Мікросателіти, також відомі як прості повтори послідовності () або короткі тандемні повтори () — один з типів тандемних повторів, поліморфні ділянки ДНК геномів всіх або більшості організмів, що складаються з повторів 1-6 п.н (пар основ) довжиною (різні джерела вказують на довжину від 1-2 до 4-10 bp), що повторюються 5-50 раз. Вони зазвичай нейтральні, кодомінантні і зазвичай розташовані в районах некодуючої ДНК. Мікросателіти та довші мінісателіти, разом класифікуються як VNTR (variable number of tandem repeats) ДНК.
Мікросателіти виникають у тисячах місць у геномі організму. Вони мають більш високий рівень мутацій, ніж інші ділянки ДНК, що призводить до високої генетичної різноманітності. Варіабельність кількості повторів в одному мікросателіті приводить до того, що їх число є унікальним для кожного індивідуума, що дозволяє використання мікросателітів як генетичного маркера. Досліджуючи місцеположення мікросателітів та кількість повторів, можна скласти унікальний генетичний «профайл» або ідентифікаційний запис індивідуума. Зараз відомо понад 10 тис. мікросателітів в геномі людини, а їх аналіз широко використовується в методі генетичного фінґерпринтингу в кріміналістиці, для тесту на батьківство, при діагностиці раку та в інших прикладних та фундаментальних дослідженнях. Вони також використовуються в аналізі генетичного зв’язку, щоб знайти ген або мутацію, відповідальну за певну ознаку чи хворобу. Мікросателіти також використовуються в популяційній генетиці для вимірювання рівнів спорідненості між підвидами, групами та особинами.
Історія Хоча перший мікросателіт був охарактеризований у 1984 році в Університеті Лестера Веллером, Джеффрісом та колегами як поліморфний повтор GGAT в гені міоглобіну людини, термін «мікросателіт» був введений пізніше, у 1989 році, Літтом і Люті. Назва «сателітна» ДНК відноситься до ранніх спостережень, згідно з якими центрифугування геномної ДНК у пробірці відокремлює помітний шар маси ДНК від супутніх «супутникових» шарів повторюваної ДНК. Зростаюча доступність ампліфікації ДНК за допомогою ПЛР на початку 1990-х років викликала велику кількість досліджень з використанням ампліфікації мікросателітів як генетичних маркерів для судової медицини, для тестування на батьківство та для позиційного клонування для пошуку гена, що лежить в основі ознаки чи захворювання. Видатні ранні застосування включають ідентифікацію за допомогою мікросателітного генотипування останків восьмирічного скелету - британської жертви вбивства (Hagelberg et al. 1991), а також лікаря концтабору Аушвіц Йозефа Менгеле, який втік до Південної Америки після Другої світової війни (Jeffreys et al. 1992).
Структура та локація Мікросателіт — це ділянка тандемно повторюваних послідовностей ДНК, довжина яких коливається від одного до шести або до десяти нуклеотидів (точне визначення та розмежування до довших мінісателітів варіюється від автора до автора), що зазвичай повторюються 5–50 разів. Наприклад, послідовність TATATATATA є динуклеотидним мікросателітом, а GTCGTCGTCGTCGTC є тринуклеотидним мікросателітом (де A є аденіном, G - гуаніном, C - цитозином і T - тиміном). Повторювані одиниці з чотирьох і п'яти нуклеотидів називають тетра- і пентануклеотидними послідовностями відповідно. Більшість еукаріотів мають мікросателіти, за винятком деяких видів дріжджів. Мікросателіти розподілені по геному. Наприклад, геном людини містить 50 000–100 000 динуклеотидних мікросателітів і меншу кількість три-, тетра- та пентануклеотидних мікросателітів. Багато з них розташовані в некодуючих частинах геному людини і тому не продукують білки, але вони також можуть бути розташовані в регуляторних областях і кодуючих областях.
Початковий аналіз чорнової послідовності геному людини прийшов до висновку, що мікросателіти складають 3% геному. У геномі людини існує більше одного мільйона мікросателітних локусів. Це число також включає значну частку перерваних мікросателітів і багато, ймовірно, мономорфних. Домінують динуклеотидні повтори, за ними йдуть моно- і тетрануклеотидні повтори, найменше домінують тринуклеотидні повтори. Серед повторів довжиною щонайменше 12 п.о. мононуклеотидні повтори перевищують кількість динуклеотидних повторів. Серед динуклеотидів найчастіше зустрічаються повтори (CA)n, потім йдуть (AT)n, (GA)n і (GC)n, останній тип повторів зустрічається рідко.
Поширення Кількість мікросателітів позитивно корелює з розміром геному. Серед повністю секвенованих еукаріотичних геномів щільність мікросателітів найвища у ссавців. Однак у рослин частота мікросателітів негативно корелює з розміром геному. Це пояснюється тим фактом, що мікросателіти недостатньо представлені в повторюваних частинах геному рослин, які беруть участь у розширенні геному, таких як довгі кінцеві повтори - ретротранспозони.
У прокаріотів мікросателіти присутні в невеликій кількості. Це особливо вірно для довших повторів, для яких кількість нижча, ніж можна було б очікувати на основі нуклеотидного складу, що різко контрастує з ситуацією в еукаріотичних геномах. Навіть короткі прокаріотичні мікросателіти все ще можуть мати різну довжину. Незвичайно довгі мікросателіти іноді асоціюються з факторами вірулентності, і в цьому випадку вони діють як «перемикачі» трансляції та транскрипції; тому їх присутність підтримується позитивним відбором.
Функції Мікросателіти в некодуючих регіонах можуть не мати жодної конкретної функції, і тому їх не потрібно видаляти; це дозволяє їм безперешкодно накопичувати мутації протягом поколінь і створює мінливість, яку можна використовувати для зняття відбитків пальців ДНК та ідентифікації. Інші мікросателіти розташовані в регуляторних фланкуючих або інтронних областях генів, або безпосередньо в кодонах генів – мутації мікросателітів у таких випадках можуть призвести до фенотипових змін і захворювань, зокрема, у захворюваннях триплетного розширення, таких як синдром ламкої X-хромосоми та хвороба Гантінгтона.
Теломери — це лінійні послідовності ДНК, які розташовані на самих кінцях хромосом і захищають цілісність геномного матеріалу під час послідовних раундів поділу клітини через «проблему кінцевої реплікації». Було показано, що в білих кров’яних клітинах поступове скорочення теломерної ДНК зворотно корелює зі старінням у кількох типах зразків. Теломери складаються з повторюваної ДНК з гексануклеотидним повторюваним мотивом TTAGGG у хребетних. Тому їх класифікують як мінісателіти. Подібним чином комахи мають коротші повторювані мотиви в своїх теломерах, які, можливо, можна вважати мікросателітами.
Механізми мутацій На відміну від точкових мутацій, які впливають лише на один нуклеотид, мікросателітні мутації призводять до отримання або втрати цілого повтору, а іноді двох або більше повторів одночасно. Таким чином, очікується, що частота мутацій в локусах мікросателітних буде відрізнятися від частот інших мутацій, таких як заміщення основ. Справжня причина мутацій у мікросателітах ще точно невідома, але активно обговорюється.
Однією з запропонованих причин таких змін довжини є порушення реплікації, спричинене невідповідностями між ланцюгами ДНК під час реплікації під час мейозу. ДНК-полімераза - фермент, що відповідає за зчитування ДНК під час реплікації, може зісковзнути під час руху вздовж матричного ланцюга із певного нуклеотиду, без його зчитування на інший та й продовжити зчитування неправильного нуклеотиду. Проскакування ДНК-полімерази більш імовірно, коли послідовність повторюється (наприклад, CGCGCG). Оскільки мікросателіти складаються із таких повторів, ДНК-полімераза може робити помилки з вищою частотою в цих областях послідовності ДНК. Кілька досліджень знайшли докази того, що ковзання є причиною мікросателітних мутацій. Як правило, зісковзування у кожній мікросателітній послідовності відбувається приблизно раз на 1000 поколінь. Таким чином, зміни за рахунок зісковзування у повторах ДНК є на три порядки більш поширеними, ніж точкові мутації в інших частинах геному. Більшість ковзань призводить до зміни лише одного повтору, а швидкість ковзання змінюється для різних довжин алелів і розмірів повторів, і в межах різних видів. Якщо існує велика різниця в розмірах між окремими алелями, то може бути підвищена нестабільність під час рекомбінації при мейозі.
Іншою можливою причиною мутацій у мікросателітах є точкові мутації, коли лише один нуклеотид неправильно копіюється під час реплікації. Дослідження, яке порівнювало геноми людини та приматів, виявило, що більшість змін у кількості повторів у коротких мікросателітах виникають через точкові мутації, а не через ковзання.
Частота мутацій Швидкість мутацій у мікросателітах змінюється залежно від положення основи відносно мікросателіта, типу повтору та ідентичності основи. Швидкість мутацій зростає, зокрема, з кількістю повторів, досягаючи максимуму приблизно від шести до восьми повторів, а потім знову знижуючись. Збільшення гетерозиготності в популяції також збільшить частоту мікросателітних мутацій, особливо коли між алелями існує велика різниця в довжині. Ймовірно, це пов’язано з тим, що гомологічні хромосоми з плечима різної довжини викликають нестабільність під час мейозу.
Прямі оцінки частоти мікросателітних мутацій були зроблені в багатьох організмах, від комах до людини. У пустельної сарани Schistocerca gregaria частота мікросателітних мутацій була оцінена в 2,1 x 10^-4 на покоління на локус. Швидкість мікросателітних мутацій у чоловічих зародкових лініях людини в п'ять-шість разів вища, ніж у жіночих зародкових лініях, і коливається від 0 до 7 x 10^-3 на локус на гамету на покоління. У нематоди Pristionchus pacificus оцінена частота мікросателітних мутацій коливається від 8,9 × 10^-5 до 7,5 × 10^-4 на локус на покоління.
Біологічні ефекти мікросателітних мутацій Багато мікросателітів розташовані в некодуючій ДНК і біологічно мовчазні. Інші розташовані в регуляторній або навіть кодуючій ДНК – мікросателітні мутації в таких випадках можуть призвести до фенотипових змін і захворювань. Загальногеномне дослідження оцінює, що мікросателітні варіації спричиняють 10–15% спадкових варіацій експресії генів у людей.
Ефекти на білки У ссавців від 20% до 40% білків містять повторювані послідовності амінокислот, закодовані короткими повторами послідовності. Більшість коротких повторів послідовності в частинах геному, що кодують білок, мають повторювану одиницю з трьох нуклеотидів, оскільки ця довжина не спричинить зсув рамки зчитування під час виникнення мутації. Кожна тринуклеотидна послідовність, що повторюється, транскрибується в повторювану серію тієї самої амінокислоти. У дріжджах найбільш поширеними повторними амінокислотами є глутамін, глутамінова кислота, аспарагін, аспарагінова кислота та серин.