Retrotranspozon - Retrotransposon
Retrotranspozony (nazywane również elementami transpozycyjnymi Klasy I lub transpozonami przez półprodukty RNA ) są rodzajem składnika genetycznego , który kopiuje i wkleja się w różne miejsca genomowe ( transpozon ) poprzez przekształcenie RNA z powrotem w DNA poprzez proces odwrotnej transkrypcji przy użyciu pośrednika transpozycji RNA.
Dzięki odwrotnej transkrypcji retrotranspozony szybko się namnażają, aby stać się liczebnymi genomami eukariotycznymi, takimi jak kukurydza (49-78%) i ludzie (42%). Są one obecne tylko u eukariontów, ale mają takie same cechy jak retrowirusy, takie jak HIV , na przykład nieciągła rekombinacja pozachromosomalna za pośrednictwem odwrotnej transkryptazy .
Istnieją dwa główne typy retrotranspozonów, długie powtórzenia końcowe (LTR) i niedługie powtórzenia końcowe (nie-LTR). Retrotranspozony są klasyfikowane na podstawie kolejności i metody transpozycji. Większość retrotranspozonów w genomie kukurydzy to LTR, podczas gdy u ludzi są one w większości nie-LTR. Retrotranspozony (głównie typu LTR) mogą być przekazywane przez linię zarodkową następnemu pokoleniu gatunku gospodarza.
Innym rodzajem transpozonu jest transpozon DNA . Transpozony DNA wstawiają się w różne miejsca w genomie, nie kopiując się, co może powodować szkodliwe mutacje (patrz horyzontalny transfer genów ). Stąd retrotranspozony można uważać za replikujące, podczas gdy transpozony DNA nie są replikacyjne. Ze względu na swój replikacyjny charakter retrotranspozony mogą szybko zwiększyć rozmiar genomu eukariotycznego i trwale przetrwać w genomach eukariotycznych. Uważa się, że przebywanie w genomach eukariotycznych przez tak długi okres dało początek specjalnym metodom insercji , które nie wpływają drastycznie na funkcje genów eukariotycznych.
Retrotranspozony LTR
Długie nici powtarzającego się DNA można znaleźć na każdym końcu retrotranspozonu LTR. Są one określane jako długie powtórzenia końcowe (LTR), z których każde ma długość kilkuset par zasad, stąd retrotranspozony z LTR mają nazwę retrotranspozonów z długimi powtórzeniami końcowymi (LTR). Retrotranspozony LTR mają długość ponad 5 kilobaz. Pomiędzy długimi powtórzeniami końcowymi znajdują się geny, które mogą podlegać transkrypcji równoważne genom retrowirusowym gag i pol . Geny te nakładają się, więc kodują proteazę, która przetwarza powstały transkrypt w funkcjonalne produkty genów. Produkty genu Gag łączą się z innymi transkryptami retrotranspozonów, tworząc cząstki wirusopodobne. Produkty genu Pol obejmują enzymy odwrotnej transkryptazy, integrazy i domeny rybonukleazy H. Odwrotna transkryptaza przeprowadza odwrotną transkrypcję DNA retrotranspozonu. Integraza "integruje" DNA retrotranspozonu z DNA genomu eukariotycznego. Rybonukleaza rozszczepia wiązania fosfodiestrowe między nukleotydami RNA.
Retrotranspozony LTR kodują transkrypty z miejscami wiązania tRNA, dzięki czemu mogą podlegać odwrotnej transkrypcji. Transkrypt RNA związany z tRNA wiąże się z genomową sekwencją RNA. W ten sposób można zsyntetyzować matrycową nić DNA retrotranspozonu. Domeny rybonukleazy H degradują eukariotyczny genomowy RNA, dając sekwencje DNA bogate w adeninę i guaninę, które sygnalizują miejsce, w którym komplementarna nić niekodująca musi zostać zsyntetyzowana. Integraza następnie "integruje" retrotranspozon z eukariotycznym DNA przy użyciu grupy hydroksylowej na początku DNA retrotranspozonu. Skutkuje to retrotranspozonem oznaczonym długimi powtórzeniami końcowymi na jego końcach. Ponieważ retrotranspozon zawiera informacje o genomie eukariotycznym, może wstawiać swoje kopie do innych lokalizacji genomowych w komórce eukariotycznej.
Retrowirus endogenny
Retrowirus endogenny jest retrowirusem bez efektów patogennych wirusa, który został zintegrowany z genomem gospodarza poprzez wprowadzenie ich dziedzicznej informacji genetycznej do komórek, która może zostać przekazana następnemu pokoleniu jak retrotranspozon. Z tego powodu mają wspólne cechy z retrowirusami i retrotranspozonami. Kiedy retrowirusowy DNA zostanie zintegrowany z genomem gospodarza, ewoluują one w endogenne retrowirusy, które wpływają na genomy eukariotyczne. Do genomów eukariotycznych wszczepiło się tak wiele endogennych retrowirusów, że umożliwiają one wgląd w biologię między interakcjami wirus-gospodarz oraz rolę retrotranspozonów w ewolucji i chorobie. Wiele retrotranspozonów ma wspólne cechy z retrowirusami endogennymi, czyli właściwość rozpoznawania i łączenia się z genomem gospodarza. Istnieje jednak kluczowa różnica między retrowirusami a retrotranspozonami, na co wskazuje gen env. Chociaż podobny do genu pełniącego tę samą funkcję w retrowirusach, gen env jest używany do określenia, czy gen jest retrowirusowy czy retrotranspozonowy. Jeśli gen jest retrowirusowy, może ewoluować z retrotranspozonu w retrowirusa. Różnią się one kolejnością sekwencji w genach pol. Geny Env znajdują się w typach retrotranspozonów LTR Ty1- copia ( Pseudoviridae ), Ty3-gypsy ( Metaviridae ) i BEL/Pao. Kodują glikoproteiny na otoczce retrowirusa potrzebne do wejścia do komórki gospodarza. Retrowirusy mogą przemieszczać się między komórkami, podczas gdy retrotranspozony LTR mogą przemieszczać się tylko do genomu tej samej komórki. Wiele genów kręgowców powstało z retrowirusów i retrotranspozonów LTR. Jeden retrowirus endogenny lub retrotranspozon LTR ma tę samą funkcję i lokalizację w genomie u różnych gatunków, co sugeruje ich rolę w ewolucji.
Retrotranspozony inne niż LTR
Podobnie jak retrotranspozony LTR, retrotranspozony inne niż LTR zawierają geny odwrotnej transkryptazy, białka wiążącego RNA, nukleazy i czasami domeny rybonukleazy H, ale brakuje im długich powtórzeń końcowych. Białka wiążące RNA wiążą produkt pośredni transpozycji RNA, a nukleazy są enzymami, które rozrywają wiązania fosfodiestrowe między nukleotydami w kwasach nukleinowych. Zamiast LTR retrotranspozony inne niż LTR mają krótkie powtórzenia, które mogą mieć odwróconą kolejność zasad obok siebie, poza bezpośrednimi powtórzeniami znajdującymi się w retrotranspozonach LTR, które są tylko jedną sekwencją powtarzających się zasad.
Chociaż są retrotranspozonami, nie mogą przeprowadzać odwrotnej transkrypcji przy użyciu pośredniej transpozycji RNA w taki sam sposób, jak retrotranspozony LTR. Te dwa kluczowe składniki retrotranspozonu są nadal potrzebne, ale sposób ich włączania do reakcji chemicznych jest inny. Dzieje się tak, ponieważ w przeciwieństwie do retrotranspozonów LTR, retrotranspozony inne niż LTR nie zawierają sekwencji wiążących tRNA.
Najczęściej dzielą się na dwa typy – LINEs i SINEs. Elementy SVA są wyjątkiem między nimi, ponieważ mają podobieństwa zarówno z LINE, jak i SINE, zawierając elementy Alu i różne liczby tego samego powtórzenia. SVA są krótsze niż LINE, ale dłuższe niż SINE.
Chociaż historycznie postrzegano je jako „śmieciowe DNA”, badania sugerują, że w niektórych przypadkach zarówno LINE, jak i SINE zostały włączone do nowych genów, tworząc nowe funkcje.
Linie
Kiedy LINE jest transkrybowana, transkrypt zawiera promotor polimerazy RNA II, który zapewnia, że LINE mogą być kopiowane do dowolnej lokalizacji, w którą się wstawią. Polimeraza RNA II to enzym, który dokonuje transkrypcji genów do transkryptów mRNA. Końce transkryptów LINE są bogate w wiele adenin, zasad dodawanych na końcu transkrypcji, aby transkrypty LINE nie uległy degradacji. Ten transkrypt jest pośrednikiem transpozycji RNA.
Pośredni transpozycja RNA przemieszcza się z jądra do cytoplazmy w celu translacji. Daje to dwa regiony kodujące LINE, które z kolei wiążą się z powrotem z RNA, z którego jest transkrybowany. LINE RNA następnie cofa się do jądra, aby wstawić się do genomu eukariotycznego.
LINE wstawiają się w regiony genomu eukariotycznego bogate w zasady AT. W regionach AT LINE wykorzystuje swoją nukleazę do przecięcia jednej nici eukariotycznego dwuniciowego DNA. Bogata w adeninę sekwencja w parach zasad transkryptu LINE z przeciętą nicią do oznaczenia miejsca, w którym LINE zostanie wstawiona z grupami hydroksylowymi. Odwrotna transkryptaza rozpoznaje te grupy hydroksylowe, aby zsyntetyzować retrotranspozon LINE, w którym DNA jest cięte. Podobnie jak w przypadku retrotranspozonów LTR, ta nowa wstawiona LINE zawiera informacje o genomie eukariotycznym, dzięki czemu można je łatwo kopiować i wklejać do innych regionów genomu. Sekwencje informacyjne są dłuższe i bardziej zmienne niż te w retrotranspozonach LTR.
Większość kopii LINE ma na początku zmienną długość, ponieważ odwrotna transkrypcja zwykle zatrzymuje się przed zakończeniem syntezy DNA. W niektórych przypadkach powoduje to utratę promotora polimerazy RNA II, więc LINE nie mogą dalej transponować.
Ludzki L1
Retrotranspozony LINE-1 (L1) stanowią znaczną część ludzkiego genomu, z około 500 000 kopii na genom. Transkrypcja genów kodujących ludzką LINE1 jest zwykle hamowana przez grupy metylowe wiążące się z jej DNA, realizowane przez białka PIWI i enzymy metylotransferazy DNA. Retrotranspozycja L1 może zakłócić naturę transkrybowanych genów poprzez wklejanie się do genów lub w ich pobliżu, co z kolei może prowadzić do chorób u ludzi. LINE1 mogą jedynie w niektórych przypadkach dokonać retrotranspozycji, tworząc różne struktury chromosomowe, przyczyniając się do różnic genetycznych między osobnikami. Szacuje się, że w genomie referencyjnym Human Genome Project jest 80–100 aktywnych L1, a nawet mniejsza liczba L1 w obrębie tych aktywnych L1 często ulega retrotranspozycji. Insercje L1 powiązano z onkogenezą poprzez aktywację onkogenów genów związanych z rakiem i zmniejszenie genów supresorowych guza.
Każda ludzka LINE1 zawiera dwa regiony, z których mogą być kodowane produkty genów. Pierwszy region kodujący zawiera białko suwaka leucynowego zaangażowane w interakcje białko-białko oraz białko, które wiąże się z końcami kwasów nukleinowych. Drugi region kodujący zawiera nukleazę purynowo-pirymidynową, odwrotną transkryptazę i białko bogate w aminokwasy cysteiny i histydyny. Koniec ludzkiej LINII1, podobnie jak inne retrotranspozony, jest bogaty w adeninę.
SINEs
SINE są znacznie krótsze (300bp) niż LINE. Dzielą one podobieństwo do genów transkrybowanych przez polimerazę RNA II, enzym, który dokonuje transkrypcji genów do transkryptów mRNA, oraz sekwencję inicjującą polimerazy RNA III, enzymu, który transkrybuje geny do rybosomalnego RNA, tRNA i innych małych cząsteczek RNA. SINE, takie jak ssacze elementy MIR, mają gen tRNA na początku i bogaty w adeninę na końcu, tak jak w LINE.
SINE nie kodują funkcjonalnego białka odwrotnej transkryptazy i opierają się na innych ruchomych transpozonach, zwłaszcza LINE . SINE wykorzystują komponenty transpozycji LINE, mimo że białka wiążące LINE preferują wiązanie z LINE RNA. SINE nie mogą samodzielnie transponować, ponieważ nie mogą kodować transkryptów SINE. Zwykle składają się z części pochodzących z tRNA i LINE. Część tRNA zawiera promotor polimerazy RNA III, który jest tym samym rodzajem enzymu co polimeraza RNA II. Daje to pewność, że kopie LINE zostaną przepisane na RNA w celu dalszej transpozycji. Składnik LINE pozostaje, aby białka wiążące LINE mogły rozpoznać część LINE SINE.
Elementy aluminiowe
Alu s są najczęściej SINE u naczelnych. Mają długość około 350 par zasad, nie kodują białek i mogą być rozpoznawane przez enzym restrykcyjny AluI (stąd nazwa). Ich rozmieszczenie może mieć znaczenie w niektórych chorobach genetycznych i nowotworach. Kopiowanie i wklejanie Alu RNA wymaga końca bogatego w adeninę Alu, a reszta sekwencji jest związana z sygnałem. Alu związany z sygnałem może następnie łączyć się z rybosomami. LINE RNA asocjuje na tych samych rybosomach co Alu. Wiązanie z tym samym rybosomem pozwala Alusowi SINE na interakcję z LINE. To symultaniczne tłumaczenie elementu Alu i LINE umożliwia kopiowanie i wklejanie SINE.
Elementy SVA
Elementy SVA są obecne na niższych poziomach niż SINES i LINES u ludzi. Początki elementów SVA i Alu są podobne, następnie powtórzenia i koniec podobny do endogennego retrowirusa. LINE wiążą się z miejscami otaczającymi elementy SVA, aby je transponować. SVA są jednymi z najmłodszych transpozonów w genomie małp człekokształtnych i jednymi z najbardziej aktywnych i polimorficznych w populacji ludzkiej.
W niedawnym badaniu opracowano metodę sieciową, która ujawnia dynamikę proliferacji retroelementów SVA (RE) w genomach hominidów. Metoda ta umożliwia śledzenie przebiegu proliferacji SVA, identyfikowanie jeszcze nieznanych aktywnych społeczności i wykrywanie wstępnych „głównych RE”, które odgrywają kluczową rolę w propagacji SVA. W ten sposób dostarcza wsparcia dla podstawowego modelu „genu głównego” proliferacji RE.
Rola w chorobie człowieka
Retrotranspozony zapewniają, że nie zostaną utracone przypadkowo, ponieważ występują tylko w genetyce komórkowej, która może być przekazywana z pokolenia na pokolenie z macierzystych gamet. Jednak LINEs mogą transponować do ludzkich komórek embrionalnych, które ostatecznie rozwijają się w układ nerwowy, co rodzi pytanie, czy ta retrotranspozycja LINE wpływa na funkcjonowanie mózgu. Retrotranspozycja LINE jest również cechą kilku nowotworów, ale nie jest jasne, czy sama retrotranspozycja powoduje raka, a nie tylko objaw. Niekontrolowana retrotranspozycja jest zła zarówno dla organizmu gospodarza, jak i dla samych retrotranspozonów, dlatego należy je regulować. Retrotranspozony są regulowane przez interferencję RNA . Interferencja RNA jest przeprowadzana przez grupę krótkich niekodujących RNA . Krótki niekodujący RNA oddziałuje z białkiem Argonaute, degradując transkrypty retrotranspozonów i zmieniając ich strukturę histonową DNA w celu zmniejszenia ich transkrypcji.
Rola w ewolucji
Retrotranspozony LTR pojawiły się później niż retrotranspozony inne niż LTR, prawdopodobnie z retrotranspozonów innych niż LTR, nabywających integrazę z transpozonu DNA. Retrowirusy zyskały dodatkowe właściwości do swoich otoczek wirusowych poprzez pobranie odpowiednich genów z innych wirusów przy użyciu mocy retrotranspozonu LTR.
Ze względu na mechanizm retrotranspozycji, retrotranspozony szybko się zwiększają, stanowiąc 40% ludzkiego genomu. Szybkości wstawiania elementów LINE1, Alu i SVA wynoszą odpowiednio 1/200 – 1/20, 1/20 i 1/900. Wskaźniki wstawiania LINE1 bardzo się różniły w ciągu ostatnich 35 milionów lat, więc wskazują punkty w ewolucji genomu.
Zwłaszcza duża liczba 100 kilopar zasad w genomie kukurydzy wykazuje różnorodność ze względu na obecność lub brak retrotranspozonów. Jednakże, ponieważ kukurydza jest nietypowa genetycznie w porównaniu z innymi roślinami, nie można jej używać do przewidywania retrotranspozycji w innych roślinach.
Mutacje spowodowane retrotranspozonami obejmują:
- Inaktywacja genów
- Zmiana regulacji genów
- Zmieniające się produkty genów
- Działając jako miejsca naprawy DNA
Rola w biotechnologii
Zobacz też
- Odmiana numeru kopii
- Organizacja genomowa
- Sekwencje wstawiania
- Przeplatane powtórzenie
- Paleogenetyka
- Paleowirologia
- RetrOryza
- Markery retrotranspozonowe , potężna metoda rekonstrukcji filogenezy.
- Transpozon Tn3
- Transpozon
- Retron