Transposons: Typen und Eigenschaften

Transposons oder transponierbare Elemente sind DNA-Fragmente, die ihre Position im Genom verändern können. Das Ereignis der Bewegung wird als Transposition bezeichnet und kann innerhalb desselben Chromosoms von einer Position zur nächsten verschoben oder das Chromosom verändert werden. Sie sind in allen Genomen und in einer signifikanten Menge vorhanden. Sie wurden ausgiebig an Bakterien, Hefen, Drosophila und Mais untersucht.

Diese Elemente werden unter Berücksichtigung des Umsetzungsmechanismus des Elements in zwei Gruppen unterteilt. Wir haben also die Retrotransposons, die ein RNA-Intermediat (Ribonukleinsäure) verwenden, während die zweite Gruppe ein DNA-Intermediat verwendet. Diese letzte Gruppe sind die transposones sensus stricto.

Eine neuere und detailliertere Klassifizierung verwendet die allgemeine Struktur der Elemente, die Existenz ähnlicher Motive und die Identität und Ähnlichkeit von DNA und Aminosäuren. Auf diese Weise werden Unterklassen, Überfamilien, Familien und Unterfamilien transponierbarer Elemente definiert.

Historische Perspektive

Dank der Forschungen, die Barbara McClintock Mitte der 1940er Jahre an Mais ( Zea mays ) durchführte, konnte die traditionelle Ansicht, dass jedes Gen einen festen Platz auf einem bestimmten Chromosom hatte und im Genom fixiert war, geändert werden.

Diese Experimente machten deutlich, dass bestimmte Elemente die Fähigkeit hatten, die Position von einem Chromosom zum anderen zu ändern.

Ursprünglich prägte McClintock den Begriff "Kontrollelemente", da sie die Expression des Gens kontrollierten, in das sie eingefügt wurden. Dann wurden die Elemente Sprunggene, mobile Gene, mobile genetische Elemente und Transposons genannt.

Dieses Phänomen wurde lange Zeit nicht von allen Biologen akzeptiert und mit Skepsis behandelt. Mobile Elemente werden heutzutage voll akzeptiert.

In der Vergangenheit wurden Transposons als Segmente "selbstsüchtiger" DNA angesehen. Nach den 80er Jahren begann sich diese Perspektive zu ändern, da Wechselwirkungen und Auswirkungen der Transposons im Genom aus struktureller und funktioneller Sicht identifiziert werden konnten.

Obwohl die Beweglichkeit des Elements in bestimmten Fällen schädlich sein kann, kann dies aus diesen Gründen für Populationen von Organismen vorteilhaft sein - analog zu einem "nützlichen Parasiten".

Allgemeine Eigenschaften

Transposons sind einzelne DNA-Fragmente, die sich innerhalb eines Genoms ("Wirtsgenom") bewegen können und im Allgemeinen während des Mobilisierungsprozesses Kopien von sich selbst erstellen. Das Verständnis der Transposons, ihrer Eigenschaften und ihrer Rolle im Genom hat sich im Laufe der Jahre geändert.

Einige Autoren betrachten ein "transponierbares Element" als Überbegriff für eine Reihe von Genen mit unterschiedlichen Merkmalen. Die meisten von ihnen haben nur die für ihre Umsetzung erforderliche Reihenfolge.

Obwohl alle die Eigenschaft teilen, sich durch das Genom bewegen zu können, können einige eine Kopie von sich selbst an der ursprünglichen Stelle belassen, was zur Zunahme transponierbarer Elemente im Genom führt.

Fülle

Die Sequenzierung verschiedener Organismen (Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere ua) hat gezeigt, dass praktisch alle Lebewesen transponierbare Elemente aufweisen.

Die Transposons sind reichlich vorhanden. In den Genomen von Wirbeltieren nehmen sie 4 bis 60% des gesamten genetischen Materials des Organismus ein, und in den Amphibien und in einer bestimmten Gruppe von Fischen sind die Transposons äußerst unterschiedlich. Es gibt extreme Fälle wie Mais, in denen Transposons mehr als 80% des Genoms dieser Pflanzen ausmachen.

Beim Menschen gelten transponierbare Elemente mit einem Anteil von fast 50% als die am häufigsten vorkommenden Bestandteile im Genom. Trotz ihrer bemerkenswerten Häufigkeit ist die Rolle, die sie auf genetischer Ebene spielen, nicht vollständig geklärt.

Um diese Vergleichszahl zu erhalten, berücksichtigen wir die kodierenden DNA-Sequenzen. Diese werden in eine Messenger-RNA transkribiert, die schließlich in ein Protein übersetzt wird. Bei Primaten bedeckt die kodierende DNA nur 2% des Genoms.

Arten von Transposons

Im Allgemeinen werden transponierbare Elemente nach der Art und Weise klassifiziert, in der sie vom Genom mobilisiert werden. Auf diese Weise haben wir zwei Kategorien: die Elemente der Klasse 1 und die der Klasse 2.

Elemente der Klasse 1

Sie werden auch als RNA-Elemente bezeichnet, da das DNA-Element im Genom in einer Kopie der RNA transkribiert wird. Dann wird die RNA-Kopie zurück in eine andere DNA umgewandelt, die in die Zielstelle des Wirtsgenoms inseriert wird.

Sie werden auch als Retro-Elemente bezeichnet, da ihre Bewegung durch den umgekehrten Fluss der genetischen Information von RNA zu DNA erfolgt.

Die Anzahl dieser Art von Elementen im Genom ist enorm. Zum Beispiel die Alu- Sequenzen im menschlichen Genom.

Die Transposition ist replikativ, dh die Sequenz bleibt nach dem Phänomen erhalten.

Elemente der Klasse 2

Die Elemente der Klasse 2 sind als DNA-Elemente bekannt. In diese Kategorie fallen Transposons, die sich von einem Ort zum anderen bewegen, ohne dass ein Vermittler erforderlich ist.

Die Umsetzung kann vom replikativen Typ sein, wie im Fall der Elemente der Klasse I, oder sie kann konservativ sein: Das Element wird im Ereignis aufgeteilt, so dass die Anzahl der transponierbaren Elemente nicht zunimmt. Die von Barbara McClintock entdeckten Gegenstände gehörten zur Klasse 2.

Wie wirkt sich die Transposition auf den Wirt aus?

Wie bereits erwähnt, sind Transposons Elemente, die sich innerhalb desselben Chromosoms bewegen oder zu einem anderen springen können. Wir müssen uns jedoch fragen, wie die Fitness des Einzelnen durch das Umsetzungsereignis beeinflusst wird. Dies hängt im Wesentlichen von der Region ab, in der das Element transponiert wird.

Somit kann die Mobilisierung den Wirt positiv oder negativ beeinflussen, entweder durch Inaktivieren eines Gens, Modulieren der Genexpression oder Induzieren einer illegitimen Rekombination.

Wenn die Fitness des Wirts drastisch abnimmt, hat dies Auswirkungen auf das Transposon, da das Überleben des Organismus für dessen Fortbestehen entscheidend ist.

Aus diesem Grund wurden im Wirt und im Transposon bestimmte Strategien identifiziert, die dazu beitragen, die negativen Auswirkungen der Umsetzung zu verringern und ein Gleichgewicht herzustellen.

Zum Beispiel müssen einige Transposons in Regionen eingefügt werden, die im Genom nicht essentiell sind. Somit ist der Einfluss wahrscheinlich minimaler Serien, wie in den Heterochromatin-Regionen.

Zu den Strategien des Wirts gehört die DNA-Methylierung, die die Expression des transponierbaren Elements verringert. Zusätzlich können einige störende RNAs zu dieser Aufgabe beitragen.

Genetische Wirkungen

Die Transposition führt zu zwei grundlegenden genetischen Effekten. Erstens verursachen sie Mutationen. Beispielsweise sind 10% aller genetischen Mutationen in der Maus das Ergebnis von Transpositionen von Retroelementen, von denen viele codierende oder regulatorische Regionen sind.

Zweitens fördern Transposons Ereignisse unrechtmäßiger Rekombinationen, was zur Rekonfiguration von Genen oder ganzen Chromosomen führt, die im Allgemeinen Deletionen des genetischen Materials mit sich bringen. Es wird geschätzt, dass 0, 3% der genetischen Störungen beim Menschen (wie erbliche Leukämien) auf diese Weise aufgetreten sind.

Es wird angenommen, dass die Verringerung der Fitness des Wirts aufgrund schädlicher Mutationen der Hauptgrund dafür ist, dass die transponierbaren Elemente nicht häufiger sind als sie es bereits sind.

Funktionen der transponierbaren Elemente

Ursprünglich wurde angenommen, dass Transposons Parasitengenome sind, die in ihren Wirten keine Funktion haben. Dank der Verfügbarkeit von Genomdaten wurde heutzutage mehr Aufmerksamkeit auf die möglichen Funktionen und die Rolle von Transposons bei der Evolution von Genomen gelegt.

Einige mutmaßliche regulatorische Sequenzen wurden von transponierbaren Elementen abgeleitet und in mehreren Wirbeltierlinien konserviert, zusätzlich dazu, dass sie für verschiedene evolutionäre Neuheiten verantwortlich sind.

Rolle in der Evolution von Genomen

Neueren Forschungen zufolge haben Transposons einen signifikanten Einfluss auf die Architektur und Evolution der Genome organischer Wesen.

Im kleinen Maßstab können Transposons Änderungen in Verknüpfungsgruppen vermitteln, sie können jedoch auch relevantere Auswirkungen haben, z. B. erhebliche strukturelle Änderungen der genomischen Variation, wie Deletionen, Duplikationen, Inversionen, Duplikationen und Translokationen.

Es wird angenommen, dass Transposons sehr wichtige Faktoren waren, die die Größe der Genome und ihre Zusammensetzung in eukaryotischen Organismen beeinflusst haben. Tatsächlich besteht eine lineare Korrelation zwischen der Größe des Genoms und dem Gehalt an transponierbaren Elementen.

Beispiele

Transposons können auch zu einer adaptiven Evolution führen. Das deutlichste Beispiel für den Beitrag von Transposons ist die Entwicklung des Immunsystems und die Transkriptionsregulation über nichtkodierende Elemente in der Plazenta und im Gehirn von Säugetieren.

Im Immunsystem von Wirbeltieren wird jeder der zahlreichen Antikörper mittels eines Gens mit drei Sequenzen (V, D und J) produziert. Diese Sequenzen sind im Genom physikalisch getrennt, aber sie kommen während der Immunantwort durch einen Mechanismus zusammen, der als VDJ-Rekombination bekannt ist.

In den späten 1990er Jahren fand eine Gruppe von Forschern heraus, dass die für die VDJ-Bindung verantwortlichen Proteine ​​mit den RAG1- und RAG2- Genen kodiert waren . Diese hatten keine Introns und könnten die Transposition spezifischer Sequenzen in DNA-Targets bewirken.

Das Fehlen von Introns ist ein gemeinsames Merkmal der Gene, die durch Retrotransposition einer Messenger-RNA erhalten werden. Die Autoren dieser Studie schlugen vor, dass das Immunsystem von Wirbeltieren dank Transposons entstand, die den Vorfahren der Gene RAG1 und RAG2 enthielten .

Es wird geschätzt, dass ungefähr 200.000 Insertionen in der Linie der Säugetiere exprimiert wurden.