ТРАНСПОЗОНЫ • Med-of-Rita

Транспозоны (син. Tn-элементы) — генетические элементы, способные к миграции в пределах репликона или из одной единицы репликации в другую и к внедрению в различные участки ДНК. У прокариотов группа мигрирующих генетических элементов включает так наз. IS-элементы, собственно Транспозоны и нек-рые бактериофаги (см. Бактериофаг).

В середине 60-х гг. 20 в. при изучении мутационных повреждений у бактерий (см. Бактерии, генетика бактерий) были обнаружены ранее не известные типы таких повреждений, к-рые вызывались внедрением в регуляторные элементы оперонов (см. Оперон) посторонних нуклеотидных последовательностей значительной длины. Эти нуклеотидные цепи имели константу седиментации (см. Седиментация), характерную IS, и получили название IS-элементы. Размеры IS-элементов колеблются от 750 до 1500 пар азотистых оснований. Их концевые нуклеотидные последовательности длиной от нескольких пар до нескольких десятков пар азотистых оснований представляют собой идентичные сегменты ДНК с зеркальной относительно друг друга последовательностью азотистых оснований (так наз. инвертированные повторы), к-рые необходимы для транспозиции и рекомбинации этих элементов. В структуре IS-элементов (IS-, IS4-, IS10-, IS50-, IS903-элементов) обнаружены гены, кодирующие синтез белков, обеспечивающих только процесс транспозиции.

Рис. Схематическое изображение транспозона (Tn3), центральная часть к-рого содержит ген bla, контролирующий синтез фермента бета-лактамазы, и гены tnpA и tnpR, детерминирующие транспозицию; ген tnpA контролирует синтез белка транспозиции, а ген tnpR — синтез белка-репрессора, подавляющего проявление генов tnpA и tnpR и осуществляющего рекомбинационный обмен между двумя Tn3, происходящий в сайте специфической рекомбинации (указан стрелкой).

Собственно Транспозоны обнаружены в середине 70-х гг. 20 в. в экспериментах с бактериальными плазмидами (см.), содержащими гены лекарственной устойчивости (см. Лекарственная устойчивость микроорганизмов). Они имеют более сложную структуру, чем IS-элементы, и состоят из трех структурных компонентов: центральной части и ограничивающих ее инвертированных или прямых повторов, к-рые часто представлены IS- или IS-подобными элементами. Собственно Т. обозначают символом «Tn» с номером, соответствующим данному Т.: Tn1, Tn5, Tn10 и т. д. Центральная часть Tn содержит ген (или гены), детерминирующий какой-либо признак, напр. устойчивость к лекарственным средствам, способность к образованию токсина, утилизации определенного углевода и др. В центральной части Tn, помимо указанных генов, могут находиться гены, необходимые для осуществления транспозиции. Так, в составе центральной части Tn3 обнаружены три гена (рис.). Один из них (bla) контролирует синтез фермента бета-лактамазы (КФ 3.5.2.6 и 3.5.2.8), обеспечивающей устойчивость бактерий к ампициллину, а два других (tnpA и tnpR) детерминируют транспозицию. Продуктом гена tnpA является белок, состоящий из 1015 аминокислотных остатков, необходимый для осуществления рекомбинации, стимулируемой Tn3. Продуктом гена tnpR является белок, пептидная цепь к-рого построена из 185 аминокислотных остатков; этот белок действует как репрессор, подавляя проявление генов tnpA и tnpR (см. Экспрессивность гена), кроме того, он осуществляет рекомбинационный обмен между двумя Tn3, происходящий в строго определенном участке (сайте), к-рый находится между генами tnpA и tnpR. Т. такого типа называют Tn3-подобными.

Существуют Транспозоны, организация к-рых отличается от структуры Tn3-подобных Т. Повторы, ограничивающие центральную часть таких Т., имеют длину, доходящую до нескольких сотен пар азотистых оснований, и часто являются самостоятельными IS-элементами. Такие Т. названы Tn9-подобными. Гены, детерминирующие транспозицию, находятся у Tn9-подобных Т. не в центральной части, а в составе ограничивающих ее повторов. Для нек-рых Т. (Tn5-, Tn10-подобных) доказана функциональная неравноценность повторов: полноценную генетическую информацию, необходимую для транспозиции, содержит только один из них.

Однако для осуществления транспозиции как Tn3-подобных, так и Tn9-подобных Т. необходимы интактные концевые последовательности обоих повторов, т. к. именно эти участки ДНК узнаются ферментами, осуществляющими рекомбинационные процессы — транспозицию, делецию (см.), инверсию (см.), связанные с Т. Поэтому концевые повторы всех 1S и Tn-элементов необходимы для транспозиции в качестве определенных структур; кроме того, концевые повторы Tn9-подобных Т. кодируют существенные для транспозиции функции.

Среди бактериофагов, геномы (см.) к-рых могут внедряться в различные участки ДНК клетки хозяина и обладают свойствами Т., наиболее изучен бактериофаг Mu. Транспозиция генома фага Mu является неотъемлемой составной частью процесса его репликации (см.). Как транспозиция и стимулируемые фагом Mu геномные перестройки, так и репликация его генома требуют участия фаговых генов А и В. Геном фага Mu, находясь в составе конъюгативных плазмид, способствует рекомбинационным взаимодействиям между этими плазмидами и хромосомой или другими плазмидами, что приводит к образованию рекомбинантных структур (коинтегратов) и мобилизации генетического материала при конъюгации у бактерий (см.). В отличие от IS-элементов и собственно Т. ДНК фага Mu не содержит в своем составе концевых повторов. Правый конец ДНК фага Mu (S-конец) представлен длинными (ок. 1500 пар азотистых оснований) неспаренными полинуклеотидными цепями, к-рые являются фрагментами ДНК хозяина, присоединившимися к фаговому геному в ходе транспозиции в процессе репликации. На левом конце ДНК фага Mu (С-конце) имеются нуклеотидные цепи, содержащие ок. 100 пар азотистых оснований того же происхождения. При каждом новом акте интеграции генома фага Mu неспаренные полинуклеотидные концевые последовательности утрачиваются.

В геномах плазмид, бактериофагов и в бактериальных хромосомах существуют участки предпочтительного внедрения Т. определенных типов. Различные Т., в свою очередь, отличаются по степени специфичности интеграции в ДНК-мишень. Точный молекулярный механизм взаимодействия ДНК транспозонов с ДНК-мишенью не известен. Установлено, что внедрение Т. происходит так, что сегмент ДНК-мишени, состоящий из нескольких нуклеотидных пар, в точке интеграции Т. удваивается и после завершения интеграции копии этого сегмента ограничивают с каждой стороны внедренный Т. В зависимости от вида Т. удвоению подвергается от 5 до 11 —12 пар азотистых оснований ДНК-мишени. При транспозиции ряда Т. наблюдают объединение генома, из к-рого происходит транспозиция (донорского генома), с геномом, в к-рый внедряется Т. (реципиентным геномом или мишенью). Это объединение называют коинтеграцией, оно может быть промежуточным этапом транспозиции или ее конечным этапом. Значение образования коинтегратов состоит в том, что в ходе процесса коинтеграции могут объединяться неродственные геномы, и, следовательно, микроорганизм может приобрести новые свойства в самых разнообразных сочетаниях.

Внедрение Т. в гены вызывает нарушение их структурной непрерывности и ведет к появлению мутаций. Эти мутации характеризуются стабильностью и полной утратой функции соответствующего гена (см.). Часто внедрение Т. вызывает также блокирование функции генов, расположенных дистальнее от промотора (см. Оперон), чем Т. Этот феномен, так наз. полярный эффект, связан с присутствием в Т. сайтов (участков) терминации транскрипции (см.). Нек-рые Т. проявляют полярный эффект независимо от ориентации внедрения, тогда как внедрения других Т. полярны лишь в одной из двух возможных ориентаций. В определенных случаях внедрение Т. приводит к активации генов, расположенных по ходу транскрипции от места внедрения. Этот эффект также зависит от ориентации внедрения и связан либо с существованием промотора в структуре Т., либо с созданием в ходе акта внедрения новой нуклеотидной последовательности, обладающей свойствами промотора. Промоторы, имеющиеся в составе Т., могут находиться в концевых последовательностях, образующих инвертированный повтор, или принадлежать структурным генам, локализованным в центральной части Т. Присутствие Т. в определенном сегменте ДНК придает ему новые свойства, главными из к-рых являются генетическая нестабильность и повышенная способность этого сегмента рекомбинировать с другим сегментом ДНК, содержащим гомологичный Т. Генетическая нестабильность, связанная с присутствием Т., выражается в повышенной частоте делеций и инверсий генетического материала, непосредственно примыкающего к Т. Делеции и инверсии этого рода не зависят от существования гомологии между рекомбинирующими участками и от работы систем общей рекомбинации. Концевые точки делеций и инверсий расположены так, что одна из них всегда строго совпадает с концевым нуклеотидом Т., а другая находится вне Т. или внутри него. Положение второй концевой точки определяется вероятностью рекомбинации между концом Т. и тем или иным сайтом ДНК. Эта вероятность неодинакова, т. е. имеется выраженная сайт-специфичность рекомбинационных процессов, стимулируемых Т. Делеции и инверсии, возникающие в ДНК бактерий, их плазмид и бактериофагов, содержащих Т., играют важную роль в образовании новых генетических структур, они существенны для эволюционного процесса и могут быть широко использованы для генетических экспериментов.

Повышенная рекомбинационная способность участков ДНК, содержащих Т., обусловлена также тем, что гомологичные Т., находящиеся в различных (негомологичных) участках ДНК, обеспечивают возможность общей рекомбинации между этими участками с использованием ДНК Т. в качестве областей частичной гомологии. Этот тип рекомбинации является по сути дела гомологичным, но лежит в основе структурного взаимодействия неродственных сегментов ДНК и целых геномов. Такое взаимодействие играет ключевую роль в эволюции микроорганизмов, т. к. за счет него создаются принципиально новые сочетания генов в составе генома.

Мед.-биол. значение Транспозонов определяется прежде всего тем, что в их состав часто входят различные детерминанты лекарственной устойчивости, к-рые вследствие способности Т. к перемещению между неродственными геномами попадают в состав плазмид и наследуются различными возбудителями инф. болезней. Виды микроорганизмов, традиционно чувствительных к определенным лекарственным средствам, со временем приобретают устойчивость к ним (см. Лекарственная устойчивость микроорганизмов). Примером служит распространившаяся у Haemophilus influenzae устойчивость к ампициллину и тетрациклину, детерминируемая соответственно Tn1 и Tn10. Все чаще обнаруживают возбудителей гонореи (см.), устойчивых к пенициллину и его производным — антибиотикам, традиционно применяемым для лечения этого заболевания. Это также связано с распространением плазмид, содержащих Tn1. Появление штаммов возбудителей инф. болезней, устойчивых к традиционным лекарственным средствам, серьезно затрудняет лечение. Если раньше лекарственная устойчивость часто возникала у возбудителей таких инфекций, как дизентерия (см.) и коли-инфекция (см.), при инфекционных осложнениях после оперативных вмешательств и ожогов, то теперь появление Т. и несущих их плазмид у таких возбудителей, как Н. influenzae и H. gonorrhoeae, ведет к возможности распространения Т. среди широкого круга людей, находящихся вне клиники, что является качественно новым этапом представлений о клин, значимости Т. и плазмид.

Медицинское значение Транспозонов не исчерпывается распространением лекарственной устойчивости микроорганизмов. В состав центральной части Т. могут входить гены, детерминирующие синтез энтеротоксинов (Tn681), утилизацию углеводов (Tn-raf, Tn951) или способность к конъюгационному переносу генетического материала (Tn916). Наследование клетками возбудителя инфекции перечисленных признаков в составе одной или нескольких плазмид, содержащих также Т., определяющие лекарственную устойчивость, приведет к появлению возбудителей со свойствами, существенно отличными от свойств, известных ранее. Наличие Т. в клетке этого возбудителя затрудняет микробиологическую диагностику инфекции (появление ранее отсутствующей способности утилизировать определенные углеводы), вызывает более тяжелое течение заболевания (способность к синтезу токсина) и значительно усложняет лекарственную терапию (устойчивость к антибактериальным препаратам).

Все это определяет необходимость тщательного изучения Транспозонов, контроля за их распространением, правильного выбора способов терапии инфекционных болезней (см.) и разработки рациональных мер борьбы с внутрибольничными инфекциями (см.).

Библиогр.: Ильина Т. С. Механизм генетической транспозиции, Генетика, т. 17, № 1,с. 7, 1981, библиогр.; Смирнов Г. Б,, и Ильина Т. С. IS-элементы и их роль в генетической рекомбинации, там же, т. 13, № 4, с. 696, 1977; Kleckner N. Transposable elements in prokaryotes, Ann. Rev. Genet., v. 15, p. 341, 1981, bibliogr.

Г. Б. Смирнов.