Transposonii: tipuri și caracteristici

Transposonii sau elementele transpozabile sunt fragmente de ADN care pot schimba locația lor în genom. Evenimentul de mișcare se numește transpunere și poate face acest lucru de la o poziție la alta, în același cromozom sau de a schimba cromozomul. Acestea sunt prezente în toate genomele și într-o cantitate semnificativă. Au fost extensiv studiate în bacterii, în drojdii, în Drosophila și în porumb.

Aceste elemente sunt împărțite în două grupuri, luând în considerare mecanismul de transpunere al elementului. Astfel, avem retrotranspozițiile care utilizează un intermediar ARN (acid ribonucleic), în timp ce al doilea grup utilizează un intermediar ADN. Ultimul grup este transpozonele sensus stricto.

O clasificare mai recentă și detaliată utilizează structura generală a elementelor, existența unor motive similare și identitatea și asemănările dintre ADN și aminoacizi. În acest fel, sunt definite subclase, superfamilii, familii și subfamilii ale elementelor transpozabile.

Perspectivă istorică

Datorită cercetării efectuate asupra porumbului ( Zea mays ) de Barbara McClintock la mijlocul anilor '40, vederile tradiționale că fiecare genă avea un loc fix pe un anumit cromozom și fixată în genom ar putea fi modificată.

Aceste experimente au arătat clar că anumite elemente au capacitatea de a schimba poziția, de la un cromozom la altul.

Inițial, McClintock a inventat termenul "elemente de control", deoarece acestea controlau expresia genei în care au fost inserate. Apoi, elementele au fost numite gene de jumping, gene mobile, elemente genetice mobile și transpozoni.

De mult timp, acest fenomen nu a fost acceptat de toți biologii și a fost tratat cu un scepticism. În prezent, elementele mobile sunt acceptate pe deplin.

Din punct de vedere istoric, transposonii erau considerați segmente de ADN "egoist". După anii 80, această perspectivă a început să se schimbe, deoarece a fost posibil să se identifice interacțiunile și impactul transpozonilor în genom, din punct de vedere structural și funcțional.

Din aceste motive, deși mobilitatea elementului poate fi dăunătoare în anumite cazuri, poate fi avantajoasă pentru populațiile de organisme - analoage unui "parazit util".

Caracteristici generale

Transposonii sunt fragmente discrete ale ADN care au capacitatea de a se deplasa într-un genom (numit genomul "gazdă"), generând, în general, copii ale ei în timpul procesului de mobilizare. Înțelegerea transpozonilor, a caracteristicilor lor și a rolului lor în genom, sa schimbat de-a lungul anilor.

Unii autori consideră că un "element transpozabil" este un termen umbrelă pentru a desemna o serie de gene cu caracteristici diferite. Cele mai multe dintre acestea au doar secvența necesară pentru transpunerea lor.

Deși toți împărtășesc caracteristica de a fi capabili să se deplaseze prin genom, unii sunt capabili să lase o copie a acestora în site-ul original, ceea ce duce la creșterea elementelor transpozabile în genom.

abundență

Succesiunea diferitelor organisme (microorganisme, plante, animale, printre altele) a arătat că elementele transpozabile există practic în toate ființele vii.

Transpozițiile sunt abundente. În genomul vertebratelor, acestea ocupă între 4 și 60% din totalul materialului genetic al organismului, iar în amfibieni și într-un anumit grup de pești, transpozonii sunt extrem de diverse. Există cazuri extreme, cum ar fi porumbul, în cazul în care transpozonii reprezintă mai mult de 80% din genomul acestor plante.

La om, elementele transpozabile sunt considerate cele mai abundente componente ale genomului, cu o abundență de aproape 50%. În ciuda abundenței lor remarcabile, rolul pe care îl joacă la nivel genetic nu a fost pe deplin elucidat.

Pentru a face această cifră comparativă, să luăm în considerare secvențele ADN care codifică. Acestea sunt transcrise într-un ARN mesager care este în cele din urmă transformat într-o proteină. La primate, ADN-ul codificator acopera doar 2% din genom.

Tipuri de transpozoni

În general, elementele transpozabile sunt clasificate în funcție de modul în care sunt mobilizate de către genom. În acest fel, avem două categorii: elementele clasei 1 și cele din clasa 2.

Elemente din clasa 1

Ele sunt numite și elementele ARN, deoarece elementul ADN din genom este transcris într-o copie a ARN. Apoi, copia ARN este transformată înapoi într-un alt ADN care este inserat în situsul țintă al genomului gazdei.

Ele sunt, de asemenea, cunoscute ca retro-elemente, deoarece mișcarea lor este dată de fluxul invers al informațiilor genetice, de la ARN la ADN.

Numarul acestui tip de elemente din genom este enorm. De exemplu, secvențele Alu din genomul uman.

Transpunerea este de tip replicativ, adică secvența rămâne intactă după fenomen.

Elemente din clasa 2

Elementele din clasa 2 sunt cunoscute ca elemente ADN. În această categorie sunt transpozonii care se mișcă singuri de la un loc la altul, fără a fi nevoie de un intermediar.

Transpunerea poate fi de tip replicativ, ca și în cazul elementelor din clasa I sau poate fi conservatoare: elementul este împărțit în cadrul evenimentului, astfel încât numărul elementelor transpozabile nu crește. Elementele descoperite de Barbara McClintock au aparținut clasei 2.

Cum afectează transpunerea gazda?

După cum am menționat, transpozonii sunt elemente care se pot mișca în același cromozom sau pot sări la altul. Cu toate acestea, trebuie să ne întrebăm cum este afectată starea de sănătate a persoanei din cauza evenimentului de transpunere. Acest lucru depinde în mod esențial de regiunea în care elementul este transpus.

Astfel, mobilizarea poate afecta în mod pozitiv sau negativ gazda, fie prin inactivarea unei gene, modularea exprimării genelor sau prin inducerea unei recombinări ilegitime.

Dacă starea de sănătate a gazdei este redusă drastic, acest fapt va avea efecte asupra transpozonului, deoarece supraviețuirea organismului este esențială pentru perpetuarea acestuia.

Din acest motiv, anumite strategii au fost identificate în gazdă și în transpozon care ajută la diminuarea efectului negativ al transpunerii, atingerea unui echilibru.

De exemplu, unele transpozoni trebuie introduse în regiuni care nu sunt esențiale în genom. Astfel, impactul, probabil, seriile minime, ca și în regiunile heterochromatice.

Din partea gazdei, strategiile includ metilarea ADN, care reduce expresia elementului transpozabil. În plus, unele ARN-uri care interferează pot contribui la această sarcină.

Efecte genetice

Transpunerea duce la două efecte genetice fundamentale. În primul rând, provoacă mutații. De exemplu, 10% din toate mutațiile genetice la șoarece sunt rezultatul transpozițiilor retroelementelor, dintre care multe sunt regiuni de codificare sau de reglare.

În al doilea rând, transpozonii promovează evenimente de recombinări ilegitime, ducând la reconfigurarea genelor sau a cromozomilor întregi, care, în general, conțin deleții ale materialului genetic. Se estimează că 0.3% dintre tulburările genetice la om (cum ar fi leucemii ereditare) au apărut în acest fel.

Se crede că reducerea capacității fizice a gazdei datorată mutațiilor dăunătoare este principalul motiv pentru care elementele transpozabile nu sunt mai abundente decât au fost deja.

Funcțiile elementelor transpozabile

Inițial sa crezut că transpozonii erau genomi paraziți care nu aveau nicio funcție în gazdele lor. În zilele noastre, datorită disponibilității datelor genomice, o atenție sporită a fost acordată posibilelor sale funcții și rolului transpozonilor în evoluția genomului.

Unele secvențe de reglementare putative au fost derivate din elemente transpozabile și au fost conservate pe mai multe linii vertebrate, pe lângă faptul că au fost responsabile pentru mai multe noutăți evolutive.

Rol în evoluția genomilor

Conform cercetărilor recente, transpozonii au avut un impact semnificativ asupra arhitecturii și evoluției genomului ființelor organice.

Pe o scară mică, transpozonii sunt capabili să medieze schimbările în grupurile de legături, deși pot avea și efecte mai relevante, cum ar fi schimbări structurale considerabile în variația genomică, cum ar fi ștergerea, duplicarea, inversiunea, duplicarea și translocația.

Se consideră că transpozonii au fost factori foarte importanți care au modelat dimensiunea genomului și compoziția acestuia în organismele eucariote. De fapt, există o corelație liniară între dimensiunea genomului și conținutul elementelor transpozabile.

Exemple

Transposonii pot duce, de asemenea, la o evoluție adaptivă. Cea mai clară exemplificare a contribuției transpozonilor este evoluția sistemului imunitar și reglarea transcripțională prin intermediul elementelor necodificatoare în placentă și în creierul mamiferelor.

În sistemul imunitar al vertebratelor, fiecare dintre numărul mare de anticorpi este produs prin intermediul unei gene cu trei secvențe (V, D și J). Aceste secvențe sunt separate fizic în genom, dar se întâlnesc în timpul răspunsului imun printr-un mecanism cunoscut sub numele de recombinare VDJ.

La sfarsitul anilor 1990, un grup de cercetatori a descoperit ca proteinele responsabile de legarea VDJ au fost codificate cu gene RAG1 si RAG2. Acestea nu aveau introni și ar putea cauza transpunerea unor secvențe specifice în țintele ADN.

Lipsa de introni este o caracteristică comună a genelor derivate prin retrotranspunerea unui ARN mesager. Autorii acestui studiu au sugerat că sistemul imunitar al vertebratelor a apărut datorită transpozonilor care conțineau strămoșii genelor RAG1 și RAG2.

Se estimează că aproximativ 200.000 de inserții au fost exprimate în rândul mamiferelor.