Ponavljajuće sekvence (također poznate kao ponavljajući elementi, ponavljajuće jedinice ili ponavljanja) su kratki ili dugi obrasci koji se javljaju u više kopija širom genoma. |Kod mnogih organizama, značajan dio genomske DNK je ponovljiv, pri čemu se preko dvije trećine sekvence sastoji od ponavljivih elemenata kod ljudi. Neke od ovih ponovljenih sekvenci su neophodne za održavanje važnih struktura genoma kao što su telomere ili centromere.
Ponavljajuće sekvence se kategoriziraju u različite klase, ovisno o karakteristikama kao što su struktura, dužina, lokacija, porijeklo i način umnožavanja. Raspored ponavljajućih elemenata u genomu može se sastojati ili u direktno susjednim dk selvencsma se nazivaju tandemska ponavljanja ili u ponavljanjima raspršenim po genomu koja se nazivaju isprekidana ponavljanja. Tandemska i isprekidana ponavljanja se dalje kategoriziraju u podklase na osnovu dužine ponovljene sekvence i/ili načina umnožavanja.
Dok su neke ponovljene sekvence DNK važne za funkcionisanje ćelija i održavanje genoma, druge ponovljene sekvence mogu biti štetne. Mnoge ponovljene sekvence DNK povezane su sa ljudskim bolestima kao što su Huntingtonova bolest i Friedreichova ataksija. Neki ponovljeni elementi su neutralni i javljaju se kada nema selekcije za specifične sekvence, ovisno o tome kako dolazi do transpozicije ili hromozomskog ukrštanja. Međutim, obilje neutralnih ponavljanja i dalje može uticati na evoluciju genoma, kako se akumuliraju tokom vremena. Sveukupno, ponovljene sekvence su važno područje fokusa jer mogu pružiti uvid u ljudske bolesti i evoluciju genoma.
Historija Pedesetih godina 20. stoljeća, Barbara McClintock je prva posmatrala transpoziciju DNK i ilustrovala funkcije centromera i telomera na simpozijumu u Cold Spring Harboru. McClintockovim rad je postavio temelje za otkriće ponovljenih sekvenci jer su transpozicija, struktura centromera i struktura telomera moguće putem ponovljenih elemenata, ali to u to vrijeme nije bilo u potpunosti shvaćeno. Termin "ponovljena sekvenca" prvi put su upotrijebili Roy John Britten i D. E. Kohne 1968. godine; otkrili su da je više od polovine eukariotskih genoma ponovljena DNK, kroz svoje eksperimente o reasocijaciji DNK. Iako su repetitivne DNK sekvence bile konzervirane i sveprisutne, njihova biološka uloga još uvijek nije bila poznata. Tokom 1990-ih provedena su dodatna istraživanja, kako bi se razjasnila evolucijska dinamika minisatelitskih i mikrosatelitskih ponavljanja zbog njihovog značaja u forenzici zasnovanoj na DNK i molekularnoj ekologiji. DNK-disperzirana ponavljanja su sve više prepoznata kao potencijalni izvor genetičke varijacije i genetičke regulacije. Otkrića štetnih bolesti povezanih s repetitivnom DNK podstakla su daljnji interes za ovo područje istraživanja. U Tokom 2000-ih, podaci dobijeni sekvenciranjem potpunog eukariotskog genoma omogućili su identifikaciju različitih promotora, pojačivača i regulatornih RNK, koje su sve kodirane repetitivnim regijama. Danas, strukturne i regulatorne uloge repetitivnih DNK sekvenci ostaju aktivno područje istraživanja.
Tipovi i funkcije
Mnoge repetitivne sekvence su vjerovatno nefunkcionalni, raspadajući ostaci transpozabilnih elemenata, koji su označeni kao "junk" ili "sebična" DNK. Ipak, povremeno neka ponavljanja mogu biti eksapta za druge funkcije.
Tandemska ponavljanja Tandemska ponavljanja su ponovljene sekvence koje su direktno jedna pored druge u genomu. Tandemska ponavljanja mogu varirati u broju nukleotida koji čine ponovljenu sekvencu, kao i u broju njenih ponavljanja. Kada je ponavljajuća sekvenca duga samo 2–10 nukleotida, ponavljanje se naziva kratko tandemsko ponavljanje (STR) ili mikrosatelit. Kada je ponavljajuća sekvenca duga 10–60 nukleotida, ponavljanje se naziva minisatelit. Za minisatelite i mikrosatelite, broj ponavljanja sekvence na jednom lokusu može varirati od dva do stotina puta. Tandemska ponavljanja imaju širok spektar bioloških funkcija u genomu. Naprimjer, minisateliti su često žarišta [mejoza|[mejotske]] homologne rekombinacije u eukariotskim organizmima. Rekombinacija je kada se dva homologna hromosoma poravnaju, razbiju i ponovo spoje kako bi razmijenili dijelove. Rekombinacija je važna kao izvor genetičke raznolikosti, kao mehanizam za popravak oštećene DNK i neophodan korak u odgovarajućoj segregaciji hromosoma u mejozi. Prisustvo ponovljenih sekvenci DNK olakšava poravnavanje područja homologije, čime se kontroliše kada i gdje se rekombinacija dešava.
Osim što imaju važnu ulogu u rekombinaciji, tandemska ponavljanja također imaju i važne strukturne uloge u genomu. Naprimjer, telomere su uglavnom sastavljeni od tandemskih TTAGGG ponavljanja. Ovi ponovci se savijaju u visoko organizovane G kvadripleksne strukture koje štite krajeve hromosomske DNK od degradacije. Repetitive elements are enriched in the middle of chromosomes as well. Centromeres are the highly compact regions of chromosomes which join sister chromatids together and also allow the mitotic spindle to attach and separate sister chromatids during cell division. Centromere se sastoje od tandemskog ponavljanja od 177 baznih parova nazvanog α-satelitsko ponavljanje. Pericentromerni heterohromatin, DNK koja okružuje centromeru i važna je za održavanje strukture, sastoji se od mješavine različitih satelitskih potporodica, uključujući α-, β- i γ-satelite, kao i HSATII, HSATIII i sn5 ponavljanja. thumb|350x350px|Tandemska i isprekidana ponavljanja Neke repetitivne sekvence, poput onih sa strukturnim ulogama o kojima je gore bilo riječi, imaju uloge neophodne za pravilno biološko funkcionisanje. Druga tandemska ponavljanja imaju štetne uloge koje uzrokuju bolesti. Međutim, mnoga druga tandemska ponavljanja imaju nepoznate ili slabo shvaćene funkcije.
Isprepletena ponavljanja Isprepletena ponavljanja su identične ili slične sekvence DNK koje se nalaze na različitim lokacijama u genomu. Isprepletena ponavljanja se razlikuju od tandemskih ponavljanja po tome što ponovljene sekvence nisu direktno jedna uz drugu, već mogu biti raspršene među različitim hromosomima ili daleko jedna od druge na istom hromosomu. Većina isprepletenih ponavljanja su transpozabilni elementi (TE), mobilne sekvence koje se mogu "izrezati i zalijepiti" ili "kopirati i zalijepiti" na različita mjesta u genomu. TE su prvobitno nazivani "skačućim genima" zbog svoje sposobnosti kretanja, ali ovaj termin je donekle obmanjujući jer nisu svi TE diskretni geni.
Transpozabilni elementi koji se transkribiraju u RNK, reverzno transkribiraju u DNK, a zatim reintegriraju u genom nazivaju se retrotranspozoni. Kao što se tandemska ponavljanja dalje potkategoriziraju na osnovu dužine ponavljajuće sekvence, postoji mnogo različitih tipova retrotranspozona. Dugi isprekidani jedarni elementi (LINEs) su obično dužine 3–7 kilobaza. Kratki isprekidani nuklearni elementi (SINE) obično imaju 100–300 bp i nisu duži od 600 baznih parova. Retrotranspozoni s dugim terminalnim ponavljanjem (LTR) su treća glavna klasa retrotranspozona i karakteriziraju ih visoko ponavljajuće sekvence kao krajevi ponavljanja. Kada transpozabilni element ne prolazi kroz RNK kao međuprodukt, naziva se DNK transpozon. Ostali klasifikacijski sistemi nazivaju retrotranspozone transpozonima "klase I", a DNK transpozone transpozonima "klase II" transpozonima. Procjenjuje se da transpozonski elementi čine 45% ljudskog genoma. Budući da nekontrolirano širenje TE može izazvati haos u genomu, mnogi regulatorni mehanizmi su evoluirali, kako bi utišali njihovo širenje, uključujući metilaciju DNK, modifikacije histona, nekodirajuće RNK (ncRNK), uključujući male interferirajuće RNK (siRNK), remodelere hromatina, varijante histona i druge epigenetičke faktore. Međutim, TE imaju širok spektar važnih bioloških funkcija. Kada se TE unesu u novog domaćina, kao što je iz virusa, oni povećavaju genetičku raznolikost. U nekim slučajevima, organizmi domaćini pronalaze nove funkcije za proteine koji nastaju ekspresijom TE u evolucijskom procesu koji se naziva TE eksaptacija. Nedavna istraživanja također sugeriraju da TE služe za održavanje strukture hromatina višeg reda i 3D organizacije genoma. Nadalje, TE doprinose regulaciji ekspresije drugih gena služeći kao distalni pojačivači i mjesta vezivanja transkripcijskih faktora.
Prevalencija isprekidanih elemenata u genomu privukla je pažnju za daljnja istraživanja o njihovom porijeklu i funkcijama. Neki specifični isprekidani elementi su okarakterizirani, kao što su Alu ponavljanje i LINE1.
Intrahromozomska rekombinacija
Utvrđeno je da se homologna rekombinacija između hromosomskih ponovljenih sekvenci u somatskim ćelijama Nicotiana tabacum povećava izlaganjem mitomicinu C, bifunkcionalnom alkilirajućem agensu koji umrežava DNK lance. Ovo povećanje rekombinacije pripisano je povećanoj intrahromosomskoj rekombinacijskoj popravci. Ovim procesom, DNK oštećena mitomicinom C u jednoj sekvenci se popravlja korištenjem netaknutih informacija iz druge ponovljene sekvence.
Direktna i invertovana ponavljanja Dok se tandemska i isprekidana ponavljanja razlikuju na osnovu njihove lokacije u genomu, direktna i invertovana ponavljanja se razlikuju na osnovu redoslijeda nukleotidnih baza. Direktna ponavljanja se javljaju kada se nukleotidna sekvenca ponavlja sa istim smjerom. Invertovana ponavljanja se javljaju kada se nukleotidna sekvenca ponavlja u inverznom smjeru. Naprimjer, direktno ponavljanje "CATCAT" bi bilo još jedno ponavljanje "CATCAT". Nasuprot tome, invertovano ponavljanje bi bilo "ATGATG". Kada nema nukleotida koji razdvajaju invertovano ponavljanje, kao što je "CATCATATGATG", sekvenca se naziva palindromsko ponavljanje. Invertovana ponavljanja mogu igrati strukturne uloge u DNK i RNK, formirajući petlje stabljike i kruciforme.
Evolucijski nastanak mejoze
Evolucijsko porijeklo mejoze seksualne reprodukcije smatra se dugogodišnjom evolucijskom enigmom. Kod prokariota, lateralni transfer gena pojavio se kao rano evoluirani oblik seksualne interakcije. Međutim, ponavljajuće sekvence u prokariotskoj DNK ograničavaju efikasnost lateralnog transfera gena u uklanjanju štetnih mutacija,, kao i ograničavaju tačnu popravku oštećenja DNK (prirodnih) putem homologne rekombinacije. Colnoghi et al. pretpostavili su da takva ograničenja blagotvornih efekata seksualne interakcije kod prokariota pogoduju evoluciji mejotskog spola i time pojavi eukariota. Zaključeno je da je prelazak na homologno sparivanje duž linearnih hromosoma koji se javlja tokom mejoze bila ključna inovacija u mejotskoj seksualnoj reprodukciji, a ova inovacija je bila instrumentalna u evolucijskom širenju eukariotskih genoma, koje je olakšao povećanu funkcionalnu i morfološku složenost.
Ponavljajuće sekvence u ljudskim bolestima Kod ljudi, neke ponovljene DNK sekvence su povezane s bolestima. Konkretno, tandemske ponovljene sekvence su osnova nekoliko ljudskih bolesnih stanja, posebno bolesti trinukleotidnog ponavljanja kao što su Huntingtonova bolest, sindrom fragilnog X, unekoliko i spinocerebelarna ataksija, miotonusna distrofija i Friedreichova ataksija. Ekspanzija trinukleotidnih ponavljanja u germlinije tokom uzastopnih generacija može dovesti do sve težih manifestacija bolesti. Ova ekspanzija trinukleotidnih ponavljanja može se desiti kroz pogrešno sparivanje lanca tokom replikacijea DNK ili tokom sinteze oštećene DNK. Primijećeno je da geni koji sadrže patogena CAG ponavljanja često kodiraju proteine koji sami imaju ulogu u odgovoru na oštećenja DNK i da ekspanzija ponavljanja može oštetiti specifične puteve popravke DNK. Neispravan popravak oštećenja DNK u ponovljenim sekvencama može uzrokovati daljnje širenje tih sekvenci, čime se stvara začarani krug patologije.
Huntingtonova bolest thumb|280x280px|Slika ponovljene sekvence DNK kod Huntingtonove bolesti.