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.
Transposoonide tüübid.
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.
Klass I ehk retrotransposoonid.
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:
Sellistel transposoonidel on otstes pikad otsesed kordusjärjestused, mille pikkus võib varieeruda 100–5000 aluspaarini. Nad kodeerivad ise pöördtranskriptaasi ja on selle poolest retroviirustega sarnased.
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").
Klass II ehk DNA transposoonid.
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.
Retroviirused.
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.
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 IS"911" 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 IS"n" 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 Tn"10" ja Tn"5".
Kasutus geneetikas.
Transposoone on võimalik kasutada geneetikas geenide ja valkude funktsioonide uurimiseks. Kõige enam on transposoonide kasutamise meetodid välja töötatud mudelliikide (äädikakärbes, harilik müürlook, soolekepike) jaoks.
"P elemendi" kasutus äädikakärbses.
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").
Transponeerumise tagajärjed.
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.