Transposonit (hyppygeenit) - DNA:n liikkuvat elementit, vaikutukset ja mutaatiot
Transposonit (hyppygeenit) — miten DNA:n liikkuvat elementit aiheuttavat mutaatioita, vaikuttavat genomikokoon ja perintötekijöihin? Lue mekanismeista ja seurauksista.
Transposoni on DNA-sekvenssi, joka voi siirtyä uuteen paikkaan yksittäisen solun genomissa. Lehdistössä niitä kutsuttiin hyppygeeneiksi, mutta ei ole oikein kutsua niitä "geeneiksi".
Transposonit löysi ensimmäisenä Barbara McClintock työskennellessään maissin parissa. Hän sai työstään Nobelin palkinnon vuonna 1983.
Transpositio voi aiheuttaa merkittäviä mutaatioita ja muuttaa solun perimän kokoa.
Mitä transposonit ovat ja miten ne toimivat
Transposonit ovat DNA:n liikkuvia elementtejä, joita löytyy lähes kaikista eliöistä. Ne voivat siirtyä genomissa paikasta toiseen eri mekanismeilla. Suurimmat ryhmät ovat:
- DNA-transposonit — siirtyvät yleensä "cut-and-paste" -periaatteella käyttäen transposaasi-entsyymiä, joka leikkaa elementin irti yhdestä kohdasta ja liittää sen toiseen.
- Retrotransposonit — toimivat "copy-and-paste" -mekanismilla: elementin DNA kirjoitetaan ensin RNA:ksi, josta käänteiskopioija (reverse transcriptase) tekee DNA-kopion, joka integroidaan genomiiin. Retrotransposoneihin kuuluvat mm. LTR- (long terminal repeat) ja non-LTR-elementit kuten LINE- ja SINE-perhe.
Tyypilliset osat ja entsyymit
- Transposaasi — entsyymi, joka tunnistaa transposonin reunat ja välittää siirron (DNA-transposoneilla).
- Käänteiskopioija / integraasi — retrotransposoneilla tarvitaan RNA-välitteinen kopiointi ja integroituminen uuteen kohtaan.
- Pääte- ja toistojaksot — monet transposonit sisältävät varsinaisia tunnistettavia reuna-sekvenssejä, joita entsyymit käyttävät.
Vaikutukset perimään ja mutaatiot
Transposonien siirtyminen voi johtaa monenlaisiin vaikutuksiin:
- Insertionaalinen mutaatio: jos elementti sijoittuu geenin sisään tai säätelyalueelle, se voi katkaista geenin, muuttaa ilmentymistä tai aiheuttaa virheellisen proteiinin.
- Geenien ilmentymisen säätely: transposonien sisältämät promoottorit tai säätelysekvenssit voivat muuttaa lähellä olevien geenien toimintaa.
- Genomeen kertyminen ja koon kasvu: etenkin retrotransposonit voivat lisääntyä kopioimalla itseään, mikä kasvattaa genomin kokoa.
- Kromosomaaliset järjestelyt: samankaltaisten transposonijaksojen aiheuttamat rekombinaatiot voivat johtaa deleetioihin, duplikaatioihin tai inversioihin.
- Geneettinen innovaatio: ajoittain transposonista peräisin oleva sekvenssi adaptivoituu isännän käytettäväksi (ns. domestikaatio), jolloin siitä voi syntyä uusia toiminnallisia elementtejä evoluutiossa.
Esimerkkejä ja merkitys ihmisellä ja muilla organismeilla
- Ihmisen genomissa transposoneja on suuri osa: LINE-1- ja Alu-elementit (SINE) muodostavat merkittävän osan genomista ja ovat aiheuttaneet lukuisia insertionaalisia mutaatioita.
- Bakteereissa esiintyy yksinkertaisempia insertion sequence -elementtejä ja composite-transposoneja, jotka usein kantavat myös antibioottiresistenssigeenejä ja levittävät niitä plasmidien kautta.
- Esimerkiksi immuunijärjestelmän RAG-entsyymien alkuperän on arveltu liittyvän transposonien domestikaatioon, mikä korostaa niiden evolutiivista vaikutusta.
Solun puolustus ja säätely
Koska transposonit voivat olla haitallisia, solut ovat kehittäneet keinoja niiden hillitsemiseksi:
- DNA-metylaatio ja muut epigeneettiset merkit hiljentävät transposoneja.
- RNA-pohjainen silencing (esim. piRNA-mekanismi) torjuu erityisesti sukusolulinjan transposonien aktiivisuutta.
Käyttö laboratoriossa ja bioteknologiassa
Transposoneja hyödynnetään myös tutkimuksessa ja sovelluksissa:
- Mutageneesi- ja lähetysmerkintämenetelmät: transposonit toimivat työkaluina geenien tunnistuksessa ja toiminnan tutkimisessa.
- Geeni- ja soluterapiassa kehitetään transposonipohjaisia vektoreita (esim. Sleeping Beauty, piggyBac) geneettiseen muokkaukseen, koska ne voivat integroida DNA:ta isäntägenomiin.
Yhteenveto
Transposonit ovat monimuotoinen ja vaikutuksiltaan merkittävä osa genomiikkaa. Ne voivat aiheuttaa mutaatioita ja genomin järjestelyjä, mutta samalla toimia uusien geenifunktioiden lähteenä ja hyödyllisenä työkaluna biotieteissä. Barbara McClintockin työ maissin parissa paljasti tämän ilmiön perustavanlaatuisen roolin biologisessa vaihtelussa ja evoluutiossa.
Maississa esiintyvät täplät ovat transposonien aiheuttamia mutaatioita.
Tyypit
Transposonit ovat vain yksi monista erityyppisistä liikkuvista geneettisistä elementeistä. Transposoneja on kahta tyyppiä niiden mekanismin mukaan, joka voi olla joko "kopioi ja liitä" (luokka I) tai "leikkaa ja liitä" (luokka II).
Luokka I (retrotransposonit): Ne kopioivat itseään kahdessa vaiheessa, ensin DNA:sta RNA:ksi transkriptiolla ja sitten RNA:sta takaisin DNA:ksi käänteisellä transkriptiolla. Tämän jälkeen DNA-kopio lisätään genomiin uuteen paikkaan. Retrotransposonit käyttäytyvät hyvin samankaltaisesti kuin retrovirukset, kuten HIV.
Luokka II (DNA-transposonit): Sen sijaan luokan II transposonien leikkaa ja liitä -transpositiomekanismit eivät sisällä RNA-välikappaletta.
Bakteerien DNA-transposoni
Sairauden syinä
Transposonit ovat mutageeneja. Ne voivat vahingoittaa isäntäsolunsa perimää eri tavoin:
- Transposoni tai retroposoni, joka asettuu toimivaan geeniin, todennäköisesti lamauttaa kyseisen geenin.
- Kun transposoni poistuu geenistä, syntyvää aukkoa ei todennäköisesti korjata oikein.
- Saman sekvenssin, kuten Alu-sekvenssien, useat kopiot voivat estää tarkan kromosomiparin muodostamisen mitoosin ja meioosin aikana, mikä johtaa epätasaiseen ristiinkytkeytymiseen, joka on yksi tärkeimmistä syistä kromosomien monistumiseen.
Käytä
Transposonit voivat kuljettaa ylimääräisiä geenejä, kuten antibioottiresistenssigeenejä. Niitä voidaan käyttää geenin siirtämiseen organismin DNA:han. Tämä on tehty hedelmäkärpästen (Drosophila melanogaster) kohdalla laittamalla transposoni alkioon.
Esimerkkejä
- Barbara McClintock löysi ensimmäiset transposonit maissista (Zea mays) vuonna 1948, mistä hänelle myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1983. Hän havaitsi näiden transposonien aiheuttamia kromosomimutaatioita. Noin 50 prosenttia maissin koko genomista koostuu transposoneista. McClintockin kuvaamat Ac/Ds-systeemit ovat luokan II transposoneja.
- Yksi transposoniperhe Drosophila melanogaster -hedelmäkärpäsessä on nimeltään P-elementit. Ne näyttävät ilmaantuneen lajiin ensimmäisen kerran vasta 1900-luvun puolivälissä. Viidenkymmenen vuoden kuluessa ne ovat levinneet kaikkiin lajin populaatioihin. Keinotekoisia P-elementtejä käytetään geenien lisäämiseksi Drosophilaan ruiskuttamalla alkioihin.
- Yleisin transposonin muoto ihmisillä on Alu-sekvenssi. Se on noin 300 emäksen pituinen, ja sitä esiintyy ihmisen genomissa 300 000-1 miljoonaa kertaa.
- Marinerin kaltaiset elementit ovat toinen merkittävä transposonien luokka, jota esiintyy useissa lajeissa, myös ihmisissä. Jacobson ja Hartl löysivät Mariner-transposonin ensimmäisenä Drosofilasta. Tämä luokan II transposable elementti tunnetaan sen hämmästyttävästä kyvystä siirtyä horisontaalisesti monissa lajeissa. Ihmisen genomissa on arviolta 14 tuhatta Mariner-kopiota, jotka käsittävät 2,6 miljoonaa emäsparia.
Evoluutio
Transposoneja esiintyy monissa elämänmuodoissa. Ne ovat saattaneet syntyä itsenäisesti useita kertoja tai ehkä vain kerran ja levitä sitten horisontaalisen geeninsiirron kautta muihin valtakuntiin.
Vaikka jotkin transposonit saattavat antaa etuja isännälleen, useimpia niistä pidetään itsekkäinä DNA-loisina. Tällä tavoin ne muistuttavat viruksia. Erilaisilla viruksilla ja transposoneilla on myös yhteisiä piirteitä genomirakenteessa ja biokemiallisissa kyvyissä, mikä on antanut aihetta olettaa, että niillä on yhteinen esi-isä.
Liiallinen transposonitoiminta voi tuhota genomin, mikä on tappavaa. Monet organismit ovat kehittäneet mekanismeja niiden estämiseksi. Bakteerit voivat käyttää geenien poistamista transposonien ja virusten poistamiseksi genomeistaan, kun taas eukaryoottiset organismit käyttävät RNA-interferenssiä (RNAi) transposonien aktiivisuuden estämiseksi.
Selkärankaisten eläinsoluissa lähes kaikki yli 100 000 DNA-transposonia genomissa koodaavat inaktiivisia polypeptidejä. Ihmisillä kaikki luokan I kaltaiset transposonit ovat inaktiivisia. Ensimmäinen geneettisenä välineenä käytetty DNA-transposoni, Sleeping Beauty -transposonijärjestelmä, oli transposoni, joka herätettiin pitkästä evoluution aikaisesta unesta.
Rooli immuunijärjestelmässä
Selkärankaisten immuunijärjestelmä on saattanut ottaa transposonit käyttöönsä keinona tuottaa vasta-aineiden monimuotoisuutta: V(D)J-rekombinaatiojärjestelmä toimii samanlaisella mekanismilla kuin transposonit. Kyseessä on kolmen geenin järjestelmä, joka järjestyy uudelleen selkärankaisten lymfosyyttien tuotannossa. Järjestelmä koodaa monipuolisesti proteiineja, jotka vastaavat bakteerien, virusten, loisten, toimintahäiriöisten solujen, kuten kasvainsolujen, ja siitepölyjen antigeenejä.
Lopullinen DNA-sekvenssi ja siten myös vasta-aineen sekvenssi on hyvin vaihteleva, vaikka kaksi samaa V-, D- tai J-segmenttiä yhdistettäisiinkin. Tämän suuren monimuotoisuuden ansiosta VDJ-rekombinaatio tuottaa vasta-aineita jopa sellaisia mikrobeja vastaan, joita organismi tai sen esi-isät eivät ole koskaan aiemmin kohdanneet.
Etsiä