Transpozony

TRANSPOZONY - WĘDRUJĄCE DNA

Zmiany mutacyjne w genomach organizmów zachodzą stosunkowo rzadko. Skomplikowane, wielostopniowe mechanizmy stoją na straży stabilności składu genetycznego komórki. Zdarzają się jednak w przyrodzie przypadki, że w genomach zarówno Pro -, jak i Eucaryota dochodzi do przemieszczania się fragmentów DNA osiągających nawet kilkadziesiąt tysięcy par zasad (!).

Takie ruchome elementy genetyczne, zmieniające swą lokalizację w obrębie genomu, odkryto w latach 50 i nazwano TRANSPOZONAMI.

Z przemieszczaniem się transpozonów mogą być związane bardzo poważne zmiany w DNA: delecje, inwersje i duplikacje obejmujące bardzo nieraz obszerne rejony i powodujące nieraz utratę funkcji niektórych genów, a wzmożoną ekspresję innych. Co jednak u możliwia transpozycję, czyli wędrówkę transpozonów przez geny?

Spróbujmy przyjrzeć się transpozonowi z grupy IS - najprostszych transpozonów bakteryjnych. Transpozon IS1 występuje u E. coli i ma długość zaledwie 768 par zasad. Koduje on specyficzną nukleazę, zwaną transpozazą. Na obu końcach tego transpozonu z najdują się krótkie, niemal identyczne, lecz przeciwnie skierowane 23- nukleotydowe sekwencje ITR.

Transpozaza rozpoznaje obie sekwencje terminalne, a także krótką (dla IS1 9 par zasad) sekwencję akceptorową (docelową) w genomie gospodarza. Transpozaza nacina obie nici na końcach transpozonu i w obrębie sekwencji docelowej, tworząc lepkie końce. Podczas następującego później wbudowywania transpozonu następuje podwojenie sekwencji akceptorowej tak, że w efekcie IS1 w nowym położeniu jest oflankowany przez dwie sekwencje docelowe.


W procesie transpozycji niezbędne są też enzymy gospodarza: polimeraza I DNA i ligaza.

Sekwencja transpozonowa włączona w obrębie genu gospodarza powoduje najczęściej jego inaktywację. Ponadto rekombinacja pomiędzy dwiema kopiami tej samej IS wbudowanymi w różnych miejscach genomu może doprowadzić do zmian w ilości lub orientacji gen ów gospodarza.


Ponieważ gen transpozazy jest opatrzony własnym promotorem, to wbudowanie transpozonu może też wywołać wzmocnienie ekspresji sąsiadujących genów.

Transpozony przyczyniają się więc do znacznie częstszych rearanżacji genomu, niż np. mutacje punktowe. Mutanty transpozonowe są jednak nietrwałe i często rewertują.

W przyrodzie występują również transpozony znacznie większe i bardziej skomplikowane od czynników insercyjnych. Niektóre z nich przedstawione są w poniższej tabeli:

NIEKTÓRE TRANSPOZONY BAKTERYJNE I ORGANIZMÓW EUKARIOTYCZNYCH

Symbol elementu
Liczba par zasad
Gatunek, w którym występuje transpozon
Uwagi

IS1
768
E. coli K12
koduję transpozazę

Tn5
5700
E. coli, plazmid R
zawiera gen oporności na kanamycynę

AC
4563
kukurydza
powoduję pękanie chromosomów jako niekompletny element D1

Tc1
1610
Caenorhabditis elegans

P
2900
D. melanogaster
wywołuje zaburzenia linii komórek płciowych

RETROTRANSPOZONY

Ty
5600
drożdże
transpozycja przez mRNA i odwrotną transkrypcję na DNA

copia
5000
D. melanogaster
transpozycja przez mRNA i odwrotną transkrypcję na DNA


Uwidoczniona jest tu różnorodność form "wędrującego DNA": od krótkich, jak opisany IS1, do kilkudziesięciokilobazowych gigantów. Od przenoszących się jedynie z miejsca na miejsce, po posiadające zdolność do transpozycji replikatywnej, tj. wytwarzaj ących swoją kolejną kopię, która wbudowuje się w inne miejsce w genomie. Od kodujących samą tylko transpozazę do tzw. transpozonów złożonych. Niosą one dodatkowo geny oporności na wiele antybiotyków, wykazują złożony system kontroli ekspresji, czasem kodu ją geny odwrotnej transkryptazy, proteazy i Rnazy.

Niektóre transpozony, aby się powielić i wbudować w nowe miejsce w genomie, muszą zostać przetranskrybowane na mRNA, a dopiero później, przy udziale kodowanej przez nie odwrotnej transkryptazy, są przepisywane z powrotem na DNA. Dzieje się tak np. w przypadku drożdżowych retrotranspozonów Ty, czy transpozonowych elementów copia u Drosophila melanogaster.

Takie procesy, jak i wiele sekwencji zbliżonych do wirusowych, są być może śladem wskazującym na pochodzenie retrotranspozonów od retrowirusów, a "klasycznych" transpozonów od wirusów DNA.

Niektórzy naukowcy lansują hipotezę, że transpozony są po prostu dawnymi wirusami, które utraciły geny odpowiedzialne za zjadliwość. Transpozony nigdy bowiem nie występują poza komórką, jako cząstki zdolne do infekcji i chorobotworzenia.

Zdolność transpozonów do aktywnego wbudowywania się w genom gospodarza wykorzystuje współczesna biologia molekularna i biotechnologia. Geny zawarte w transpozonie można przecież zastąpić innymi, wykorzystując transpozon jako wydajny wektor. Transpo zon może też zostać użyty jako sonda molekularna do lokalizowania poszukiwanych sekwencji DNA.