Transposonit ( eng. transposable element, transposon ) ovat osia niiden organismien DNA:sta, jotka kykenevät liikkumaan (transpositioon) ja lisääntymään genomissa [1] . Transposonit tunnetaan myös "hyppygeeneinä" ja ne ovat esimerkkejä transponoitavista geneettisistä elementeistä .
Transposonit viittaavat muodollisesti genomin niin kutsuttuun ei-koodaavaan osaan, joka DNA-emäsparien sekvenssissä ei sisällä tietoa proteiinien aminohapposekvensseistä, vaikka jotkut liikkuvien elementtien luokat sisältävät tietoa entsyymeistä niiden sekvenssi , ne kopioidaan ja katalysoivat liikkeitä; esimerkiksi DNA-transposonit ja DDP-1 koodaavat proteiineja transposaasi , BORS1 ja BORS2 . Eri lajeissa transposonit ovat jakautuneet vaihtelevasti: esimerkiksi ihmisellä transposonit muodostavat jopa 45 % koko DNA-sekvenssistä, hedelmäkärpäsessä Drosophila melanogasterissa transposoituvien elementtien osuus on vain 15–20 % DNA-sekvenssistä. koko genomi [2] . Kasveissa transposonit voivat miehittää suurimman osan genomista; esimerkiksi maississa ( Zea mays ), jonka genomin koko on 2,3 miljardia emäsparia, vähintään 85 % on erilaisia transposoituvia elementtejä [3] .
Barbara McClintock tutki maissin jyvien ja lehtien värin vaihteluita, ja vuonna 1948 hän tuli sytologisten ja geneettisten tutkimusten avulla siihen tulokseen, että liikkuvat DNA-fragmentit, Ac / Ds -elementit, johtavat kasvien somaattiseen mosaiikkiin [4] . Hän osoitti ensimmäisenä, että eukaryoottigenomi ei ole staattinen, vaan sisältää alueita, jotka voivat liikkua. Vuonna 1983 Barbara McClintock sai Nobel-palkinnon tästä työstä [5] .
Vaikka transposonit löydettiin 1940-luvulla , vasta puoli vuosisataa myöhemmin kävi selväksi, kuinka suuri niiden osuus organismien genomissa oli. Siten ihmisen genomin ensimmäisen nukleotidisekvenssin ( sekvensoinnin ) saaminen osoitti, että DNA-sekvenssissä on vähintään 50 % liikkuvista elementeistä. Tarkkaa arviota on vaikea saada, koska jotkin transposonialueet ovat muuttuneet niin paljon ajan myötä, että niitä ei voida tunnistaa varmuudella [6] .
Koska transposonit voivat aiheuttaa haitallisia mutaatioita ja kromatiinin hajoamista , siirrettävien elementtien löytämisen jälkeen on ajateltu, että niiden vaikutus on rajoittunut genomiseen parasitismiin. Mutta 2000-luvun alussa ilmestyy yhä enemmän tietoa transposonien mahdollisista hyödyllisistä vaikutuksista organismeihin [7] , retrotransposonien evoluution vaikutuksesta istukan nisäkkäiden genomiin [8] . Tunnistaa organismien transposonien käytön. Esimerkiksi DDP-1- retrotransposoni - RNA osallistuu heterokromatiinin muodostumiseen X-kromosomin inaktivaation aikana [9] . Hedelmäkärpästä puuttuu telomeraasi , mutta se käyttää sen sijaan retrotransposonin käänteistranskriptaasia laajentamaan telomeerisiä alueita, jotka Drosophila melanogasterissa ovat transposonitoistoja [10] [11] .
Transponoitavilla geneettisillä elementeillä tarkoitetaan genomin toistuvia elementtejä – niitä, joilla on useita kopioita solun DNA-sekvenssissä . Genomin toistuvat elementit voivat sijaita rinnakkain ( mikrosatelliitit , telomeerit jne.) ja levitä genomiin (liikkuvat elementit, pseudogeenit jne.) [12] .
Liikkuvat geneettiset elementit voidaan jakaa transpositiotyypin mukaan kahteen luokkaan: DNA-transposonit , jotka käyttävät "leikkaa ja liitä" -menetelmää, ja retrotransposonit , joiden liikkeessä on algoritmissa RNA :n synteesi DNA :sta , jota seuraa DNA:n käänteissynteesi RNA-molekyylistä, eli menetelmä "kopioi ja liitä".
Transposonit voidaan jakaa myös autonomian asteen mukaan. Sekä DNA-transposoneissa että retrotransposoneissa on autonomisia ja ei-autonomisia elementtejä. Ei-autonomiset elementit transpositioon vaativat entsyymejä, joita koodaavat autonomiset elementit, jotka usein sisältävät merkittävästi muuttuneita transposonialueita ja lisäsekvenssejä. Ei-autonomisten transposonien määrä genomissa voi merkittävästi ylittää autonomisten [13] .
DNA-transposonit liikkuvat genomissa leikkaa ja liitä -tavalla transposaasi -nimisen entsyymikompleksin ansiosta [1] . Tietoa transposaasiproteiinin aminohapposekvenssistä on koodattu transposonin sekvenssiin. Lisäksi tämä DNA-alue voi sisältää muita transposoniin liittyviä sekvenssejä, kuten geenejä tai niiden osia. Useimmilla DNA-transposoneilla on epätäydellinen sekvenssi. Tällaiset transposonit eivät ole autonomisia ja liikkuvat genomissa transposaasin vuoksi, jota koodaa toinen, täydellinen DNA-transposoni [1] .
DNA-transposonialueiden päissä on käänteisiä toistoja, jotka ovat erityisiä transposaasin tunnistuskohtia, mikä erottaa tämän genomin osan muusta. Transposaasi pystyy leikkaamaan kaksijuosteisia DNA-katkoja, leikkaamaan ja liittämään transposonin kohde-DNA:han [14] .
Ac/Ds -kasvielementit kuuluvat DNA-transposoneihin , jotka Barbara McClintock löysi ensimmäisenä maissista. Ac -elementti ( eng. Activator ) on itsenäinen ja koodaa transposaasi. On olemassa useita Ds - elementtejä, jotka kykenevät muodostamaan kromosomikatkoja ja jotka liikkuvat genomin läpi Ac - elementtien vuoksi [15] .
Helitronit ovat eräänlainen transposonityyppi, jota löytyy kasveista , eläimistä ja sienistä , mutta joka on laajalti läsnä maissin genomissa, jossa, toisin kuin muut organismit, se löytyy DNA:n geenirikkaista osista [3] . Helitronit transponoidaan vierintäympyrämekanismin mukaisesti . Prosessi alkaa DNA-transposonin yhden juosteen katkeamisesta. Vapautunut DNA-jakso tunkeutuu kohdesekvenssiin, jossa muodostuu heterodupleksi . DNA-replikaation avulla transposonin vieminen uuteen kohtaan saadaan päätökseen [16] .
Helitronit voivat siepata vierekkäisiä sekvenssejä transponoinnin aikana.
Retrotransposonit ovat liikkuvia geneettisiä elementtejä, jotka käyttävät "kopioi ja liitä" -menetelmää leviämään eläinten genomissa [17] . Vähintään 45 % ihmisen genomista koostuu retrotransposoneista ja niiden johdannaisista. Liikkumisprosessi sisältää RNA -molekyylin välivaiheen , joka luetaan retrotransposonialueelta ja jota puolestaan käytetään templaattina käänteistranskriptiossa DNA-sekvenssiksi. Äskettäin syntetisoitu retrotransposoni insertoidaan toiselle genomin alueelle.
Nisäkkään aktiiviset retrotransposonit jaetaan kolmeen pääperheeseen: Alu-toistot, DDP-1, SVA.
Genomin liikkuvat elementit ovat melko laajalti edustettuina kasvi- ja eläingenomeissa. Niiden korkea aktiivisuus on riski genomin stabiiliudelle , joten niiden ilmentyminen on tiukasti säädeltyä erityisesti niissä kudoksissa , jotka ovat mukana sukusolujen muodostumisessa ja perinnöllisen tiedon välittämisessä jälkeläisille. Kasveissa ja eläimissä genomin liikkuvien elementtien aktiivisuuden säätely tapahtuu DNA-sekvenssin de novo -metylaatiolla ja ei-koodaavan RNA : n aktiivisuudella yhdessä argonautin proteiinikompleksien kanssa [23] .
Pienten ei-koodaavien RNA:iden, jotka ovat vuorovaikutuksessa pivi-kompleksin tai piRNA :n kanssa , päärooli on suppressoida transposoituvia genomisia elementtejä ituradan kudoksissa. Tämä piRNA:n rooli on melko hyvin konservoitunut eläimissä [24] .
Hiirillä genomin liikkuvat elementit ovat ontogeneesin aikana pääasiassa inaktiivisessa tilassa, mikä saavutetaan epigeneettisten vuorovaikutusten ja ei-koodaavien RNA:iden aktiivisuuden kautta [25] . Alkion kehityksen aikana DNA :n epigeneettinen metylaatiomerkki ohjelmoidaan uudelleen: vanhempien merkit pyyhitään pois ja uusia syntyy [26] . Tänä aikana osa argonautin proteiineista - piwi-proteiineista (Mili ja Miwi2) - ja niiden kanssa vuorovaikutuksessa olevista ei-koodaavista RNA:ista - piRNA - on avainrooli hiiren retrotransposonien de novo -suppressiossa DNA-metylaatiolla ja ping-pongilla. piRNA-monistuksen ja kohteen suppression sykli [27] . Jos hiiriltä puuttuu Mili- ja Miwi2-proteiineja, tämä johtaa DDP-1 :n ja LTP :n aktivoitumiseen sekä gametogeneesin ja steriiliyden pysähtymiseen uroksilla [24] . Viimeaikainen tutkimus on osoittanut, että Drosophila melanogasterissa SFG-1- proteiini on aktiivinen kofaktori suppressiossa .
PiRNA- indusoidun transposonien suppression mekanismia ei ole täysin selvitetty, mutta se voidaan esittää kaavamaisesti seuraavalla mallilla [28] :
Toisin kuin virukset , jotka käyttävät isäntää lisääntymiseen ja pystyvät poistumaan siitä, liikkuvia geneettisiä elementtejä on yksinomaan isännässä. Tästä syystä transposonit pystyvät jossain määrin säätelemään toimintaansa. Esimerkki tästä on Ac - DNA-transposonit - kasvien autonomiset liikkuvat elementit, jotka koodaavat omaa transposaasiaan. Ac -elementit osoittavat kykyä vähentää transposaasin aktiivisuutta lisäämällä sen kopioita [29] .
Myös kasvien autonomisten DNA-transposonien MuDR tukahduttaminen voi tapahtua Mukin avulla. Muk on MuDR:n variantti, ja sen sekvenssissä on useita palindromisia DNA-alueita. Kun Muk transkriptoidaan, tämä RNA muodostaa hiusneulan, jonka sitten entsyymikompleksi leikkaa pieniksi häiritseviksi RNA: iksi (siRNA:iksi), jotka vaimentavat MuDR-aktiivisuuden RNA-interferenssiprosessin kautta [29] .
Vuoteen 2012 mennessä on dokumentoitu 96 erilaista ihmissairautta, jotka johtuvat liikkuvien geneettisten elementtien de novo käyttöönotosta [22] . Alu-toistot aiheuttavat usein kromosomipoikkeavuuksia ja ovat syynä 50 tyyppiseen sairauteen [30] . Joten tyypin I neurofibromatoosissa löydettiin 18 upotettua retrotransposonin tapausta , joista 6 esiintyy 3 tietyssä paikassa. Liikkuvien elementtien DDP-1 aktiivisuus somaattisissa kudoksissa kirjattiin potilailla, joilla oli keuhkosyöpä [22] .
Jos sairauksia aiheuttava transpositio tapahtuu sukusoluissa , seuraavat sukupolvet perivät sairaudet. Joten hemofiliaa voi ilmetä johtuen DDP-1-retrotransposonin insertiosta DNA-alueelle, joka koodaa hyytymistekijä VIII -geeniä . Hiirillä havaittiin onkogeneesi-, kehityspysähdys- ja hedelmättömyystapauksia, jotka johtuivat genomin liikkuvien elementtien liittämisestä [30] .
Jotkut organismien evoluution vaiheet johtuivat genomin liikkuvien elementtien aktiivisuudesta. Jo ihmisen genomin ensimmäinen nukleotidisekvenssi osoitti, että monet geenit olivat transposonien johdannaisia [6] . Genomin liikkuvat elementit voivat vaikuttaa genomin organisoitumiseen yhdistämällä geneettisiä sekvenssejä ja olemalla osa sellaisia kromatiinin perusrakenneelementtejä kuin sentromeerit ja telomeerit [31] . Transposoituvat elementit voivat vaikuttaa vierekkäisiin geeneihin muuttamalla silmukoinnin ja polyadenylaation malleja ( kuvioita ) tai toimimalla tehostajina tai promoottoreina [13] . Transposonit voivat vaikuttaa geenien rakenteeseen ja toimintaan sammuttamalla ja muuttamalla toimintoja, muuttamalla geenien rakennetta, mobilisoimalla ja järjestämällä uudelleen geenifragmentteja sekä muuttamalla geenien epigeneettistä kontrollia [16] .
Transposonireplikaatio voi aiheuttaa joitain sairauksia, mutta tästä huolimatta transposonit eivät poistuneet evoluution aikana ja säilyivät lähes kaikkien organismien DNA - sekvensseissä joko kokonaisina kopioina, jotka voisivat liikkua DNA:ta pitkin, tai lyhennetyssä muodossa, kadonneena. kyky liikkua. Mutta katkaistut kopiot voivat myös osallistua sellaisiin prosesseihin kuin geenien transkription jälkeinen säätely, rekombinaatio jne. [31] Toinen tärkeä seikka transposonien mahdollisessa kyvyssä vaikuttaa evoluutionopeuteen on se, että niiden säätely riippuu epigeneettisistä tekijöistä. Tämä johtaa transposonien kykyyn reagoida ympäristön muutoksiin ja aiheuttaa geneettistä epävakautta [31] . Stressin yhteydessä transposonit aktivoituvat joko suoraan tai vähentämällä niiden suppressiota argonautin proteiinien ja piRNA :iden vaikutuksesta [13] . Kasveissa liikkuvat geneettiset elementit ovat erittäin herkkiä erilaisille stressityypeille; niiden toimintaan voivat vaikuttaa lukuisat abioottiset ja bioottiset tekijät , mukaan lukien suolaisuus , vauriot, kylmä, kuumuus, bakteeri- ja virusinfektiot [16] .
Toinen mahdollinen mekanismi organismien genomien kehittymiselle on horisontaalinen geeninsiirto - prosessi, jossa geenejä siirretään sellaisten organismien välillä, jotka eivät ole "esi-isän ja jälkeläisen" suhteen. On näyttöä siitä, että loisorganismien ja eläinisäntien väliset vuorovaikutukset voivat johtaa horisontaaliseen transposoniavusteiseen geeninsiirtoon, joka on tapahtunut selkärankaisten ja selkärangattomien välillä [32] .
Nisäkkäiden immuniteetin uskotaan syntyneen leuallisista kaloista noin 500 miljoonaa vuotta sitten [33] . Hankittu immuniteetti mahdollistaa vasta -aineiden muodostumisen monentyyppisille patogeeneille , jotka pääsevät nisäkkäiden elimistöön, mukaan lukien ihmiset. Erilaisten vasta-aineiden muodostamiseksi immuunijärjestelmän solut muuttavat DNA-sekvenssiä somaattisella rekombinaatiolla sellaisen järjestelmän avulla, joka syntyi ja kehittyi genomin liikkuvien elementtien vuoksi [33] .
Neuroneilla , hermoston soluilla, voi olla mosaiikkigenomi , eli niiden DNA-sekvenssi eroaa muiden solujen DNA-sekvenssistä, vaikka ne kaikki muodostuivat yhdestä esiastesolusta - tsygootista . Rotissa erityisesti insertoitujen ihmisen DDP-1- retrotransposonien on osoitettu olevan aktiivisia jopa aikuisiässä. Myös DDP-1-retrotransposonien kopioiden lisääntyminen joidenkin aivojen osien hermosoluissa , erityisesti hypotalamuksessa , havaittiin verrattuna muihin aikuisten kudoksiin [34] . On myös havaittu, että liikkuvat elementit johtavat heterogeenisyyteen Drosophila melanogasterin hermosoluissa [2] . Liikkuvien elementtien aktiivisuus neuroneissa voi johtaa synaptiseen plastisuuteen ja suurempaan vaihteluun käyttäytymisvasteissa [7] .
Telomeraasin ja DDP-1-retrotransposonien geenien DNA-sekvensseillä on korkea homologia, mikä viittaa mahdollisuuteen, että telomeraasi on peräisin retrotransposoneista [1] .
Kasveilla on erittäin nopea genomin evoluutionopeus, joten kesyttämisen seurauksena syntyneiden siirrettävien elementtien vaikutukset , koska se tapahtui äskettäin, tunnetaan parhaiten, ja nämä muutokset on helppo tunnistaa, koska viljelykasvien ominaisuudet ovat valitut ovat tiedossa [16] . Esimerkki olisi roomalaisen tomaatin Solanum lycopersicum hankkima soikea muoto . Geeni, joka sijaitsee SUN- lokuksessa , siirrettiin retrotranspositiolla toiselle DNA-alueelle, jossa sitä säätelevät erilaiset promoottorisekvenssit soikeissa tomaateissa [16] .
Koska genomin siirrettävät elementit pystyvät integroitumaan kromatiiniin , niitä käytetään geenitekniikassa tutkijoiden tutkimien geenien tai DNA-osien spesifiseen ja kontrolloituun liittämiseen. Transposoneja käytetään mutageneesiin ja genomin säätelyelementtien määrittämiseen laboratorioissa.
Tunnetuin järjestelmä in vivo -mutageneesiin on kärpäsen D. melanogasterin P-liikkuva elementti , jota voidaan käyttää tutkimaan geenien toimintoja, kromosomipoikkeavuuksien muodostumista jne. [35]
Selkärankaisilla ei pitkään aikaan ollut tehokasta menetelmää genomin transposonimuuntamiseksi. Nykyään on olemassa japanilaisesta Oryzias latipes -kalasta peräisin oleva Tol2-transponoitava elementtijärjestelmä, jota käytetään sekä hiirissä että ihmisen solulinjoissa [35] . Myös Minos-transposonijärjestelmä [36] on onnistunut .
Sleeping Beauty - transposonijärjestelmä luotiin kalan transposaasin DNA - sekvenssin perusteella . Tämän järjestelmän menestyksekäs käyttö hiirillä on mahdollistanut ehdokkaiden tunnistamisen ihmisen paksusuolensyövän onkogeenien suhteen [37] .
Transposonien käytön lisäksi geenitekniikassa transposoniaktiivisuuden tutkiminen on fylogeneettinen menetelmä . Analysoimalla ja vertaamalla eri lajien genomien nukleotidisekvenssejä voidaan löytää transposoneja, joita on joissakin lajeissa, mutta joita ei ole toisissa. Lajit, joilla on sama retrotransposoni, ovat todennäköisesti saaneet sen yhteisestä esi-isästä. Siten on mahdollista saada tietoa lajien evoluutiosta ja rakentaa fylogeneettisiä puita [38] .
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
Genetiikka : toistuvat sekvenssit | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tandem toistaa |
| ||||||||||||
Hajallaan toistoja |
| ||||||||||||
Genominen saari | Genominen saari |