Transposon

Trasposone batterico

Un trasposone ( gene che salta colloquialmente ) è una sezione di DNA nel genoma , che può cambiare la sua posizione nel genoma (trasposizione). Si distingue tra trasposoni il cui stadio intermedio mobile è formato da RNA ( retroelementi o trasposone di classe I) e quelli la cui fase mobile è DNA (trasposone di DNA o trasposone di classe II). In contrasto con l'elemento retrò, questi trasposoni possono cambiare il loro luogo senza uno stadio intermedio di RNA. I trasposoni sono conosciuti come una forma di DNA egoista , sebbene possano essere di beneficio a coloro che lo portano.

proprietà

Quando i trasposoni sono autonomi, cioè portano con sé i propri “strumenti per saltare”, sono spesso circondati da brevi sequenze di ripetizioni ( ripetizioni ) necessarie per la trasposizione. L'orientamento di queste sequenze di ripetizione può essere nella stessa direzione ( ripetizione diretta ) o in direzioni opposte ( ripetizione invertita o IR). La natura tipica delle sequenze ripetitive viene spesso utilizzata per classificare i trasposoni. I trasposoni completi e autonomi contengono uno o più geni ; uno dei geni codifica sempre per una trasposasi .

I trasposoni sono delimitati da una sequenza nucleotidica piccola (8–40 bp ), inversa-identica, non informativa ( ripetizione invertita ); questi sono essenziali per il funzionamento della trasposasi (l' enzima responsabile del salto ). Inoltre, i trasposoni di DNA sono anche circondati da ripetizioni dirette lunghe 3-13 bp . Tuttavia, questi appartengono al DNA ospite e derivano dal fatto che quando si integrano, in modo simile a un enzima di restrizione , i due filamenti vengono tagliati in modo sfalsato, quindi il trasposone viene integrato ei singoli filamenti vengono reintegrati dagli enzimi di riparazione della cellula. . Queste ripetizioni dirette sono quindi indicate anche come duplicazioni del sito di destinazione . Quando si ritagliano queste duplicazioni, spesso le "Impronte" ( impronte ) rimangono l'escissione di trasposoni di DNA, un inserimento rappresenta. In alcuni casi, entrambe le duplicazioni vengono tagliate, in modo che vi sia effettivamente una delezione (le duplicazioni provengono dal DNA ospite).

Scoperta e importanza

I trasposoni furono scoperti nel 1948 dalla botanica americana Barbara McClintock nel mais , insignita del Premio Nobel nel 1983 per questa scoperta . Da allora, i trasposoni sono stati rilevati anche in molti altri organismi, compreso l' uomo . In genetica e biologia dello sviluppo soprattutto i trasposoni del gioco Drosophila melanogaster un ruolo importante, poiché possono essere selettivamente iniettati nelle mosche e stabilmente integrati nel genoma. In questo modo, i trasposoni geneticamente modificati rendono relativamente facile la produzione di mosche transgeniche , che svolgono un ruolo importante nella ricerca delle funzioni geniche. Tuttavia, i trasposoni possono anche essere trasferiti a plasmidi o genomi fagici , il che può portare a mutazioni infettive . Le informazioni genetiche appena inserite possono rendere i batteri resistenti agli antibiotici .

I trasposoni costituiscono circa il 3% del genoma umano , le famiglie comuni sono MER-1 (circa 1,4%) e MER-2 (circa 1,0%). Una teoria ben supportata presume che le ricombinasi RAG1 e RAG2, responsabili della ricombinazione V (D) J nella produzione di immunoglobuline , siano derivate da trasposasi, il che significa che il sistema immunitario dei vertebrati è derivato da trasposoni di DNA.

I trasposoni di DNA possono anche saltare sui plasmidi e quindi contenere geni di resistenza attraverso i cointegrati . Non si può quindi escludere che abbiano un ruolo nella diffusione della resistenza agli antibiotici . Circa il 45% del genoma umano è costituito da elementi trasponibili, ma solo una piccolissima parte di essi è in grado di saltare. C'è anche la teoria secondo cui le immunoglobuline derivano dai trasposoni. A questo proposito è discutibile se si debbano considerare i trasposoni come DNA spazzatura . Ricerca di Eric Lander et al. (2007) mostrano, tuttavia, che i trasposoni hanno una funzione molto importante, poiché come fattore creativo nel genoma possono diffondere rapidamente importanti innovazioni genetiche nel genoma.

Altri organismi hanno una diversa proporzione genomica di trasposoni, quindi in D. melanogaster solo circa il 15-22% e in Caenorhabditis elegans circa il 12% del genoma sono elementi trasponibili. In alcune piante come B. il mais, tuttavia, oltre l'80% del genoma può essere trasposone. La tabella seguente fornisce una panoramica delle proporzioni degli elementi trasponibili nel DNA genomico.

Dimensione del genoma e proporzione di elementi trasponibili
specie Massa del genoma
in picogrammi 		La dimensione del genoma
in basi gigabyte si accoppia- 		Percentuale di
elementi trasponibili
Rana esculenta rana 5.6-8.0 5.5-7.8 77
Zea mays Mais 5.0 4.9 85
homo sapiens umano 3.5 3.4 45
Mus musculus topo 3.4 3.3 40
Drosophila melanogaster Mosca della frutta 0.18 0.17 15-22
Caenorhabditis elegans verme 0.1 0.098 12 °
Saccharomyces cerevisiae lievito 0.012 0.0117 3-5
Escherichia coli batterio 0.0046 0.0045 0.3

Meccanismi di propagazione

Nel caso dei trasposoni di DNA, viene fatta una distinzione tra trasposizione conservativa e trasposizione replicativa . Mentre nella trasposizione conservativa il trasposone viene ritagliato dal DNA e reinserito in un altro punto ("Cut & Paste"), in caso di trasposizione replicativa il trasposone non viene ritagliato, ma ne viene fatta una copia che viene inserita in un altro punto ("Copia e incolla"). Con la trasposizione replicativa, il numero di trasposoni è aumentato. Il trasposone viene tagliato o copiato con l'aiuto dell'enzima trasposasi.

I trasposoni di DNA che sono troppo piccoli per codificare una proteina sono noti come elementi trasponibili a ripetizione invertita in miniatura (MITE). Non possono diffondersi autonomamente. Il modo in cui si riproducono o si muovono non è ancora chiaro. È possibile che il gene della trasposasi fosse una volta presente e ora sia difettoso o perso. Gli MITE possono essere copiati e spostati da enzimi trasposasi che sono codificati da altri trasposoni più grandi e hanno la stessa sequenza di riconoscimento (ripetizioni invertite).

Trasposoni di RNA, o meglio: elementi retrò saltano per essere trascritti in mRNA , che vengono poi trascritti in cDNA (da una trascrittasi inversa ) e reintegrati. Gli elementi retrò si moltiplicano nel processo. La sottoclasse dei cosiddetti SINE , ma anche altri elementi retrò che non sono più autonomi, non hanno più una trascrittasi inversa e dipendono da una estranea (ad esempio da altri elementi retrò).

Classificazione funzionale degli elementi trasponibili

A seconda che l'elemento intermedio sia DNA o RNA, viene fatta una distinzione tra trasposoni di DNA (chiamati anche trasposoni di classe II) e cosiddetti elementi retrò (trasposoni di classe I). Gli elementi retrò hanno ripetizioni terminali lunghe (LTR; con retrotrasposoni LTR o retrotrasposoni in senso stretto e con retrovirus classici ) oppure no ( retroposoni ).

Evoluzione dei trasposoni

L'evoluzione dei trasposoni e dei loro effetti sull'evoluzione del genoma è attualmente oggetto di ricerche controverse.

I trasposoni si trovano in tutti i rami della vita. Tuttavia, non è noto se siano stati ereditati dall '" antenato primordiale ", o se siano emersi più volte indipendentemente l'uno dall'altro, o possibilmente siano emersi una volta e poi si siano diffusi tra gli esseri viventi attraverso il trasferimento genico orizzontale . Uno studio pubblicato nel 2008 fornisce forti indicazioni per quest'ultimo. Quasi identico sp ACE- in- vader (SPIN) geni si trovano in specie diverse come topi e rane. Sebbene i trasposoni possano fornire benefici al loro ospite, sono generalmente considerati come egoisti DNA - parassiti classificati quali genomi cellulari negli organismi "vivi". In questo modo sono simili ai virus . Virus e trasposoni hanno somiglianze nella loro struttura genomica e nelle loro proprietà biochimiche. Ciò porta a ipotizzare che virus e trasposoni possano avere un antenato comune (vedi sistematica esterna dei nucleocytoviricota ).

È interessante notare che i trasposoni spesso codificano la trasposasi enzimatica, che svolge un ruolo importante nel meccanismo di replicazione del trasposone stesso. Ciò potrebbe essere interpretato come una proprietà simile a un virus, poiché il materiale genetico dei virus codifica precisamente i prodotti genici che servono a diffondere questo genoma virale.

Poiché un'eccessiva attività di trasposone può distruggere il genoma, molti organismi sembrano aver sviluppato meccanismi che riducono la trasposizione a un livello gestibile. I batteri possono avere un alto tasso di delezione genica come parte di un meccanismo progettato per rimuovere trasposoni e virus dal loro genoma. Al contrario, gli organismi eucarioti potrebbero aver sviluppato il meccanismo di interferenza dell'RNA (RNAi) per limitare l'attività del trasposone. Nel nematode Caenorhabditis elegans , alcuni geni richiesti per RNAi riducono l'attività del trasposone.

Variazione di fase

In alcuni ceppi di Salmonella typhimurium , un trasposone è responsabile del passaggio dell'organismo tra due variazioni di flagellina , il componente principale del flagello , circa ogni 1000 generazioni . Poiché entrambe le varianti sono riconosciute da diversi anticorpi, ciò è benefico per l'organismo.

Gruppi di trasposoni procariotici

L'unico gene contenuto in una sequenza di inserzione codifica per l'enzima trasposasi. Questo catalizza il movimento del trasposone da un punto a un altro del DNA. Questa è principalmente una trasposizione conservativa. Solo raramente viene trasposto in modo replicativo (la vecchia sequenza viene mantenuta). Il gene della trasposasi viene quindi affiancato su entrambi i lati da ripetizioni invertite .

Oltre alla trasposasi, la cosiddetta famiglia Tn3 ha anche un resolvase (tnpR) e contiene un cosiddetto sito res . A differenza di quelle degli elementi IS, le trasposasi della famiglia Tn3 non necessariamente tagliano al proprio IR , ma anche a IR più distanti Questo include un grosso pezzo di DNA ospite (cointegrate), che viene tagliato dal resolvase nel sito res . La famiglia Tn3 si traspone anche preferenzialmente in modo replicativo.

Alcuni fagi , come il fago Mu, appartengono anche agli elementi trasponibili del DNA. I fagi si moltiplicano nella fase di provirus, cioè integrati nel genoma tramite trasposizione.

Trasposoni eucariotici

I trasposoni eucariotici sono solo parzialmente simili ai rappresentanti procarioti. In particolare, i meccanismi di trasposizione sono abbastanza diversi e alcuni trasposoni di DNA hanno anche una struttura introne - esone .

È noto l' elemento Ac , su cui Barbara McClintock postulò elementi "saltanti" nel mais nel 1951 e per il quale ricevette un premio Nobel nel 1983 .

In Drosophila melanogaster , gli elementi p sono ben noti rappresentanti dei trasposoni del DNA.

Curiosità

Un trasposone sintetico ( La bella addormentata ) è stato nominato "Molecule of the Year 2009" dalla International Society for Molecular and Cell Biology and Biotechnology Protocols and Researches (ISMCBBPR) .

Guarda anche

letteratura

link internet

Prove individuali

  1. ↑ Barbara McClintock : L'origine e il comportamento dei loci mutevoli nel mais. In: Atti della National Academy of Sciences . Volume 36, n. 6, 1950, pagg. 344-355, doi : 10.1073 / pnas.36.6.344 .
  2. ↑ Eric Lander et al.: Il genoma del marsupiale Monodelphis domestica rivela innovazione nelle sequenze non codificanti. In: Natura. Volume 447, 10 maggio 2007, pagg. 167-177.
  3. ↑ Patrick S. Schnable, Doreen Ware, Robert S. Fulton, Joshua C. Stein, Fusheng Wei: The B73 Maize Genome: Complexity, Diversity, and Dynamics . In: Science . nastro 326 , n. 5956 , 20 novembre 2009, ISSN  0036-8075 , pag. 1112 1115 , doi : 10.1126 / science.1178534 , PMID 19.965.430 ( sciencemag.org [accessed 12 aprile 2018]).
  4. ↑ Christian Biémont, Cristina Vieira: Junk DNA come forza evolutiva. In: Natura. Volume 443, pagg. 521-524, PMID 17024082 .
  5. ↑ Convertito da Biemont et al. con un fattore di conversione di 0,978 coppie gigabase per picogramma.
  6. ↑ Miniature Inverted-Repeat Transposable Elements (MITEs) ( Memento of the original datata 6 febbraio 2006 in Internet Archive ) Info: Il link all'archivio è stato inserito automaticamente e non è stato ancora verificato. Controllare l'originale e il collegamento all'archivio secondo le istruzioni, quindi rimuovere questo avviso. ; Kimball's Biology Pages, 5 dicembre 2011. @ 1@ 2Modello: Webachiv / IABot / users.rcn.com
  7. ↑ John K. Pace II, Clément Gilbert, Marlena S. Clark, Cédric Feschotte1: Ripetuto trasferimento orizzontale di un trasposone di DNA in mammiferi e altri tetrapodi. Su: pnas.org ; pubblicato in: Atti della National Academy of Sciences . (PNAS), Vol.105, No.44, 4 novembre 2008, pp. 17023-17028 (inglese).
  8. ↑ Guenther Witzany: Competenze di modifica del genoma naturale dei virus. In: Acta Biotheoretica. Volume 54, 2006, pagg. 35-253.
  9. ^ Donald Voet, Judith Voet: Biochimica. 2a edizione, Wiley & Sons, New York 1995, ISBN 0-471-58651-X , p. 1059.
  10. ↑ Barbara Bachtler (Science Information Service): "La bella addormentata" è la molecola dell'anno. Comunicato stampa del 19 gennaio 2010.
  11. ↑ Wayne W. Grody: Isidro AT Savillo, presidente dell'ISMCBBPR, annuncia la molecola dell'anno 2009 come Sleeping Beauty Transposase SB 100X. (Inglese) all'indirizzo : ismcbbpr.synthasite.com ; ultimo accesso il 20 settembre 2020.