Транспозаза Tn5
Дата:
05.06.2012
Научная иллюстрация - транспозаза Tn5
  • Поделиться

Некоторые фрагменты ДНК в геномах могут менять свое местоположение. Они называются мобильными генетическиеми элементами (МГЭ) и встречаются у всех живых систем — от бактерий до высших эукариот, включая человека. Перемещение кусков генетического материала играет важную роль в эволюции, являясь одним из источников генетической изменчивости. При этом перемещения и изменчивость часто нужны для нормальной жизнедеятельности, но могут и причинять вред организму.

Большинство мобильных элементов несут один или несколько генов. Эти гены чаще всего кодируют белки, нужные для перемещения. Транспозаза, показанная на иллюстрации, осуществляет перемещение бактериального транспозона Tn5.

Транспозон Tn5 — это один из первых обнаруженных транспозонов [1]. Он был открыт при изучении устойчивости кишечной палочки (Escherichia coli) к антибиотику канамицину.

Устойчивость к антибиотикам

Антибиотики — это природные или синтетические соединения, которые нарушают нормальную жизнедеятельность бактерий и препятствуют их размножению. Различные антибиотики могут нарушать синтез белка или клеточной стенки, блокировать важные клеточные ферменты. Гены устойчивости к антибиотикам у бактерий тоже действуют по-разному. Канамицин нарушает работу бактериальных рибосом, блокируя синтез белка. У некоторых бактерий есть ген, защищающий их от действия канамицина — его продукт инактивирует антибиотик. Устойчивость бактерий к антибиотикам, которая в результате эволюции приобретается очень быстро, оказывается большой проблемой для разработчиков лекарств.

История обнаружения транспозона Tn5

Tn5 был обнаружен исследователями из Женевского университета Дугласом Бергом, Джулианом Дэвисом, Бернаром Алле и Жаном-Давидом Роше [2]. Ученым удалось показать, что устойчивость к антибиотику, может перемещаться между плазмидой (небольшой внехромосомной ДНК у бактерий), геномом бактериофага λ, который заражает клетки кишечной палочки, и геномом самой бактерии.

Плазмид в одной бактерии может быть много, и они часто несут именно гены устойчивости к антибиотикам. Бактерии способны обмениваться плазмидами. Проникновение плазмиды в бактериальную клетку называется трансформацией. Некоторые бактериофаги (вирусы бактерий) тоже могут выступать в качестве посредников, переносящих генетический материал между особями. Такой способ переноса называется трансдукцией. В раде случаев геном бактериофага может встраиваться в геном бактерии, в течение нескольких поколений не убивая хозяйскую клетку. В открытии Берга и соавторов интерес вызвало то, что генетическая информация может перемещаться между плазмидами и фагами.

Носителем фактора устойчивости оказался транспозон Tn5, который в последствии стал одним из главных модельных объектов при исследовании механизмов транспозиции [3].

Мы обнаружили Tn5 в конце 1974 года во время работы в Женеве. Мне нужен был штамм фага лямбда, несущий ген устойчивости к антибиотику. Штамм я надеялся получить, используя методику Шимады и Вайсберга [4] с интеграцией фага по вторичным сайтам и последующей индукцией профага, при условии использования бактерий, несущих плазмиды с устойчивостью. Тогда Джулиан Дэвис снабдил меня плазмидами, очень интересными с точки зрения энзимологии устойчивости. Жан-Давид Роше и Бернар Алле при помощи электронной микроскопии и рестрикционного анализа показали, что фаг с устойчивостью к канамицину содержит новые сегменты длиной ~5.6 kb с концевыми инвертированными повторами, длиной 1.5 kb. Сегменты были вставлены в разные места ДНК фага лямбда. Мы быстро и с большим воодушевлением поняли, что эти «канамициновый» сегменты могут бы быть похожи на те загадочные подвижные контролирующие элементы, которые открыла Барбара Макклинток 25 годами ранее. Но на этот раз уже куда более доступные для изучения в рамках хорошо разработанных методов молекулярной генетики микробов. Также интригующими были идеи о мобильных ДНК в качестве агентов распространяющих устойчивость к лекарствам и ускоряющих бактериальную эволюцию. К тому же, с обнаружением бактериальных мутаций, индуцированных Tn5 (после транспозиций из фага лямбда), пришли мысли об освоении этого объекта, как инструмента для изучения бактериальной генетики.

Дуглас Берг (Douglas Berg), профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, член команды исследователей, обнаруживших Tn5

Детальный анализ структуры этого транспозона показал, что Tn5 включает три гена устойчивости к антибиотикам. Бактерия, имеющая такой транспозон, может расти на средах, содержащих не только канамицин, но также блеомицин и стрептомицин [5 и 6]. Гены устойчивости к антибиотикам при этом окружены двумя похожими последовательностями, которые получили название IS50L и IS50R. Вторая из этих последовательностей кодирует фермент транспозазу, катализирующую процесс транспозиции, тогда как первая кодирует белок, нефункциональный из-за ряда мутаций [7 и 8].

Транспозаза узнает концы транспозона Tn5, вносит разрывы и позволяет получившемуся комплексу встраиваться в геномную ДНК. На иллюстрации изображена модель комплекса, содержащего две субъединицы транспозазы и свободные концы ДНК транспозона Tn5 [9]. Структура транспозазы Tn5 была описана в 2000 году коллективом ученых из Университета штата Висконсин [9].

Мой интерес в изучении транспозазы Tn5 стал результатом длительного увлечения эволюцией геномов и, в частности, хромосомных перестройках. Также это связано с моим удачным сотрудничеством с Джимом Шапиро, у которого я был постдоком, Джулианом Дэвисом и Дугласом Бергом. Работа с последним и привела к тому, что Tn5 стал модельной системой в нашей лаборатории. Вслед за многими годами изучения транспозиций Tn5 генетическими и биохимическими методами, необходимым и логичным шагом стало понимание структурных особенностей макромолекулы, катализирующей транспозицию. Это была транспозаза, причем, специфически связанная с концевыми последовательностями транспозона.

Уильям Резникофф, (William Reznikoff) заслуженный профессор института штата Висконсин, один из авторов работы по описанию сруктуры транспозазы

Транспозазы эволюционно близки с ретровирусными интегразами — ферментами, встраивающими ДНК ретровирусов (таких, как, например, ВИЧ) в геном хозяина [10]. Они содержат домены со сходной структурой и относятся к одному семейству белков — полинуклеотидил трансфераз. «В дополнение к прояснению механизмов транспозиции Tn5, определение структуры транспозазы представляет интерес с точки зрения понимания работы интегразы ВИЧ и других процессов, связанных с перестройками в ДНК», — говорит Резникофф. Многие важнейшие функции организмов связаны с внесением разрывов в ДНК и перемещением отдельных последовательностей генетического материала. Например, это необходимо при осуществлении гомологичной рекомбинации (кроссинговера), созревании генов иммуноглобулинов или поддержании длины хромосомных концов — теломер.

  • 3D-моделлер, визуализатор:
    Иван Константинов
  • Научный консультант, автор текста:
    Юрий Стефанов, к.б.н.

Мы выражаем благодарность Дугласу Бергу и Уильяму Резникофф за интересное общение и комментарии.

Based on our experience, we highly recommend Visual Science as a reliable, trustworthy partner with excellent scientific, artistic and organizational expertise
Alan Bernstein, OC, PhD, FRSC, Executive Director at Global HIV Vaccine Enterprise (US)