Transpozon

Transpozonlar (sıçrayan genler) bir hücrenin genomunda farklı yerlere, transpozisyon olarak adlandırılan bir süreçle hareket edebilen DNA dizileridir. Bu süreç ile mutasyonlara ve genomdaki DNA miktarının değişmesine neden olurlar. Çeşitli hareketli genetik elemanlar mevcuttur, bunlar transpozisyon mekanizmalarına göre sınıflandırılırlar. Retrotranspozonlar (veya Sınıf I transpozonlar) bir RNA ara ürün aracılığıyla kendilerini kopyalayarak hareket ederler. DNA transpozonları (veya Sınıf II transpozonlar) bir RNA ara ürün kullanmaz. Tranpozonların kimi kendini kopyalayarak, kimi kendini çevreleyen DNA'dan kesip çıkarıp başka bir yere taşıyarak hareket eder. Bu özelliklerinden dolayı, bilim insanları transpozonları canlılardaki DNA'yı değiştirmek için bir araç olarak kullanırlar.
Barbara McClintock 1940'ta transpozonları ilk olarak mısır bitkisinde keşfetmesinden dolayı 1983'te Nobel Ödülü almıştır. Transpozonlar, insan dahil, ökaryotik canlıların genomunun önemli bir bölümünü oluştururlar.
Transpozonların hareket tipleri
Transposonlar transpozisyon mekanizmalarına göre iki sınıfa ayrılırlar:
Sakınımlı transpozonlar (İng. conservative transposons) hareket edince eski yerde tranpozon kalmaz, yani transpozon sayısı sabit kalır. "Kes-yapıştır" tipi bir mekanizmayla hareket ederler; örn. piggyBac ve Uyuyan Güzel transpozonları.
İkilenmeli transpozonlar (İng. replicative transposons) genomda her hareket edişlerinde kendilerinin yeni bir kopyasını oluştururlar. "Kopyala-yapıştır" tipi bir mekanizmayla hareket ederler. Çoğalmalı transpozonların bir alt grubu retrotranspozonlardır, bunların çoğalmasında bir RNA ara adımı vardır. DNA transpozonlarında çoğalma mekanizmasında RNA bulunmaz.
Transpozonların hareket mekanizmaları
Tranpozonlar kullandıkları enzimler bakımından iki ana gruba ayrılabilirler. RNA ara ürün aracılığıyla hareket eden retrotranspozonlar RNA'nın DNA'ya çevriyazan ters transkriptaz enzimini kullanırlar. DNA transpozonlarının hareketi ise transpozaz enzimi ile gerçekleşir.
Retrotransposonlar (Sınıf I transpozonlar)
Retrotransposonlar kendilerini kopyalayıp sonra bu kopyalarını genomda çeşitli yerlere yerleştirirler. Retrotranspozonlar önce transkripsiyon yoluyla kendilerini bir RNA molekülü olarak kopyalarlar, sonra bu RNA (çoğu zaman transpozon tarafından kodlanan) bir ters transkriptaz tarafından tekrar DNA'ya dönüştürülür ve genoma geri sokulur.
Retrotransposonlar uzun uç tekrar dizilerine (ing. Long Terminal Sequence; LTR) sahip olup olmadıklarına göre iki gruba ayrılırlar.: LTR'li retrotranspozonlar LTR dizilerinde promotörler ve retrotranspozisyon için gerekli olan en az iki enzimin genleri bulunur. LTR'siz retrotranspozonlar da promotör içerirler ve RNA polimeraz II tarafından çevriyazılabilirler (transkripsiyonları yapılabilir). LTR'siz retrotranspozonlara örnek olarak LINE ve SINE dizileri gösterilebilir:
LTR'li retrotranspozonlar retrovirüslere çok benzerler ama virüs olarak paketlenmelerini sağlayan env genine sahip değildirler. Env genini edinmek veya kaybetmek yoluyla birbirlerine dönüşebilirler. Virüs benzeri retrotranspozonlar paketlenemedikleri için başka hücrelere bulaşmazlar. LTR'li retrotranspozonlar insan genomunun %8'ini oluştururlar.
LINE dizileri (ing. Long interspersed nucleotide elements kısaltması), yaklaşık 6500 bç uzunluğundadır. Bunlar iki gen şifreler: ters transkriptaz ve entegraz (transpozaz). LINE'ler RNA polimeraz II tarafından çevriyazılır. Virüs benzeri retrotranspozonlardan farklı olarak uzun uç tekrarları (LTR) yoktur. İnsan genomunda bulunan 900.000 LINE dizisi, genomun %21'ini oluşturur.
SINE dizileri (ing. Short interspersed nucleotide elements kısaltması) kısa (100-400 bç) DNA dizileridir, RNA polymeraz III tarafından çevriyazılmış bazı hücresel RNA'ların ters transkripsyonu sonucunda genoma dahil olmuşlardır. Bunların en iyi bilinen örnekleri Alu elemanlarıdır. Kendileri ters transkriptaz geni içermeseler de LINE'lerin ters transkriptazları onların da çoğalmasını sağlar. İnsan genomunda bulunan yaklaşık bir milyon SINE dizisi, genomun %13'ünü oluşturur.
DNA transpozonları (Sınıf II transpozonlar)
DNA transpozonlarının transpoziyon mekanizmasında, retrotransposonlardan farklı olarak, RNA yer almaz. Bu mekanizma ile hareket eden transpozonlarda bulunan bir transpozaz, bir de rezolvaz enzimi bulunur (bazılarında bu iki fonksiyon bir proteinde bütünleşmiştir). DNA transpozonlarının iki ucundaki ters yönlü dizi tekrarları transpozaz enziminin rekombinasyon işlemi için gereklidir. Bir DNA parçası transpozaz enzimini şifrelemese (veya mutasyonla kaybetmiş olsa) dahi bu bu ters yönlü tekrarlara sahip olursa yardımcı bir transpozonun tranpozaz enzimi aracılığıyla genomda hareket etmeye devam edebilir. Transpozaz, transpozonun iki ucundaki DNA'yı ve hedef noktasındaki DNA'yı keserek genomdan transpozonu çıkarır ve yeni konumuyla bütünleştirir (entegre eder). Rezolvaz enzimi entegrasyon aşamasında gereklidir, tek zincirli kesikler yaratarak transpozon DNA'sının onu çevreleyen DNA ile düzgün bir şekilde bütünleşmesini sağlar.
DNA transpozonlarının bazıları "kes yapıştır" yoluyla, bazıları ise "kopyala yapıştır" yoluyla hareket eder. Hangisinin olduğu transpozon enziminin verici transpozon uçlarındaki DNA'nın bir mi iki mi zincirinden kestiğine bağlıdır. Transpozazlar hedef yerdeki DNA'yı yapışkan uçlar yaratacak şekilde kaymalı (ing. staggered) keser, transpozon DNA'sını da (bir veya iki zincirden) keser ve onu hedef yerindeki DNA zincirlerine bağlar. Konak hücreye ait olan DNA polimeraz açık kalmış tek zincirli yerleri doldurur, DNA ligaz da şeker-fosfat zincirini kapayınca transpozisyon tamamlanmış olur.
Kimi transpozon DNA molekülünün herhangi bir yerine bağlanabilir, dolayısıyla traspozonun hedefi genomda herhangi bir yerde olabilir, kimi transpozaz ise kendine özgün dizilere bağlanır.
DNA transpozonları yapılarına bağlı olarak iki ana gruba ayrılabilir:
Birleşik tranpozonların (örneğin bakterilerdeki Tn5, 9, 10, 903 ve 1681) iki ucunda biribirine çok benzer ama ters yönlü (evrik) diziler, "insersiyon dizileri" (ing., insertion sequence; IS) bulunur. Bu IS dizileri oldukça uzundurlar, transpozisyon için gerekli olan tranpozaz ve entegraz enzimlerinin genlerini kodlarlar. İki IS dizisi arasında ayrıca bir veya birkaç antibiyotik direnç geni bulunur. Her bir IS dizisi hem tek başına hem de yakınındaki öbür IS dizisi ile birlikte hareket etme yeteneğine sahiptir; beraber hareket ettiklerinde aralarında bulunan DNA bölgesini de taşırlar. Ortamda antibiyotik bulunması halinde aradaki antibiyotik direnç geninin taşınabildiği gözlemlenebilir; çünkü bu taşınma olayları konak bakteriye bir selektif avantaj sağlar. Bazı durumlarda, eğer genomda pek çok transpozon varsa, hareket eden bir IS, antibiyotik direnç geninin öbür yanindaki IS ile birlikte hareket etmek yerine, öbür tarafındaki bir IS ile hareket edebilir; bu durumda ikisi arasında yer alan bazı genler genomda başka bir yere taşınabilir.
Birleşik transpozonlar hareket ettiklerinde ikilenmezler.
Karmaşık tranzpozonların (örneğin bakterilerdeki Tn1, 3, 4, 7, 501 ve 551 ve bakteriyofaj Mu'nun) iki ucunda da tekrar eden diziler vardır ama bunlar kısadır (30-40 baz çifti), bu diziler arasında transpozaz ve antibiyotik direnç geni yer alır. Transpozonun hareketinde bu genlerin hepsi beraber hareket ederler. Bu sınıfta yer alan transpozonlar ikilenerek hareket ederler, yani hareketlerinin sonucunda genomdaki kopya sayıları artar.
Sınıf III transpozonlar
Minyatür Evrik Tekrarlı Traspozabl Elemanlar (ing. Miniature Inverted-repeats Transposable Elements; MITE), Sınıf II (DNA) transpozonlarına benzerler ama çok küçüklerdir (100-500 bç), transpozisyonları için gerekli olan genleri bulundurmazlar. Genomda bulunan başka transpozonların transpozazları aracılığıyla hareket ettikleri sanılmaktadır. İlk bitkilerde keşfedilmişler, sonra insan dahil çeşitli başka canlı gruplarında da bulundukları görülmüştür. Pirinç genomunun %6'sı MITE'lerden oluşur. İnsan genomunda bulunan 100.000 MITE, genomun yaklaşık %1'ini oluşturur.
Örnekler
Transpozonlar ilk defa mısır bitkisinde Barbara McClintock tarafından 1948'de keşfedilmiştir, bu keşfinden dolayı ona 1983'te Nobel Ödülü verilmiştir. McClintock bu tranpozonların neden olduğu insersiyon, delesyon ve translokasyonları fark etmiştir. Genomda meydana gelen bu değişiklikler, örneğin mısır tanelerinin renginin değişmesine yol açabilir. Mısır genomunun %50'si transpozonlardan oluşmaktadır. McClintock'un tasvir etmiş olduğu Ac/Ds systemi retrotranspozonlardır.
Sirke sineği Drosophila melanogaster 'de bulunan bir transpozon ailesi P elemanları olarak adlandırılır. Bu transpozonun bu böcek türünde ilk defa 20. yy ortalarında belirmiş oldukları sanılmaktadır. Yapay P elemanları kullanarak Drosphila genomuna gen sokma teknolojisi geliştirilmiştir.
Bakterilerdeki transpozonlar, transpozisyon işlevini sağlayan transpozaz genine ek olarak çoğu zaman bir de antibiyotik direnç geni taşırlar. Bakterilerde transpozonlar kromozomdan plazmitler arasında gidip gelebilirler. Antibiyotik dirençli bakterilerin oluşmasına transpozonlar önemli rol oynar. Antibiyotik direnci gibi ek bir gen taşıyan bakteriyel transpozonlar Tn ailesine aittir. Ek geni olmayanlara insersiyon dizisi denir.
insanlarda en yaygın transpozon Alu dizisidir. Yaklaşık 300 nükleotit uzunluğunda olan Alu dizisinden insan genomunda yaklaşık bir milyon adet bulunur.
Bazı virüsler transpoziyon yolu ile konak hücrenin DNA'sının içine girerler. Mu fajı transpozisyonu DNA yollu replikatif transpozisyonun en iyi bilinen örneğidir. Onun transpozisyon mekanizması homolog rekombinasyona benzer. AIDS hastalığının etmeni olan HIV ise RNA yollu replikatif transpozisyonun bir örneğini oluşturur.
Hastalığa neden olan transpozonlar
Transpozonlar mutajendir, konak hücrenin genomuna çeşitli yollardan zarar verirler:
İşlevsel bir genin içine giren bir traspozon büyük olasılıkla o geni çalışmaz kılar.
Bir transpozon bir geni terk ettiği zaman geride kalan boşluk muhtemelen doğru tamir edilmeyecektir.
Aynı dizinin pek çok kopyasının olması (Alu dizilerinde olduğu gibi) mitoz sırasında
kromozomların doğru eşleşmesini engelleyebilir, bunun sonucunda eşitsiz çaprazlama meydana gelir, bu kromozom ikilenmesinin başlıca nedenidir. Transpozonlar tarafından sıkça meydana gelen hastalıklar arasında hemofili A ve B, porfiri, kanser yatkınlığı ve Duchenne muskuler distrofi sayılabilir.
Ayrıca, çoğu transpozonda tranzpozaz geninin ifadesini sağlayan promotör, yakında bulunan konak hücre genlerinin uygunsuz ifadesine neden olur, bu da hastalıklara yol açabilir.
Transpozonlarin evrimi
Transpozonların evrimi ve genom evrimine olan etkileri halen etkin bir araştırma konusudur.
Transpozonlar canlıların her dalında bulunur ancak kökenleri bilinmemektedir. En son ortak atada ortaya çıkmış olabilecekleri gibi bağımsız olarak pek çok kere oluşmuş olabilirler, veya bir kere oluşup sonra yatay gen transferi ile diğer biyolojik alemlere yayılmış olabilirler. Transpozonlar bazen konaklarına fayda sağlayabilseler de genel olarak bencil DNA olarak, yani konak hücrenin DNA'sında yaşayana parazitler olarak değerlendirilirler. Bu bakımdan virüslere benzerler. Nitekim, retrotranspozon ve retrovirüslerin kopyalanmasındaki benzerlikler ortak bir atadan evrimleşmiş olduklarına dair spekülasyonlara yol açmıştır.
Aşırı transpozisyon bir genomu çalışmaz hale getirebileceğinden çoğu organizma transpozisyonu dayanılır bir seviyede tutmak için mekanizmalar geliştirmiştir. Örneğin, nematod Caenorhabditis elegans 'da RNA enterferans (RNAi) için gerekli olan bazı genler tranpozisyona da engel olurlar. Aşırı transpozisyondan dolayı konak organizmanın ölmesi transpozonun da varlığına son vereceği için transpozonlar da kendi hareketliliklerini kontrol altında tutarlar. Örneğin bakteriyel transpozonlar genelde yalnızca metillenmemiş DNA'ya kendilerini kopyalarlar. DNA kopyalandıktan kısa bir süre sonra metillendiği için transpozisyon çoğalan hücrelerde ve ancak bu kısa zaman aralığında mümkün olur.
Uygulama
Moleküler biyolojide transpozonlar bir mutasyon aracı olarak kullanılır. Transpozon içine girdiği geni hem çalışmaz hale getirir, hem de çalışmaz hale gelmiş genin kolayca bulunmasını sağlar.

Bazen bir transpozon bir genin içine girmesi onu tersinir bir şekilde inaktive eder; transpozaz aracılığıyla tranpozon genden çıkartılması genin fonksiyonunun geri gelmesini sağlar. Bitkilerde böylece birbirine komşu hücrelerin farklı genotipleri olabilir. Bu özellik sayesinde araştırmacılar bir hücrenin işlevini yerine getirmesi için bir genin o hücrenin içinde mi, yoksa başka bir hücrede mi çalışıyor olmasının yeterli olduğunu ayıredebilirler.