1. Начало
  2. Енциклопедия
  3. Генетика
  4. Транспозони

Транспозони


През 50-те години на 20-ти век, Барбара Маклинток публикува новаторско изследване върху царевица със счупени хромозоми и специфични ДНК елементи. Тези ДНК елементи могли да променят позициите си, да се включват и изключват и да поправят мутации между поколенията на растението царевица (Zea Mays). Статията „Индуциране на нестабилност в селектирани локуси при царевицата“ печели Нобелова награда през 1983. 90% от ДНК на царевицата са транспосибилни елементи.

Транспозоните (транспосибилните елементи или “скачащи гени”) представляват ДНК последователности, които могат да променят своята позиция в генома. Геномът е сложен набор от гени в организма. Транспозоните са наречени така, поради начина на тяхното движение – транспозиция. Тя често се обяснява като механизъм на движение в генома чрез изрязване и поставяне. Например, транспозонът може да се изреже от позицията си в хромозома 9 и да се постави на нова позиция в хромозома 11. Поради същността на процеса транспозиция обаче, той води до мутации и количествени промени в ДНК на клетката. Те са отговорни за голям брой мутации и генетични полиморфизми, които значително допринасят за генетичното многообразие.

Развитие

Широк набор от организми разполагат с транспозони – от бактерии и дрожди до хора. Транспозицията може да се осъществи от една позиция на друга в рамките на една хромозома или от една хромозома към друга (в еукариотните организми, чийто геном е събран в няколко хромозоми), или от хромозома към плазмид (в организми, съдържащи плазмиди – генетични елемeнти, независими от хромозомата и способни на автономна репликация), или накрая от хромозомата на една клетка към хромозома на друга.

Документирано е, че транспозоните могат да повлияят производителността на генома на гостоприемника. Този механизъм позволява развитието на тотипотентност – ключов стадии в развитието. Определени структури като човешкия левцинов тРНК праймер (HERVL), ендогенните ретровируси (ERVs) и линейните разпръснати ядрени елементи (LINE-1s) са доказано важни за епигенетичното действие на транспозоните – тези елементи са важни за движението и действието на транспозоните.

През ембрионалното развитие се откриват различни транспозони в зависимост от стадия на развитие (без да забравяме ретротранспозоните).

Клетъчно ниво

Изследователи са открили транспозони в геномите еукариотите и прокариотите. Геномите на еукариотите съдържат множество повтарящи се ДНК последователности. Транспозоните съставят по-голямата от тази повтаряща се ДНК.

45% от човешкия геном е транспосибилни елементи.

Понеже голяма част от генома е транспосибилен, се предполага, че транспозоните участват в еволюцията и формирането на билогични видове, въпреки че провокиращите фактори за това не са изяснени. Транспозоните имат структура подобна на тази на нетранспосибилната ДНК и съдържат същите нуклеинови киселини и нуклеотиди (цитозин, аденин, гуанин и тимин).

Молекулярно ниво

Бактериалните транспозони принадлежат към 2 класа: съставни транспозони (клас 1) и комплексни транспозони (клас 2). Транспозонът от клас 1 съдържа копие на инсерционна последователност (IS) на всеки край. На своите краища клас 2 транспозонът има 2 еднакви последователности от 30/40 двойки нукледотиди, подредени в обратна подредба.

Транспозицията може да бъде репликативна или нерепликативна. При нерепликативната първоначалното място става скъсване на двойната спирала, преди да се придвижи транспозонът. В други случаи, това се осъществява без срез на двойната спирала в първоначалното място (консервативна транспозиция). При репликативната транспозиция в следствие на репликацията има копие от транспозона на инсерционното място и друго копие на първоначалното място, без скъсване в двойната спирала. Това води до образуване на посредник, наречен коинтеграт.

Механизъм на транспозиция – видео

Функция

Транспозоните са механизъм за увеличаване на геномното многообразие.

Транспозоните могат да инактивират или изменят генната експресия, като се вмъкват рамките на интрони, екзони и други области. Те могат да преместват нетранспозонна ДНК. Могат обаче и да премахват гени чрез вътрешна делеция. Има много механизми за транспозиция, които свеждат делециите до минимум, за да осигурят оцеляването на гостоприемника.

Механизъм

Транспозоните могат да се разграничават на база механизма им на транспозиция и интеграция. Делят се на Клас I елементи и Клас II елементи. Всеки от тези класове могат допълнително да се подразделят на база общ генетичен или монофилетичен произход.

Клас I елементи – ретротранспозони

Те започват като ДНК и се транскрибират в РНК чрез нормален механизъм. След това обратната транскриптаза и ендонуклеаза, които обичайно са кодирани в самия транспосибилен елемент, осъществяват презаписване на РНК обратно в ДНК. Тази ДНК се въвежда обратно в хромозомата на новото си място. Техният жизнен цикъл и структура много наподобяват ретровирусите.

Клас II елементи – ДНК транспозони

Те са класическите „изрежи и постави“ транспозони, чийто механизъм започва с изрязване от генома. Те не се реплицират като клас I елементите, но често съдържат транспозазен ген. Транспозазата е ензим, осигуряващ придвижването на транспозоните. TIR (терминални обратни повтори) обграждат транспозазата, като тя използва това, за да изреже транспозона. Когато транспозонът се въведе на ново място, ДНК на това таргетно място се дуплицира, образувайки TSD – дупликации на таргетното място. TIR и TDS са уникални за транспозоните и се използват за класифицирането им в отделни фамилии.

Транспозони

Тестване

Към момента тестове се използват с цел засичане на патологични мутации в транспозони като например големи делеции или големи инсерции/дупликации.

Патофизиология

Инсерциите на транспозоните могат да са патологични, способни да променят генната експресия.

Те представляват около 5% от молекулярната патология. Сред измененията във функцията на транспозонитев се откриват: синдром на Киндлер (в FERMT1 гена); хемофилия А (в гена за фактор VIII или антихемофилен фактор).

Инсерциите на транспозоните биха могли да играят роля в определянето на предразположеност към мултифакторни заболявания, например тумори. Транспозоните, подобно на мутациите, свързани с болести, са способни да създават хипоморфни алели: те не са същински патологични алели, но са алели с отслабена функция, които могат да влошат фенотипа, когато са в асоциация с мутации, свъразни с болести. Тези хипоморфни алели биха могли да имат роля в определянето на предразположеност към мултифакторни заболявания.

Клинично значение

Транспозоните могат да служат като инструменти за въвеждане на чужда ДНК в генома на друг организъм. Например – въвеждане на миша ДНК в риба зебра.

Транспозоните са важни за разбиране на геномите, тъй като могат да се използват за инсерционна мутагенеза. Трансгениката позволява бърз in vivo анализ на генома и протеома. Транспозоните също така играят роля в патогенезата на някои състояния, например хемофилия А.

Трансгениката е спомогнала за идентифицирането на гени, свързани с заболявания и патологии. Например, транспозоните са се използвали за изучаване на нови виновници за клетъчната транформация при канцерогенезата. Преди инсерционната мутагенеза, изучаването на гени, свързани с канцерогенезата е било трудно. Инсерционната мутагенеза също е спомогнала да се определи патогенезата на агенти като Cryptococcus neoformans – инфекциозна гъбичка, която се изучава чрез инсерционна мутагенеза с цел определяне кои гени имат значение за нейната вирулентност.

Смъртността в световен план се увеличава поради бактериални инфекциозни болести, като бактериалните транспозони имат значение за развитието на бактериалната антибиотична резистентност. Всички бактерии са способни да се адаптират към еволюционния стресов фактор към тях – антибиотичната употреба. Детерминанти за резистентност, които вече съществуват в бактериалното ДНК, се мобилизират от транспозоните. Чрез този процес става възможна хоризонтална генетична обмяна и позволява на бактериите да се сдобиват с резистентност.

Някои заболявания може би произхождат от транспозиция в рамките на човешкия геном.

Проучвания показват, че някои епителни тумори въникват в следствие на спонтанни интеграции на ретротранспозони. Изследването на тези ретротранспозони може да се окаже от голямо значение за разбирането на туморогенезата. Хемофилия А е Х-свързано рецесивно заболяване, водещо до ниски нива на кръвосъсирващ фактор VIII и кървене. Проучване е показало, че инсерционна мутагенеза на повтаряща се последователност, L1 последователности, могат да се разпространят чрез транспозиция и да предизвикат болеста.

Генна терапия

Генната терапия, при която се използват генетични инструменти за редактиране на човешкия геном, има голям потенциал да помогне на пациенти с генетична патология, но също така е високорискова. Въвеждането на ретровируси при изпитвания на генна терапия показват връзка с нежелани реакции. При лечението на 9 пациенти със ТКИД (тежък комбиниран имунодефицит), 4 развиват остра левкемия в рамките на 10 години от лечението с генна терапия. Един от четиримата развили левкемия умира. Въпреки това останалите осем случая поддържат коригирания имунодефицит.

Транспозонът на „Спящата красавица“ е най-изучаваният транспозон използван при невирусната генна терапия чрез инсерционна мутагенеза. В генната терапия, използването на транспозони вместо вирусни вектори има две предимства – по-лесно производство и по-ниска селективност по отношение на мястото на инсерция. Използването на генна терапия за премахване на вредни мутации е било успешно при третирането на миши модел с хемофилия, при което успешно е възстановена хемостазата в третираните мишки. Мускулната дистрофия тип „Дюшен“, друго Х-свързано рецесивно заболяване с мутация в гена за дистрофин, води до дегенерация на мускулните влакна, слабост и смърт. Изследване, при което се ползва PiggyBac транспозона демонстрира, че мускули, третирани с автоложна клетъчно-базирана терапия, стават по-резистентни към умора.

Продължаване обучението за специалисти

Автор: Светослав Иванов, Медицински Университет София
Редакция: Любомир Манолов, Медицински Университет София

Средно: 5 / 5. Гласували: 1

Все още няма оценка.


Тагове , , , , , ,
Беше ли Ви полезно? Да 1 Не

Коментари

Известия при
guest
0 Коментара
Коментари в публикация
Всички коментари