Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Идентификация и картирование LTR HERV-K на 21 хромосоме человека

ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Курдюков, Сергей Георгиевич

РЕТРОЭЛЕМЕНТЫ В ГЕНОМАХ ПРИМАТОВ: ОСОБЕННОСТИ САЙТОВ ИНТЕГРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ У РАЗНЫХ ВИДОВ. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ,).

Введение.

1. Номенклатура ретроэлементов. .?

2. Особенности сайтов интеграции ретроэлементов.

3. Распространение ретроэлементов в геномах приматов, зо

4. Примеры функциональной значимости ретроэлементов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Материалы.

Среды и растворы.

Методы.

1. ВЫДЕЛЕНИЕ ДНК РЕКОМБИНАНТНЫХ КОСМИД.

2. РЕСТРИКЦИЯ КОСМИДНОЙ ДНК.

3.ЭЛЕКТРОФОРЕЗ.

4. ГИБРИДИЗАЦИЯ ПО САУЗЕРНУ.

5. ОЧИСТКА ОЛИГОНУКЛЕОТИДНЫХ ПРАЙМЕРОВ.

6. ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ.

7. СЕЛЕКТИВНАЯ ПЦР-АМПЛИФИКАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ПЦР-СУПРЕССИИ.

8. ВЫДЕЛЕНИЕ ФРАГМЕНТОВ ДНК ИЗ ЛЕГКОПЛАВКОЙ АГАРОЗЫ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Идентификация и картирование LTR HERV-K на 21 хромосоме человека"

Попек II КАРТИРОВАН!!!1' ГТК НЕКУ-К НА 21 ХРОМОС ОМЕ ЧЕЛОВЕКА.65

Определение первичной структуры ЬТК п прилегающих к ним областей генома.72

Структурный анализ ЬТИ НЕКУ-К, локализованных на 21 хромос оме человека.75

Филогенетический анализ локус он, содержащих ЬТИ НЕКУ-К.79

Ана лиз участ ков интеграции ЬТИ. Локализация изучаемых ЬТИ относительно известных генов.90

ВЫВОДЫ:.96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.97

Ретроэлементы в геномах приматов: особенности сайтов интеграции и распространения у разных видов.

Обзор литературы.) Введение.

Ретроэлементы составляют значительную часть генома млекопитающих, но не только этот факт заставляет нас выделять их в отдельную группу. Элементы, кодирующие обратную транскриптазу, также как и элементы, не кодирующие ее, но использующие RT активность для размножения стоят особняком среди прочих элементов генома млекопитающих. Существуют различные точки зрения на появление RT активности, образование вирусов и эндогенных ретровирусов. И если LINE элементы принято считать геномным реликтом, оставшимся в геноме со времени преобразования РНК-мира в мир ДНК-содержащих геномов, то эндогенные ретровирусы являются производными экзогенных форм вирусов и, следовательно, могут рассматриваться как интрагеномные паразиты, утратившие со временем возможность существовать вне генома хозяина. Здесь мы касаемся важного вопроса, касающегося различий между сателлитными элементами и паразитическими организмами, производными которых являются эндогенные ретровирусы. Во первых, хотелось бы отметить важную особенность, отличающую эндогенные ретровирусы от экзогенных вирусов, особенность очевидную из самой классификации: эндогенные ретровирусы не способны существовать и размножаться иначе, как только вместе с размножением хозяина. Таким образом, успешное размножение эндогенного паразита целиком зависит от успешности размножения его хозяина (единые «ворота размножения»), что чрезвычайно важно, поскольку единые «ворота размножения» являются предпосылкой для коадаптации генов хозяина и- эндогенных ретровирусов. Хотя в определенных условиях ретроэлементы способны к безудержному размножению, мы можем рассматривать этот факт аналогично развитию раковых клеток, т.е., как тупиковый, в эволюционном смысле, путь. Данные утверждения базируются не только на логических построениях, но на фактах изложенных в книге Ричарда Докинза «Эгоистичный ген» (Докинз Р., 1993). Главный вывод, который мы можем сделать из вышеизложенного, заключается в том, что ретроэлементы, повышающие приспосабливаемость своих хозяев, одновременно повышают свои шансы на выживание. Многочисленные примеры, приведенные ниже, показывают, что ретроэлементы действительно часто используются клеточными генами как промоторы, энхансеры, части экзонов, сайты полиаденилирования и сплайсинга. На настоящий момент нет достаточных знаний об участии ретроэлементов в более тонкой регуляции генома: организации хромосом, эпигенезе и др., но несомненно, что со временем такие данные появятся.

Сателлитные ретроэлементы генома, (Alu, MIR), конкурирующие за активность RT с носителями обратной транскриптазы, могут быть рассмотрены как побочные продукты функционирования генома, как в прочем и сами LINE элементы. В данном случае уместно провести аналогию с вироидами (короткими кольцевыми РНК-содержащими внутриклеточными паразитами растений), которые, вероятно, конкурируют за активность РНК-полимеразы в клетках и не кодируют никаких белков.

Вышеизложенные гипотезы отражают противоречия, существующие в настоящее время, относительно необходимости либо «эгоистичности» ретроэлементов. Ниже я попытаюсь показать особенности распределения г, ретроэлементов и их вовлеченность в функционирование генома (показанную и предполагаемую), при этом ограничусь ретроэлементами, присутствующими в геномах приматов.

Заключение Диссертация по теме "Молекулярная биология", Курдюков, Сергей Георгиевич

ВЫВОДЫ:

1. Проведено полное картирование ЬТИ. НЕЯУ-К на 21 хромосоме человека. Обнаружена повышенная концентрация ЬТЯ в ген-богатых областях. Показано, что 8 из 16-ти 1Л Г1 располагаются вблизи известных или кандидатных генов или в их интронах. Такое расположение может вызывать участие ЬТЯ в регуляции соответствующих генов.

2. Определена нуклеотидная последовательность изучаемых ЬТЯ. Проведен сравнительный структурный анализ полученных последовательностей. Изучаемые ЬТЯ отнесены к 8 систематическим группам. Показана относительная обогащенность хромосомы последовательностями эволюционно «молодых» групп И-Ь и Н-Т (7 из 16).

3. Проведен филогенетический анализ 11 локусов, содержащих ЬТК и показано, что 9 ЬТЯ присутствуют только в геномах надсемейства гоминоидов, 7 ЬТЯ обнаружены только в геномах высших человекообразных обезьян (человека, шимпанзе и гориллы).

4. Обнаружены структурные особенности, отличающие некоторые из изучаемых ЬТЯ последовательностей от известных НЕЯУ-К элементов. Предложена гипотеза, объясняющая предположительную хромосомную специфичность ретропозиции.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Курдюков, Сергей Георгиевич, Москва

1. Артамонова И. И., Городенцева Т. И., Лебедев Ю. Б., Свердлов Е. Д., Длинные концевые повторы человеческих эндогенных ретровирусов на хромосомах 21 и 22 имеют неслучайное сходство в пределах каждой из хромосом. ДАН. 2000. (в печати)

2. Докинз, Р. Эгоистичный ген.(пер с англ.) -ML: Мир, 1993.

3. Akopov SB, Nikolaev LG, Khil PP, Lebedev YB, Sverdlov ED. Long terminal repeats of human endogenous retrovirus К family (HERV-K) specifically bind host cell nuclear proteins. FEBS Lett. 1998 Jan 16;421(3):229-33.

4. Anderssen S, Sjottem E, Svineng G, Johansen T. Comparative analyses of LTRs of the ERV-H family of primate-specific retrovirus-like elements isolated from marmoset, African green monkey, and man. Virology. 1997 Jul 21 ;234( 1): 14-30.

5. Baban S, Freeman JD, Mager DL. Transcripts from a novel human KRAB zinc finger gene contain spliced Alu and endogenous retroviral segments. Genomics 1996 May 1;33(3):463-72

6. Barbulescu M, Turner G, Seaman MI, Deinard AS, Kidd KK, Lenz J. Many human endogenous retrovirus К (HERV-K) proviruses are unique to humans. Curr Biol. 1999 Aug 26;9(16):861-8.

7. Batzer, M. A., Deininger, P. L. 1991, Genomics, v. 9, 481-487.

8. Batzer, M. A., Rubin, С. M., Hellmann-Blumberg, U., Alegria-Hartman, M., Leeflang, E. P., Stern, J D„ Bazan, H. A., Shaikh, T H„ Deininger, P. L , Schmid, C. W. 1995, J. Mol. Biol., v. 247, 418-427.

9. Batzer, M. A., Stoneking, M., Alegria-Hartman, M., Bazan, H„ Kass, D. H„ Shaikh, Т. H„ Novick, G. E., loannau, P. A., Scheer, W. D., Herrera, R. J., Deininger, P. L. 1994, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, v. 91, 12288-12292.

10. Benit L, Lallemand JB. Caselia JF, Philippe H, Heidmann T. ERV-L elements: a family of endogenous retroviais-like elements active throughout the evolution of mammals. J Virol 1999 Apr;73(4):3301-8.

11. Benit L., et al., 1999. J Virol., Apr. 3301-3308.

12. Berkhout B, Jebbink M, Zsiros J. Identification of an active reverse transcriptase enzyme encoded by a human endogenous HERV-K retrovirus. J Virol. 1999 Mar;73(3):2365-75.

13. Bode J. Architecture and transcriptional properties of retroviral integration sites. International workshop "Endogenous retroviruses and evolution of genome", Moscow, 2000.

14. Bridger J. M, Bickmore W. A., Trends in genet. 1998. V. 14. P. 403 409.

15. Britten, R.J, 1994. Ev idence that most human Alu sequences were inserted in a process that ceased about 30 million years ago. Proc Natl Acad Sci USA 91, 6148-6150

16. Brosius J. RNAs from all categories generate retrosequences that may be exapted as novel genes or regulatory elements. Gene. 1999 Sep 30;238( 1): 115-34. Review.

17. Caras IW, Davitz MA. Rhee L, Weddell G, Martin DW Jr, Nussenzweig V. Cloning of decay-accelerating factor suggests novel use of splicing to generate two proteins. 1987. Nature, 325(6104):545-9.

18. Chen H, Rossier C. Nakamura Y, Lynn A, Chakravarti A, Antonarakis SE. Cloning of a novel homeobox-containing gene, PKNOX1, and mapping to human chromosome 21q22 3

19. Genomics. 1997 Apr 15;41(2): 193-200.

20. Chesnokov I, Schmid CW. Flanking sequences of an Alu source stimulate transcription in vitro by interacting with sequence-specific transcription factors J Mol Evol. 1996 Jan;42(l):30-6.

21. Di Cristofano A, Strazullo M, Longo L, La Mantia G. Characterization and genomic mapping of the ZNF80 locus: expression of this zinc-finger gene is driven by a solitary

22. R of ERV9 endogenous retroviral family. Nucleic Acids Res. 1995 Aug 1 1,23( 15):2823-30

23. Domansky A., Kopantsev E., Snezhkov E., Lebedev Y„ Leib-Mosch C., Sverdlov E., Solitary HERV-K LTRs possess bi-directional promoter activity and contain a negative regulatory element in the U5 region. FEBS Lett. 2000 Apr 28;472(2-3): 191-5.

24. Emerman M, Nature Genet. 2000. V. 24. P. 8 9.

25. Gardiner K, Graw S, Ichikawa H, Ohki M, Joetham A, Gervy P, Chumakov I, Patterson D. YAC analysis and minimal tiling path construction for chromosome 21 q. Somat Cell Mol Genet. 1995 Nov;21(6):399-414.

26. Goodchild NL, Freeman JD, Mager DL. Spliced HERV-H endogenous retroviral sequences in human genomic DNA: evidence for amplification via retrotransposition. Virology. 1995 Jan 10;206(l): 164-73.

27. Goodchild NL, Wilkinson DA, Mager DL. Recent evolutionary expansion of a subfamily of RTVL-H human endogenous retrovirus-like elements. 1993. Virology. Oct,196(2):778-88.

28. Hamdi HK, Nishio H, Tavis J, Zielinski R, Dugaiczyk A. Alu-mediated phylogenetic novelties in gene regulation and development. 2000. J Mol Biol. 16;299(4):931-9.

29. Hohenadl C, Leib-Mosch C, Hehlmann R, Erfle V. Biological significance of human endogenous retroviral sequences. J. Acquir. Immune Defic. Syndr. Hum. Retrovirol. 1996; 13 Suppl 1: 268-73. Review.

30. Izaurralde E„ Kann M„ Pante N. et al., TheEMBO J. 1999. V. 18. P. 289 296.

31. Jurka J, Klonowski P, Trifonov EN. Mammalian retroposons integrate at kinkable DNA sites. J Biomol Struct Dyn. 1998 Feb; 15(4):717-21.

32. Jurka J. Repeats in genomic DNA: mining and meaning. Curr Opin Struct Biol. 1998b Jun;8(3):333-7. Review.

33. Jurka J. Sequence patterns indicate an enzymatic involvement in integration of mammalian retroposons. Proc Natl Acad Sei USA. 1997 Mar 4;94(5): 1872-7.

34. Jurka, J., 1990, Nucleic Acids Res., v. 18, 137-141.

35. Jurka, J., Milosavljevic, A. J. Mol. Evol., 1991, v. 32, 105-121.

36. Kapitonov V, Jurka J. The age of Alu subfamilies. J Mol Evol. 1996 Jan;42(l):59-65.

37. Kapitonov VV, Jurka J. The long terminal repeat of an endogenous retroviais induces alternative splicing and encodes an additional carboxy-terminal sequence in the human leptin receptor. J Mol Evol. 1999 Feb;48(2):248-51.

38. Kaplan D.J., Jurka J., Solus J.F , Duncan C.H.; Medium reiteration frequency repetitive sequences in the human genome; Nucleic Acids Res., 1991, 17:4731-4738.

39. Kazazian HH Jr, Moran JV. The impact of LI retrotransposons on the human genome. Nat Genet., 1998. 19(1): 19-24.

40. Kidwell MG, Lisch D. Transposable elements as sources of variation in animals and plants. Proc Natl Acad Sei USA. 1997 Jul 22;94( 15): 7704-11.

41. Kim HS, Takenaka O, Crow TJ. Isolation and phylogeny of endogenous retrovirus sequences belonging to the HERV-W family in primates. J Gen Virol. 1999 0ct;80 ( Pt 10):2613-9.

42. Kim HS, Wadekar RV, Takenaka O, Hyun BH, Crow TJ. Phylogenetic analysis of a retroposon family in african great apes. J Mol Evol. 1999 Nov;49(5):699-702.

43. Kjellman C, Sjogren HO, Salford LG, Widegren B. HERV-F (XA34) is a full-length human endogenous retrovirus expressed in placental and fetal tissues. Gene 1999 Oct 18;239(1):99-107

44. Kjellman C, Sjogren HO, Widegren B. HERV-F, a new group of human endogenous retrovirus sequences. J Gen Virol. 1999 Sep;80 ( Pt 9):2383-92.

45. Kjellman C, Sjogren HO, Widegren B. The Y chromosome: a graveyard for endogenous retroviruses. Gene. 1995 Aug 19;161 (2). 163-70.

46. Korenberg J. R. and Rykowski M. C. Human Genome Organization: Alu, Lines, and the Molecular Structure ofMetaphase Chromosome Bands. Cell, 1988, Vol. 53, 391-400.

47. Kowalski PE, Mager DL. A human endogenous retrovirus suppresses translation of an associated fusion transcript, PLA2L. J Virol. 1998 Jul;72(7):6164-8.

48. Kulski JK, Gaudieri S, Inoko H, Dawkins RL. Comparison between two human endogenous retrovirus (HERV)-rich regions within the major histocompatibility complex. J Mol Evol. 1999 Jun;48(6):675-83.

49. Lebedev Y., Belonovitch O., Zybrova N. Khil P., Kurdyukov S., Vinogradova T., Hunsmann G, Sverdlov E„ Gene. 2000, 247, 265-277.

50. Leib-Mosch C, Seifarth W. Evolution and biological significance of human retroelements. Virus Genes. 1995;11(2-3):133-45. Review.

51. Lower R, Lower J„ Kurth R., PNAS. 1996. V 93. № 11. P. 5177-5184.

52. Lindeskog M. Transcription, splicing and genetic structure within the HERV-H family.

53. Muller S, Stanyon R, Finelli P, Archidiácono N, Wienberg J. Molecular cytogenetic dissection of human chromosomes 3 and 21 evolution. PNAS. 2000, 97(1):206-11.

54. Mager DL, Freeman JD. HERV-H endogenous retroviruses: presence in the New World branch but amplification in the Old World primate lineage. Virology. 1995 Nov 10;2I3(2):395-404.

55. Makalowski, W„ Mitchell, G. A., Labuda, D. 1994, Trends Genet., v. 10, 188-193.

56. Martin, S. L., Voliva. C. F„ Burton. F. H., Edgel, M. H„ C. A. Hutchison III, 1984, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. v. 81, 2308-2312.

57. Matassi, G, Labuda. D„ Bernardi, G„ 1998, FEBS Lett., v. 439(1-2), 63-65.

58. Mayer J, Sauter M, Ragz A, Scherer D, Mueller-Lantzsch N, Meese E. An almost-intact human endogenous retrovirus K on human chromosome 7. Nat Genet. 1999 Mar; 21:257-8.

59. Mi S, Lee X, Li X, Veldman GM, Finnerty H, Racie L, LaVallie E, Tang XY, Edouard P, Howes S, Keith JC Jr, McCoy JM. Syncytin is a captive retroviral envelope protein involved in human placentalmorphogenesis. 2000. Nature. 403(6771):785-9.

60. Munkel C, Eils R, Dietzel S, Zink D, Mehring C, Wedemann G, Cremer T, Langowski J. J MolBiol. 1999. V. 285. P. 1053-1065.

61. Nakielny S„ Dreyfuss G„ Cell. 1999. V. 99. P. 677 690.

62. Osoegawa K, Susukida R, Okano S, Kudoh J, Minoshima S, Shimizu N, de Jong PJ, Groet J, Ives J, Lehrach H. Nizetic D, Soeda E. An integrated map with cosmid/PAC contigs of a 4-Mb Down syndrome critical region. Genomics. 1996 Mar 15;32(3):375-87.

63. Patil N, Peterson A. Rothman A. de Jong PJ, Myers RM, Cox DR. A high resolution physical map of 2.5 Mbp of the Down syndrome region on chromosome 21. Hum Mol Genet. 1994:3(10): 1811-7.

64. Paulson, K. E„ Deka. N„ Schid, C. W„ Misra, R„ Schinder, C. W„ Rush, M. G„ Kadyk, L. and L. Leinwand, 1985, Nature, v. 316, 359-361.

65. Pryciak PM, Varmus HE. Nucleosomes, DNA-binding proteins, and DNA sequence modulate retroviral integration target site selection. Cell. 1992 May 29;69(5):769-80.

66. Rohdewohld H, Weiher H, Reik W, Jaenisch R, Breindl M. Retrovirus integration and chromatin structure: Moloney murine leukemia proviral integration sites map near DNase I-hypersensitive sites J Virol. 1987 Feb;61(2).336-43.

67. Rynditch AV, Zoubak S, Tsyba L, Tryapitsina-Guley N, Bernardi G. The regional integration of retroviral sequences into the mosaic genomes of mammals. Gene. 1998 Nov 5;222(1): 1-16. Review.

68. Scherdin U, Rhodes K, Breindl M. Transcriptionally active genome regions are preferred targets for retrovirus integration. J Virol. 1990 Feb;64(2):907-12.

69. Sherry, S. T., Harpending, H. C., Batzer, M. A., Stoneking, M. 1997, Genetics, v. 147, 1977-1982.-76. Shih CC, Stoye JP, Coffin JM. Highly preferred targets for retrovirus integration., Cell. 1988 May 20;53(4):53 1-7.

70. Shimamura M, Nikaido M, Ohshima K, Okada N. 1998. A SINE that acquired a role in signal transduction during evolution. Mol Biol Evol., 15(7):923-5.

71. Sibley, C.G., Ahlquist, J.E., 1987. DNA hybridization evidence of hominoid phylogeny, results from an expanded data set. J Mol Evol 26, 99-121.

72. Smit A. F. A., Toth, G„ Riggs, A. D„ Jurka, J., 1995, J. Mol. Biol., v. 246, 401-417.

73. Smit A.F.A., Riggs A.D.; MIRs are classic tRNA-derived SINEs that amplified before the mammalian radiation; Nucleic Acids Res. 1995, 23: 98-102.

74. Smit A.F.A.; The origin of interspersed repeats in the human genome; Cur. Opinion in Genet. & Development, 1996, v. 6: 743-748.

75. Smit, A. F„ A. and D. Riggs. Nucleic Acids Res., 1995, v. 23(1), 98-102.

76. Smit, A.F.A , 1996, Cur. Opinion in Genet. & Development, v. 6, 743-748.

77. Soeda E, Hou DX, Osoegawa K, Atsuchi Y, Yamagata T, Shimokawa T, Kishida H, Soeda E, Okano S, Chumakov I, et al. Cosmid assembly and anchoring to human chromosome 21.

78. Genomics. 1995 Jan l;25(l):73-84.

79. Sugino H, Oshimura M, Mastubara K. Distribution of human endogenous retroviral RTVL-H2 LTR sequences among human chromosomes. Gene. 1997; 198(1-2): 83-7.

80. Sverdlov E. Perpetually mobile footprints of ancient infections in human genome. FEBS Lett. 1998 May 22;428(l-2): 1-6. Review.

81. Sverdlov E. Retroviruses and primate evolution. Bioessays. 2000 Feb;22(2): 161-71. Review

82. Weng G , Bhalla U S„ Iyengar R. Science. 1999. V 284. P. 92 96.

83. Yang Z, Boffelli D. Boonmark N, Schwartz K, Lawn R. Apolipoprotein(a) gene enhancer resides within a LINE element. J Biol Chem. 1998 Jan 9;273(2):891-7.

84. Yaspo ML, Gellen L, Mott R, Korn B, Nizetic D, Poustka AM, Lehrach H. Model for a transcript map of human chromosome 21: isolation of new coding sequences from exon and enriched cDNA libraries. Hum Mol Genet. 1995, 4(8): 1291-304.

85. Zhu Z.B, Jian B, Volanakis J.E., Ancestry of SINE-R.C2 a human-specific retroposon. Hum Genet 1994 May; 93(5):545-51.

86. Zietkiewicz E, Richer C, Makalowski W, Jurka J, Labuda D. A young Alu subfamily amplified independently in human and African great apes lineages. Nucleic Acids Res, 1994 Dec 25;22(25):5608-12.