Transposoner ( eng. transposable element, transposon ) er dele af DNA'et fra organismer, der er i stand til bevægelse (transposition) og reproduktion inden for genomet [1] . Transposoner er også kendt som "hoppende gener" og er eksempler på transponerbare genetiske elementer .
Transposoner refererer formelt til den såkaldte ikke-kodende del af genomet - en, der i sekvensen af DNA-basepar ikke bærer information om proteiners aminosyresekvenser, selvom nogle klasser af mobile elementer indeholder information om enzymer i deres sekvens transskriberes og katalyserer bevægelser; for eksempel koder DNA-transposoner og DDP-1 for proteinerne transposase , BORS1 og BORS2 . Hos forskellige arter er transposoner fordelt i varierende grad: for eksempel udgør transposoner hos mennesker op til 45% af hele DNA-sekvensen, hos frugtfluen Drosophila melanogaster udgør delen af transponerbare elementer kun 15-20% af hele genomet [2] . I planter kan transposoner optage hovedparten af genomet, for eksempel i majs ( Zea mays ), med en genomstørrelse på 2,3 milliarder basepar, er mindst 85% forskellige transponerbare elementer [3] .
Barbara McClintock studerede variationer i farven på korn og blade af majs, og i 1948 kom hun gennem cytologiske og genetiske undersøgelser til den konklusion, at mobile DNA-fragmenter, Ac/Ds - elementer, fører til somatisk mosaicisme af planter [4] . Hun var den første til at bevise, at det eukaryote genom ikke er statisk, men indeholder områder, der kan bevæge sig. I 1983 modtog Barbara McClintock Nobelprisen for dette arbejde [5] .
Selvom transposoner blev opdaget i 1940'erne , blev det først et halvt århundrede senere klart, hvor stor deres andel i genomet af organismer var. Således viste opnåelse af den første nukleotidsekvens ( sekventering ) af det humane genom, at der er mindst 50% af mobile elementer i DNA-sekvensen. Et nøjagtigt skøn er svært at opnå, fordi nogle transposonregioner har ændret sig så meget over tid, at de ikke kan identificeres med sikkerhed [6] .
Da transposoner har potentiale til at forårsage skadelige mutationer og kromatinnedbrydninger , har man siden opdagelsen af transposerbare elementer ment, at deres virkning er reduceret til genomisk parasitisme. Men i begyndelsen af det 21. århundrede dukker der flere og flere data op om de mulige gavnlige virkninger af transposoner for organismer [7] , om retrotransposoners evolutionære indflydelse på placentapattedyrs genom [8] . Identificerer organismers anvendelse af transposoner. For eksempel er DDP-1 retrotransposon RNA involveret i dannelsen af heterochromatin under X-kromosom inaktivering [9] . Frugtfluen mangler telomerase , men bruger i stedet retrotransposon revers transkriptase til at forlænge telomere regioner, som hos Drosophila melanogaster er transposon-gentagelser [10] [11] .
Transponerbare genetiske elementer refererer til gentagne elementer i genomet - dem, der har flere kopier i en celles DNA-sekvens . Gentagne elementer af genomet kan lokaliseres i tandem ( mikrosatellitter , telomerer osv.) og kan spredes gennem genomet (mobile elementer, pseudogener , etc.) [12] .
Mobile genetiske elementer i henhold til typen af transposition kan opdeles i to klasser: DNA-transposoner , som bruger "klip og indsæt"-metoden, og retrotransposoner , hvis bevægelse i sin algoritme har syntesen af RNA fra DNA , efterfulgt af omvendt syntese af DNA fra et RNA-molekyle, det vil sige metoden "kopier og indsæt".
Transposoner kan også opdeles efter graden af autonomi. Både DNA-transposoner og retrotransposoner har autonome og ikke-autonome elementer. Ikke-autonome elementer til transposition kræver enzymer, der er kodet af autonome elementer, som ofte indeholder væsentligt ændrede transposonregioner og yderligere sekvenser. Antallet af ikke-autonome transposoner i genomet kan betydeligt overstige antallet af autonome [13] .
DNA-transposoner bevæger sig rundt i genomet på en cut-and-paste måde takket være et kompleks af enzymer kaldet transposase [1] . Information om aminosyresekvensen af transposaseproteinet er kodet i sekvensen af transposonet. Derudover kan denne DNA-region indeholde andre sekvenser forbundet med transposonet, såsom gener eller dele deraf. De fleste DNA-transposoner har en ufuldstændig sekvens. Sådanne transposoner er ikke autonome og bevæger sig rundt i genomet på grund af en transposase, som er kodet af en anden, komplet, DNA-transposon [1] .
I enderne af DNA-transposonregionerne er omvendte gentagelser, som er specielle transposase-genkendelsessteder, der således adskiller denne del af genomet fra resten. Transposase er i stand til at lave dobbeltstrengede DNA-klip, skære og indsætte en transposon i mål-DNA'et [14] .
Ac/Ds planteelementer tilhører DNA-transposoner , som først blev opdaget af Barbara McClintock i majs. Ac -element ( eng. Activator ) er autonomt og koder for transposase. Der er flere typer Ds- elementer, der er i stand til at danne kromosombrud , og som bevæger sig gennem genomet på grund af Ac - elementer [15] .
Helitroner er en type transposon, der findes i planter , dyr og svampe , men som er meget til stede i majsgenomet, hvor den i modsætning til andre organismer findes i genrige dele af DNA [3] . Helitroner transponeres i henhold til den rullende cirkelmekanisme . Processen begynder med brud på en streng af DNA-transposonen. Den frigivne DNA-strækning invaderer målsekvensen, hvor der dannes en heterodupleks . Ved hjælp af DNA-replikation fuldføres introduktionen af transposonet i et nyt sted [16] .
Helitroner kan fange tilstødende sekvenser under transposition.
Retrotransposoner er mobile genetiske elementer, der bruger "copy and paste"-metoden til at sprede sig i dyrs genom [17] . Mindst 45% af det menneskelige genom består af retrotransposoner og deres derivater. Bevægelsesprocessen involverer det mellemliggende trin af et RNA- molekyle , som aflæses fra retrotransposonområdet, og som igen bruges som skabelon for omvendt transkription til en DNA-sekvens. Det nyligt syntetiserede retrotransposon indsættes i en anden region af genomet.
Pattedyrs aktive retrotransposoner er opdelt i tre hovedfamilier: Alu-gentagelser, DDP-1, SVA.
Mobile elementer af genomet er ret bredt repræsenteret i plante- og dyregenomer. Deres høje aktivitet er en risiko for stabiliteten af genomet , så deres ekspression er stramt reguleret, især i de væv , der er involveret i dannelsen af kønsceller og overførsel af arvelig information til efterkommere. Hos planter og dyr sker reguleringen af aktiviteten af mobile elementer i genomet ved de novo - methylering af DNA-sekvensen og aktiviteten af ikke-kodende RNA sammen med Argonaut-proteinkomplekser [23] .
Hovedrollen for små ikke-kodende RNA'er, der interagerer med pivi-komplekset eller piRNA , er at undertrykke transponerbare genomiske elementer i kimlinievæv. Denne rolle af piRNA er ret meget konserveret i dyr [24] .
Hos mus er mobile elementer af genomet under ontogenese overvejende i en inaktiv tilstand, hvilket opnås gennem epigenetiske interaktioner og aktiviteten af ikke-kodende RNA'er [25] . Under embryonal udvikling gennemgår det epigenetiske DNA-methyleringsmærke omprogrammering: forældremærker slettes, og nye etableres [26] . I denne periode spiller en del af argonautproteinerne - piwi-proteiner (Mili og Miwi2) - og ikke-kodende RNA'er, der interagerer med dem - piRNA - en nøglerolle i de novo undertrykkelse af muse-retrotransposoner ved DNA-methylering og ping-pong cyklus af piRNA-amplifikation og målsuppression [27] . Hvis mus mangler Mili- og Miwi2-proteiner, fører dette til aktivering af DDP-1 og LTP og standsning af gametogenese og sterilitet hos mænd [24] . Nyligt arbejde har vist, at hos fluen Drosophila melanogaster er SFG-1- proteinet en aktiv cofaktor i suppression .
Mekanismen for piRNA- induceret undertrykkelse af transposoner er ikke blevet fuldstændig belyst, men den kan repræsenteres skematisk af følgende model [28] :
I modsætning til vira , som bruger værten til at reproducere og er i stand til at forlade den, eksisterer mobile genetiske elementer udelukkende i værten. I et vist omfang er transposoner derfor i stand til at regulere deres aktivitet. Et eksempel på dette er Ac - DNA-transposoner - autonome mobile elementer af planter, der koder for deres egen transposase. Ac -elementer viser evnen til at reducere aktiviteten af transposase med en stigning i dens kopier [29] .
Også undertrykkelsen af planteautonome DNA-transposoner MuDR kan forekomme ved hjælp af Muk. Muk er en variant af MuDR og har flere palindromiske DNA-regioner i sin sekvens. Når Muk transskriberes, danner dette RNA en hårnål, som derefter skæres af et kompleks af enzymer til små interfererende RNA'er (siRNA'er), som dæmper MuDR-aktiviteten via RNA-interferensprocessen [29] .
Fra 2012 er 96 forskellige menneskelige sygdomme blevet dokumenteret, der er forårsaget af de novo -introduktion af mobile genetiske elementer [22] . Alu-gentagelser forårsager ofte kromosomafvigelser og er årsag til 50 typer sygdomme [30] . Så i neurofibromatosis type I blev der fundet 18 tilfælde af indlejrede retrotransposoner , hvoraf 6 forekommer på 3 specifikke steder. Aktiviteten af mobile elementer DDP-1 i somatiske væv blev registreret hos patienter med lungekræft [22] .
Hvis transponeringen, der forårsager sygdomme, sker i kønscellerne , så arver de følgende generationer sygdommene. Så hæmofili kan forekomme på grund af indsættelsen af DDP-1-retrotransposonet i DNA-regionen, der koder for koagulationsfaktor VIII -genet . Hos mus blev tilfælde af onkogenese, udviklingsstop og sterilitet registreret på grund af indsættelsen af mobile elementer i genomet [30] .
Nogle stadier af udviklingen af organismer var forårsaget af aktiviteten af mobile elementer i genomet. Allerede den første nukleotidsekvens af det menneskelige genom beviste, at mange gener var derivater af transposoner [6] . Mobile elementer af genomet kan påvirke organisationen af genomet ved at rekombinere genetiske sekvenser og være en del af sådanne fundamentale strukturelle elementer af kromatin som centromerer og telomerer [31] . Transponerbare elementer kan påvirke nabogener ved at ændre mønstre ( mønstre ) af splejsning og polyadenylering eller fungere som forstærkere eller promotorer [13] . Transposoner kan påvirke genernes struktur og funktion ved at slukke og ændre funktioner, ændre strukturen af gener, mobilisere og reorganisere genfragmenter og ændre den epigenetiske kontrol af gener [16] .
Transposonreplikation kan forårsage nogle sygdomme, men på trods af dette blev transposoner ikke fjernet under evolutionen og forblev i DNA -sekvenserne af næsten alle organismer, enten i form af hele kopier, der kunne bevæge sig langs DNA'et, eller i en forkortet form, efter at have mistet evnen til at bevæge sig. Men trunkerede kopier kan også deltage i sådanne processer som post-transkriptionel regulering af gener, rekombination osv. [31] Et andet vigtigt punkt i transposonernes potentielle evne til at påvirke udviklingshastigheden er, at deres regulering afhænger af epigenetiske faktorer. Dette fører til transposoners evne til at reagere på miljøændringer og forårsage genetisk ustabilitet [31] . Ved stress aktiveres transposoner enten direkte eller ved at reducere deres undertrykkelse af argonautproteiner og piRNA'er [13] . I planter er mobile genetiske elementer meget følsomme over for forskellige typer stress; deres aktivitet kan påvirkes af adskillige abiotiske og biotiske faktorer , herunder saltholdighed , skade, kulde, varme, bakterielle og virale infektioner [16] .
En anden mulig mekanisme for udviklingen af organismers genomer er horisontal genoverførsel - processen med at overføre gener mellem organismer, der ikke er i et "forfader-efterkommer"-forhold. Der er bevis for, at interaktioner mellem parasitære organismer og dyreværter kan føre til horisontal transposon-assisteret genoverførsel, der har fundet sted mellem hvirveldyr og hvirvelløse dyr [32] .
Pattedyrs erhvervet immunitet menes at være opstået i kæbefisk for cirka 500 millioner år siden [33] . Erhvervet immunitet tillader dannelsen af antistoffer mod mange typer patogener , der kommer ind i kroppen af pattedyr, herunder mennesker. For at danne forskellige antistoffer ændrer celler i immunsystemet DNA-sekvensen ved somatisk rekombination ved hjælp af et system, der opstod og udviklede sig på grund af mobile elementer i genomet [33] .
Neuroner , celler i nervesystemet, kan have et mosaikgenom , det vil sige, at deres DNA-sekvens adskiller sig fra DNA-sekvensen af andre celler, selvom de alle er dannet fra en forløbercelle - en zygote . Hos rotter har specielt indsatte humane DDP-1 retrotransposoner vist sig at være aktive selv i voksenalderen. Også en stigning i kopier af DDP-1 retrotransposoner i neuronerne i nogle dele af hjernen , især hypothalamus , blev registreret i sammenligning med andre væv hos voksne [34] . Det har også vist sig, at mobile elementer fører til heterogenitet i neuronerne hos fluen Drosophila melanogaster [2] . Aktiviteten af mobile elementer i neuroner kan føre til synaptisk plasticitet og større variation i adfærdsreaktioner [7] .
DNA-sekvenserne af generne for telomerase og DDP-1 retrotransposoner har en høj homologi, hvilket indikerer muligheden for oprindelsen af telomerase fra retrotransposoner [1] .
Planter har en meget høj grad af genomudvikling, derfor er virkningerne af transponerbare elementer, der opstod som et resultat af domesticering , da det skete for nylig, bedst kendt, og disse ændringer er nemme at identificere, da de egenskaber, som dyrkede planter var udvalgte er kendte [16] . Et eksempel kunne være erhvervelsen af en oval form af den romerske tomat Solanum lycopersicum . Genet, som er placeret på SUN- locuset , blev flyttet ved retrotransposition til en anden DNA-region, hvor det reguleres af forskellige promotorsekvenser i ovale tomater [16] .
Da transponerbare elementer af genomet er i stand til at integreres i kromatin , bruges de i genteknologi til den specifikke og kontrollerede indsættelse af gener eller dele af DNA, som forskere studerer. Transposoner bruges til mutagenese og til at bestemme de regulatoriske elementer i genomet i laboratorier.
Det bedst kendte system for indført in vivo mutagenese er det P-mobile element af fluen D. melanogaster , som kan bruges til at studere genfunktioner, etablering af kromosomafvigelser osv. [35]
Hos hvirveldyr var der i lang tid ingen effektiv metode til transposonmodifikation af genomet. Der er nu et Tol2-transponerbart elementsystem afledt af den japanske fisk Oryzias latipes , som bruges i både mus og menneskelige cellelinjer [35] . Minos-transposonsystemet [36] er også vellykket .
Tornerose-transposonsystemet blev skabt baseret på DNA-sekvensen af en fisketransposase . Succesfuld brug af dette system i mus har gjort det muligt at identificere kandidater til humane tyktarmskræft-onkogener [37] .
Udover brugen af transposoner i genteknologi er studiet af transposonaktivitet en metode til fylogenetik . Ved at analysere og sammenligne nukleotidsekvenserne af genomerne fra forskellige arter kan man finde transposoner, der er til stede i nogle arter, men fraværende i andre. Arter, der deler den samme retrotransposon, har højst sandsynligt fået det fra en fælles forfader. Det er således muligt at få information om arternes evolutionære udvikling og bygge fylogenetiske træer [38] .
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
Genetik : gentagne sekvenser | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tandem gentager sig |
| ||||||||||||
Dispergerede gentagelser |
| ||||||||||||
Genomisk ø | Genomisk ø |