Transponeeruvad elemendid

Transponeeruvad geneetilised elemendid on DNA järjestused, mis suudavad ühe raku piires genoomis ümber paigutuda ehk transponeeruda. Väga üldiselt võib transponeeruvaid elemente jagada transposoonideks ja IS-elementideks (insertion sequence). Transpositsiooni mehhanismideks võivad olla kas "lõika ja kleebi" või "kopeeri ja kleebi". Transpositsioon võib tekitada fenotüübis väljenduvaid mutatsioone või muuta raku genoomi suurust. Transponeeruvaid elemente on tihti käsitletud kui "rämps-DNA-d" või poolparasiitset DNA-d. Enamasti koosnevad transponeeruvad elemendid otstes paiknevatest otsestest või pööratud kordusjärjestustes ja nende vahel olevast alast, kus kodeeritakse transposaasi geen ning paljude elementide puhul ka teisi, näiteks regulatoorseid või antibiootikumiresistentsust andvaid geene. "Hüppavate geenide" esmaavastajaks on Barbara McClintock, kes pälvis selle avastuse eest aastal 1983 Nobeli auhinna. Kuna transponeeruvate elementidega on võimalik muundada elusorganismi DNA-d, on need väga kasulikud teadlastele. Transposoonid on üks paljudest mobiilsete elementide tüüpidest. Transposoonid ise on transponeerumise mehhanismi järgi jagatud kahte klassi. Neid nimetatakse ka "kopeeri ja kleebi" (klass I) ning "lõika ja kleebi" (klass II) mehhanismideks. Esinevad väga arvukalt taimedes, näiteks maisil moodustavad retrotransposoonid 49–78% genoomist. Klass I transposoonid kopeerivad end kahes faasis. Esmalt toimub transkriptsioon DNA-st RNA-ks, saadud RNA on vahevorm, mida transposoon kasutab elemendi koopiaarvu suurendamiseks ning seetõttu võib genoomi suurus kasvada. Seejärel moodustatakse pöördtranskriptaasiga RNA-st tagasi DNA ning see DNA koopia võib siseneda uues positsioonis genoomi. Sellist ümberpööratud transkriptsiooni katalüüsib ensüüm pöördtranskriptaas ehk revertaas, mis on tihti transposooni enda kodeeritud. Retrotransposoonid käituvad väga sarnaselt retroviirustega, nende hulgas ka HIV-ga. Retrotransposooni transponeerumine ja ellujäämine peremeesgenoomis võib olla reguleeritud nii elemendi enda kui ka raku kodeeritud tegurite poolt selleks, et vältida kahjulikku mõju mõlemale. Sarnaselt teiste transposoonidega on retrotransposoonid geeni või selle lähedusse sisenedes võimelised esile kutsuma mutatsioone. Lisaks sellele on retrotransposoonide indutseeritud mutatsioonid küllaltki stabiilsed, sest nad transponeeruvad replikatsioonilise mehhanismiga ja nii säilib ka esialgses lookuses transposooni järjestus. Retrotransposoone on kahte põhilist tüüpi: retroviiruse tüüpi, tuntud ka kui pikkade otsmiste kordusjärjestustega (LTR – long terminal repeat) tüüp: Sellistel transposoonidel on otstes pikad otsesed kordusjärjestused, mille pikkus võib varieeruda 100–5000 aluspaarini. Nad kodeerivad ise pöördtranskriptaasi ja on selle poolest retroviirustega sarnased. pikkade otsmiste kordusjärjestusteta (LTR-id puuduvad): Need jagatakse omakorda kaheks: LINE-deks ehk pikkadeks genoomi sisenenud elementideks, mis esinevad intervallide tagant (long interspersed elements) ja SINEdeks ehk lühikesteks genoomi sisenenud elementideks, mis esinevad intervallide tagant (short interspersed elements). LINE-sid on leitud paljude eukarüootide genoomist. Neid transkribeerib RNA-ks RNA polümeraas II, mille promootor asub LINE sees. LINE-d kodeerivad ise oma pöördtranskriptaasi ja paljud on võimelised kodeerima ka endonukleaase. Pöördtranskriptaas seondub spetsiifiliselt LINE RNA-le ja seetõttu teeb RNA-st DNA koopia, mis on võimeline sisenema genoomi uude kohta. Inimese genoomis on LINE-sid ligikaudu 500 000, see moodustab umbes 17% selle kogumahust. SINE-d on DNA järjestused, mis on 100–400 aluspaari pikkused. SINE-d esindavad pöörtranskribeeritud RNA molekule, mis algselt transkribeeriti RNA polümeraas II abil tRNA-ks, rRNA-ks või muuks väikeseks RNA-ks. SINEd ise ei kodeeri funktsionaalset pöördtranskriptaasi ja nende transpositsioon sõltub teistest mobiilsetest elementidest. Inimese genoomis moodustavad SINEd umbes 11%. Erinevalt retrotransposoonidest ei oma "lõika ja kleebi" mehhanismiga transposoonid ümberpaiknemisel RNA vaheolekut. Nende transpositsiooni katalüüsivad eri tüüpi transposaasi ensüümid. Osad transposaasid seonduvad mittespetsiifiliselt ükskõik millisele sihtmärgile genoomis, seevastu teised seonduvad spetsiifilistesse kohtadesse. Transposaas teeb lõike järjestusse, tekitades sinna kleepuvad otsad. Seejärel lõikab transposooni välja ja ligeerib selle sihtkohta. Kleepuva otsa lõpust transposooni alguseni tekivad üheahelalised tühimikud, mille täidab DNA polümeraas ning lõpuks sulgeb DNA ligaas nn suhkur-fosfaat selgroo. Selle protsessi tagajärjeks on sihtkoha järjestuste duplikatsioon ja DNA transposooni sisenemiskohtadesse tekivad lühikesed otsesed kordused, millele järgnevad pööratud kordused. Need pööratud kordused on olulised transposaasi juhitud transposooni väljumiseks. Sihtmärk-koha duplikatsioonid võivad põhjustada ka geeni duplikatsiooni ja see omab olulist rolli evolutsioonis. Mitte kõik DNA transposoonid ei transponeeru "lõika ja kleebi" meetodiga. Mõnel juhul esineb ka replikatiivset transpositsiooni. Kui transpositsioon leiab aset rakkutsükli S-faasis, siis "lõika ja kleebi" tüüpi transposoonid võivad duplitseeruda. Seda juhul, kui doonorkoht on juba replitseerunud, aga aktseptorkoht genoomis veel pole. Mõlemat klassi transposoonid võivad mutatsiooni tõttu kaotada oma võime sünteesida pöördtranskriptaasi või transposaasi. Sellest hoolimata on nad võimelised "hüppama" genoomis ühest kohast teise, sest teised transposoonid toodavad endiselt vajalikke ensüüme. Sellest lähtuvalt jagatakse DNA transposoone autonoomseteks ja mitteautonoomseteks. Autonoomsed transposoonid omavad terviklikku geeni, mis kodeerib aktiivset transposaasi. Need transposoonid ei vaja oma transponeerumiseks teisi elemente. Seevastu mitteautonoomsed kodeerivad defektseid polüpeptiide ja vajavad lisaks veel ka mõnest teisest allikast transposaasi. Ka retroviirusi võib käsitleda kui transponeeruvaid elemente. Pärast sisenemist peremeesrakku ja oma RNA muundamist DNA-ks sisestavad nad oma DNA peremehe genoomi. Integreeritud DNA vormi nimetatakse proviiruseks ja seda vaadeldakse kui erilist eukarüoodi retrotransposooni vormi, mis on võimeline kodeerima RNA intermediaate. Need on enamasti võimelised peremeesrakust väljuma ja nakatama uusi rakke. Retroviiruste transpositsioonioonitsüklil on sarnasusi ka prokarüootse transposooniga ja see viitab nende kaugele sugulusele. IS-elemendid ehk järjestuse sisestused (insertion sequence) on lühikesed DNA järjestused, mis käituvad kui tavalised transponeeruvad elemendid. Neil on kaks põhilist omadust: võrreldes teiste transponeeruvate elementidega on nad väiksed, tavaliselt suurusjärgus 700–2500 aluspaari ja kodeerivad ainult valke, mis mõjutavad transponeerumise aktiivsust. Erinevalt IS-elementidest suudavad transposoonid kaasas kanda ka näiteks antibiootikumi resistentsusgeene. Valgud, mida IS-elemendid kodeerivad, on tavaliselt transposaasid, mis katalüüsivad ensümaatilist reaktsiooni ja võimaldavad IS-ide liikumist, ning regulatoorne valk, mis kas stimuleerib või inhibeerib transpositsiooni aktiivsust. Elemendi kodeeriv regioon on tavaliselt ümbritsetud pööratud kordustega. Näiteks hästituntud 1250-aluspaarine element IS911 on ümbritsetud kahe 36-aluspaarise pööratud kordusega ja kodeeriv regioon omab kahte osaliselt kattuvat geeni orfA ja orfAB. OrfAB kodeerib transposaasi ja orfB regulatoorset valku. IS-elemente võib nimetada vormi ISn järgi, kus n tähistab arvu. See ei ole ainus nimetamise skeem, mida kasutatakse. Kuigi enamasti esinevad IS-elemendid prokarüootide genoomis, on ka teatud eukarüootide DNA järjestustes leitud TC1/mariner perekonna transponeeruvaid elemente, mida käsitletakse kui IS-elemente. Lisaks sellele, et IS-elemendid esinevad autonoomselt, võivad nad olla ka osaks komplekssetest transposoonidest. Liittransposoonides on lisaülesandega geenid, näiteks antibiootikumi resistentsusgeenid, piiratud IS-elementidega. Sellised transposoonid on näiteks Tn10 ja Tn5. Esimesed transposoonid avastas Barbara McClintock aastal 1948 maisis (Zea mays). Ta märkas transpositsioonide põhjustatud insertsioone, deletsioone ja translokatsioone. Sellised genoomsed muutused võivad viia näiteks muutusteni maisiterade värvuses. Ligikaudu 50% maisi genoomist moodustavad transposoonid. McClintocki kirjeldatud Ac/Ds transpsoonide süsteem on klass II transposoonid. Üks hästiuuritud transposoonide perekond on hariliku äädikakärbse (Drosophila melanogaster) P elemendid. Nende puhul on eriline see, et esimesed P elemendid ilmnesid äädikakärbeste genoomis 20. sajandi keskel ja kõigest veidi rohkem kui 50 aastaga on need levinud kõikidesse vastava liigi populatsioonidesse. Bakterite transposoonid kannavad tavaliselt endaga kaasas ka täiendavaid geene, tihti näiteks antibiootikumi resistentsust määravaid. Bakterites saavad transposoonid hüpata kromosomaalselt DNAlt plasmiidsele ja jälle tagasi, seeläbi võimaldades geenide ülekannet ja püsivat antibiootikumide resistentsusgeenide lisamist. Sel viisil saab toota multiresistentseid bakteritüvesid. Seda tüüpi bakteriaalsed transposoonid kuuluvad Tn perekonda ja on tihti liittransposoonid (sisaldavad IS-elemente). Inimesel on kõige tüüpilisem transposoon Alu järjestus. See on umbes 300 aluspaari pikk SINE tüüpi transposoon ja seda võib inimese genoomis leida 300 000 kuni miljon korda. Mariner-tüüpi elemendid on transposoonide klass, mida on leitud väga paljudest liikidest, sealhulgas ka inimesest. Esmalt avastasid James Jacobson ja Daniel Hartl selle äädikakärbsest. Need klass II tüüpi transposoonid on tuntud oma ebatavalise liikidevahelise horisontaalse geeniülekande tõttu. Bakteriofaag Mu transpositsioon on kõige paremini uuritud replikatiivne transpositsioon ja tema transponeerumise mehhanism on sarnane homoloogilise rekombinatsiooniga. Helitron on eukarüootide transposoon, mis replitseerub veereva ratta mudeliga. Transposoone on võimalik kasutada geneetikas geenide ja valkude funktsioonide uurimiseks. Kõige enam on transposoonide kasutamise meetodid välja töötatud mudelliikide (äädikakärbes, harilik müürlook, soolekepike) jaoks. Looduslikult esinevad P elemendid sisaldavad transposaasi kodeerivat ala ja transposaasi seondumisala. Transposaas reguleerib ja katalüüsib P elemendi eemaldamist peremehe genoomist ja juhuslikku uude kohta sisestamist. Just juhuslik sisestamine võib häirida peremehe geenide ekspressiooni või kanda lisageene, mida saab kasutada geneetilistes uuringutes. Selleks, et kasutada seda protsessi kasuliku geneetilise tööriistana, tuleb kaks P elemendi põhilist osa üksteisest eraldada, et vältida kontrollimatut transpositsiooni. Selleks kasutatakse tavaliselt "P plasmiide" ja transposaasi kodeerivat geeni, ilma transposaasi äratundmispiirkonnata, mistõttu transposoon ei saa siseneda genoomi. P plasmiid sisaldab äädikakärbse reportergeeni ja transposaasi äratundmise piirkonda. Samuti võib kuuluda P plasmiidi ka vastav huvipakkuv geen, E.coli reportergeen või replikatsiooni alguspunkt (origin of replication). Transponeeruvad elemendid on mutageenid. Nad võivad oma peremeesrakku mitmel viisil kahjustada. Transposoon või retrotransposoon võib ennast sisestada funktsionaalse geeni ette ja suure tõenäosusega blokeerib selle funktsionaalsuse. Kui transposoon lahkub geenist, jääb sinna kohta alles tühimik, mida arvatavasti ei suudeta korrektselt parandada. Arvukad koopiad samast järjestusest, nagu seda on Alu järjestused, võivad takistada kromosoomide täpset paardumist mitoosi ja meioosi käigus ning seetõttu toimub ebaühtlane ristsiire, mis on põhiliseks kromosoomi duplikatsiooni põhjuseks. Sagedased transposoonide põhjustatud haigused on näiteks hemofiilia A ja B, paljud kombineeritud immuunpuudulikkuse haigused, samuti suurendavad need eelsoodumust vähi ja Duchenne'i lihasdüstroofia tekkeks. Transposoonmutagenees The Origin and Behavior of Mutable Loci in Maize.Barbara McClintock,Proc Natl Acad Sci U S A. 1950 June; 36(6): 344–355. Phillip Sanmigul, Jeffrey L. Bennetzen.Evidence that a Recent Increase in Maize Genome Size was Caused by the Massive Amplification of Intergene Retrotransposons. 1998 Annals of Botany 82 An in vivo assay for the reverse transcriptase of human retrotransposon L1 in Saccharomyces cerevisiae. B A Dombroski, Q Feng, S L Mathias, D M Sassaman, A F Scott, H H Kazazian, Jr, and J D Boeke;Mol Cell Biol. 1994 July; 14(7): 4485–4492 Richard Cordaux & Mark A. Batzer The impact of retrotransposons on human genome evolution.Nature Reviews Genetics 10, 691–703 (October 2009) Watson, lk 336. Watson, lk 314–316 "Microbiology and Molecular Biology Reviews". www-is.biotoul.fr. Originaali arhiivikoopia seisuga 25. november 2008. Vaadatud 4. novembril 2011. Jacques Mahillon, Michael Chandler. Insertion Sequences. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998, 62(3):725 G.M Rubin,A.C Spradling. Genetic transformation of Drosophila with transposable element vectors. Science 22 October 1982 Watson, lk 336 Jacobson, J.W., Medhora, M.M. & Hartl, D.L. Molecular structure of a somatically unstable transposable element in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A 83, 8684–8 (1986). Victoria P. Belancio,Dale J. Hedges, Prescott Deininger. Mammalian non-LTR retrotransposons: For better or worse, in sickness and in health.Genome Res. 2008. 18: 343–358 James D. Watson, Tania A. Baker, Stephen P. Bell, Alexander Gann, Michael Levine, Richard Losick. "Molecular Biology of the Gene" (5th ed 2004). Cold Spring Harbor Laboratory Press.