Omvendt gjentakelse - Inverted repeat
En invertert gjentagelse (eller IR ) er en enkeltstrenget sekvens av nukleotider etterfulgt nedstrøms av dens omvendte komplement . Den mellomliggende sekvensen av nukleotider mellom den opprinnelige sekvensen og det omvendte komplementet kan være hvilken som helst lengde inkludert null. For eksempel er 5 '--- TTACGnnnnnn CGTAA --- 3' en invertert gjentagelsesrekkefølge. Når mellomliggende lengde er null, er den sammensatte sekvensen en palindrom sekvens .
Både inverterte gjentakelser og direkte gjentakelser utgjør typer nukleotidsekvenser som forekommer gjentagende. Disse gjentatte DNA -sekvensene varierer ofte fra et par nukleotider til et helt gen , mens nærheten til de gjentatte sekvensene varierer mellom vidt spredte og enkle tandemoppstillinger . De korte tandem -repetisjonssekvensene kan eksistere som bare noen få kopier i en liten region til tusenvis av kopier spredt over genomet til de fleste eukaryoter . Gjenta sekvenser med omtrent 10–100 basepar er kjent som minisatellitter , mens kortere gjentatte sekvenser med stort sett 2–4 basepar er kjent som mikrosatellitter . De vanligste gjentagelsene inkluderer dinukleotidrepetisjonene, som har basene AC på en DNA -streng, og GT på den komplementære strengen. Noen elementer i genomet med unike sekvenser fungerer som eksoner , introner og regulatorisk DNA. Selv om de mest kjente lokalene til de repeterende sekvensene er sentromeren og telomeren , finnes en stor del av de gjentatte sekvensene i genomet blant det ikke -kodende DNA .
Inverterte repetisjoner har en rekke viktige biologiske funksjoner. De definerer grensene i transposoner og indikerer regioner som er i stand til selvkomplementær baseparring (regioner i en enkelt sekvens som kan basepar med hverandre). Disse egenskapene spiller en viktig rolle i genomets ustabilitet og bidrar ikke bare til mobilutvikling og genetisk mangfold, men også til mutasjon og sykdom . For å studere disse effektene i detalj, har en rekke programmer og databaser blitt utviklet for å hjelpe til med å oppdage og kommentere inverterte gjentakelser i forskjellige genomer.
| Relaterte temaer |
|---|
Forstå omvendte gjentakelser
Eksempel på en omvendt gjentagelse
Begynner med denne innledende sekvensen:
5'-TTACG-3 '
Komplementet som opprettes ved baseparring er:
3'-AATGC-5 '
Det motsatte komplementet er:
5'-CGTAA-3 '
Og den inverterte gjentagelsessekvensen er:
5 '--- TTACGnnnnnn CGTAA --- 3'
"nnnnnn" representerer et hvilket som helst antall mellomliggende nukleotider.
Vs. direkte gjentakelse
En direkte gjentakelse oppstår når en sekvens gjentas med samme mønster nedstrøms. Det er ingen inversjon og ingen omvendt komplement forbundet med en direkte gjentakelse. Nukleotidsekvensen skrevet med fet skrift betyr den gjentatte sekvensen. Det kan ha eller ikke ha mellomliggende nukleotider.
- 5´ TTACG nnnnnnTTACG 3´
- 3´ AATGC nnnnnnAATGC 5´
Språklig er en typisk direkte repetisjon sammenlignbar med rim, som i "t ime on ad ime ".
Vs. gjenta tandem
En direkte gjentakelse uten mellomliggende nukleotider mellom den opprinnelige sekvensen og kopien nedstrøms er en Tandem -gjentakelse . Nukleotidsekvensen skrevet med fet skrift betyr den gjentatte sekvensen.
- 5´ TTACG TTACG 3´
- 3´ AATGC AATGC 5´
Språklig er en typisk tandemrepetisjon sammenlignbar med stamming, eller bevisst gjentatte ord, som i "bye-bye".
Vs. palindrom
En omvendt gjentatt sekvens uten mellomliggende nukleotider mellom den opprinnelige sekvensen og dens nedstrøms omvendte komplement er et palindrom .
EKSEMPEL:
Trinn 1: start med en omvendt gjentakelse: 5 'TTACGnnnnnnCGTAA 3'
Trinn 2: fjern mellomliggende nukleotider: 5 'TTACGCGTAA 3'
Denne resulterende sekvensen er palindromisk fordi den er det motsatte komplementet av seg selv.
- 5 'TTACGCGTAA 3' testsekvens (fra trinn 2 med mellomliggende nukleotider fjernet)
- 3 'AATGCGCATT 5' komplement av testsekvens
- 5 'TTACGCGTAA 3' omvendt komplement Dette er det samme som testsekvensen ovenfor, og dermed er det et palindrom.
Biologiske egenskaper og funksjonalitet
Forhold som favoriserer syntese
De mangfoldige genome-gjentakelsene er avledet fra transponerbare elementer , som nå forstås å "hoppe" om forskjellige genomiske steder, uten å overføre sine originale kopier. Påfølgende transport av de samme sekvensene over mange generasjoner sikrer deres mangfoldighet gjennom genomet. Den begrensede rekombinasjonen av sekvensene mellom to forskjellige sekvenselementer kjent som konservativ stedsspesifikk rekombinasjon (CSSR) resulterer i inversjoner av DNA-segmentet, basert på arrangementet av rekombinasjonsgjenkjenningssekvensene på donor-DNA og mottaker-DNA. Igjen er orienteringen til to av de rekombinerende stedene i donor -DNA -molekylet i forhold til asymmetrien til de mellomliggende DNA -spaltningssekvensene, kjent som crossover -regionen, avgjørende for dannelsen av enten inverterte gjentagelser eller direkte gjentagelser. Således vil rekombinasjon som forekommer på et par omvendte steder invertere DNA -sekvensen mellom de to stedene. Svært stabile kromosomer har blitt observert med relativt færre antall inverterte gjentakelser enn direkte gjentagelser, noe som tyder på et forhold mellom kromosomstabilitet og antall gjentakelser.
Regioner der tilstedeværelse er obligatorisk
Terminal inverterte gjentakelser har blitt observert i DNA til forskjellige eukaryote transposoner, selv om kilden deres fortsatt er ukjent. Inverterte gjentakelser finnes hovedsakelig ved opprinnelsen til replikasjon av celleorganisme og organeller som spenner fra fagplasmider, mitokondrier og eukaryote virus til pattedyrceller. Replikasjonsopprinnelsen til fag G4 og andre beslektede fag omfatter et segment på nesten 139 nukleotidbaser som inkluderer tre inverterte gjentagelser som er avgjørende for replikering av priming.
I genomet
I stor grad observeres deler av nukleotidrepetisjoner ganske ofte som en del av sjeldne DNA -kombinasjoner. De tre hovedrepetisjonene som stort sett finnes i spesielle DNA-konstruksjoner inkluderer de nøyaktig nøyaktige homopurin-homopyrimidin inverterte gjentakelsene, som ellers kalles H-palindromer, en vanlig forekomst i trippel-spiralformede H-konformasjoner som kan omfatte enten TAT- eller CGC-nukleotidtriader. De andre kan beskrives som lange inverterte gjentakelser som har en tendens til å produsere hårnål og korsformet, og til slutt direkte tandemrepetisjoner, som vanligvis eksisterer i strukturer beskrevet som glidesløyfe, korsformet og venstrehendt Z-DNA.
Vanlig i forskjellige organismer
Tidligere studier tyder på at gjentakelser er et vanlig trekk ved eukaryoter i motsetning til prokaryoter og arkaer . Andre rapporter tyder på at uansett sammenlignende mangel på gjentagelseselementer i prokaryote genomer, inneholder de likevel hundrevis eller tusenvis av store gjentagelser. Gjeldende genomisk analyse synes å antyde eksistensen av et stort overskudd av perfekte inverterte gjentakelser i mange prokaryote genomer sammenlignet med eukaryote genomer.
For kvantifisering og sammenligning av inverterte repetisjoner mellom flere arter, nemlig på archaea, se
Inverterte repetisjoner i pseudoknoter
Pseudoknoter er vanlige strukturmotiver som finnes i RNA. De dannes av to nestede stamme-sløyfer slik at stammen til den ene strukturen dannes fra den andre sløyfen. Det er flere foldetopologier blant pseudoknoter og stor variasjon i sløyfelengder, noe som gjør dem til en strukturelt mangfoldig gruppe.
Inverterte gjentakelser er en sentral komponent i pseudoknoter som det kan sees på illustrasjonen av en naturlig forekommende pseudoknot som finnes i den humane telomerase -RNA -komponenten . Fire forskjellige sett med inverterte repetisjoner er involvert i denne strukturen. Sett 1 og 2 er stammen av stamme-sløyfe A og er en del av sløyfen for stamme-sløyfe B. På samme måte er sett 3 og 4 stammen for stamme-sløyfe B og er en del av løkken for stamme-sløyfe A.
Pseudoknots spiller en rekke forskjellige roller i biologien. Telomerase -pseudoknoten i illustrasjonen er kritisk for enzymets aktivitet. Den ribozym til hepatitt delta virus (HDV) brettes til en dobbel-pseudoknot struktur og selv spalter sin sirkulære genomet for å frembringe et enkelt-genom-lengde RNA. Pseudoknoter spiller også en rolle i programmert ribosomal rammeskift som finnes i noen virus og kreves ved replikasjon av retrovirus .
I ribosbrytere
Inverterte repetisjoner spiller en viktig rolle i riboswitches , som er RNA -regulatoriske elementer som styrer uttrykket av gener som produserer mRNA, som de er en del av. Et forenklet eksempel på flavinmononukleotid (FMN) riboswitch er vist på illustrasjonen. Denne riboswitchen eksisterer i mRNA- transkripsjonen og har flere stamme-sløyfestrukturer oppstrøms for kodingsområdet . Imidlertid er bare nøkkelstammen-løkkene vist i illustrasjonen, som har blitt forenklet sterkt for å vise rollen til de omvendte gjentakelsene. Det er flere inverterte repetisjoner i denne riboswitchen som angitt med grønn (gul bakgrunn) og blå (oransje bakgrunn).
I fravær av FMN er antitermineringsstrukturen den foretrukne konformasjonen for mRNA-transkriptet. Den opprettes ved baseparring av det inverterte gjentagelsesområdet sirklet med rødt. Når FMN er tilstede, kan det binde seg til løkken og forhindre dannelse av antitermineringsstrukturen. Dette tillater to forskjellige sett med inverterte repetisjoner å baseparre og danne avslutningsstrukturen. Stammesløyfen i 3'-enden er en transkripsjonell terminator fordi sekvensen umiddelbart etter den er en streng med uraciler (U). Hvis denne stamsløyfen dannes (på grunn av tilstedeværelsen av FMN) når den voksende RNA-tråden kommer ut av RNA-polymerasekomplekset , vil det skape nok strukturell spenning til å få RNA-tråden til å dissosiere og dermed avslutte transkripsjonen. Dissosiasjonen skjer lett fordi baseparringen mellom U-ene i RNA og A-ene i malstrengen er den svakeste av alle baseparringer. Således, ved høyere konsentrasjonsnivåer, nedregulerer FMN sin egen transkripsjon ved å øke dannelsen av avslutningsstrukturen.
Mutasjoner og sykdom
Inverterte gjentakelser blir ofte beskrevet som "hotspots" av eukaryotisk og prokaryot genomisk ustabilitet. Lange inverterte repetisjoner anses å påvirke stabiliteten til genomet til forskjellige organismer sterkt. Dette er eksemplifisert i E. coli , hvor genomiske sekvenser med lange inverterte repetisjoner sjelden blir replikert, men snarere slettet med raskhet. Igjen favoriserer de lange inverterte gjentagelsene som er observert i gjær rekombinasjon i de samme og tilstøtende kromosomene, noe som resulterer i en like høy sletting. Til slutt ble det også observert en meget høy hastighet for sletting og rekombinasjon i kromosomregioner hos pattedyr med inverterte gjentakelser. Rapporterte forskjeller i stabiliteten til genomene til sammenhengende organismer er alltid en indikasjon på en forskjell i inverterte gjentakelser. Ustabiliteten skyldes tendensen til inverterte gjentakelser for å brette seg inn i hårnål- eller korsformede DNA-strukturer. Disse spesielle strukturene kan hindre eller forvirre DNA -replikasjon og andre genomiske aktiviteter. Således fører inverterte gjentakelser til spesielle konfigurasjoner i både RNA og DNA som til slutt kan forårsake mutasjoner og sykdom .
Illustrasjonen viser en omvendt gjentagelse som gjennomgår korsformet ekstrudering. DNA i området for den inverterte gjentakelsen spoler av og rekombinerer deretter, og danner et fireveis kryss med to stamme-sløyfestrukturer . Den korsformede strukturen oppstår fordi de inverterte gjentagelsessekvensene parrer seg selv med hverandre på sin egen streng.
Ekstruderte korsformer kan føre til rammeskiftmutasjoner når en DNA -sekvens har invertert gjentagelser i form av et palindrom kombinert med områder med direkte gjentakelser på hver side. Under transkripsjon kan glidning og delvis dissosiasjon av polymerasen fra malstrengen føre til både sletting og innsettingsmutasjoner . Sletting skjer når en del av den avviklede malstrengen danner en stamme-sløyfe som blir "hoppet over" av transkripsjonsmaskinen. Innsetting skjer når en stamme-sløyfe dannes i en dissosiert del av den gryende (nysyntetiserte) tråden som forårsaker at en del av malstrengen blir transkribert to ganger.
Antitrombinmangel fra en punktmutasjon
Ufullkomne omvendte gjentakelser kan føre til mutasjoner gjennom intrastrand og interstrand -bytte. Den antitrombin III-genet kodende region er et eksempel på en ufullkommen invertert gjenta som vist på figuren til høyre. De stammeløkkestruktur former med en forhøyning i bunnen, fordi G og T ikke kobler opp. En strengbryterhendelse kan resultere i at G (i støtet) blir erstattet av en A som fjerner "ufullkommenheten" i den inverterte gjentagelsen og gir en sterkere stamme-sløyfestruktur. Imidlertid skaper erstatningen også en punktmutasjon som konverterer GCA -kodonet til ACA. Hvis strengbryterhendelsen etterfølges av en andre runde med DNA -replikasjon , kan mutasjonen bli fikset i genomet og føre til sykdom. Spesielt ville missense -mutasjonen føre til et defekt gen og en mangel på antitrombin som kan resultere i utvikling av venøs tromboembolisme (blodpropp i en vene).
Osteogenesis imperfecta fra en rammeskiftmutasjon
Mutasjoner i kollagengenet kan føre til sykdommen Osteogenesis Imperfecta , som er preget av sprø bein. I illustrasjonen er en stamme-sløyfe dannet fra en ufullkommen invertert gjentakelse mutert med en tymin (T) nukleotidinnsetting som et resultat av en inter- eller intrastrand-bryter. Tilsetningen av T skaper en baseparring "matcher" med adenin (A), som tidligere var en "bump" på venstre side av stammen. Selv om dette tillegget gjør stammen sterkere og perfeksjonerer den inverterte gjentagelsen, skaper det også en rammeskiftmutasjon i nukleotidsekvensen som endrer leserammen og vil resultere i et feil uttrykk for genet.
Programmer og databaser
Følgende liste gir informasjon og eksterne lenker til forskjellige programmer og databaser for inverterte gjentakelser:
- ikke-B DB En database for integrerte merknader og analyse av ikke-B DNA-dannende motiver. Denne databasen er levert av The Advanced Biomedical Computing Center (ABCC) ved da Frederick National Laboratory for Cancer Research (FNLCR). Den dekker A-DNA og Z-DNA- konformasjonene som ellers er kjent som "ikke-B-DNA" fordi de ikke er den mer vanlige B-DNA- formen til en høyrehendt Watson-Crick dobbel-helix . Disse "ikke-B-DNAene" inkluderer venstrehendte Z-DNA-, korsformede , tripleks- , tetrapleks- og hårnålestrukturer . Søk kan utføres på en rekke "gjentagelsestyper" (inkludert inverterte gjentakelser) og på flere arter.
- Omvendt gjentagelsesdatabase Boston University. Denne databasen er en webapplikasjon som gjør det mulig å spørre og analysere gjentakelser i det PUBLIC DATABASE -prosjektet. Forskere kan også analysere sine egne sekvenser med algoritmen Inverted Repeats Finder.
- P-MITE: en Plant MITE-database -denne databasen for Miniature Inverted-repeat Transposable Elements (MITE) inneholder sekvenser fra plantegenomer . Sekvenser kan søkes eller lastes ned fra databasen.
-
EMBOSS er "European Molecular Biology Open Software Suite" som kjører på UNIX- og UNIX-lignende operativsystemer. Dokumentasjon og programkildefiler er tilgjengelig på EMBOSS -nettstedet . Applikasjoner som er spesielt relatert til inverterte gjentakelser, er oppført nedenfor:
- EMBOSS einverted : Finner inverterte repetisjoner i nukleotidsekvenser . Terskelverdier kan angis for å begrense omfanget av søket.
- EMBOSS palindrome : Finner palindromer som stamme -sløyfeområder i nukleotidsekvenser. Programmet vil finne sekvenser som inneholder deler av feilpasninger og hull som kan tilsvare buler i en stamme -sløyfe.
Referanser
Eksterne linker
- Omvendt+Gjenta+sekvens ved US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
