Поиск функциональных различий геномов человека и шимпанзе, связанных с инсерционным мутагенезом мобильных элементов Группа геномного анализа сигнальных систем клетки ИБХ РАН

Изменения генотипа и фенотипа идут рука об руку Человек Шимпанзе

Агрессия Человек Шимпанзе Сознание

ИБХ Статистика генома человека Длина~3,2 млрд. п.о. Экзоны~1.5% Гены (с интронами) ~35% Повторяющиеся последовательности>60% Большая часть геномных повторов представлена мобильными элементами

Геномы человека и шимнанзе (каждый ~3·10 9 пн) идентичны приблизительно на 98.8 %

Из всего многообразия человек-специфичных последовательностей следует отбросить позиции, полиморфные в популяции Homo sapiens (около 20 млн пар оснований)

Основные цитогенетические отличия (150 млн п.н.): -Человеческая хромосома 2 - продукт слияния двух предковых хромосом (у шимп. - хр 12 и 13) -Перицентрические инверсии на хромосомах 1 и 18 -Массированные перестройки гетерохроматина -Обмен ДНК в центромерных и теломерных районах хромосом -Перестройки и транслокации некоторых генных семейств -Протяжённые делеции, инверсии и дупликации (особенно Y)

Появление и инактивация генов: -У человека инактивирован ген CMP для гидроксилазы сиаловой кислоты (единственное биохимическое различие чел. и шимп.) -Потеря у человека значительного количества (около 200) генов обонятельных рецепторов -Убыстренная эволюция кластеров генов, вовлечённых в работу иммунной системы (лейкоцитарные рецепторы) -Человек-специфичный трансмембранный белок неизв. функции c1orf37-dup -Человек-специфичная регуляторная (?) РНК HAR1F (в эмбриональной новой коре).

Короткие нуклеотидные замены: - Около 36 млн пн - Многие затрагивают белок-кодирующие области - Многие в регуляторных областях генов - Учёные тонут в потоке информации

Специфичные мобильные элементы: - Около 8000 внедрений (около 6 млн пн) - L1 (1200 представителей) - Alu (5500 копий) - SVA (900 копий) - Эндогенные ретровирусы (150 представителей)

МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: 1) Мишени для специфической рекомбинации 2) Предоставляют новые сайты сплайсинга 3) Содержат работающие промоторы и энхансеры 4) Предоставляют сигналы полиаденилирования 5) Трансдуцируют (переносят) уникальные последовательности ДНК 6) Создают псевдогены

Эндогенные РетроВирусы (ЭРВ)- самая сложноорганизованная группа ретроэлементов. Обладают по крайней мере тремя функциональными генами и множеством регуляторных последовательностей, сосредоточенных в Длинных Концевых Повторах (англ. LTR), фланкирующих “тело” ЭРВ

Единственная активная до недавнего времени группа ЭРВ, имеющая человек-специфических представителей– HERV-K (HML2)

Около 90% HERV-K существует в виде одиночных LTR

чсЭРВ HERV- K(HML2) формируют отдельный кластер на филогенетическом древе

HS семейство ~180 представителей, 85% из них – человек-специфичные HS семейство человек-специфичных LTR: гомология ~98% Buzdin et al. Genomics, 2003

Функциональная характеристика человек-специфичных ЭРВ: Промоторная активность LTR Kovalskaya et al. Virology., 2006 Картирование точки старта транскрипции

Функциональная характеристика человек-специфичных ЭРВ: Промоторная активность LTR Полногеномный поиск промоторно-активных чсЭРВ

Buzdin et al. NAR, 2006 GREM – Genomic Repeat Expression Monitor

Buzdin et al. NAR, 2006 GREM and RT-PCR data: positive correlation -Как минимум 50% всех чсЭРВ служат функциональными промоторами для транскрипции уникальной геномной ДНК хозяина

Buzdin et al. J.Virol., 2006 чсЭРВ транскрибируются на уровнях, сравнимых с экспрессией известных генов человека

Buzdin et al. J.Virol., 2006 В целом, корреляция между промоторной активностью LTR и соседних генов отсутствует

LTR LTR преимущественно фиксируются в геноме в ориентации, противоположной направлению транскрипции близлежащего гена. Могут ли LTR, расположенные в интроне гена в противоположной направлению транскрипции гена ориентации, приводить к образованию антисмысловых РНК и участвовать в регуляции по механизму РНК-интерференции?

LTR до 5 т. п. н. Для анализа было отобрано 13 человек-специфических элементов Только LTR в интроне гена SLB (selective LIM binding factor, rat homolog) и SLC (sodium bicarbonate cotransporter) служат промоторами для транскриптов, перекрывающихся с экзоном. Изучение влияния человек-спецефических ретроэлементов HERV-K (HML-2) на транскрипцию близлежащих генов. Экспрессия транскрипта 1 приводит к уменьшению количества РНК SLB в 2,6 раза LTR экзон 6 экзон 5 SLC транскрипт 3 LTR экзон 24 экзон SLB транскрипт 1 транскрипт 2

Такие антисмысловые РНК транскрибируются во многих тканях:

Для исследования функциональной роли обнаруженных антисмысловых транскриптов были созданы стабильно трансфецированные клеточные линии Данные для линии Tera 1: => первый известный пример чел.-сп. антисмысловой регуляции транскрипции генов Эволюционная роль?

Полногеномный скрининг энхансорной активности чсЭРВ: из 9 элементов, близко (до 5 тпн) расположенных к точке начала транскрипции генов, четыре являются существенными модуляторами активности промоторов соответствующих генов на модели клеточных культур

Выводы: -Человек-сп. ЭРВ работают in vivo как активные промоторы и энхансоры. -Это может делать их регуляторами соседних генов, через энхансерную активность или экспрессию антисмысловых РНК. -Выявлено 6 случаев влияния чсЭРВ на экспрессию функциональных генов -Гипотеза о вовлечённости чсЭРВ в процесс видообразования человека не может быть исключена. -Тысячи других человек- специфичных мобильных элементов ожидают анализа

ИБХ Слева направо, сверху вниз – Е.В.Гогвадзе, Д.А. Гиляров, Т.В.Чалая, К.В.Ходосевич, C.В.Устюгова, Е.В. Ковальская, И.З.Мамедов, M.H. Lebrun, Ю.Б.Лебедев, Е.Д. Свердлов На разных этапах работа финансировалась грантами РФФИ, Президентской программой поддержки молодых учёных, программой поддержки научных школ, российской программой "Геном человека", Программой по молекулярной и клеточной биологии РАН, грантами INTAS, Чешской Академии наук, FEBS и EMBO