Transpozony — co to jest? Mechanizm działania i wpływ na genom
Transpozony: czym są, jak działają i jaki mają wpływ na genom — mechanizmy transpozycji, mutacje i przełomowe odkrycia Barbary McClintock.
Transpozon to sekwencja DNA, która może przemieszczać się w nowe miejsca w genomie pojedynczej komórki. Prasa nazwała je genami skokowymi, ale nie jest poprawne nazywanie ich "genami".
Transpozony zostały po raz pierwszy odkryte przez Barbarę McClintock podczas pracy nad kukurydzą. Za swoją pracę otrzymała w 1983 r. Nagrodę Nobla.
Transpozycja może powodować znaczące mutacje i zmieniać rozmiar genomu komórki.
Co to są transpozony — szersze wyjaśnienie
Transpozony (elementy transpozycyjne) to fragmenty materiału genetycznego, które potrafią zmieniać swoje położenie w obrębie genomu. Nie wszystkie transpozony kodują białka; wiele z nich to sekwencje pozostające w genomie jako kopie lub resztki dawnych elementów ruchomych. Mimo że w mediach często określa się je jako „geny skokowe”, termin ten jest mylący — transpozony nie zawsze pełnią funkcję genu w sensie kodowania funkcjonalnego produktu białkowego.
Rodzaje transpozonów
- Transpozony DNA (DNA transposons) — przemieszczają się metodą „cut-and-paste” (wycięcie i wstawienie). Wymagają enzymu zwanego transpozazą, która rozpoznaje końcowe sekwencje elementu i umożliwia jego wycięcie oraz integrację w nowym miejscu.
- Retrotranspozony — poruszają się przez proces „copy-and-paste” z pośrednictwem RNA. Transkrybowany RNA jest następnie odwrotnie transkrybowany do DNA przez odwrotną transkryptazę, a powstała kopia wstawiana jest w nowe miejsce. Dzielą się na:
- LTR retrotranspozony — zawierają powtórzenia kierunkowe na końcach (np. elementy podobne do wirusów endogennych),
- Non-LTR retrotranspozony — m.in. LINE (Long Interspersed Nuclear Elements) i SINE (Short Interspersed Nuclear Elements), z których przykładem u człowieka są elementy LINE-1 i Alu.
Mechanizm działania
- Transpozazy i enzymy pomocnicze: DNA-transpozony wykorzystują transpozazę; retrotranspozony korzystają z odwrotnej transkryptazy i integrazy (czasem enzymy te kodowane są przez sam element, czasem korzystają z enzymów dostarczonych w trans).
- Procesy molekularne: cut-and-paste — element jest wycinany z jednego miejsca i wstawiany w inne; copy-and-paste — element jest najpierw przepisany na RNA, potem zpowielony do DNA i integrowany w nowym miejscu.
- Miejsca docelowe: niektóre elementy mają preferencje sekwencyjne lub strukturalne (np. miejsca bogate w AT), inne wstawiają się względnie losowo.
Wpływ na genom i zdrowie
Transpozony mają wiele efektów na genom:
- Mutacje insercyjne: wstawienie elementu do sekwencji kodującej lub regulatorowej może zakłócić funkcję genu i prowadzić do chorób genetycznych. U człowieka zdarzały się przypadki chorób wywołanych przez insercje LINE-1 lub Alu.
- Przebudowy chromosomowe: rekombinacje między powtórzonymi elementami mogą powodować delecje, duplikacje czy translokacje.
- Zwiększanie rozmiaru genomu: wielokrotne kopiowanie retrotranspozonów może znacząco powiększyć genom — u wielu organizmów elementy transpozycyjne i ich pozostałości zajmują dużą część DNA (w genomie człowieka ok. 40–50% stanowią różne elementy transpozycyjne i ich relikty).
- Regulacja genów i ewolucja: sekwencje transpozonów mogą wprowadzać nowe elementy regulatorowe (promotory, wzmacniacze), wpływać na ekspresję genów, przyczyniać się do powstawania nowych egzoplanów (exon shuffling) i dostarczać surowca dla ewolucji genomu.
- Rola w chorobach nowotworowych: w niektórych przypadkach transpozycja zwiększa mutacyjność w komórkach nowotworowych lub powoduje zmiany ekspresji genów sprzyjające rozwojowi raka.
Mechanizmy kontroli i obrony komórkowej
Komórki wykształciły mechanizmy ograniczające aktywność transpozonów, aby chronić genom:
- Metylacja DNA: metylacja promotorów elementów transpozycyjnych wycisza ich transkrypcję.
- Regulatory RNA: małe RNA (np. piRNA w komórkach rozrodczych) rozpoznają i hamują transpozycję poprzez degradację RNA transpozonów lub blokowanie ich translacji.
- Mechanizmy naprawy DNA: systemy naprawcze mogą usuwać lub niwelować skutki insercji.
Przykłady i zastosowania
- Przykłady biologiczne: u kukurydzy Barbara McClintock opisała układ Ac/Ds; w genomie człowieka aktywne historycznie i współcześnie elementy to m.in. LINE-1 i Alu.
- Badania i wykrywanie: transpozony wykrywa się przy pomocy sekwencjonowania, technik PCR, transposon display oraz narzędzi bioinformatycznych (np. RepeatMasker).
- Biotechnologia: transpozony wykorzystywane są jako narzędzia do wprowadzania genów do genomu (systemy Sleeping Beauty, PiggyBac), do mutagenezy genetycznej i badań funkcjonalnych.
Podsumowanie
Transpozony to dynamiczne i wpływowe elementy genomu — mogą być źródłem mutacji i chorób, ale także napędem ewolucji i użytecznym narzędziem w badaniach. Ich aktywność jest ściśle regulowana przez komórkę, a badania nad nimi pomagają lepiej zrozumieć mechanizmy genomowe oraz rozwijać nowe metody terapeutyczne i biotechnologiczne.
Plamy w kukurydzy są mutacjami spowodowanymi przez transpozony
Rodzaje
Transpozony są tylko jednym z kilku rodzajów mobilnych elementów genetycznych. Same transpozony dzielą się na dwa typy w zależności od ich mechanizmu, który może być typu "kopiuj-wklej" (klasa I) lub "wytnij-wklej" (klasa II).
Klasa I (retrotranspozony): Kopiują się w dwóch etapach, najpierw z DNA do RNA przez transkrypcję, a następnie z RNA z powrotem do DNA przez odwrotną transkrypcję. Kopia DNA jest następnie wstawiana do genomu w nowym miejscu. Retrotranspozony zachowują się bardzo podobnie do retrowirusów, takich jak HIV.
Klasa II (transpozony DNA): W przeciwieństwie do nich, mechanizmy transpozycji typu "wytnij-wklej" transpozonów klasy II nie angażują pośrednictwa RNA.
Transpozon bakteryjnego DNA
Jako przyczyny chorób
Transpozony to mutageny. Mogą uszkadzać genom komórki gospodarza na różne sposoby:
- Transpozon lub retropozon, który wstawia się do funkcjonalnego genu, najprawdopodobniej wyłączy ten gen.
- Po opuszczeniu genu przez transpozon, powstała luka prawdopodobnie nie zostanie prawidłowo naprawiona.
- Wiele kopii tej samej sekwencji, takich jak sekwencje Alu, może utrudniać precyzyjne łączenie chromosomów w pary podczas mitozy i mejozy, powodując nierówne krzyżowanie, co jest jedną z głównych przyczyn duplikacji chromosomów.
Użyj
Transpozony mogą przenosić geny akcesoryjne, takie jak geny oporności na antybiotyki. Można je wykorzystać do wprowadzenia genu do DNA organizmu. Dokonano tego w przypadku muszki owocowej (Drosophila melanogaster) poprzez wprowadzenie transpozonu do embrionu.
Przykłady
- Pierwsze transpozony zostały odkryte w kukurydzy (Zea mays), przez Barbarę McClintock w 1948 roku, za co otrzymała Nagrodę Nobla w 1983 roku. Zauważyła ona mutacje chromosomowe powodowane przez te transpozony. Około 50% całego genomu kukurydzy składa się z transpozonów. Opisane przez McClintock układy Ac/Ds są transpozonami klasy II.
- Jedną z rodzin transpozonów występujących u muszki owocowej Drosophila melanogaster są elementy P. Wydaje się, że po raz pierwszy pojawiły się one u tego gatunku dopiero w połowie XX wieku. W ciągu 50 lat rozprzestrzeniły się we wszystkich populacjach tego gatunku. Sztuczne elementy P są używane do wprowadzania genów do Drosophila poprzez wstrzykiwanie embrionu.
- Najczęstszą formą transpozonu u ludzi jest sekwencja Alu. Ma ona długość około 300 zasad i można ją znaleźć od 300 000 do miliona razy w ludzkim genomie.
- Elementy podobne do Marinera to kolejna ważna klasa transpozonów występujących u wielu gatunków, w tym u ludzi. Transpozon Mariner został po raz pierwszy odkryty przez Jacobsona i Hartla w Drosophila. Ten element transpozycyjny klasy II znany jest z niezwykłej zdolności do horyzontalnego przenoszenia u wielu gatunków. Szacuje się, że w ludzkim genomie znajduje się około 14 tysięcy kopii Marinera, składaj±cych się z 2,6 miliona par zasad.
Ewolucja
Transpozony występują w wielu formach życia. Mogły one powstawać niezależnie wiele razy, a może tylko raz, a następnie rozprzestrzeniały się w innych królestwach poprzez horyzontalny transfer genów.
Podczas gdy niektóre transpozony mogą przynosić korzyści swoim gospodarzom, większość z nich jest uważana za samolubne pasożyty DNA. Pod tym względem są one podobne do wirusów. Różne wirusy i transpozony mają również wspólne cechy w strukturze genomu i zdolnościach biochemicznych, co prowadzi do spekulacji, że mają wspólnego przodka.
Nadmierna aktywność transpozonów może zniszczyć genom, co jest śmiertelne. Wiele organizmów wykształciło mechanizmy hamujące ich aktywność. Bakterie mogą używać delecji genów, aby usunąć transpozony i wirusy ze swoich genomów, podczas gdy organizmy eukariotyczne używają interferencji RNA (RNAi), aby zahamować aktywność transpozonów.
W komórkach zwierzęcych kręgowców prawie wszystkie z ponad 100 000 transpozonów DNA w genomie kodują nieaktywne polipeptydy. U człowieka wszystkie transpozony klasy I są nieaktywne. Pierwszy transpozon DNA użyty jako narzędzie do celów genetycznych, system transpozonowy Śpiącej Królewny, był transpozonem, który został wskrzeszony z długiego snu ewolucyjnego.
Rola w układzie odpornościowym
Transpozony mogły zostać zaadoptowane przez układ odpornościowy kręgowców jako sposób na wytworzenie różnorodności przeciwciał: System rekombinacji V(D)J działa na zasadzie mechanizmu podobnego do transpozonów. Jest to system trzech genów, które ulegają rearanżacji w produkcji limfocytów kręgowców. System ten w sposób zróżnicowany koduje białka dopasowane do antygenów pochodzących z bakterii, wirusów, pasożytów, komórek dysfunkcyjnych, takich jak komórki nowotworowe i pyłki.
Końcowa sekwencja DNA, a więc i sekwencja przeciwciała, jest bardzo zmienna, nawet gdy połączone są te same dwa segmenty V, D lub J. Ta wielka różnorodność pozwala rekombinacji VDJ generować przeciwciała nawet przeciwko mikrobom, z którymi ani organizm, ani jego przodkowie nigdy wcześniej się nie zetknęli.
Przeszukaj encyklopedię