирует многочисленные антисмысловые транскрипты - особенность, которая характерна дл элементов с неравными терминальными повторами. Таким образом, сравнительный анализ структуры данных ретротранспозонов показывает, что они имеют различное происхождение. Это также противоречит их общему происхождению из теломеразы. Способ удлинения теломер посредством конверсии/рекомбинации представляется нам более древним, чем теломераза-зависимый контроль длины теломер. В первом случае используются системы репликации и рекомбинации, свойственные всем организмам, во втором - специализированная система с обратной связью, которая, скорее всего, возникла уже после появления линейных хромосом с теломерами. Можно представить такую гипотетическую эволюционную цепочку событий: возникновение мобильных элементов, способных перемещаться на конец ДНК; стабйлизация линейной ДНК (хромосомы), образованной в результате разрыва кольцевой молекулы посредством этих транспозонов; удлинение репликативно-рекомбиционным способом и образование первичных теломероподобных структур. Можно предположить, что структуры теломер виде длинных повторов у Chironomus и A. gambiae явлются более древними первичными теломерами, длина которых поддерживалась с помощью ДНК-репликации. Возможно, что субтеломерные повторы, которые найдены у всех организмов, представляют собой "бывшие" теломеры. Теломеры дрозофилы с этой точки зрения являются переходными. Возможно, реальные теломеры дзофилы представляют собой субтеломерные повторы. Мобильные элементы типа LINE, НеТ-А и TART на первом этапе являлись паразитической ДНК, которая размножалась за счет присоединения к теломерам. В дальнейшем, эти ретротранспозоны приобрели новую функцию - они стали регулировать увеличение субтеломерных фрагзнтов, которые связывают большое количество хроматиновых белков. Бесконтрольное увеличенe субтеломерных фрагментов может нарушить белковый баланс и привести к отклонениям в регляции экспрессии. В настоящее время предполгается, что теломерная ДНК связывает хроматиновые белки и факторы репарации, которые могут быть использованы в случае стрессов, как это показано у дрожжей. Поэтому сильное увеличение теломер дрожжей негативно сказывается на выживаемости, так как необходимые для жизнеобеспечения белки оказываются преимущество связанными с теломерной ДНК. Возможно, мимальный размер теломер, необходимый для функционирования различных организмов, опреляется тем, что теломеры выполняют функцию депонирования белков хроматина, системы репарации и т.д.
Субтеломерные повторы дрозофилы связывают хроматиновые белки, которые репрессируют транскрипцию трансгенов. Субтеломерная репрессия у дрозофилы зависит от специального класса белков, который пока почти не изучен. Ретранспозоны, образуя теломеры, защищают субтеломерные районы от деградации и сильной модификации, тем самым выполняя позитивную роль. Длина теломер, состоящих из ретротранспозонов, не влияет на экспрессию генов и стабильность хромосом, что было продемонстрироно на примере дрозофил линии Giamo, имеющих в десятки раз более длинные теломеры. В дальнейшем эволюция могла идти по пути уменьшения размера транскрипта ретротранспона, который используется как матрица для синза ДНК-последовательностей обратной транскриптазой. Уже сейчас теломеры дрозофилы имеют большое количество дилетировнных копий транспозонов, некоторые из которых имеют размер 20-40 п.н. Также можно предположить, что обратная транскриптаза и РНК-матрица стали кодироваться независимо. Это уже наблюдается, например, у элементов НеТ- А, которые, в отличие от элементов TART, не имеют своей обратной транскриптазы, но при этом перемещаются с большей частотой.
На следующем этапе можно легко представить возникновение уже контролируемой новой системы регуляции теломер с помощью теломеразы. Возникновение белкового комплекса, репресирующего репликативный способ удлинения,также можно связать с постепенным укорочением теломерных повторов. Чем короче повторы, тем их больше и тем легче они находят гомологию и образуют гетеродуплекс, инициируя репликативное удлинение. Короткие повторяющиеся последовательности имеют сайты связывания для нескольких белков. При неконтролируемом размножении этих последовательностей белки, связываясь с ними, будут изыматься из других клеточных процессов, что может привести к серьезным нарушениям. В результате естественного отбора преимущество будут получать те организмы, у которых эти белки каким-либо образом мешают репликации на конце хромосомы. Таким образом, репликативно размножающиеся последовательности сами становятся селективной средой для адаптивного отбора среди связывающихся с ними белков по их способности ограничивать репликативное удлинение теломер.
Смотрите также:
