Transposoner ( eng. transposable element, transposon ) är delar av DNA från organismer som kan förflyttas (transposition) och reproduktion inom genomet [1] . Transposoner är också kända som "hoppande gener" och är exempel på transposerbara genetiska element .
Transposoner hänvisar formellt till den så kallade icke-kodande delen av genomet - en som i sekvensen av DNA-baspar inte bär information om proteiners aminosyrasekvenser, även om vissa klasser av mobila element innehåller information om enzymer i deras sekvens transkriberas och katalyserar rörelser; till exempel kodar DNA-transposoner och DDP-1 för proteinerna transposas , BORS1 och BORS2 . Hos olika arter är transposoner fördelade i olika grad: hos människor utgör exempelvis transposoner upp till 45 % av hela DNA-sekvensen, hos fruktflugan Drosophila melanogaster utgör delen av transposerbara element endast 15–20 % av hela genomet [2] . I växter kan transposoner uppta huvuddelen av genomet, till exempel i majs ( Zea mays ), med en genomstorlek på 2,3 miljarder baspar, är minst 85 % olika transponerbara element [3] .
Barbara McClintock studerade variationer i färgen på spannmål och blad på majs, och 1948, genom cytologiska och genetiska studier, kom hon till slutsatsen att mobila DNA-fragment, Ac/Ds- element, leder till somatisk mosaicism av växter [4] . Hon var den första som bevisade att det eukaryota genomet inte är statiskt, utan innehåller regioner som kan röra sig. 1983 fick Barbara McClintock Nobelpriset för detta arbete [5] .
Även om transposoner upptäcktes på 1940 -talet , blev det bara ett halvt sekel senare klart hur stor deras andel i genomet av organismer var. Att erhålla den första nukleotidsekvensen ( sekvensering ) av det mänskliga genomet visade att det finns minst 50 % av mobila element i DNA-sekvensen. En exakt uppskattning är svår att få eftersom vissa transposonregioner har förändrats så mycket över tiden att de inte kan identifieras med säkerhet [6] .
Eftersom transposoner har potential att orsaka skadliga mutationer och kromatinnedbrytningar , sedan upptäckten av transposerbara element, har det ansetts att deras verkan reduceras till genomisk parasitism. Men i början av 2000-talet dyker det upp mer och mer data om de möjliga fördelaktiga effekterna av transposoner för organismer [7] , om retrotransposonernas evolutionära inflytande på genomet hos placenta däggdjur [8] . Identifierar användningen av transposoner av organismer. Till exempel är DDP-1 retrotransposon RNA involverad i bildandet av heterokromatin under X-kromosominaktivering [9] . Fruktflugan saknar telomeras , men använder istället retrotransposon omvänt transkriptas för att förlänga telomera regioner, som hos Drosophila melanogaster är transposonupprepningar [10] [11] .
Transponerbara genetiska element hänvisar till repetitiva element i genomet - de som har flera kopior i en cells DNA-sekvens . Repetitiva element av genomet kan lokaliseras i tandem ( mikrosatelliter , telomerer , etc.) och kan spridas genom genomet (mobila element, pseudogener , etc.) [12] .
Mobila genetiska element beroende på typen av transposition kan delas in i två klasser: DNA-transposoner , som använder "klipp och klistra"-metoden, och retrotransposoner , vars rörelse har i sin algoritm syntesen av RNA från DNA , följt av omvänd syntes av DNA från en RNA-molekyl, det vill säga metoden "kopiera och klistra in".
Transposoner kan också delas in efter graden av autonomi. Både DNA-transposoner och retrotransposoner har autonoma och icke-autonoma element. Icke-autonoma element för transponering kräver enzymer som kodas av autonoma element, som ofta innehåller signifikant förändrade transposonregioner och ytterligare sekvenser. Antalet icke-autonoma transposoner i genomet kan avsevärt överstiga antalet autonoma [13] .
DNA-transposoner rör sig runt genomet på ett klipp-och-klistra sätt tack vare ett komplex av enzymer som kallas transposas [1] . Information om aminosyrasekvensen för transposasproteinet kodas i sekvensen för transposonet. Dessutom kan denna DNA-region innehålla andra sekvenser associerade med transposonet, såsom gener eller delar därav. De flesta DNA-transposoner har en ofullständig sekvens. Sådana transposoner är inte autonoma och rör sig runt genomet på grund av ett transposas, som kodas av ett annat, komplett, DNA-transposon [1] .
I ändarna av DNA-transposonregionerna finns inverterade upprepningar, som är speciella transposasigenkänningsställen, vilket skiljer denna del av genomet från resten. Transposas kan göra dubbelsträngade DNA-snitt, skära och infoga ett transposon i mål-DNA:t [14] .
Ac/Ds växtelement tillhör DNA-transposoner , som först upptäcktes av Barbara McClintock i majs. Ac -element ( eng. Activator ) är autonomt och kodar för transposas. Det finns flera typer av Ds- element som är kapabla att bilda kromosomavbrott och som rör sig genom genomet på grund av Ac- element [15] .
Helitroner är en typ av transposon som finns i växter , djur och svampar , men som finns i stor utsträckning i majsgenomet, där den, till skillnad från andra organismer, finns i genrika delar av DNA [3] . Helitroner transponeras enligt den rullande cirkelmekanismen . Processen börjar med att en sträng av DNA-transposonet går sönder. Den frigjorda DNA-sträckan invaderar målsekvensen, där ett heteroduplex bildas . Med hjälp av DNA-replikation fullbordas införandet av transposonet i en ny plats [16] .
Helitroner kan fånga intilliggande sekvenser under transponering.
Retrotransposoner är mobila genetiska element som använder metoden "kopiera och klistra in" för att spridas i genomet hos djur [17] . Minst 45 % av det mänskliga genomet består av retrotransposoner och deras derivat. Rörelseprocessen involverar det mellanliggande steget av en RNA- molekyl , som läses från retrotransposonregionen och som i sin tur används som en mall för omvänd transkription till en DNA-sekvens. Det nysyntetiserade retrotransposonet sätts in i en annan region av genomet.
Aktiva retrotransposoner från däggdjur är indelade i tre huvudfamiljer: Alu-repetitioner, DDP-1, SVA.
Mobila delar av genomet är ganska brett representerade i växt- och djurgenom. Deras höga aktivitet är en risk för genomets stabilitet , så deras uttryck är hårt reglerat, särskilt i de vävnader som är involverade i bildandet av könsceller och överföringen av ärftlig information till ättlingar. Hos växter och djur sker regleringen av aktiviteten av mobila element i genomet genom de novo - metylering av DNA-sekvensen och aktiviteten av icke-kodande RNA tillsammans med Argonaut-proteinkomplex [23] .
Huvudrollen för små icke-kodande RNA som interagerar med pivi-komplexet, eller piRNA , är att undertrycka transposerbara genomiska element i könscellers vävnader. Denna roll för piRNA är ganska högt bevarad i djur [24] .
Hos möss är mobila element i genomet under ontogenesen övervägande i ett inaktivt tillstånd, vilket uppnås genom epigenetiska interaktioner och aktiviteten av icke-kodande RNA [25] . Under embryonal utveckling genomgår det epigenetiska DNA-metyleringsmärket omprogrammering: föräldramärken raderas och nya etableras [26] . Under denna period spelar en del av argonautproteinerna - piwi-proteiner (Mili och Miwi2) - och icke-kodande RNA som interagerar med dem - piRNA - en nyckelroll i de novo -undertryckandet av musretrotransposoner genom DNA-metylering och pingis cykel av piRNA-amplifiering och målsuppression [27] . Om möss saknar Mili- och Miwi2-proteiner, leder detta till aktivering av DDP-1 och LTP och stoppande av gametogenes och sterilitet hos män [24] . Nyligen arbete har visat att hos flugan Drosophila melanogaster är SFG-1- proteinet en aktiv cofaktor vid suppression .
Mekanismen för piRNA- inducerad undertryckning av transposoner har inte klarlagts helt, men den kan representeras schematiskt av följande modell [28] :
Till skillnad från virus , som använder värden för att reproducera och kan lämna den, existerar mobila genetiska element uteslutande i värden. Till viss del kan därför transposoner reglera sin verksamhet. Ett exempel på detta är Ac - DNA-transposoner - autonoma mobila element av växter som kodar för sitt eget transposas. Ac -element visar förmågan att minska aktiviteten av transposas med en ökning av dess kopior [29] .
Även undertryckandet av växtautonoma DNA-transposoner MuDR kan ske med hjälp av Muk. Muk är en variant av MuDR och har flera palindromiska DNA-regioner i sin sekvens. När Muk transkriberas bildar detta RNA en hårnål, som sedan skärs av ett komplex av enzymer till små störande RNA (siRNA), som tystar MuDR-aktiviteten via RNA-interferensprocessen [29] .
Från och med 2012 har 96 olika mänskliga sjukdomar dokumenterats som orsakas av de novo introduktion av mobila genetiska element [22] . Alu-repetitioner orsakar ofta kromosomavvikelser och är orsaken till 50 typer av sjukdomar [30] . Så vid neurofibromatos typ I hittades 18 fall av inbäddade retrotransposoner , varav 6 förekommer på 3 specifika platser. Aktiviteten av mobila element DDP-1 i somatiska vävnader registrerades hos patienter med lungcancer [22] .
Om transponeringen som orsakar sjukdomar sker i gameter , ärver de följande generationerna sjukdomarna. Så, blödarsjuka kan uppstå på grund av införandet av DDP-1-retrotransposonet i DNA-regionen som kodar för koagulationsfaktor VIII -genen . Hos möss registrerades fall av onkogenes, utvecklingsstopp och sterilitet på grund av införandet av mobila element i genomet [30] .
Vissa stadier av evolutionen av organismer orsakades av aktiviteten hos mobila element i genomet. Redan den första nukleotidsekvensen i det mänskliga genomet bevisade att många gener var derivat av transposoner [6] . Mobila element i genomet kan påverka genomets organisation genom att rekombinera genetiska sekvenser och vara en del av sådana grundläggande strukturella element av kromatin som centromerer och telomerer [31] . Transposerbara element kan påverka närliggande gener genom att ändra mönster ( mönster ) av splitsning och polyadenylering eller fungera som förstärkare eller promotorer [13] . Transposoner kan påverka geners struktur och funktion genom att stänga av och ändra funktioner, ändra strukturen av gener, mobilisera och omorganisera genfragment och förändra den epigenetiska kontrollen av gener [16] .
Transposonreplikation kan orsaka vissa sjukdomar, men trots detta togs transposonerna inte bort under evolutionen och fanns kvar i DNA- sekvenserna hos nästan alla organismer, antingen i form av hela kopior som kunde röra sig längs DNA:t, eller i förkortad form, efter att ha förlorat förmågan att röra sig. Men trunkerade kopior kan också delta i sådana processer som post-transkriptionell reglering av gener, rekombination, etc. [31] En annan viktig punkt i transposonernas potentiella förmåga att påverka evolutionens hastighet är att deras reglering beror på epigenetiska faktorer. Detta leder till transposonernas förmåga att svara på miljöförändringar och orsaka genetisk instabilitet [31] . Vid stress aktiveras transposoner antingen direkt eller genom att minska deras undertryckande av argonautproteiner och piRNAs [13] . I växter är mobila genetiska element mycket känsliga för olika typer av stress; deras aktivitet kan påverkas av många abiotiska och biotiska faktorer , inklusive salthalt , skador, kyla, värme, bakteriella och virusinfektioner [16] .
En annan möjlig mekanism för utvecklingen av organismers genom är horisontell genöverföring - processen att överföra gener mellan organismer som inte är i ett "förfader-ättling"-förhållande. Det finns bevis för att interaktioner mellan parasitiska organismer och djurvärdar kan leda till horisontell transposonassisterad genöverföring som har skett mellan ryggradsdjur och ryggradslösa djur [32] .
Däggdjursförvärvad immunitet tros ha sitt ursprung i käkfiskar för ungefär 500 miljoner år sedan [33] . Förvärvad immunitet tillåter bildandet av antikroppar för många typer av patogener som kommer in i kroppen hos däggdjur, inklusive människor. För att bilda olika antikroppar ändrar celler i immunsystemet DNA-sekvensen genom somatisk rekombination med hjälp av ett system som uppstod och utvecklades på grund av mobila element i genomet [33] .
Neuroner , celler i nervsystemet, kan ha ett mosaikgenom , det vill säga deras DNA-sekvens skiljer sig från DNA-sekvensen för andra celler, även om de alla bildades från en prekursorcell - en zygot . Hos råttor har speciellt insatta humana DDP-1 retrotransposoner visat sig vara aktiva även i vuxen ålder. Dessutom registrerades en ökning av kopior av DDP-1 retrotransposoner i neuronerna i vissa delar av hjärnan , särskilt hypotalamus , i jämförelse med andra vävnader hos vuxna [34] . Det har också visat sig att mobila element leder till heterogenitet i neuronerna hos flugan Drosophila melanogaster [2] . Aktiviteten hos mobila element i neuroner kan leda till synaptisk plasticitet och större variation i beteendesvar [7] .
DNA-sekvenserna för generna för telomeras- och DDP-1-retrotransposoner har en hög homologi, vilket indikerar möjligheten till ursprunget för telomeras från retrotransposoner [1] .
Växter har en mycket hög grad av genomevolution, därför är effekterna av transposerbara element som uppstod som ett resultat av domesticering , eftersom det hände nyligen, mest kända, och dessa förändringar är lätta att identifiera, eftersom de egenskaper som odlade växter var med valda är kända [16] . Ett exempel skulle vara förvärvet av en oval form av den romerska tomaten Solanum lycopersicum . Genen, som är belägen vid SUN- lokuset , flyttades genom retrotransposition till en annan DNA-region, där den regleras av olika promotorsekvenser i ovala tomater [16] .
Eftersom transposerbara element i genomet kan integreras i kromatin , används de i genteknik för den specifika och kontrollerade infogningen av gener eller delar av DNA som forskare studerar. Transposoner används för mutagenes och för att bestämma de reglerande delarna av genomet i laboratorier.
Det mest kända systemet för införd in vivo mutagenes är det P-mobila elementet av flugan D. melanogaster , som kan användas för att studera genfunktioner, etablering av kromosomavvikelser , etc. [35]
Hos ryggradsdjur fanns det under lång tid ingen effektiv metod för transposonmodifiering av genomet. Det finns nu ett Tol2-transposerbart elementsystem härlett från den japanska fisken Oryzias latipes som används i både möss och mänskliga cellinjer [35] . Minos transposonsystem [36] är också framgångsrikt .
Transposonsystemet Törnrosa skapades baserat på DNA-sekvensen av ett fisktransposas . Framgångsrik användning av detta system i möss har gjort det möjligt att identifiera kandidater för humana koloncanceronkogener [37] .
Förutom användningen av transposoner i genteknik är studiet av transposonaktivitet en metod för fylogenetik . Genom att analysera och jämföra nukleotidsekvenserna för olika arters genom kan man hitta transposoner som finns i vissa arter men saknas i andra. Arter som delar samma retrotransposon har troligen fått det från en gemensam förfader. Således är det möjligt att få information om arternas evolutionära utveckling och bygga fylogenetiska träd [38] .
![]() | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Genetik : upprepade sekvenser | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tandem upprepar sig |
| ||||||||||||
Dispergerade upprepningar |
| ||||||||||||
Genomisk ö | Genomisk ö |