LTR retrotransposon

רטרוטרנסופוני LTR הם תת-מחלקה (מחלקה 1) של אלמנטים ניידים (רטרוטרנסופוזונים) שמאופיינים על ידי נוכחות של LTR בקצוותיהם (כשבאמצע נמצא האזור המקודד). כמו רטרו-וירוסים, גם רטרוטרנסופוני LTR עוברים שעתוק הפוך (מmRNA לDNA) ואז עוברים אינטגרציה של הcDNA החדש באזור אחר, אך בניגוד לרטרו-וירוסים, הם לא יוצרים חלקיקים מדבקים שעוזבים את התאים ולכן הם רק משתכפלים בתוך הגנום המקורי. אלה שכן מדי פעם יוצרים חלקיקים דמויי וירוס מסווגים בנפרד תחת אלמנטים אורט-ויראליים. גודלם נע בין כמה מאות בודדות של זוגות בסיסים ל-25kb. בגנומים של צמחים, רטרוטרנספוזונים בעלי LTR הם הסוג העיקרי של רצפים חוזרניים, ומרכיבים מעל ל-75% מהגנום של תירס למשל. לעומת זאת הם מרכיבים רק כ-8% מהגנום האנושי, ובערך 10% מהגנום העכברי. לרטרוטרנספוזונים בעלי LTR יש LTR ישירים שאורכם בין 100 זוגות בסיסים ל5kb. אפשר לחלקם לתת מחלקות של דמויי Ty1-copia- (Pseudoviridae), דמויי Ty3-gypsy (Metaviridae), ודמויי BEL-Pao (Belpaoviridae), לפי הדרגה של הדמיון ברצף שלהם והרמה של תוצרי גנים מקודדים. הקבוצות Ty1-copia וTy3-gypsy של רטרוטרנספוזונים נפוצים מאוד (מגיעים עד לכמה מיליוני עותקים בגרעין הפלואידי) בגנומים של בעלי חיים, פטריות, פרוטיסטים וצמחים. אלמנטים דמויי BEL-Pao נמצאו עד כה רק בבעלי חיים כל הרטרוטרנספוזונים בעלי LTR המתפקדים מקודדים לפחות ל2 גנים gag ו-pol, שמספיקים לשם שכפול. Gag מקודד לפוליפפטיד עם קפסיד ואזור של נוקלאו-קפסיד. חלבוני Gag יוצרים חלקיקים דמויי וירוס בציטופלסמה בהם השעתוק ההפוך מתרחש. הגן Pol מפיק שלושה חלבונים: פרוטאז; רוורס-טרנסקריפטאז (בעל אזורי RNAse H) ואינטגראז. באופן טיפוסי, mRNA של רטרוטרנספוזונים בעלי LTR מופקים על ידי הRNA פולימראז של המארח, שפועל על פרומוטורים שנמצאים ב-5’ LTR שלהם. הגנים של Gag וPol מקודדים באותו mRNA. תלוי בזן המאחסן, שתי אסטרטגיות יכולות להיות בשימוש לביטוי של פולי-פרוטאינים: איחוי למסגרת קריאה (ORF) אחת שתיחתך, או על ידי הזזת מסגרת הקריאה (frameshift) בין שתי מסגרות קריאה שונות. הזזת מסגרת קריאה ריבוזומלית יכולה לאפשר הפקה של שני החלבונים, תוך כדי כך שהיא מאפשרת לחלבון Gag להפיק חלקיקים דמויי וירוס. שעתוק הפוך בדרך כלל מאותחל ברצפים קצרים הממוקמים ישר במורד הזרם של ה-5’-LTR שנקראים primer binding site (PBS). ה-tRNAs של מאחסן ספציפי נקשר ל-PBS ומשמש כפריימר לשעתוק ההפוך, שמתרחש בתהליך רב-שלבי ומורכב, ובסופו של דבר נוצרת מולקולת cDNA דו-גדילית. הcDNA בסופו של דבר עובר אינטגרציה לאזור חדש בגנום ויוצר שכפולים קצרים באזור המטרה (short Target Site Duplications) וכך מוסיפים עותק נוסף לגנום של המאחסן. רטרוטרנספוזונים של Ty1-copia (אנ') מצויים במגוון גדול של מינים, החל מאצות חד-תאיות ועד לברופיטים, חשופי זרע ובעלי פרחים. הם מקודדים לארבעה דומיינים חלבוניים בסדר הבא: פרוטאז, אינטגראז, רוורס טרנסקריפטאז וריבונוקלאז H. קיימות לפחות שתי מערכות סיווג לחלוקה של רטרוטרנספוזוני Ty1-copia לחמש שושלות:Sireviruses/Maximus, Oryco/Ivana, Retrofit/Ale, TORK, וביאנקה. רטרוטרנספוזוני Sireviruses/Maximus מכילים גן מעטפת משוער נוסף. שושלת זו נקראת על שם אלמנט המקור SIRE1 בגנום Glycine max. רטרוטרנספוזונים Ty3-gypsy (אנ') מופצים באופן נרחב בממלכת הצמחים, הן בחשופי הזרע והן בבעלי הפרחים. הם מקודדים לפחות ארבעה דומיינים חלבוניים לפי הסדר: פרוטאז, רוורס טרנסקריפטאז, ריבונוקלאז H (אנ') ואינטגראז (אנ'). בהתבסס על מבנה, נוכחות/היעדרות של תחומי חלבון ספציפיים ומוטיבים של רצף חלבונים משומרים, ניתן לחלק אותם למספר שושלות: Errantiviruses מכילים מסגרת קריאה פגומה של המעטפת עם דמיון לגן המעטפת הרטרו-ויראלי. הוא תואר בהתחלה כאלמנטי-Athila בתודרנית לבנה. הם זוהו מאוחר יותר במינים רבים, כגון Glycine max ובטא וולגריס. כרומו-וירוסים מכילים דומיין נוסף (chromodomain: chromatin organization modifier domain) בקצה ה-C טרמינלי של חלבון האינטגראז שלהם. הם נפוצים בצמחים ובפטריות, וכנראה שומרים על תחומי חלבון במהלך האבולוציה של שתי הממלכות הללו. נהוג לחשוב שהכרומודומיין מכוון את האינטגרציה הרטרוטרנספוזון לאתרי יעד ספציפיים. Ogre-elements הם רטרוטרנספוזונים ענקיים של Ty3-gypsy המגיעים לאורכים של עד 25kb. מטא-וירוסים מתארים רטרוטרנספוזונים Ty3-gypsy קונבנציונליים שאינם מכילים דומיינים או מסגרות קריאה נוספים. המשפחה BEL/pao (אנ') נמצאת בבעלי חיים. למרות שרטרו-וירוסים בדרך כלל מסווגים בנפרד, הם חולקים תכונות רבות עם רטרוטרנספוזונים מסוג LTR. ההבדל העיקרי ביניהם ובין רטרוטרנספוזונים מסוג Ty1-copia ו-Ty3-gypsy הוא שלרטרו-וירוסים יש חלבון מעטפת (ENV). ניתן להפוך רטרו-וירוס לרטרוטרנספוזון LTR באמצעות השבתה קבועה או השמטה של הדומיינים המאפשרים ניידות חוץ-תאית. אם רטרו-וירוס כזה ידביק אורגניזם ובהמשך יחדיר את עצמו לגנום שלו בתאי ה-germline, הוא יוכל לעבור אנכית ולהפוך לרטרו-וירוס אנדוגני (אנ'). חלק מהרטרוטרנספוזונים של LTR חסרים את כל תחומי הקידוד שלהם. בשל גודלם הקצר, הם מכונים רטרוטרנספוזונים חוזרים טרמינליים במיניאטורות (TRIMs). עם זאת, TRIMs יכולים להיות מסוגלים לבצע רטרוטרנספוזיציה, מכיוון שהם עשויים להסתמך על תחומי הקידוד של רטרוטרנספוזונים של Ty1-copia או Ty3-gypsy. Baucom, RS; Estill, JC; Chaparro, C; Upshaw, N; Jogi, A; Deragon, JM; Westerman, RP; Sanmiguel, PJ; Bennetzen, JL (בנובמבר 2009). "Exceptional diversity, non-random distribution, and rapid evolution of retroelements in the B73 maize genome". PLOS Genetics. 5 (11): e1000732. doi:10.1371/journal.pgen.1000732. PMC 2774510. PMID 19936065. {{cite journal}}: (עזרה) McCarthy EM, McDonald JF (2004). "Long terminal repeat retrotransposons of Mus musculus". Genome Biol. 5 (3): R14. doi:10.1186/gb-2004-5-3-r14. PMC 395764. PMID 15003117. Copeland CS, Mann VH, Morales ME, Kalinna BH, Brindley PJ (2005). "The Sinbad retrotransposon from the genome of the human blood fluke, Schistosoma mansoni, and the distribution of related Pao-like elements". BMC Evol. Biol. 5 (1): 20. doi:10.1186/1471-2148-5-20. PMC 554778. PMID 15725362. Wicker T, Sabot F, Hua-Van A, et al. (בדצמבר 2007). "A unified classification system for eukaryotic transposable elements". Nat. Rev. Genet. 8 (12): 973–82. doi:10.1038/nrg2165. PMID 17984973. {{cite journal}}: (עזרה) Sandmeyer, Suzanne B; Clemens, Kristina A (2010). "Function of a retrotransposon nucleocapsid protein". RNA Biology. 7 (6): 642–654. doi:10.4161/rna.7.6.14117. ISSN 1547-6286. PMC 3073325. PMID 21189452. Wicker, Thomas; Sabot, François; Hua-Van, Aurélie; Bennetzen, Jeffrey L.; Capy, Pierre; Chalhoub, Boulos; Flavell, Andrew; Leroy, Philippe; Morgante, Michele (בדצמבר 2007). "A unified classification system for eukaryotic transposable elements". Nature Reviews. Genetics. 8 (12): 973–982. doi:10.1038/nrg2165. ISSN 1471-0064. PMID 17984973. {{cite journal}}: (עזרה) GAO, XIANG; HAVECKER, ERICKA R.; BARANOV, PAVEL V.; ATKINS, JOHN F.; VOYTAS, DANIEL F. (בדצמבר 2003). "Translational recoding signals between gag and pol in diverse LTR retrotransposons". RNA. 9 (12): 1422–1430. doi:10.1261/rna.5105503. ISSN 1355-8382. PMC 1370496. PMID 14623998. {{cite journal}}: (עזרה) https://geneticeducation.co.in/what-is-a-target-site-duplication/ Pélissier, T; Tutois, S; Deragon, JM; Tourmente, S; Genestier, S; Picard, G (בנובמבר 1995). "Athila, a new retroelement from Arabidopsis thaliana". Plant Molecular Biology. 29 (3): 441–52. doi:10.1007/bf00020976. PMID 8534844. S2CID 8296300. {{cite journal}}: (עזרה) Wright, DA; Voytas, DF (ביוני 1998). "Potential retroviruses in plants: Tat1 is related to a group of Arabidopsis thaliana Ty3/gypsy retrotransposons that encode envelope-like proteins". Genetics. 149 (2): 703–15. doi:10.1093/genetics/149.2.703. PMC 1460185. PMID 9611185. {{cite journal}}: (עזרה) Wright, DA; Voytas, DF (בינואר 2002). "Athila4 of Arabidopsis and Calypso of soybean define a lineage of endogenous plant retroviruses". Genome Research. 12 (1): 122–31. doi:10.1101/gr.196001. PMC 155253. PMID 11779837. {{cite journal}}: (עזרה) Wollrab, C; Heitkam, T; Holtgräwe, D; Weisshaar, B; Minoche, AE; Dohm, JC; Himmelbauer, H; Schmidt, T (בנובמבר 2012). "Evolutionary reshuffling in the Errantivirus lineage Elbe within the Beta vulgaris genome". The Plant Journal. 72 (4): 636–51. doi:10.1111/j.1365-313x.2012.05107.x. PMID 22804913. {{cite journal}}: (עזרה) Marín, I; Lloréns, C (ביולי 2000). "Ty3/Gypsy retrotransposons: description of new Arabidopsis thaliana elements and evolutionary perspectives derived from comparative genomic data". Molecular Biology and Evolution. 17 (7): 1040–9. doi:10.1093/oxfordjournals.molbev.a026385. PMID 10889217. {{cite journal}}: (עזרה) Gorinsek, B; Gubensek, F; Kordis, D (במאי 2004). "Evolutionary genomics of chromoviruses in eukaryotes". Molecular Biology and Evolution. 21 (5): 781–98. doi:10.1093/molbev/msh057. PMID 14739248. {{cite journal}}: (עזרה) Novikova, O; Smyshlyaev, G; Blinov, A (8 באפריל 2010). "Evolutionary genomics revealed interkingdom distribution of Tcn1-like chromodomain-containing Gypsy LTR retrotransposons among fungi and plants". BMC Genomics. 11: 231. doi:10.1186/1471-2164-11-231. PMC 2864245. PMID 20377908. {{cite journal}}: (עזרה) Gao, X; Hou, Y; Ebina, H; Levin, HL; Voytas, DF (במרץ 2008). "Chromodomains direct integration of retrotransposons to heterochromatin". Genome Research. 18 (3): 359–69. doi:10.1101/gr.7146408. PMC 2259100. PMID 18256242. {{cite journal}}: (עזרה) Macas, J; Neumann, P (1 באפריל 2007). "Ogre elements--a distinct group of plant Ty3/gypsy-like retrotransposons". Gene. 390 (1–2): 108–16. doi:10.1016/j.gene.2006.08.007. PMID 17052864. {{cite journal}}: (עזרה) Llorens, Carlos; Soriano, Beatriz; Navarrete-Muñoz, Maria A.; Hafez, Ahmed; Arnau, Vicente; Benito, Jose Miguel; Gabaldon, Toni; Rallon, Norma; Pérez-Sánchez, Jaume; Krupovic, Mart (2021). "Reverse-Transcribing Viruses (Belpaoviridae, Metaviridae, and Pseudoviridae)". Encyclopedia of virology (Fourth ed.). Amsterdam. pp. 653–666. doi:10.1016/B978-0-12-809633-8.21514-8. ISBN 978-0-12-814516-6. S2CID 243337524. Witte, Claus-Peter Le, Quang Hien Bureau, Thomas Kumar, Amar (2001). "Terminal-repeat retrotransposons in miniature (TRIM) are involved in restructuring plant genomes". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. The National Academy of Sciences. 98 (24): 13778–13783. Bibcode:2001PNAS...9813778W. doi:10.1073/pnas.241341898. OCLC 678730241. PMC 61118. PMID 11717436.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Antonius-Klemola, Kristiina; Kalendar, Ruslan; Schulman, Alan H. (2006-01-11). "TRIM retrotransposons occur in apple and are polymorphic between varieties but not sports". Theoretical and Applied Genetics. 112 (6): 999–1008. doi:10.1007/s00122-005-0203-0. ISSN 0040-5752. PMID 16404583. S2CID 7035882.