Transzpozon

Baktérium DNS-transzpozonjának felépítése

A transzpozonok olyan DNS-szakaszok, amelyek képesek megváltoztatni helyüket a genomon belül. Ezt a retrotranszpozonok maguk lemásolásával és a másolat más helyre beillesztésével végzik, vagy önmagukat vágják ki és illesztik át (DNS-transzpozonok). Ha a cél helyén egy működő gén van, azt mutációt okozva tönkretehetik. A transzpozonokat először leíró Barbara McClintock 1983-ban Nobel-díjat kapott felfedezéséért.[1]

Az eukarióta genomok tekintélyes hányada transzpozon: arányuk az emberben kb. 44%, a kukoricában több mint 85%.

Felfedezése

A transzpozonokat Barbara McClintock fedezte fel kukoricagenetikai kísérletei során a Cold Spring Harbor Laboratory-ban.[2] McClintock az 1940-es években olyan kukoricatörzset tenyésztett ki, amely önbeporzások hosszú sorából származott és a 9. kromoszómájának vége letört.[2] A növényeken szokatlan elszíneződéseket figyelt meg, például az egyik levélen két egyforma fehér foltot talált egymás mellett. McClintock feltételezte, hogy a sejtek osztódásuk során géneket veszíthettek el, de amikor megvizsgálta a kromoszómáikat, azt találta, hogy annak egyes kis régiói a kromoszóma más részére vándoroltak át. Ez ellentmondott a korabeli nézeteknek, miszerint a géneknek fix helyük van a kromoszómán belül. McClintock ugráló génjei nemcsak elmozdultak, de más géneket is ki- vagy bekapcsoltak közben és az általuk okozott mutációk visszafordíthatónak bizonyultak. McClintock 1951-ben publikálta felfedezéseit, amelyeket a tudományos közvélemény közönnyel fogadott. Csak az 1960-as évek végén ismerték fel kutatásainak jelentőségét, amikor hasonló jelenségeket találtak baktériumokban is[3] és 1983-ban orvostudományi Nobel-díjjal jutalmazták.[4]

Miután megszekvenálták a kukorica genomját, kiderült, hogy kb. 85%-ban transzpozonokból áll,[5] míg az ember genetikai anyagának 44%-át teszik ki.[6]

Osztályozása

A transzpozonok a mobilis genetikai elemek közé tartoznak. Az "ugrás" mechanizmusa alapján két nagyobb csoportjukat különböztetjük meg. Az I. csoport a "másolás és beillesztés" módszert, a II. csoport pedig a "kivágás és beillesztést" alkalmazza.[7]

I. csoport (retrotranszpozonok)

Az ebbe a csoportba tartozó transzpozonok két fázisban másolják magukat: előbb a transzpozont alkotó DNS-szakaszról RNS-másolat készül, amit aztán egy reverz transzkriptáz enzim (amit többnyire maga a transzpozon kódol) DNS-sé ír vissza. Az utóbbi aztán más enzimek a kromoszóma egy másik helyén beillesztik a genomba. Ezek az úgynevezett retrotranszpozonok, szaporodásuk (másolódásuk) hasonlít a retrovírusokéra.

A retrotranszpozonokat további három csoportba osztják:

• amelyek végén hosszú, ismétlődő DNS-szekvencia (long terminal repeat, LTR) található; ezek a retrovírusokhoz hasonlítanak és tartalmazzák a reverz transzkriptáz génjét
• Hosszú megszakított nukleáris elemek (long interspersed nuclear elements, LINE), nincs LTR-ük, reverz transzkriptázt kódolnak, a sejt RNS-polimeráz II-je írja át őket
• Rövid megszakított nukleáris elemek (short interspersed nuclear elements, SINE), nincs LTR-ük és reverz transzkriptázuk és a sejt RNS polimeráz III-a írja át őket.

A retrovírusok sok szempontból a retrotranszpozonokhoz hasonlóan viselkednek. Miután bejutottak a sejtbe, RNS-ből álló genomjukat DNS-sé írják át és beillesztik a gazdasejt genomjába (ún. provírus). Később erről a szakaszról RNS-másolatok készülnek. Életciklusok hasonlósága alapján feltételezik, hogy távoli rokonságban állhatnak egymással.

II. csoport (DNS-transzpozonok)

Ennek a csoportnak a tagjai nem használnak RNS-intermediert az ugráshoz, hanem a transzpozáz enzim kivágja őket a genomból és beilleszti őket egy másik helyre. Az enzim felismeri a transzpozon végét jelentő szekvenciát és egy aszimmetrikus vágást ejt a kétszálú DNS-en: az egyik szál vége kicsit túlnyúlik a másikon, ún. "ragadós véget" hozva létre. A célhelyet ugyanígy elvágva az egymáshoz illeszkedő ragadós végek összetapadnak és egy ligáz enzim kovalensen összeköti őket. A mechanizmusból következik, hogy nem tudnak bárhová beilleszkedni, hanem rövid, ismétlődő szekvenciájú szakaszra van szükségük, amit a transzpozáz felismerhet. Ha ritkán is, de a DNS-transzpozonok is megkettőződhetnek, ha a sejtosztódás előtt aktiválódnak, amikor a genom másolása folyik. Ha éppen akkor ugranak át, amikor a kiindulási helyük már lemásolódott, de a célállomás még nem, akkor az újonnan szintetizált kromoszómában egy helyett két példányban lesznek jelen. Egyes DNS-transzpozonok nem a fenti kivágás-beillesztés modell alapján ugranak, hanem a prokariótákban is ismert guruló kör szerint másolják le magukat (helitronok).

A II. csoportbeli transzpozonok a humán genom kb. 2%-át teszik ki, vagyis a retrotranszpozonok jóval gyakoribbak.[8]

Autonóm és nem nem-autonóm transzpozonok

A mobilis genetikai elemek aszerint is csoportosíthatóak, hogy képesek-e önállóan átvándorolni a genom egy másik helyére, vagy ehhez egy másik transzpozon segítségére van szükségük. A segítség többnyire a transzpozáz vagy reverz transzkriptáz enzimeket jelenti, ami a nem-autonómok esetében nem működik vagy hiányzik. Az I. és II. csoportban is előfordulnak nem-autonóm transzpozonok.

A Barbara McClintock által felfedezett aktivátor elem (Ac) autonóm, míg a szintén általa leírt disszociációs elem (Ds) nem-autonóm transzpozon. Utóbbinak az előbbi segítségére van szüksége az átugráshoz.

Példák

• Barbara McClintock a kukoricában megfigyelte az elemek kromoszómán belüli inzercióját, delécióját vagy transzlokációját, amelyek többek között a növény magszínének változását okozták. Az általa leírt Ac/Ds elemek a II. típusú, vagyis DNS-transzpozonok közé tartoznak. Hasonló, Ac-szerű transzpozonokat dohányban is felfedeztek.[9]
• az ecetmuslica (Drosophila melanogaster) egyik transzpozon-családját P-elemeknek nevezik. A jelek szerint csak a 20. század közepén jelent meg a fajban és az utóbbi 50 évben minden populációjában elterjedt. A mesterséges P-elemeket laboratóriumban használják fel arra, hogy idegen géneket vigyenek be a muslica genomjába.[10][11][12]
• a baktériumok transzpozonjai sok esetben olyan gént is tartalmaznak, amelynek nincs közvetlen hatása az áthelyeződéshez; gyakran olyat, amely rezisztenciát biztosít egy antibiotikummal szemben. A baktériumokban a transzpozonok a genomból átugorhatnak a plazmidokra (és vissza), lehetőséget biztosítva egyedi génkombinációk összeállítására és ezen a módon létrejöhetnek több antibiotikumra is immunis törzsek.
• az ember leggyakoribb transzpozonja az Alu-elem. A kb. 300 bázispár hosszú szakasz 300 ezer-egymillió közötti példányban van jelen a genomban, amelynek 15-17%-át teszi ki.[13]
• a Mariner-szerű elemeket muslicában fedezték fel, de emberben és számos más fajban is megtalálható.[14] Ez a DNS-transzpozon rendkívül könnyen ugrik át egyik fajról a másikra, egysejtű protozoákban (Trichomonas vaginalis-ban) is felfedezték .[15][16] Az emberi genom mintegy 14 ezer példányt tartalmaz belőle.[17]
• az élesztőgombának (Saccharomyces cerevisiae) öt, egymástól jól elkülöníthető retrotranszpozon-családja van: Ty1, Ty2, Ty3, Ty4 és Ty5.[18]

Genetikai betegségekben

Mivel a transzpozonok megváltoztatják a genom nukleotidsorrendjét, ezért mutagének és genetikai betegséget okozhatnak. Ennek mechanizmusai különbözőek lehetnek:[19]

• ha a transzpozon beilleszkedik egy génbe, akkor nagy valószínűséggel működésképtelenné teszi
• ha a DNS-transzpozon kivágódik a génből, van rá esély, hogy ez nem tökéletesen történik és nem áll helyre a beillesztés előtti állapot
• a sok ezres példányszámban jelen levő transzpozonok (pl. Alu) megzavarhatják a sejtosztódás során a kromoszómák páros elrendeződését, aszimmetrikus crossing overt és kromoszómaduplikációt okozhatnak

Transzpozonok beépülése A és B típusú hemofíliával, immundeficienciával, porfíriával, Duchenne-izomdisztrófiával vagy rákra való hajlammal járhat.[20][21] Kimutatták, hogy a VIII. véralvadásfaktor génjébe beékelődő LINE1 transzpozon vérzékenységet,[22] az APC génben pedig vastagbélrákot okozott.[23]

Ezenfelül egyes transzpozonok a saját génjeik kifejezését szabályozó erős promotereket tartalmaznak, amelyek a szervezet génjeit befolyásolva különböző kórtüneteket hozhatnak létre.

Egy vizsgálat eredménye szerint élesztőben a Ty1 retrotranszpozon minimum néhány havonta, maximum néhány évente aktiválódik és ugrik át új helyre a genomon belül.[24] Egyes transzpozonoknak a hősokkproteinekéhez hasonló a promotere és a sejtet érő stresszhatások meggyorsíthatják a transzpozíciót.[25]

Szerepük az evolúcióban

A transzpozonok eredete bizonytalan. Minden életformában jelen vannak, ezért lehetséges, hogy a baktériumok, eukarióták és ősbaktériumok közös ősében is megtalálható volt; de az is, hogy később jöttek létre és elterjedtek a fajok között, vagy egymástól függetlenül többször is kialakultak.[26] Bár néha hasznot hajtanak hordozójuknak, alapvetően a genom "DNS-szemét" részének tartják, olyan "önző DNS"-nek, amelynek nincs hasznos funkciója. Ebből a szempontból a vírusokra emlékeztetnek, amelyek egy részéhez némileg hasonlít a felépítésük. Vannak olyan feltételezések, hogy közös ősük volt, vagy egyik a másikból alakult ki, bár az vitatott, hogy melyik volt az elsődleges.

Mivel a transzpozonok tönkretehetik a fehérjekódoló géneket, a sejtek védekeznek túlzott elszaporodásuk ellen. Rövid RNS-szakaszokat (piRNS, siRNS) termelnek, amelyek a transzpozonokhoz kötve gátolják azok működését.[27] vagy DNS-metilációval, kromatincsomagolással elérik hogy ne aktiválódhassanak. Ezekkel a módszerekkel elérik, hogy a 80-90%-ban transzpozonból álló genomok is működőképesek maradnak.[28]

A feltételezések szerint a humán genom 17%-át kitevő LINE1 szekvenciák közül mindössze száz darab lehet működőképes. Emberi sejtekben az RNS-interferencia gátolja az aktivitásukat. Ha ezt a mechanizmust kísérletileg gátolták, a LINE1 átíródás gyakorisága megnőtt.[29]

A transzpozonok meggyorsíthatják a szervezetek evolúciós fejlődését. Az általuk okozott aszimmetrikus crossing over révén a egyes gének duplikálódnak és míg az eredeti példány ellátja eredeti szerepét, a fölösleges kópia új funkciót találhat. Az T- és B-limfociták rendkívül változatos antigénfelismerő receptorainak létrejötte a transzpozíció mechanizmusához hasonlóan történik, lehetséges, hogy kifejlődésében szerepük volt a transzpozonoknak. Egyes mobilis genetikai elemek olyan géneket hordoznak, amelyek hasznára vannak a szervezetnek, például ellenállóvá teszik bizonyos vegyületekkel szemben. Eddig több mint 40 olyan antibiotikum-rezisztencia- vagy virulenciagént fedeztek fel, amely transzpozonok segítségével terjed a fajok között.

A molekuláris genetikai kutatásokban és a biotechnológiában a transzpozonokat arra használják, hogy géneket juttassanak be velük a genomba (vektor) vagy visszafordítható módon kikapcsoljanak egy meglévő gént. Az erre a célra kifejlesztett Csipkerózsika-transzpozonrendszer 2009-ben elnyerte a Science magazin Év molekulája díját.[30]

Jegyzetek

1. McClintock, Barbara (1950. június 1.). „The origin and behavior of mutable loci in maize”. Proc Natl Acad Sci U S A. 36 (6), 344–55. o. DOI:10.1073/pnas.36.6.344. PMID 15430309. PMC 1063197. 
2. McGrayne, Sharon Bertsch. Nobel Prize Women in Science: Their Lives, Struggles, and Momentous Discoveries, 2nd, Carol Publishing, 165. o. (1998). ISBN 978-0-9702256-0-3 
3. Des Jardins, Julie. The Madame Curie Complex: The Hidden History of Women in Science. Feminist Press at CUNY, 246. o. (2010). ISBN 978-1-55861-655-4 
4. The Dynamic Genome: Barbara McClintock's Ideas in the Century of Genetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2. o. (1992. január 1.). ISBN 978-0-87969-422-7 
5. (1996. november 1.) „Nested retrotransposons in the intergenic regions of the maize genome”. Science 274 (5288), 765–8. o. DOI:10.1126/science.274.5288.765. PMID 8864112. 
6. Mills, R.E., Bennett, E.A., Iskow, R.C. and Devine, S.E. (2007). „Which transposable elements are active in the human genome?”. Trends in Genetics 23 (4), 183-191. o. DOI:10.1016/j.tig.2007.02.006. 
7. Wicker, T (2007. december 1.). „A unified classification system for eukaryotic transposable elements”. Nature Reviews Genetics 8 (12), 973–82. o. DOI:10.1038/nrg2165. PMID 17984973. 
8. Kazazian HH Jr, Moran JV (1998. május 1.). „The impact of L1 retrotransposons on the human genome”. Nature Genetics 19 (1), 19–24. o. DOI:10.1038/ng0598-19. PMID 9590283. 
9. Plant Transposable Elements, pp 161–174, 1988, Plenum Publishing Corp., ed. Nelson
10. Spradling AC, Rubin GM (1982. október 1.). „Transposition of cloned P elements into Drosophila germ line chromosomes”. Science 218 (4570), 341–347. o. DOI:10.1126/science.6289435. PMID 6289435. 
11. Rubin GM, Spradling AC (1982. október 1.). „Genetic transformation of Drosophila with transposable element vectors”. Science 218 (4570), 348–353. o. DOI:10.1126/science.6289436. PMID 6289436. 
12. Cesari F (2007. október 15.). „Milestones in Nature: Milestone 9: Transformers, Elements in Disguise”. Nature. DOI:10.1038/nrg2254. 
13. Kazazian HH, Moran JV (1998. május 1.). „The impact of L1 retrotransposons on the human genome”. Nat. Genet. 19 (1), 19–24. o. DOI:10.1038/ng0598-19. PMID 9590283. 
14. Jacobson JW, Medhora MM, Hartl DL (1986. november 1.). „Molecular structure of a somatically unstable transposable element in Drosophila”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 83 (22), 8684–8. o. DOI:10.1073/pnas.83.22.8684. PMID 3022302. PMC 386995. 
15. Lohe AR, Moriyama EN, Lidholm DA, Hartl DL (1995. január 1.). „Horizontal transmission, vertical inactivation, and stochastic loss of mariner-like transposable elements”. Mol. Biol. Evol. 12 (1), 62–72. o. DOI:10.1093/oxfordjournals.molbev.a040191. PMID 7877497. 
16. Lampe DJ, Witherspoon DJ, Soto-Adames FN, Robertson HM (2003. április 1.). „Recent horizontal transfer of mellifera subfamily mariner transposons into insect lineages representing four different orders shows that selection acts only during horizontal transfer”. Mol. Biol. Evol. 20 (4), 554–62. o. DOI:10.1093/molbev/msg069. PMID 12654937. 
17. Mandal PK, Kazazian HH (2008. október 1.). „SnapShot: Vertebrate transposons”. Cell 135 (1), 192–192.e1. o. DOI:10.1016/j.cell.2008.09.028. PMID 18854165. 
18. Kim JM, Vanguri S, Boeke JD, Gabriel A, Voytas DF (1998. május 1.). „Transposable elements and genome organization: a comprehensive survey of retrotransposons revealed by the complete Saccharomyces cerevisiae genome sequence”. Genome Res. 8 (5), 464–78. o. DOI:10.1101/gr.8.5.464. PMID 9582191. 
19. Belancio VP, Hedges DJ, Deininger P (2008. március 1.). „Mammalian non-LTR retrotransposons: for better or worse, in sickness and in health”. Genome Res. 18 (3), 343–58. o. DOI:10.1101/gr.5558208. PMID 18256243. 
20. Kazazian H.H., Goodier J.L. (2002). „LINE drive: retrotransposition and genome instability”. Cell 110 (3), 277–80. o. DOI:10.1016/S0092-8674(02)00868-1. PMID 12176313. 
21. Kapitonov V.V., Pavlicek, A., Jurka, J. (2006). „Anthology of Human Repetitive DNA”. Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine. DOI:10.1002/3527600906.mcb.200300166. 
22. Kazazian, HH Jr (1988). „Haemophilia A resulting from de novo insertion of L1 sequences represents a novel mechanism for mutation in man”. Nature 332 (6160), 164–6. o. DOI:10.1038/332164a0. PMID 2831458. 
23. Miki, Y. (1992. február 1.). „Disruption of the APC gene by a retrotransposal insertion of L1 sequence in colon cancer”. Cancer Research 52 (3), 643–5. o. PMID 1310068. 
24. Paquin CE, Williamson VM (1984. október 5.). „Temperature Effects on the Rate of Ty Transposition”. Science 226 (4670), 53–55. o. DOI:10.1126/science.226.4670.53. PMID 17815421. 
25. Dennis J. Strand, John F. McDonald (1985). „Copia is transcriptionally responsive to environmental stress”. Nucleic Acids Research 13 (12), 4401–4410. o. DOI:10.1093/nar/13.12.4401. PMID 2409535. PMC 321795. 
26. Kidwell, M.G. (1992). „Horizontal transfer of P elements and other short inverted repeat transposons”. Genetica 86 (1), 275–286. o. DOI:10.1007/BF00133726. PMID 1334912. 
27. Wei-Jen Chung,Katsutomo Okamura,Raquel Martin, Eric C. Lai (2008. június 3.). „Endogenous RNA Interference Provides a Somatic Defense against Drosophila Transposons”. Current Biology 18 (11), 795–802. o. DOI:10.1016/j.cub.2008.05.006. PMID 18501606. PMC 2812477. 
28. Miura A, Yonebayashi S, Watanabe K, Toyama T, Shimada H, Kakutani T (2001. május 1.). „Mobilization of transposons by a mutation abolishing full DNA methylation in Arabidopsis”. Nature 411 (6834), 212–4. o. DOI:10.1038/35075612. PMID 11346800. 
29. Yang N, Kazazian HH (2006. szeptember 1.). „L1 retrotransposition is suppressed by endogenously encoded small interfering RNAs in human cultured cells”. Nat. Struct. Mol. Biol. 13 (9), 763–71. o. DOI:10.1038/nsmb1141. PMID 16936727. 
30. Luft FC (2010. május 1.). „Sleeping Beauty jumps to new heights”. Mol. Med 88 (7), 641–643. o. DOI:10.1007/s00109-010-0626-1. PMID 20467721. 

Források

• Kimball's Biology Pages: Transposons
• (2006. június 21.) „An immune system so versatile it might kill you”. New Scientist (2556). 
• GMO Safety: Transposons –research projects and basic infos
• Repbase — a database of transposable element sequences
• Use of the Sleeping Beauty Transposon System for Stable Gene Expression in Mouse Embryonic Stem Cells
• Kidwell, M.G..szerk.: ed. T.R. Gregory: Transposable elements, The Evolution of the Genome. San Diego: Elsevier, 165–221. o. (2005). ISBN 0-123-01463-8 
• Craig NL, Craigie R, Gellert M, and Lambowitz AM (ed.). Mobile DNA II. Washington, DC: ASM Press (2002). ISBN 978-1-555-81209-6 
• Lewin B. Genes VII. Oxford University Press (2000). ISBN 978-0-198-79276-5 

Fordítás

• Ez a szócikk részben vagy egészben a Transposable element című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.