Бактериски ДНК транспозон

Транспозон (или скокачки ген) е ДНК секвенца која може да ја промени својата позиција во рамките на геномот. Транспозоните понекогаш можат да создадат нови мутации или да го променат генетскиот идентитет на клетката и големината на нејзиниот геном.[1] Транспозицијата често резултира со дупликација на истиот генетски материјал. Во 1983 година, Барбара Маклинток ја добила Нобеловата награда за откривање на транспозоните.[2]

Транспозоните сочинуваат голем дел од геномот и се одговорни за голем дел од масата на ДНК во еукариотската клетка. Тие се од огромно значење за функцијата и еволуцијата на геномот.[3] Tие се, исто така, многу корисни за истражувачите, бидејќи се користат како средство за промена на ДНК во внатрешноста на живите клетки.

Постојат најмалку две класи на транспозони: класа I транспозони, или ретротранспозони, кои подлегнуваат на реверзна транскрипција, и класа II транспозони, или ДНК транспозони, кои го кодираат ензимот транспозаза, кој им е потребен за екцизија и инсерција, а некои од нив може да кодираат и други протеини.[4]

КласификацијаУреди

Транспозоните се само еден од неколкуте видови на мобилни генетски елементи. Тие се поделени на две класи врз основа на механизмот на транспозицијата, кој може да се опише како копирај и залепи (класа I транспозони) или исечи и залепи (класа II транспозони).[5]

РетротранспозониУреди

Класа I транспозоните се копираат во две фази: прво, тие подлежат на транскрипција од ДНК во РНК, а потоа РНК подлежи на реверзна транскрипција назад во ДНК. Вака создадената ДНК молекула се враќа назад во геномот на нова позиција. Процесот на реверзна транскрипција е катализиран од ензимот реверзна транскриптаза, кој често е кодиран од самиот транспозон. Карактеристиките на ретротранспозоните се слични на оние на ретровирусите, како што е ХИВ.

Ретротранспозоните најчесто се групирани во три главни групи:

  • Ретротранспозони со долги терминални повторувања (LTRs, од англ. Long terminal repeats), кои кодираат реверзна транскриптаза, слично на ретровирусите.
  • Ретропозони (LINEs, од англ. Long interspersed nuclear elements), кои кодираат реверзна транскриптаза, но немаат долги терминални повторувања (LTRs), а нивната транскрипција ја врши РНК полимераза II.
  • SINEs (од англ. Short interspersed nuclear elements), кои не кодираат реверзна транскриптаза, а нивната транскрипција ја врши РНК полимераза III.

Ретровирусите, исто така, може да се сметаат за транспозони. На пример, по конверзијата на ретровирусната РНК во ДНК во клетката-домаќин, новосоздадената ретровирусна ДНК е интегрирана во геномот на клетката-домаќин. Вака интегрираните вирусни ДНК молекули се нарекуваат провируси. Провирусот е специјализирана форма на еукариотски ретротранспозон, кој може да произведе нови вирусни РНК молекули кои може да ја напуштат клетката-домаќин и да заразат други клетки.

ДНК транспозониУреди

 
А. Структура на ДНК транспозони (Маринер тип). Од двете страни на генот за транспозаза се наоѓаат две превртени тандемски повторувања (TIR). Од двете страни на инсертот се наоѓаат две дупликации на кратки тандемски места (TSD).
Б. Механизам на транспозиција: Две транспозази препознаваат и се врзуваат за TIR секвенци, се поврзуваат меѓусебе и поттикнуваат сечење на двоверижната ДНК. ДНК-транспозаза комплексот потоа се вметнува во специфични ДНК мотиви на друго место во геномот, со што создава кратки TSDs по интеграцијата.

Исечи-и-залепи механизмот на транспозиција на класа II транспозони не вклучува РНК посредник. Транспозицијата е катализирана од страна на неколку ензими транспозази. Некои транспозази неспецифично се врзуваат за било кое место во ДНК, додека други се врзуваат за посебни целни секвенци. Транспозазата прави „лепливи краеви“ на целното место, го сече ДНК транспозонот и го врзува за целното место. Потоа ДНК полимераза ги исполнува празнините на лепливи краеви и ДНК лигазата ги создава фосфодиестерските врски. Ова резултира со дупликација на целното место, а местата на инсерција на ДНК транспозоните може да се идентификуваат со присуството на кратки директни повторувања (назабено место во целната ДНК кое е пополнето од страна на ДНК полимеразата) по кои следат превртени повторувања (кои се важни за ексцизијата на транспозонот од страна на транспозазата).

Исечи-и-залепи транспозоните можат да бидат дуплицирани доколку нивната транспозиција се одвива за време на S фазата на клеточниот циклус, кога донаторското место веќе е реплицирано, но целното место се уште не е реплицирано.[6] Таквите дуплицирања на целното место може да резултираат со генска дупликација, која игра важна улога во еволуцијата на геномот.[7]:284

Не сите ДНК транспозони функционираат преку исечи-и-залепи механизмот. Во некои случаи се забележува репликативна транспозиција, кај која транспозонот самиот себе се реплицира во ново целно место (на пр. хелитрон).

Класа II транспозоните чинат помалку од 2% од човечкиот геном.[8]

Автономни и неавтономни транспозониУреди

Транспозицијата може да се класифицира како „автономна“ и „неавтономна“, во рамките на двете класи на транспозони. Автономните транспозони можат самостојно да се движат од едно до друго место во геномот, додека за неавтономните транспозони потребно е присуство на друг транспозон за да можат да функционираат. Ова се случува бидејќи зависните транспозони не кодираат за транспозаза (кај класа II транспозони) или реверзна транскриптаза (кај класа I транспозони).

ПримериУреди

  • Првите транспозони биле откриени во пченката (Zea mays) од страна на Барбара Маклинток во 1948 година. Таа забележала хромозомски инсерции, делеции и транслокации предизвикани од овие елементи. Овие промени во геномот фенотипски таа ги забележала како промени во бојата на зрната од пченката. Околу 85% од геномот на пченката е изграден од транспозони.[9] Системот Ac/Ds опишан од Маклинток претставува всушност класа II транспозон.
  • Кај езерскиот микроорганизам Oxytricha транспозоните играат толку критична улога што доколку се отстранат организмот правилно не се развива.[10]
  • Кај винската мушичка (Drosophila melanogaster) постои фамилија на транспозони наречена P елементи. Се верува дека тие првпат се појавиле кај винската мушичка некаде во средината на 20 век и за само 50 години се рашириле низ целата светска популација на овој инсект. Џералд Рубин и Ален Спредлинг биле пионерите во употребата на технологија која користи артефицијални P елементи за вметнување на гени во ембриони на винската мушичка.[11][12]
  • Транспозоните кај бактериите обично носат дополнителен ген за други функции освен транспозиција, најчесто ген за отпорност кон антибиотици. Кај бактериите, транспозоните можат да мигрираат од хромозомската ДНК во плазмидската ДНК и обратно, овозможувајќи трансфер и трајно додавање на гени, како што се оние кои кодираат за отпорност кон антибиотици (на овој начин се создаваат бактериски соеви отпорни кон повеќе антибиотици). Бактериските транспозони од овој тип припаѓаат на семејството Tn. Кога бактериските транспозони немаат дополнителни гени, тие се познати како инсерциони секвенци.
  • Најчестиот транспозон кај човекот е Alu елементот. Неговата секвенца е долга приближно 300 базни парови и може да се повторува помеѓу 300.000 и еден милион пати во човечкиот геном. Alu елементот се проценува дека чини 15–17% од целокупниот човечки геном.[13]
  • Маринер-сличните елементи се уште една истакната класа на транспозони кои се наоѓаат во повеќе видови на организми, вклучувајќи го и човекот. Транспозонот Маринер за првпат бил откриен од Џејкобсон и Хартл во Drosophila melanogaster.[14] Овој транспозон од класа II е познат по својата необична способност хоризонтално да се пренесува во многу видови на организми.[15][16] Постојат околу 14.000 копии на Маринер транспозонот во човечкиот геном, што вкупно изнесува 2,6 милиони базни парови на ДНК.[17] Првите Маринер транспозони надвор од животните биле пронајдени во Trichomonas vaginalis.[18]
  • Транспозицијата на Му фагот е најпознатиот пример за репликативна транспозиција.
  • Геномот на лебниот квасец (Saccharomyces cerevisiae) содржи пет фамилии на ретротранспозони: Ty1, Ty2, Ty3, Ty4 и Ty5.[19]
  • Хелитрон е еукариотски транспозон за кого се верува дека се реплицира по механизмот на вртечки круг.
  • Кај човечките ембриони, два типа на транспозони се комбинираат за да формираат некодирачка РНК, која го катализира развојот на матичните клетки. За време на раните фази на растот на фетусот, внатрешната клеточна маса на ембрионот се шири поради делбата на овие матични клетки. Зголемувањето на бројот на овој вид клетки е клучно, бидејќи матичните клетки подоцна се менуваат во форма и ги создаваат сите други типови на клетки на организмот.

НаводиУреди

  1. "Ten things you should know about transposable elements". Genome Biology. 19 (1): 199. November 2018. doi:10.1186/s13059-018-1577-z. PMC 6240941. PMID 30454069.
  2. "The origin and behavior of mutable loci in maize". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 36 (6): 344–55. June 1950. Bibcode:1950PNAS...36..344M. doi:10.1073/pnas.36.6.344. PMC 1063197. PMID 15430309.
  3. "Epigenetic control of transposon transcription and mobility in Arabidopsis". Current Opinion in Plant Biology. 15 (5): 503–10. November 2012. doi:10.1016/j.pbi.2012.08.006. PMID 22940592.
  4. Pray, Leslie A. (2008). "Transposons: The jumping genes". Nature Education. 1 (1): 204.
  5. "A universal classification of eukaryotic transposable elements implemented in Repbase". Nature Reviews. Genetics. 9 (5): 411–2, author reply 414. May 2008. doi:10.1038/nrg2165-c1. PMID 18421312.
  6. Young; и др. (2012). "Review of techniques and methods in replication and hybridization of transposable elements in vitro". Journal of Biomolecular Technology. 19 (18): 341–357.
  7. Madigan M, Martinko J, уред. (2006). Brock Biolog of Microorganisms (изд. 11th.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-144329-7.
  8. "The impact of L1 retrotransposons on the human genome". Nature Genetics. 19 (1): 19–24. May 1998. doi:10.1038/ng0598-19. PMID 9590283.
  9. Schnable, Patrick S.; Ware, Doreen; Fulton, Robert S.; Stein, Joshua C.; Wei, Fusheng; Pasternak, Shiran; Liang, Chengzhi; Zhang, Jianwei; Fulton, Lucinda (2009-11-20). "The B73 maize genome: complexity, diversity, and dynamics". Science (New York, N.Y.). 326 (5956): 1112–1115. doi:10.1126/science.1178534. ISSN 1095-9203. PMID 19965430.
  10. "'Junk' DNA Has Important Role, Researchers Find". ScienceDaily (англиски). Посетено на 2019-11-03.
  11. Spradling, A. C.; Rubin, G. M. (1982-10-22). "Transposition of cloned P elements into Drosophila germ line chromosomes". Science (New York, N.Y.). 218 (4570): 341–347. doi:10.1126/science.6289435. ISSN 0036-8075. PMID 6289435.
  12. Rubin, G. M.; Spradling, A. C. (1982-10-22). "Genetic transformation of Drosophila with transposable element vectors". Science (New York, N.Y.). 218 (4570): 348–353. doi:10.1126/science.6289436. ISSN 0036-8075. PMID 6289436.
  13. Kazazian, H. H.; Moran, J. V. (1998-5). "The impact of L1 retrotransposons on the human genome". Nature Genetics. 19 (1): 19–24. doi:10.1038/ng0598-19. ISSN 1061-4036. PMID 9590283. Check date values in: |date= (help)
  14. Jacobson, J. W.; Medhora, M. M.; Hartl, D. L. (1986-11). "Molecular structure of a somatically unstable transposable element in Drosophila". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83 (22): 8684–8688. doi:10.1073/pnas.83.22.8684. ISSN 0027-8424. PMID 3022302. Check date values in: |date= (help)
  15. Lohe, A. R.; Moriyama, E. N.; Lidholm, D. A.; Hartl, D. L. (1995-1). "Horizontal transmission, vertical inactivation, and stochastic loss of mariner-like transposable elements". Molecular Biology and Evolution. 12 (1): 62–72. doi:10.1093/oxfordjournals.molbev.a040191. ISSN 0737-4038. PMID 7877497. Check date values in: |date= (help)
  16. Lampe, David J.; Witherspoon, David J.; Soto-Adames, Felipe N.; Robertson, Hugh M. (2003-4). "Recent horizontal transfer of mellifera subfamily mariner transposons into insect lineages representing four different orders shows that selection acts only during horizontal transfer". Molecular Biology and Evolution. 20 (4): 554–562. doi:10.1093/molbev/msg069. ISSN 0737-4038. PMID 12654937. Check date values in: |date= (help)
  17. Mandal, Prabhat K.; Kazazian, Haig H. (2008-10-03). "SnapShot: Vertebrate transposons". Cell. 135 (1): 192–192.e1. doi:10.1016/j.cell.2008.09.028. ISSN 1097-4172. PMID 18854165.
  18. Carlton, Jane M.; Hirt, Robert P.; Silva, Joana C.; Delcher, Arthur L.; Schatz, Michael; Zhao, Qi; Wortman, Jennifer R.; Bidwell, Shelby L.; Alsmark, U. Cecilia M. (2007-01-12). "Draft genome sequence of the sexually transmitted pathogen Trichomonas vaginalis". Science (New York, N.Y.). 315 (5809): 207–212. doi:10.1126/science.1132894. ISSN 1095-9203. PMC 2080659. PMID 17218520.
  19. Kim, J. M.; Vanguri, S.; Boeke, J. D.; Gabriel, A.; Voytas, D. F. (1998-5). "Transposable elements and genome organization: a comprehensive survey of retrotransposons revealed by the complete Saccharomyces cerevisiae genome sequence". Genome Research. 8 (5): 464–478. doi:10.1101/gr.8.5.464. ISSN 1088-9051. PMID 9582191. Check date values in: |date= (help)