A transzpozonok ( eng. transzponálható elem, transzpozon ) a genomon belüli mozgásra (transzpozícióra) és szaporodásra képes élőlények DNS- ének részei [1] . A transzpozonokat "ugró géneknek" is nevezik, és példái a transzponálható genetikai elemeknek .
A transzpozonok formálisan a genom úgynevezett nem kódoló részére utalnak – arra, amely a DNS-bázispárok szekvenciájában nem hordoz információt a fehérjék aminosav-szekvenciájáról, bár a mobil elemek egyes osztályai információkat tartalmaznak az enzimekről . szekvenciájuk , átíródnak és mozgásokat katalizálnak; például a DNS-transzpozonok és a DDP-1 a transzpozáz , BORS1 és BORS2 fehérjéket kódolják . A különböző fajokban a transzpozonok eltérő mértékben oszlanak meg: emberben például a transzpozonok a teljes DNS-szekvencia 45%-át teszik ki, a Drosophila melanogaster gyümölcslégyben a transzpozonok csak 15-20%-át teszik ki. teljes genom [2] . A növényekben a transzpozonok foglalhatják el a genom nagy részét, például a 2,3 milliárd bázispár genomméretű kukoricában ( Zea mays ) legalább 85%-a különböző transzponálható elemek [3] .
Barbara McClintock a kukorica szemeinek és leveleinek színváltozásait tanulmányozta, majd 1948-ban citológiai és genetikai vizsgálatok révén arra a következtetésre jutott, hogy a mobil DNS-fragmensek, az Ac/Ds elemek a növények szomatikus mozaikjához vezetnek [4] . Ő volt az első, aki bebizonyította, hogy az eukarióta genom nem statikus, hanem mozgásképes régiókat tartalmaz. 1983-ban Barbara McClintock Nobel-díjat kapott ezért a munkájáért [5] .
Bár a transzpozonokat az 1940 -es években fedezték fel , csak fél évszázaddal később derült ki, hogy mekkora arányuk van a szervezetek genomjában . Így a humán genom első nukleotidszekvenciájának ( szekvenálásának ) meghatározása azt mutatta, hogy a DNS-szekvenciában a mobil elemek legalább 50%-a van. Nehéz pontos becslést kapni, mivel egyes transzpozon régiók az idők során annyira megváltoztak, hogy nem azonosíthatók biztosan [6] .
Mivel a transzpozonok káros mutációkat és kromatinlebomlást okozhatnak , a transzponálható elemek felfedezése óta úgy gondolják, hogy hatásuk a genomi parazitizmusra redukálódik. De a 21. század elején egyre több adat jelenik meg a transzpozonok lehetséges jótékony hatásairól az élőlényekre [7] , a retrotranszpozonok evolúciós hatásáról a placentális emlősök genomjára [8] . A transzpozonok organizmusok általi felhasználását azonosítja. Például a DDP-1 retrotranszpozon RNS részt vesz a heterokromatin képződésében az X-kromoszóma inaktivációja során [9] . A gyümölcslégyből hiányzik a telomeráz , ehelyett retrotranszpozon reverz transzkriptázt használ a telomer régiók kiterjesztésére , amelyek a Drosophila melanogasterben transzpozon ismétlődések [10] [11] .
A transzponálható genetikai elemek a genomban ismétlődő elemekre utalnak – azokra, amelyek egy sejt DNS-szekvenciájában több másolatot tartalmaznak . A genom ismétlődő elemei párhuzamosan helyezkedhetnek el ( mikroszatelliták , telomerek stb.), és szétszóródhatnak a genomban (mobil elemek, pszeudogének stb.) [12] .
A mobil genetikai elemek a transzpozíció típusa szerint két osztályba sorolhatók: DNS-transzpozonok , amelyek a "kivágás és beillesztés" módszert használják, és retrotranszpozonok , amelyek mozgásának algoritmusa az RNS szintézise a DNS -ből , majd ezt követi a DNS fordított szintézise egy RNS-molekulából, vagyis a „másolás és beillesztés” módszer.
A transzpozonokat az autonómia foka szerint is fel lehet osztani. Mind a DNS-transzpozonok, mind a retrotranszpozonok rendelkeznek autonóm és nem autonóm elemekkel. A nem autonóm elemek transzpozíciójához olyan enzimekre van szükség, amelyeket autonóm elemek kódolnak, amelyek gyakran jelentősen megváltozott transzpozon régiókat és további szekvenciákat tartalmaznak. A genomban a nem autonóm transzpozonok száma jelentősen meghaladhatja az autonóm transzpozonok számát [13] .
A DNS -transzpozonok kivágás és beillesztés módon mozognak a genomban a transzpozáz nevű enzimkomplexumnak köszönhetően [1] . A transzpozáz fehérje aminosavszekvenciájára vonatkozó információkat a transzpozon szekvenciája kódolja. Ezenkívül ez a DNS-régió tartalmazhat más, a transzpozonhoz kapcsolódó szekvenciákat, például géneket vagy azok részeit. A legtöbb DNS-transzpozon szekvenciája nem teljes. Az ilyen transzpozonok nem önállóak, és egy transzpozáznak köszönhetően mozognak a genomban, amelyet egy másik, teljes DNS-transzpozon kódol [1] .
A DNS-transzpozon régiók végein fordított ismétlődések találhatók, amelyek speciális transzpozázfelismerési helyek, így megkülönböztetik a genom ezen részét a többitől. A transzpozáz képes kétszálú DNS-vágásokat készíteni, elvágni és transzpozont beépíteni a cél DNS-be [14] .
Az Ac/Ds növényi elemek a DNS-transzpozonokhoz tartoznak , amelyeket először Barbara McClintock fedezett fel kukoricában. Az Ac - elem ( eng. Activator ) autonóm, és a transzpozázt kódolja. Többféle Ds elem létezik, amelyek képesek kromoszómatörések kialakítására, és az Ac elemek hatására mozognak a genomon keresztül [15] .
A helitronok egyfajta transzpozon, amely növényekben , állatokban és gombákban található , de széles körben jelen van a kukorica genomjában, ahol más organizmusokkal ellentétben a DNS génben gazdag részein található [3] . A helitronokat a gördülőkör mechanizmusa szerint transzponáljuk . A folyamat a DNS-transzpozon egyik szálának elszakadásával kezdődik. A felszabaduló DNS szakasz behatol a célszekvenciába, ahol heteroduplex képződik . A DNS-replikáció segítségével a transzpozon új helyre történő bejuttatása befejeződik [16] .
A helitronok a transzponálás során képesek befogni a szomszédos szekvenciákat.
A retrotranszpozonok olyan mobil genetikai elemek, amelyek a "másolás és beillesztés" módszert használják az állatok genomjában való terjedésre [17] . Az emberi genom legalább 45%-a retrotranszpozonokból és származékaikból áll. A mozgási folyamat magában foglalja egy RNS -molekula közbenső lépését , amelyet a retrotranszpozon régióból olvasnak ki, és amelyet viszont templátként használnak a DNS-szekvenciák reverz transzkripciójához . Az újonnan szintetizált retrotranszpozont a genom egy másik régiójába építik be.
Az emlős aktív retrotranszpozonok három fő családra oszthatók: Alu ismétlődések, DDP-1, SVA.
A genom mobil elemei meglehetősen széles körben képviseltetik magukat a növényi és állati genomokban. Magas aktivitásuk kockázatot jelent a genom stabilitására nézve , ezért expressziójuk szigorúan szabályozott, különösen azokban a szövetekben , amelyek részt vesznek az ivarsejtek kialakulásában és az öröklődő információk utódoknak való továbbításában. Növényekben és állatokban a genom mobil elemeinek aktivitásának szabályozása a DNS-szekvencia de novo - metilációjával és a nem kódoló RNS aktivitásával argonaut-fehérje komplexekkel együtt történik [23] .
A pivi komplexszel vagy piRNS -sel kölcsönhatásba lépő kis, nem kódoló RNS-ek fő szerepe az , hogy elnyomják a transzponálható genomiális elemeket a csíravonal szöveteiben. A piRNS-nek ez a szerepe meglehetősen konzervált állatokban [24] .
Egerekben a genom mobil elemei az ontogenezis során túlnyomórészt inaktív állapotban vannak, ami epigenetikai kölcsönhatásokon és a nem kódoló RNS-ek aktivitásán keresztül érhető el [25] . Az embrionális fejlődés során az epigenetikus DNS-metilációs jel átprogramozáson megy keresztül: a szülői jelek törlődnek, és újak jönnek létre [26] . Ebben az időszakban az argonauta fehérjék egy része - a piwi fehérjék (Mili és Miwi2) - és a nem kódoló RNS-ek, amelyek kölcsönhatásba lépnek velük - piRNS - kulcsszerepet játszanak az egér retrotranszpozonok DNS-metilációval történő de novo elnyomásában, és a ping-pong. a piRNS amplifikáció és a célelnyomás ciklusa [27] . Ha az egerekből hiányzik a Mili és Miwi2 fehérje, ez a DDP-1 és az LTP aktiválódásához, valamint a gametogenezis és a sterilitás leállásához vezet a hímeknél [24] . A legújabb kutatások kimutatták, hogy a Drosophila melanogaster légyben az SFG-1 fehérje aktív kofaktor a szuppresszióban .
A transzpozonok piRNS- indukált szuppressziójának mechanizmusa nem teljesen tisztázott, de sematikusan ábrázolható a következő modellel [28] :
Ellentétben a vírusokkal , amelyek a gazdaszervezetet használják a szaporodáshoz, és képesek elhagyni azt, a mobil genetikai elemek kizárólag a gazdaszervezetben léteznek. Bizonyos mértékig tehát a transzpozonok képesek szabályozni tevékenységüket. Példa erre az Ac - DNS transzpozonok - a növények autonóm mobil elemei, amelyek saját transzpozázukat kódolják. Az ac -elemek azt mutatják, hogy képesek csökkenteni a transzpozáz aktivitását a másolatok számának növekedésével [29] .
Emellett a MuDR növényi autonóm DNS transzpozonok elnyomása is megtörténhet a Muk segítségével. A Muk a MuDR egy változata, és szekvenciájában számos palindrom DNS-régió található. Amikor a Muk-ot átírják, ez az RNS hajtűt képez, amelyet azután enzimkomplex kis interferáló RNS -ekre (siRNS-ekre) vág, amelyek az RNS-interferencia folyamaton keresztül elhallgatják a MuDR aktivitást [29] .
2012-ig 96 különböző emberi betegséget dokumentáltak, amelyeket mobil genetikai elemek de novo bejutása okoz [22] . Az Alu ismétlődései gyakran kromoszóma -rendellenességeket okoznak, és 50 féle betegség okozói [30] . Tehát I. típusú neurofibromatosisban 18 beágyazott retrotranszpozon esetet találtak , ebből 6 3 meghatározott helyen fordul elő. A DDP-1 mobil elemek szomatikus szövetekben való aktivitását tüdőrákos betegekben regisztrálták [22] .
Ha a betegségeket okozó transzpozíció az ivarsejtekben történik , akkor a következő generációk öröklik a betegségeket. Tehát hemofília előfordulhat a DDP-1 retrotranszpozonnak a VIII-as véralvadási faktor gént kódoló DNS-régióba történő beépülése miatt . Egerekben onkogenezis, fejlődési leállás és sterilitás eseteit regisztrálták a genom mobil elemeinek beépülése miatt [30] .
Az élőlények evolúciójának egyes szakaszait a genom mobil elemeinek aktivitása okozta. Már az emberi genom első nukleotidszekvenciája bebizonyította, hogy sok gén transzpozon származéka [6] . A genom mobil elemei befolyásolhatják a genom szerveződését azáltal, hogy genetikai szekvenciákat rekombinálnak, és a kromatin olyan alapvető szerkezeti elemeinek részét képezik, mint a centromerek és telomerek [31] . A transzponálható elemek befolyásolhatják a szomszédos géneket a splicing és poliadeniláció mintázatának ( mintázatának ) megváltoztatásával, vagy enhanszerként vagy promóterként működnek [13] . A transzpozonok a funkciók kikapcsolásával és megváltoztatásával, a gének szerkezetének megváltoztatásával, a génfragmensek mozgósításával és átszervezésével, valamint a gének epigenetikai szabályozásának megváltoztatásával befolyásolhatják a gének szerkezetét és működését [16] .
A transzpozonok replikációja okozhat bizonyos betegségeket, de ennek ellenére a transzpozonok nem távolodtak el az evolúció során, és szinte minden élőlény DNS - szekvenciájában megmaradtak, akár egész másolatok formájában, amelyek a DNS-en keresztül mozoghattak, vagy rövidített formában, elvesztve. a mozgás képessége. De a csonkolt kópiák részt vehetnek olyan folyamatokban is, mint a gének poszt-transzkripciós szabályozása, rekombináció stb. [31] A transzpozonok evolúciós sebességet befolyásoló potenciális képességének másik fontos pontja, hogy szabályozásuk epigenetikai tényezőktől függ. Ez ahhoz vezet, hogy a transzpozonok reagálni tudnak a környezeti változásokra, és genetikai instabilitást okoznak [31] . Stressz hatására a transzpozonok vagy közvetlenül, vagy az argonauta fehérjék és piRNS -ek általi elnyomásuk csökkentésével aktiválódnak [13] . A növényekben a mobil genetikai elemek nagyon érzékenyek a különböző típusú stresszekre, aktivitásukat számos abiotikus és biotikus tényező befolyásolhatja , köztük a sótartalom , sérülés, hideg, meleg, bakteriális és vírusfertőzések [16] .
Az élőlények genomjainak evolúciójának másik lehetséges mechanizmusa a horizontális géntranszfer – a gének átvitelének folyamata olyan organizmusok között, amelyek nincsenek „ős-utód” kapcsolatban. Bizonyíték van arra, hogy a parazita organizmusok és az állati gazdaszervezetek közötti kölcsönhatások horizontális transzpozon által segített génátvitelhez vezethetnek, amely gerincesek és gerinctelenek között ment végbe [32] .
Úgy gondolják, hogy az emlősök által szerzett immunitás körülbelül 500 millió évvel ezelőtt állkapcsos halakból származik [33] . A megszerzett immunitás lehetővé teszi az emlősök – köztük az ember – szervezetébe bekerülő számos kórokozó elleni antitestek képződését . Az immunrendszer sejtjei különböző antitestek képzéséhez szomatikus rekombinációval megváltoztatják a DNS-szekvenciát egy olyan rendszer segítségével, amely a genom mobil elemei miatt keletkezett és fejlődött [33] .
A neuronok , az idegrendszer sejtjei rendelkezhetnek mozaik genommal , vagyis DNS-szekvenciájuk eltér más sejtek DNS-szekvenciájától, bár mindegyik egy prekurzor sejtből - egy zigótából - jött létre . Patkányokban a speciálisan beépített humán DDP-1 retrotranszpozonokról kimutatták, hogy még felnőttkorban is aktívak. Emellett a DDP-1 retrotranszpozonok kópiáinak növekedését figyelték meg az agy egyes részeinek neuronjaiban , különösen a hipotalamuszban , összehasonlítva más szövetekkel felnőtteknél [34] . Azt is megállapították, hogy a mobil elemek heterogenitáshoz vezetnek a Drosophila melanogaster légy neuronjaiban [2] . A neuronokban lévő mobil elemek aktivitása szinaptikus plaszticitáshoz és a viselkedési válaszok nagyobb variabilitásához vezethet [7] .
A telomeráz és a DDP-1 retrotranszpozonok gének DNS-szekvenciái nagy homológiát mutatnak, ami arra utal, hogy a telomeráz retrotranszpozonokból származhat [1] .
A növények genom evolúciós üteme igen nagy, ezért a háziasítás eredményeként keletkezett transzponálható elemek hatásai , mivel ez nemrégiben történt, a legismertebbek, és ezek a változások könnyen azonosíthatók, hiszen a termesztett növények milyen tulajdonságok alapján alakultak ki. kiválasztottak ismertek [16] . Példa erre a római Solanum lycopersicum paradicsom ovális formája . A SUN lókuszban található gén retrotranszpozícióval egy másik DNS-régióba került, ahol ovális paradicsomban különböző promoterszekvenciák szabályozzák [16] .
Mivel a genom transzponálható elemei képesek beépülni a kromatinba , a génsebészetben a tudósok által vizsgált gének vagy DNS-szakaszok specifikus és ellenőrzött beillesztésére használják őket. A transzpozonokat mutagenezisre és a genom szabályozó elemeinek laboratóriumi meghatározására használják.
A behurcolt in vivo mutagenezis legismertebb rendszere a D. melanogaster légy P-mobil eleme , amellyel génfunkciókat, kromoszóma -rendellenességek megállapítását stb. lehet tanulmányozni [35] .
Gerinceseknél hosszú ideig nem volt hatékony módszer a genom transzpozon módosítására. Ma már létezik egy Tol2 transzponálható elemrendszer, amely a japán Oryzias latipes halból származik , amelyet egerekben és emberi sejtvonalakban egyaránt használnak [35] . A Minos transzpozon rendszer [36] is sikeres .
A Csipkerózsika transzpozonrendszerét egy hal transzpozáz DNS-szekvenciája alapján hozták létre . Ennek a rendszernek az egerekben való sikeres alkalmazása lehetővé tette a humán vastagbélrák onkogén jelöltek azonosítását [37] .
A transzpozonok géntechnológiai alkalmazása mellett a transzpozonaktivitás vizsgálata a filogenetikai módszer . Különböző fajok genomjainak nukleotidszekvenciáit elemezve és összehasonlítva olyan transzpozonokat találhatunk, amelyek egyes fajokban jelen vannak, másokban viszont hiányoznak. Azok a fajok, amelyeknek ugyanaz a retrotranszpozonja, valószínűleg egy közös őstől kapták. Így lehet információt szerezni a fajok evolúciós fejlődéséről és filogenetikai fákat építeni [38] .
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
Genetika : ismétlődő szekvenciák | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tandem ismétlődik |
| ||||||||||||
Elszórt ismétlések |
| ||||||||||||
Genomi sziget | Genomi sziget |