Повторы определяют тип и параметры рекомбинационных событий.

Наличие прямых повторов способствует рекомбинационным событиям типа незаконных, причём их вероятность намного выше, если повторы расположены недалеко друг от друга (8, 22 ). Отмечена также прямая зависимость между размером повтора и вероятностью рекомбинации (30, 31). Наконец, частота незаконной рекомбинации зависит от нуклеотидного состава повтора (14) и его локализации в геноме(42).

Установлено, что близко расположенные прямые повторы (close direct repeats - СDR) находятся в избытке по сравнению с повторами других типов во всех геномах. В наибольшей степени это характерно для одного из самых маленьких геномов M.genitalium.

Увеличение расстояния между повторами приводит к их стабилизации и достигается за счёт транспозиций (внедрения между повторами) и других геномных перестроек. Частота делеций частей повтора прямо пропорциональна размеру повторяющихся последовательностей и обратно пропорциональна длине спейсера, поэтому, чем длиннее стабильные повторы, тем больше должно быть расстояние между ними (8, 22, 5, 30).

Повторы, стимулирующие незаконную рекомбинацию, преимущественно представлены 4-мя классами:

- близкие повторы (CR-close repeats) – это не мультикопийные повторы из 8-10 оснований, разделённые небольшими спейсерами (32) имеют незначительный рекомбинационный потенциал; в бактериальных геномах встречаются относительно часто, причём чаще в составе генов, чем между генами;

- диспергированные повторы (SPIDR – spacer interspersed direct repeats) – это мультикопийные CR, разделённые спейсерами, которые не повторяются, т.е. разными (18);

- простые повторы (SSR-simple sequence repeats) – это очень короткие тандемные повторы из 1-5 оснований, имеющие значительный рекомбинационный потенциал, в бактериальных геномах встречаются намного реже, чем в эукариотических (44);

- TR – это тандемные повторы большей протяжённости (больше 5).

Следует отметить, что именно локализация SSR составляет одно из отличий геномов эубактерий и архей. У бактерий эти повторы располагаются, в основном, в межгенных областях, тогда как у архей - находятся преимущественно в пределах кодирующих последовательностей. Динуклеотидные повторы в геномах архей почти не обнаруживаются. Преимущественными типами архейных SSR являются три- и пентануклеотиды. Плотность повторов у архей никак не коррелирует с размером геномов. И, что очень важно, количество, плотность и тип повторов во многих случаях носят видоспецифический характер (изучены 19 видов архей) (43). Другим существенным отличием является представленность в геномах бактерий и архей повторов CRISPR (см. ниже).

Гомологическая рекомбинация у E. coli также определяется многочисленными диспергированными повторами октамера (5' - GCTGGTGG - 3'), названного последовательность Chi и узнаваемого экзонуклеазой V (RecBCD). Интересно, что у бактерий разных видов последовательности Chi отличаются, т.е. эволюционировали независимо.

Странных семейств

В ДНК цианобактерий Nostoc punctiforme обнаружены очень короткие повторы, названные SDR (small dispersed repeats) (Elhai J., Kato M., Cousins S, Lindblad P., Costa J.L. Very small mobile repeated elements in cyanobacterial genomes. Genome Res.2008. 18: 1484-1499). Идентифицированы 8 семейств SDR. Размеры SDR варьируют от 21 до 27 н.п.

Первая странность относится к сайтам локализации SDR. Так, члены семейства SDR5 обнаруживаются только внутри октамера HIP1 (GCGATCGC), который представлен в составе геномов цианобактерий в огромном количестве копий. Повторы семейств SDR1 и SDR4 внедряются в свои собственные копии. При этом никакого предпочтительного сайта интеграции не обнаруживается, – внедрения происходят в разные сайты внутри элемента SDR, независимо от того, где находится сам элемент SDR-мишень. Иными словами, элементы SDR1 и SDR4 при внедрении узнают не предпочтительный сайт, а свою собственную структуру в целом. SDR большинства семейств очень часто обнаруживаются в составе транспозонов и мини транспозонов. И в этом случае предпочтительных сайтов локализации SDR не просматривается.

Вторая странность состоит в том, что SDR семейств 1,4 и 5 мобильны, хотя ни рекомбинация, ни конверсия, ни классическая транспозиция с их участием не происходят. Авторы предполагают, что в основе мобильности SDR лежит процесс с участием РНК, как промежуточного продукта.

Третья необычная особенность относится к структуре повторов. Представители семейств SDR4, SDR5, и SDR6 имеют в своём составе по 2 GC-богатых участка, потенциально способных образовывать структуры типа «стебель-петля». В подобии петель находятся всего 2 нуклеотида, поэтому эти 2 участка – почти палиндромы. 6 подсемейств SDR1 содержат консервативное ядро из 10 нуклеотидов (GAGCGAGCGA), которое окружено инвертированными повторами из 4-х оснований. Удивительно, что IR не являются концевыми и не обеспечивают перемещений ядра. 2 подсемейства SDR2 тоже имеют консервативное ядро, но оно состоит из 20 нуклеотидов, которые являются палиндромом. Длинный совершенный палиндром присутствует также в SDR7.

Внедрения SDR в состав транспозонов могут способствовать их более успешному распространению по геномам. Такие SDR можно назвать «наездниками». Все остальные свойства этих повторов, на мой взгляд, пока труднообъяснимы, а их происхождение и роль в функционировании геномов неясны.

Кодирующие палиндромы.

Мы видели, что повторы могут служить сигналами, включающими механизмы геномных перестроек и структурными элементами, на которых эти механизмы оперируют. Наиболее эффективными в эволюционном отношении, по общему мнению, являются дупликации и события горизонтального переноса генов. Однако ни то, ни другое событие не образует гены de novo, а оперирует на уже существовавших генах. Их эволюционную значимость это не снижает, но вопрос о происхождении генов, принадлежавших предшественнику, остаётся нерешённым. Так же не очень понятно, почему у бактерий разных видов существует множество генов, которые не встречаются в микробах какого-либо другого вида, т.е. являются видоспецифическими. Получается, что LUCA (last universal common ancestor), если он, действительно, был один, содержал на порядки больше генов, чем любой из его потомков, что, конечно, невероятно. (Ведь как образуются гены de novo, мы даже представить себе не можем).

Возможно, надежду на продвижение к ответу дают недавние результаты изучения внедрений палиндромов в гены риккетсий и вольбахий.

В составе геномов Rickettsia conorii и Wolbachia pipientis были обнаружены внедрения палиндромов трёх классов в последовательности различных генов. Палиндромы были названы RPE (Rickettsia specific palindromic elements) для рикеттсий и WPE (Wolbachia specific palindromic elements) для вольбахий. Последовательности одного из классов WPE не отличались от таковых RPE, тогда как WPE другого класса имели другой состав. Основные свойства этих палинромов сводились к следующему. Во-первых, палиндромы были кодирующими и детерминировали около 50 аминокислот. Во-вторых, они были мобильными. В-третьих, внедрения происходили без нарушений рамки считывания, и продукт гена не терял обычной функции. И, в-четвёртых, внедрения наблюдались в разных генах, кодирующих либо ферменты, либо поверхностные белки. Почему внедрения происходили без нарушений рамки считывания, объяснить трудно. Отсутствие нарушений функции продукта связано с тем, что новые аминокислоты оказывались в белковой петле, не имеющей отношения к функции поверхностного белка или работе активного центра фермента.

Таким образом, совокупность полученных фактов позволяет предположить, что именно такие события могли быть исходным материалом в процессе эволюционного формирования новых белков (9, 28, 29). Существенным затруднением для принятия такого механизма, как спасительного, для объяснения способа образования новых генов и их продуктов является то, что феномен обнаружен только у рикеттсий и вольбахий.