Obrácené opakování - Inverted repeat
Invertovaná repetice (nebo IR ) je jednořetězcová sekvence nukleotidů následuje po směru jeho reverzní komplement . Intervenující sekvence nukleotidů mezi počáteční sekvencí a reverzním komplementem může mít libovolnou délku včetně nuly. Například 5 '--- TTACGnnnnnn CGTAA --- 3' je obrácená opakovaná sekvence. Když je mezilehlá délka nulová, složená sekvence je palindromická sekvence .
Obrácené i přímé opakování tvoří typy nukleotidových sekvencí, které se vyskytují opakovaně. Tyto opakované sekvence DNA se často pohybují od dvojice nukleotidů po celý gen , zatímco blízkost opakujících se sekvencí se liší mezi široce rozptýlenými a jednoduchými tandemovými poli . Krátké tandemové opakující se sekvence mohou existovat jako několik kopií v malé oblasti až tisíce kopií rozptýlených po celém genomu většiny eukaryot . Opakované sekvence s přibližně 10–100 páry párů jsou známé jako minisatelity , zatímco kratší opakující se sekvence mající většinou 2–4 páry bází jsou známy jako mikrosatelity . Mezi nejběžnější repetice patří dinukleotidové repetice, které mají báze AC na jednom řetězci DNA, a GT na komplementárním řetězci. Některé prvky genomu s unikátními sekvencemi fungují jako exony , introny a regulační DNA. Ačkoli nejznámějšími místy opakujících se sekvencí jsou centromera a teloméra , velká část opakovaných sekvencí v genomu se nachází mezi nekódující DNA .
Obrácené opakování má řadu důležitých biologických funkcí. Definují hranice v transpozonech a indikují oblasti schopné self-komplementárního párování bází (oblasti v rámci jedné sekvence, které se mohou navzájem párovat báze). Tyto vlastnosti hrají důležitou roli v nestabilitě genomu a přispívají nejen k buněčné evoluci a genetické rozmanitosti, ale také k mutacím a nemocem . Aby bylo možné tyto efekty podrobně studovat, byla vyvinuta řada programů a databází, které pomáhají při objevování a anotaci obrácených opakování v různých genomech.
| Související témata |
|---|
Pochopení obrácených opakování
Příklad převráceného opakování
Počínaje touto počáteční sekvencí:
5'-TTACG-3 '
Doplněk vytvořený párováním základen je:
3'-AATGC-5 '
Reverzní doplněk je:
5'-CGTAA-3 '
A obrácená opakovaná sekvence je:
5 '--- TTACGnnnnnn CGTAA --- 3'
"nnnnnn" představuje libovolný počet zasahujících nukleotidů.
Vs. přímé opakování
K přímému opakování dochází, když se sekvence opakuje se stejným vzorem po proudu. S přímým opakováním není spojena žádná inverze ani reverzní komplement. Nukleotidová sekvence napsaná tučnými znaky znamená opakovanou sekvenci. Může, ale nemusí mít intervenující nukleotidy.
- 5´ TTACG nnnnnnTTACG 3´
- 3´ AATGC nnnnnnAATGC 5´
Lingvisticky je typické přímé opakování srovnatelné s rýmováním, jako v „t ime on ad ime “.
Vs. tandemové opakování
Přímá repetice bez zasahujících nukleotidů mezi počáteční sekvencí a její následnou kopií je tandemová repetice . Nukleotidová sekvence napsaná tučnými znaky znamená opakovanou sekvenci.
- 5´ TTACG TTACG 3´
- 3´ AATGC AATGC 5´
Lingvisticky je typické tandemové opakování srovnatelné s koktáním nebo záměrně opakovanými slovy jako v „bye-bye“.
Vs. palindrom
Invertovaná opakovaná sekvence bez intervenujících nukleotidů mezi počáteční sekvencí a jejím downstream reverzním komplementem je palindrom .
PŘÍKLAD:
Krok 1: začněte převrácenou repeticí: 5 'TTACGnnnnnnCGTAA 3'
Krok 2: odstraňte intervenující nukleotidy: 5 'TTACGCGTAA 3'
Tato výsledná sekvence je palindromická, protože je sama sobě opačným komplementem.
- Testovací sekvence 5 'TTACGCGTAA 3' (z kroku 2 s odstraněnými zasahujícími nukleotidy)
- 3 'AATGCGCATT 5' doplněk testovací sekvence
- 5 'TTACGCGTAA 3' reverzní komplement Je stejný jako výše uvedená testovací sekvence, a jde tedy o palindrom.
Biologické vlastnosti a funkčnost
Podmínky, které podporují syntézu
Různorodé replikace v celém genomu jsou odvozeny z transponovatelných prvků , které jsou nyní chápány tak, že „skákají“ po různých genomických místech, aniž by přenášely své původní kopie. Následné přenášení stejných sekvencí v mnoha generacích zajišťuje jejich multiplicitu v celém genomu. Omezená rekombinace sekvencí mezi dvěma odlišnými sekvenčními prvky známými jako konzervativní místně specifická rekombinace (CSSR) vede k inverzím segmentu DNA na základě uspořádání rekombinačních rozpoznávacích sekvencí na DNA dárce a DNA příjemce. Opět platí, že orientace dvou rekombinujících míst v molekule donorové DNA vzhledem k asymetrii intervenujících sekvencí štěpení DNA, známých jako crossover region, je klíčová pro tvorbu buď invertovaných opakování, nebo přímých opakování. Rekombinace probíhající na dvojici invertovaných míst tedy invertuje sekvenci DNA mezi těmito dvěma místy. Byly pozorovány velmi stabilní chromozomy se srovnatelně menším počtem obrácených opakování než přímé opakování, což naznačuje vztah mezi stabilitou chromozomů a počtem opakování.
Regiony, kde je přítomnost povinná
Koncová obrácená opakování byla pozorována v DNA různých eukaryotických transpozonů, přestože jejich zdroj zůstává neznámý. Obrácené opakování se v zásadě nachází na počátcích replikace buněčného organismu a organel, které sahají od fágových plazmidů, mitochondrií a eukaryotických virů až po savčí buňky. Počátky replikace fága G4 a dalších příbuzných fágů obsahují segment téměř 139 nukleotidových bází, který obsahuje tři invertovaná opakování, která jsou nezbytná pro replikační priming.
V genomu
Části nukleotidových opakování jsou do značné míry často pozorovány jako součást vzácných kombinací DNA. Tři hlavní opakování, která se do značné míry nacházejí v konkrétních DNA konstrukcích, zahrnují úzce přesné invertované repetice homopurin-homopyrimidin, které se jinak označují jako H palindromy, což je běžný výskyt v trojitých šroubovicových H konformacích, které mohou zahrnovat buď nukleotidové triády TAT nebo CGC. Ostatní by se daly popsat jako dlouhé obrácené repetice se sklonem k produkci vlásenek a křížové a nakonec přímé tandemové repetice, které se běžně vyskytují ve strukturách popsaných jako Z-DNA s prokluznou smyčkou, křížovou a levou rukou.
Běžné v různých organismech
Dřívější studie naznačují, že opakování je běžným znakem eukaryot na rozdíl od prokaryot a archea . Jiné zprávy naznačují, že bez ohledu na srovnávací nedostatek opakujících se prvků v prokaryotických genomech obsahují stovky nebo dokonce tisíce velkých opakování. Zdá se, že současná genomická analýza naznačuje existenci velkého přebytku dokonalých obrácených opakování v mnoha prokaryotických genomech ve srovnání s eukaryotickými genomy.
Kvantifikace a srovnání obrácených opakování mezi několika druhy, jmenovitě na archea, viz
Obrácené opakování v pseudoknotech
Pseudoknoty jsou běžnými strukturálními motivy, které se nacházejí v RNA. Jsou tvořeny dvěma vnořenými kmenovými smyčkami tak, že stonek jedné struktury je vytvořen ze smyčky druhé. Mezi pseudoknoty existuje několik skládacích topologií a velké rozdíly v délkách smyček, což z nich činí strukturálně různorodou skupinu.
Invertované repetice jsou klíčovou součástí pseudoknotů, jak lze vidět na ilustraci přirozeně se vyskytujícího pseudoknotu, který se nachází v lidské telomerázové RNA složce . Do této struktury jsou zapojeny čtyři různé sady obrácených opakování. Sady 1 a 2 jsou stonek smyčky A a jsou součástí smyčky pro kmenovou smyčku B. Podobně sady 3 a 4 jsou stonkem pro kmenovou smyčku B a jsou součástí smyčky pro kmenovou smyčku A.
Pseudoknoty hrají v biologii řadu různých rolí. Telomerázový pseudoknot na obrázku je rozhodující pro aktivitu tohoto enzymu. Ribozym pro hepatitidy delta viru (HDV) složí do struktury s dvojitým pseudoknot a self-štěpí svůj kruhový genom vyrábět jeden genom délky RNA. Pseudoknoty také hrají roli v programovaném ribozomálním posunu rámců nalezeném u některých virů a vyžadovaných při replikaci retrovirů .
V riboswitchích
Obrácené opakování hraje důležitou roli u riboswitchů , což jsou RNA regulační prvky, které řídí expresi genů produkujících mRNA, jejíž jsou součástí. Zjednodušený příklad riboswitche flavin mononukleotidu (FMN) je uveden na obrázku. Tento riboswitch existuje v transkriptu mRNA a má několik struktur kmenové smyčky proti proudu od kódující oblasti . Na obrázku jsou však zobrazeny pouze klíčové kmenové smyčky, které byly značně zjednodušeny, aby pomohly ukázat úlohu převrácených opakování. V tomto riboswitchi je několik převrácených opakování, jak je uvedeno zeleně (žluté pozadí) a modře (oranžové pozadí).
V nepřítomnosti FMN je preferovanou konformací pro transkript mRNA struktura Anti-terminace . Je vytvořen párováním bází obrácené opakované oblasti zakroužkované červeně. Pokud je přítomen FMN, může se vázat na smyčku a zabránit tvorbě struktury Anti-termination. To umožňuje dvěma různým sadám převrácených opakování vytvořit pár párů základen a vytvořit strukturu ukončení. Kmenová smyčka na 3 'konci je transkripční terminátor, protože sekvence bezprostředně za ní je řetězec uracilů (U). Pokud se tato kmenová smyčka vytvoří (kvůli přítomnosti FMN), jak rostoucí vlákno RNA vychází z komplexu RNA polymerázy , vytvoří dostatečné strukturální napětí, které způsobí, že se vlákno RNA disociuje a tím ukončí transkripci. K disociaci dochází snadno, protože párování bází mezi U v RNA a A v templátovém řetězci je nejslabší ze všech párování bází. Při vyšších koncentračních úrovních tedy FMN down-reguluje vlastní transkripci zvýšením tvorby terminační struktury.
Mutace a nemoci
Invertované repetice jsou často popisovány jako „hotspoty“ eukaryotické a prokaryotické genomové nestability. Má se za to, že dlouhé obrácené opakování výrazně ovlivňuje stabilitu genomu různých organismů. Příkladem je E. coli , kde se genomové sekvence s dlouhými obrácenými opakováními replikují zřídka, ale spíše se rychle odstraní. Opět platí, že dlouhé invertované repetice pozorované u kvasinek výrazně podporují rekombinaci ve stejných a sousedních chromozomech, což má za následek stejně vysokou rychlost delece. Nakonec byla také pozorována velmi vysoká rychlost delece a rekombinace v savčích chromozomových oblastech s obrácenými opakováními. Hlášené rozdíly ve stabilitě genomů vzájemně souvisejících organismů jsou vždy známkou rozdílu v obrácených opakováních. Nestabilita je důsledkem tendence invertovaných opakování skládat se do struktur DNA připomínajících vlásenky nebo kříži. Tyto speciální struktury mohou bránit nebo zaměňovat replikaci DNA a další genomové aktivity. Invertované opakování tedy vede ke zvláštním konfiguracím v RNA i DNA, které mohou nakonec způsobit mutace a onemocnění .
Obrázek ukazuje obrácenou repetici procházející křížovou extruzí. DNA v oblasti převrácené repetice se odvíjí a poté rekombinuje a tvoří čtyřcestný spoj se dvěma strukturami kmenové smyčky . Křížová struktura nastává, protože obrácené opakující se sekvence se navzájem spárují na svém vlastním řetězci.
Extrudované kruciformy mohou vést k mutacím posunu rámce, pokud má sekvence DNA invertované repetice ve formě palindromu kombinované s oblastmi přímých repetic na obou stranách. Během transkripce může sklouznutí a částečná disociace polymerázy z templátového vlákna vést k delečním i inzerčním mutacím. Ke smazání dochází, když část odvinutého řetězce šablony vytvoří kmenovou smyčku, která se „přeskočí“ transkripčním aparátem. K vložení dochází, když se v disociované části rodícího se (nově syntetizovaného) vlákna vytvoří kmenová smyčka, což způsobí, že část templátového vlákna bude přepsána dvakrát.
Nedostatek antitrombinu z bodové mutace
Nedokonalé obrácené opakování může vést k mutacím prostřednictvím přepínání mezi řetězci a mezi řetězci. The Antitrombin kódující oblast III Gene je příkladem nedokonalé invertované repetice, jak je znázorněno na obrázku vpravo. Struktura kmenové smyčky se tvoří s hrbolem ve spodní části, protože G a T se nespárují. Událost přepnutí vlákna by mohla mít za následek, že G (v nárazu) bude nahrazeno A, které odstraní „nedokonalost“ v obráceném opakování a poskytne silnější strukturu kmenové smyčky. Náhrada však také vytváří bodovou mutaci převádějící kodon GCA na ACA. Pokud po přepnutí vlákna následuje druhé kolo replikace DNA , může se mutace v genomu zafixovat a vést k onemocnění. Konkrétně, missense mutace povede k defektního genu a nedostatkem antitrombinu, které by mohlo vést k vývoji žilního tromboembolismu (krevní sraženiny uvnitř žíly).
Osteogenesis imperfecta z mutace posunu rámce
Mutace v genu pro kolagen mohou vést k onemocnění Osteogenesis Imperfecta , které se vyznačuje křehkými kostmi. Na obrázku je kmenová smyčka vytvořená z nedokonalé invertované repetice mutována vložením thyminového (T) nukleotidu v důsledku inter- nebo intrastrand přepínače. Přidání T vytvoří " párování " párování bází s adeninem (A), který byl dříve "boulí" na levé straně stonku. Toto přidání sice dělá kmen silnějším a zdokonaluje obrácenou repetici, ale také vytváří mutaci posunu rámce v nukleotidové sekvenci, která mění čtecí rámec a bude mít za následek nesprávnou expresi genu.
Programy a databáze
Následující seznam poskytuje informace a externí odkazy na různé programy a databáze pro obrácené opakování:
- non-B DB Databáze integrovaných anotací a analýza ne-B DNA tvořících motivů. Tuto databázi poskytuje The Advanced Biomedical Computing Center (ABCC) při tehdejší Frederick National Laboratory for Cancer Research (FNLCR). Pokrývá konformace A-DNA a Z-DNA jinak známé jako „non-B DNA“, protože nejsou běžnější formou B-DNA pravotočivé dvoušroubovice Watson-Crick . Tyto „non-B DNA“ zahrnují levostranné Z-DNA, křížové , triplexní , tetraplexové a vlásenky . Vyhledávání lze provádět na různých „opakujících se typech“ (včetně obrácených opakování) a na několika druzích.
- Invertovaná databáze opakování Bostonská univerzita. Tato databáze je webová aplikace, která umožňuje dotazování a analýzu opakování uchovávaných v projektu PUBLIC DATABASE. Vědci mohou také analyzovat své vlastní sekvence pomocí algoritmu Inverted Repeats Finder.
- P-MITE: databáze Plant MITE -tato databáze pro miniaturní transponovatelné prvky s obráceným opakováním (MITE) obsahuje sekvence z genomů rostlin . Sekvence lze prohledávat nebo stahovat z databáze.
-
EMBOSS je „European Molecular Biology Open Software Suite“, která běží na operačních systémech UNIX a UNIX . Dokumentace a zdrojové soubory programu jsou k dispozici na webových stránkách EMBOSS . Níže jsou uvedeny aplikace konkrétně související s obrácenými opakováními:
- EMBOSS einverted : Najde invertované repetice v nukleotidových sekvencích . Pro omezení rozsahu hledání lze nastavit prahové hodnoty.
- EMBOSS palindrom : Najde palindromy, jako jsou oblasti kmenové smyčky v nukleotidových sekvencích. Program najde sekvence, které obsahují úseky nesouladů a mezer, které mohou odpovídat vyboulení v kmenové smyčce.
Reference
externí odkazy
- Obrácené+opakování+sekvence v USA National Library of Medicine Předměty (MeSH)
