Transpozony ( angl. transposable element, transposon ) jsou části DNA organismů schopné pohybu (transpozice) a reprodukce v rámci genomu [1] . Transpozony jsou také známé jako „skákací geny“ a jsou příklady transponovatelných genetických prvků .
Transpozony formálně označují tzv. nekódující část genomu - takovou, která v sekvenci párů bází DNA nenese informaci o aminokyselinových sekvencích proteinů, i když některé třídy mobilních elementů obsahují informace o enzymech v jejich sekvence jsou přepisovány a katalyzují pohyby; například DNA transpozony a DDP-1 kódují proteiny transpozázu , BORS1 a BORS2 . U různých druhů jsou transpozony distribuovány v různé míře: např. u člověka tvoří transpozony až 45 % celé sekvence DNA, u ovocné mušky Drosophila melanogasterněkteré transponovatelné elementy tvoří pouze 15–20 % celého genomu [2] . U rostlin mohou transpozony obsadit většinu genomu, například u kukuřice ( Zea mays ), s velikostí genomu 2,3 miliardy párů bází, je nejméně 85 % různých transponovatelných prvků [3] .
Barbara McClintock studovala variace v barvě zrna a listů kukuřice a v roce 1948 prostřednictvím cytologických a genetických studií dospěla k závěru, že mobilní fragmenty DNA, prvky Ac/Ds , vedou k somatické mozaike rostlin [4] . Jako první dokázala, že eukaryotický genom není statický, ale obsahuje oblasti, které se mohou pohybovat. V roce 1983 obdržela Barbara McClintock za tuto práci Nobelovu cenu [5] .
Přestože byly transpozony objeveny ve 40. letech 20. století , teprve o půl století později se ukázalo, jak velký je jejich podíl v genomu organismů. Získání první nukleotidové sekvence ( sekvenování ) lidského genomu tedy ukázalo, že v sekvenci DNA je alespoň 50 % mobilních prvků. Přesný odhad je obtížné získat, protože některé oblasti transpozonu se v průběhu času natolik změnily, že je nelze s jistotou identifikovat [6] .
Protože transpozony mají potenciál způsobovat škodlivé mutace a rozpady chromatinu , od objevu transponovatelných prvků se má za to, že jejich působení je redukováno na genomický parazitismus. Ale na začátku 21. století se objevuje stále více údajů o možných příznivých účincích transposonů pro organismy [7] , o evolučním vlivu retrotranspozonů na genom placentárních savců [8] . Identifikuje použití transpozonů organismy. Například DDP-1 retrotransposonová RNA se podílí na tvorbě heterochromatinu během inaktivace X-chromozomu [9] . Vrtule postrádá telomerázu , ale místo toho používá retrotransposonovou reverzní transkriptázu k prodloužení telomerických oblastí, které u Drosophila melanogaster jsou repeticemi transpozonu [10] [11] .
Transponovatelné genetické elementy označují opakující se elementy v genomu - ty, které mají více kopií v buněčné sekvenci DNA . Opakující se prvky genomu mohou být umístěny v tandemu ( mikrosatelity , telomery atd.) a mohou být rozptýleny po celém genomu (mobilní prvky, pseudogeny atd.) [12] .
Mobilní genetické elementy podle typu transpozice lze rozdělit do dvou tříd: DNA transpozony , které využívají metodu "cut and paste", a retrotranspozony , jejichž pohyb má ve svém algoritmu syntézu RNA z DNA , následovanou tzv. reverzní syntéza DNA z molekuly RNA, tedy metoda "zkopírovat a vložit".
Transpozony lze dělit i podle stupně autonomie. Jak DNA transpozony, tak retrotranspozony mají autonomní a neautonomní prvky. Neautonomní elementy pro transpozici vyžadují enzymy, které jsou kódovány autonomními elementy, které často obsahují významně změněné oblasti transpozonu a další sekvence. Počet neautonomních transposonů v genomu může výrazně převyšovat počet autonomních [13] .
DNA transpozony se pohybují po genomu způsobem cut-and-paste díky komplexu enzymů nazývaných transposáza [1] . Informace o aminokyselinové sekvenci transposázového proteinu je zakódována v sekvenci transpozonu. Kromě toho může tato oblast DNA obsahovat další sekvence spojené s transposonem, jako jsou geny nebo jejich části. Většina transpozonů DNA má neúplnou sekvenci. Takové transpozony nejsou autonomní a pohybují se po genomu díky transpozáze, která je kódována jiným, kompletním, transposonem DNA [1] .
Na koncích DNA transposonových oblastí jsou invertované repetice, což jsou speciální rozpoznávací místa transpozázy, čímž se tato část genomu odlišuje od ostatních. Transposáza je schopna vytvářet dvouvláknové řezy DNA, štěpit a vkládat transposon do cílové DNA [14] .
Rostlinné prvky Ac/Ds patří k transposonům DNA , které jako první objevila Barbara McClintock v kukuřici. Ac -element ( angl. Activator ) je autonomní a kóduje transpozázu. Existuje několik typů prvků Ds , které jsou schopny tvořit chromozomové zlomy a které se pohybují genomem díky prvkům Ac [15] .
Helitrony jsou typem transpozonu, který se nachází v rostlinách , zvířatech a houbách , ale který je široce přítomen v genomu kukuřice, kde se na rozdíl od jiných organismů nachází v částech DNA bohatých na geny [3] . Helitrony jsou transponovány podle mechanismu rotujícího kruhu . Proces začíná přerušením jednoho vlákna transpozonu DNA. Uvolněný úsek DNA napadne cílovou sekvenci, kde se vytvoří heteroduplex . Pomocí replikace DNA je zavedení transpozonu do nového místa dokončeno [16] .
Helitrony mohou během transpozice zachytit sousední sekvence.
Retrotranspozony jsou mobilní genetické elementy, které využívají metodu „copy and paste“ k šíření v genomu zvířat [17] . Minimálně 45 % lidského genomu tvoří retrotranspozony a jejich deriváty. Proces pohybu zahrnuje mezistupeň molekuly RNA , která je čtena z oblasti retrotranspozonu a která se zase používá jako templát pro reverzní transkripci do sekvence DNA. Nově syntetizovaný retrotransposon je vložen do jiné oblasti genomu.
Savčí aktivní retrotranspozony se dělí do tří hlavních rodin: Alu repetice, DDP-1, SVA.
Mobilní elementy genomu jsou poměrně široce zastoupeny v rostlinných a živočišných genomech. Jejich vysoká aktivita je rizikem pro stabilitu genomu , proto je jejich exprese přísně regulována, zejména v těch tkáních , které se podílejí na tvorbě gamet a přenosu dědičné informace na potomky. U rostlin a živočichů dochází k regulaci aktivity mobilních elementů genomu de novo - methylací sekvence DNA a aktivitou nekódující RNA spolu s proteinovými komplexy Argonaut [23] .
Hlavní úlohou malých nekódujících RNA, které interagují s komplexem pivi neboli piRNA , je potlačit transponovatelné genomové elementy v zárodečných tkáních. Tato úloha piRNA je u zvířat dosti vysoce konzervovaná [24] .
U myší jsou mobilní elementy genomu během ontogeneze převážně v neaktivním stavu, čehož je dosaženo epigenetickými interakcemi a aktivitou nekódujících RNA [25] . Během embryonálního vývoje prochází epigenetická methylační značka DNA přeprogramováním: rodičovská znaménka jsou vymazána a jsou založena nová [26] . V tomto období hraje klíčovou roli v de novo supresi myších retrotranspozonů methylací DNA část argonautských proteinů - proteiny piwi (Mili a Miwi2) - a nekódující RNA, které s nimi interagují - piRNA , a ping-pong. cyklus amplifikace piRNA a suprese cíle [27] . Pokud myším chybí proteiny Mili a Miwi2, vede to k aktivaci DDP-1 a LTP a zastavení gametogeneze a sterility u samců [24] . Nedávná práce ukázala, že u mouchy Drosophila melanogaster je protein SFG-1 aktivním kofaktorem při potlačování .
Mechanismus piRNA - indukované suprese transposonů nebyl zcela objasněn, ale lze jej schematicky znázornit následujícím modelem [28] :
Na rozdíl od virů , které využívají hostitele k rozmnožování a jsou schopny jej opustit, mobilní genetické prvky existují výhradně v hostiteli. Do jisté míry jsou tedy transpozony schopny svou činnost regulovat. Příkladem toho jsou Ac - DNA transpozony - autonomní mobilní elementy rostlin, které kódují vlastní transpozázu. Ac -elementy vykazují schopnost snižovat aktivitu transpozázy se zvýšením jejích kopií [29] .
Také suprese rostlinných autonomních DNA transposonů MuDR může nastat pomocí Muk. Muk je varianta MuDR a má ve své sekvenci několik oblastí palindromické DNA. Když je Muk transkribován, tato RNA tvoří vlásenku, která je pak rozřezána komplexem enzymů na malé interferující RNA (siRNA), které umlčují aktivitu MuDR prostřednictvím procesu interference RNA [29] .
K roku 2012 bylo zdokumentováno 96 různých lidských onemocnění, která jsou způsobena de novo zavedením mobilních genetických elementů [22] . Alu repetice často způsobují chromozomální aberace a jsou příčinou 50 typů onemocnění [30] . U neurofibromatózy I. typu bylo tedy nalezeno 18 případů vnořených retrotranspozonů , z nichž 6 se vyskytuje na 3 konkrétních místech. Aktivita mobilních prvků DDP-1 v somatických tkáních byla zaznamenána u pacientů s karcinomem plic [22] .
Pokud se transpozice, která způsobuje onemocnění, vyskytuje v gametách , pak následující generace zdědí nemoci. Hemofilie se tedy může objevit v důsledku inzerce retrotranspozonu DDP-1 do oblasti DNA kódující gen koagulačního faktoru VIII . U myší byly zaznamenány případy onkogeneze, zástavy vývoje a sterility v důsledku vložení mobilních elementů genomu [30] .
Některé fáze evoluce organismů byly způsobeny aktivitou mobilních prvků genomu. Již první nukleotidová sekvence lidského genomu dokázala, že mnohé geny byly deriváty transposonů [6] . Mobilní prvky genomu mohou ovlivňovat organizaci genomu rekombinací genetických sekvencí a být součástí takových základních strukturních prvků chromatinu , jako jsou centromery a telomery [31] . Transponovatelné elementy mohou ovlivňovat sousední geny změnou vzorů ( vzorců ) sestřihu a polyadenylace nebo působením jako zesilovače nebo promotory [13] . Transpozony mohou ovlivnit strukturu a funkci genů vypínáním a změnou funkcí, změnou struktury genů, mobilizací a reorganizací genových fragmentů a změnou epigenetické kontroly genů [16] .
Replikace transpozonů může způsobit některá onemocnění, ale přesto nebyly transpozony během evoluce odstraněny a zůstaly v sekvencích DNA téměř všech organismů, buď ve formě celých kopií, které se mohly pohybovat po DNA, nebo ve zkrácené formě, když ztratily schopnost pohybu. Ale zkrácené kopie se mohou podílet i na takových procesech, jako je posttranskripční regulace genů, rekombinace atd. [31] Dalším důležitým bodem v potenciální schopnosti transposonů ovlivňovat rychlost evoluce je, že jejich regulace závisí na epigenetických faktorech. To vede ke schopnosti transpozonů reagovat na změny prostředí a způsobit genetickou nestabilitu [31] . Při stresu se transpozony aktivují buď přímo, nebo snížením jejich potlačení argonautskými proteiny a piRNA [13] . V rostlinách jsou mobilní genetické prvky velmi citlivé na různé typy stresu, jejich činnost může být ovlivněna řadou abiotických a biotických faktorů , včetně zasolení , poranění, chladu, tepla, bakteriálních a virových infekcí [16] .
Dalším možným mechanismem evoluce genomů organismů je horizontální přenos genů – proces přenosu genů mezi organismy, které nejsou ve vztahu „předek-potomek“. Existují důkazy, že interakce mezi parazitickými organismy a živočišnými hostiteli mohou vést k horizontálnímu transposonovému přenosu genů, ke kterému došlo mezi obratlovci a bezobratlí [32] .
Předpokládá se, že získaná imunita savců vznikla u čelistnatých ryb přibližně před 500 miliony let [33] . Získaná imunita umožňuje tvorbu protilátek proti mnoha typům patogenů , které se dostávají do těla savců, včetně člověka. Buňky imunitního systému pro tvorbu různých protilátek mění sekvenci DNA somatickou rekombinací pomocí systému, který vznikl a vyvinul se díky pohyblivým elementům genomu [33] .
Neurony , buňky nervového systému, mohou mít mozaikový genom , to znamená, že jejich sekvence DNA se liší od sekvence DNA jiných buněk, ačkoli všechny vznikly z jedné prekurzorové buňky - zygoty . U potkanů se ukázalo , že speciálně vložené lidské retrotranspozony DDP-1 jsou aktivní i v dospělosti. Ve srovnání s jinými tkáněmi u dospělých byl také zaznamenán nárůst kopií DDP-1 retrotranspozonů v neuronech některých částí mozku , zejména hypotalamu [34] . Bylo také zjištěno, že mobilní elementy vedou k heterogenitě v neuronech mouchy Drosophila melanogaster [2] . Aktivita mobilních elementů v neuronech může vést k synaptické plasticitě a větší variabilitě v behaviorálních odpovědích [7] .
Sekvence DNA genů pro telomerázu a retrotranspozony DDP-1 mají vysokou homologii, což ukazuje na možnost původu telomerázy z retrotranspozonů [1] .
Rostliny mají velmi vysokou rychlost evoluce genomu, proto jsou nejlépe známé účinky transponovatelných prvků, které vznikly v důsledku domestikace , protože k tomu došlo nedávno, a tyto změny lze snadno identifikovat, protože znaky, kterými byly pěstované rostliny vybrané jsou známé [16] . Příkladem může být získání oválného tvaru římským rajčetem Solanum lycopersicum . Gen, který se nachází v lokusu SUN , byl přemístěn retrotranspozicí do jiné oblasti DNA, kde je regulován různými promotorovými sekvencemi v oválných rajčatech [16] .
Protože transponovatelné prvky genomu jsou schopné integrace do chromatinu , používají se v genetickém inženýrství pro specifické a kontrolované vkládání genů nebo úseků DNA, které vědci studují. Transpozony se používají k mutagenezi a stanovení regulačních prvků genomu v laboratořích.
Nejznámějším systémem pro zavedenou mutagenezi in vivo je P-mobilní element mouchy D. melanogaster , který lze použít ke studiu genových funkcí, vzniku chromozomálních aberací atd. [35]
U obratlovců po dlouhou dobu neexistovala účinná metoda transposonové modifikace genomu. Nyní existuje systém transponovatelných prvků Tol2 odvozený z japonské ryby Oryzias latipes , který se používá u myší i lidských buněčných linií [35] . Úspěšný je také transposonový systém Minos [36] .
Transposonový systém Šípkové Růženky byl vytvořen na základě sekvence DNA rybí transpozázy . Úspěšné použití tohoto systému u myší umožnilo identifikovat kandidáty na lidské onkogeny rakoviny tlustého střeva [37] .
Kromě využití transposonů v genetickém inženýrství je studium aktivity transposonů metodou fylogenetiky . Analýzou a porovnáním nukleotidových sekvencí genomů různých druhů lze najít transpozony, které jsou přítomny u některých druhů, ale chybí u jiných. Druhy, které sdílejí stejný retrotransposon, jej s největší pravděpodobností dostaly od společného předka. Je tak možné získávat informace o evolučním vývoji druhů a budovat fylogenetické stromy [38] .
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Genetika : opakované sekvence | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tandem se opakuje |
| ||||||||||||
Rozptýlené opakování |
| ||||||||||||
Genomický ostrov | Genomický ostrov |