Транспозоны встраиваются в теломерные последовательности линейных хромосом бактерий

Долгое время считалось, что линейные хромосомы характерны только для эукариотов, а геном бактерий имеет вид кольцевой ДНК. Но у бактерий тоже бывают линейных хромосомы и плазмиды, включая патоген растений Agrobacterium, патогенные спирохеты Borrelia, Streptomyces и некоторые фотосинтезирующие цианобактерии. Бактерии, как и эукариоты, защищают концы своих линейных хромосом. Существуют два механизма такой защиты. В первом случае ферменты протеломеразы катализируют образование шпилечных структур на концах ДНК. Во втором случае терминальные белки закрывают концы ДНК и к тому же действуют как праймеры для репликации.

У эукариотов теломеры часто служат мишенью для ретротранспозонов. В новой работе ученые из Корнельского университета и коллабораторы впервые показали, что транспозоны также могут встраиваться в теломеры линейных хромосом и плазмид бактерий. В результате биоинформатического анализа мобильных элементов цианобактерий и Streptomyces авторы выявили три группы бактериальных транспозонов, которые произошли от Tn7-подобных транспозонов и более простых мобильных элементов TnsBC.

Tn7-подобные транспозоны встраиваются только в специфичные сайты. Они обычно содержат транспозазы TnsA и TnsB, регуляторную ATФазу TnsC и белок TniQ, определяющий сайт вставки. Транспозоны группы TnsBC имеют более простую организацию и не имеют в своем составе TniQ. Обычно этим мобильным элементам необходимы два конца со специфическим строением для перемещения. Но в этой работе были найдены транспозоны только с одним характерным концом и теломерой на другом конце.

Ранее проведенный анализ Tn7-подобных транспозонов в цианобактериях выявил три клады: со слитым белком TnsAB, с TnsA и TnsB в виде отдельных полипептидов и без TnsA. К последней кладе относятся транспозоны PAST, которые всегда находятся вблизи концов хромосом и плазмид и часто включают ген протеломеразы. Авторы смогли найти только один характерный конец транспозона. Они предположили, что PAST имеют только одну характерную концевую последовательность, а с другой стороны находится концевая шпилечная структура, которую стабилизирует их собственная протеломераза. Интересно, что протеломеразы PAST не формируют единую кладу, что говорит о множественных событиях их захвата транспозонами. Протеломеразы PAST функциональны.

В процессе перемещения два конца транспозонов взаимодействуют с транспозазой. Авторы предположили, что транспозоны PAST способны перемещаться, когда реплицирующиеся хромосомы временно соединяются и две инвертированные копии транспозонов оказываются вблизи друг друга. Эксперименты на E. coli с искусственно сконструированным транспозоном подтвердили, что транспозиция протекает по двухконцевому механизму и только при наличии белков TnsBCQ и небольшого консервативного белка TnsP, удаление которого резко снижает эффективность процесса. Исследование на E. coli с линейной хромосомой показало, что транспозон может встраиваться случайным образом, но предпочтительно — в теломерные участки, подтверждая его адаптацию к линейным геномам.

TnsP — это белок, связывающий ДНК без предпочтения к определенной последовательности. Анализы показали, что он связывается с двухцепочечной ДНК, но не с одноцепочечной. Его структура напоминает белок GapR, участвующий в регуляции суперспирализации ДНК. Возможно, TnsP взаимодействует с TniQ для распознавания теломерных участков, но, по словам авторов, для подтверждения этой гипотезы требуются дальнейшие исследования.

В стрептомицетах были обнаружены две новые группы теломерных транспозонов. Они располагаются вблизи теломер и поддерживают определенную ориентацию генов. Одна группа напоминает транспозоны Tn7 и содержит белки TnsABC и TniQ, а другая включает только TnsB и TnsC.

Геномный анализ показал, что около 16% стрептомицетов имеют Tn7-подобные транспозоны вблизи теломер, часто рядом с генами, отвечающими за поддержание теломер (кодирующими терминальные белки). Эти транспозоны имеют только одну стандартную концевую последовательность, с другой стороны находится теломера. Интересно, что у этих транспозонов отсутствует активность нуклеазы TnsA, которая обычно разрезает ДНК при перемещении элемента. Вероятно, это предотвращает разрывы ДНК и способствует ее устойчивости.

Кроме того, у Streptomyces были идентифицированы транспозоны группы TnsBC, которые не имеют TnsA и TniQ. Эти элементы часто связаны с генами, участвующими в репарации ДНК или поддержании теломер. В некоторые из них интегрированы опероны системы CRISPR, что предполагает их связь с механизмами защиты генома.

Транспазоны в составе теломер играют важную роль в поддержании целостности генома и генетического разнообразия бактерий с линейными хромосомами и плазмидами. Эти системы очень разнообразны и используют различные механизмы адаптации, чтобы и поддержать собственное существование, и не повредить организму-хозяину.

Транспозоны играют роль альтернативных промоторов во время раннего эмбриогенеза млекопитающих