Transposon (springgen): mobil DNA-sekvens og transponerbare elementer
Transposon (springgen): mobil DNA-sekvens og transponerbare elementer – lær om springgener, Barbara McClintock, transposition, mutationer og genomændringer.
Et transposon er en DNA-sekvens, der kan flytte sig til nye positioner i en enkelt celles genom. Pressen kaldte dem springgener, men det er ikke korrekt at kalde dem "gener" i streng forstand, da mange transposoner ikke koder for et funktionelt protein til organismens normale biologi, men i stedet er mobile elementer, der ændrer deres placering i genomet.
Mekanismer for transposition
Der findes to grundlæggende mekanismer, som transposoner bruger til at flytte sig:
- Cut-and-paste (DNA-transposoner): Elementet skæres ud fra én lokation i DNA'et af et enzym kaldet transposase og indsættes et andet sted. Dette ændrer normalt ikke mængden af DNA i cellen, men flytter elementet.
- Copy-and-paste (retrotransposoner): Elementet transskriberes til RNA og omdannes derefter tilbage til DNA via reverse transkriptase, hvorefter en kopi indsættes et nyt sted. Dette fører til en øgning i antallet af kopier og kan udvide genomets størrelse.
Typer af transposoner
- DNA-transposoner: Almindelige i bakterier (fx IS- og Tn-elementer) og findes også i eukaryoter. De bruger normalt transposase.
- Retrotransposoner: Deler karakteristika med retrovirusser og omfatter elementer med lange terminale repeats (LTR) og ikke-LTR-elementer. I menneskets genom er mange repræsenteret ved LINE- og SINE-familier (fx Alu).
Indvirkning på genomet og evolution
Transposition kan skabe betydelige mutationer og ændre cellens genomstørrelse. Konsekvenserne kan omfatte:
- Indsættelsesmutationer, der forstyrrer eller inaktiverer gener.
- Genomsammenfletninger, duplikationer eller tab, som kan føre til strukturelle ændringer i kromosomer.
- Skabelse af nye regulerende elementer eller exonisering (transposonsekvenser, der bliver en del af transkriberede gener), hvilket kan bidrage til evolutionær innovation.
- Rekombinationshotspots: parrede transposoner kan mediere uklare rekombinationer, der resulterer i kromosomomlægninger.
I mennesket udgør transposon-relateret DNA en stor del af genomet — omtrent halvdelen af vores genom stammer fra mobile elementer eller deres rester — og nogle familier (fx LINEs og Alu) er særligt talrige.
Opdagelse og historisk betydning
Transposoner blev først opdaget af Barbara McClintock, da hun arbejdede på majs. Hendes observationer af bevægelige genetiske elementer og deres effekt på fenotyper var banebrydende, og hun modtog en Nobelpris for sit arbejde i 1983. Hendes opdagelse ændrede fundamentalt forståelsen af genomet som en statisk struktur.
Regulering og forsvar mod transposoner
Celler har udviklet mekanismer til at begrænse aktiviteten af transposoner, fordi ukontrolleret transposition kan være skadelig. Eksempler på sådanne forsvarsmekanismer inkluderer:
- DNA-methylering, som kan slå transposon-promotorer fra.
- Små RNA-baserede veje (fx piRNA i kønsceller), som genkender og nedregulerer transposon-RNA.
- Chromatinmodifikationer, derpakket DNA'et tæt og gør transposoner utilgængelige for transkription.
Anvendelser i forskning og bioteknologi
Transposoner er nyttige værktøjer i molekylærbiologi og genetik. De anvendes til indsættelsesmutagenering, screening for genfunktioner og som leveringssystemer for genetisk materiale. Kendte kunstige eller udnyttede systemer omfatter for eksempel Sleeping Beauty, PiggyBac og Tol2, som bruges i genlevering og transgenese.
Samlet oversigt
Transposoner er mobile DNA-sekvenser, der påvirker genomets struktur og funktion. De har både skadelige og gavnlige effekter: de kan forårsage mutationer og genominstabilitet, men de bidrager også til genetisk variation og evolutionær innovation. Forståelsen af deres mekanismer og regulering er vigtig inden for genetik, evolution og bioteknologi.
Pletter i majsen er mutationer forårsaget af transposoner
Typer
Transposoner er kun en af flere typer mobile genetiske elementer. Transposoner selv er af to typer alt efter deres mekanisme, som enten kan være "copy and paste" (klasse I) eller "cut and paste" (klasse II).
Klasse I (retrotransposoner): De kopierer sig selv i to trin, først fra DNA til RNA ved transkription og derefter fra RNA tilbage til DNA ved omvendt transkription. DNA-kopien indsættes derefter i genomet på en ny plads. Retrotransposoner opfører sig meget lig retrovirusser som f.eks. HIV.
Klasse II (DNA-transposoner): I modsætning hertil involverer transposonerne i klasse II-transposonerne ikke et RNA-mellemled i deres cut-and-paste-transpositionsmekanismer.
En bakteriel DNA-transposon
Som årsager til sygdom
Transposoner er mutagener. De kan beskadige deres værtscellers arvemasse på forskellige måder:
- Et transposon eller et retroposon, der indsættes i et funktionelt gen, vil sandsynligvis sætte det pågældende gen ud af funktion.
- Når et transposon forlader et gen, vil det resulterende hul sandsynligvis ikke blive repareret korrekt.
- Flere kopier af den samme sekvens, såsom Alu-sekvenser, kan forhindre præcis kromosomal parring under mitose og meiose, hvilket resulterer i ulige krydsninger, en af hovedårsagerne til kromosomduplikation.
Brug
Transposoner kan bære accessoriske gener som f.eks. antibiotikaresistensgener. De kan bruges til at indsætte et gen i en organismes DNA. Dette er blevet gjort med frugtfluer (Drosophila melanogaster) ved at sætte transposonen ind i embryoet.
Eksempler
- De første transposoner blev opdaget i majs (Zea mays) af Barbara McClintock i 1948, hvilket hun fik Nobelprisen for i 1983. Hun bemærkede kromosommutationer forårsaget af disse transposoner. Ca. 50 % af majsens samlede genom består af transposoner. Det Ac/Ds-system, som McClintock beskrev, er klasse II-transposoner.
- En familie af transposoner i frugtfluen Drosophila melanogaster kaldes P-elementer. De synes først at være dukket op hos arten i midten af det tyvende århundrede. I løbet af 50 år har de spredt sig i alle populationer af arten. Kunstige P-elementer bruges til at indsætte gener i Drosophila ved at injicere embryoet.
- Den mest almindelige form for transposon i mennesker er Alu-sekvensen. Den er ca. 300 baser lang og kan findes mellem 300.000 og en million gange i det menneskelige genom.
- Mariner-lignende elementer er en anden fremtrædende klasse af transposoner, der findes hos flere arter, herunder mennesker. Mariner-transposonet blev først opdaget af Jacobson og Hartl i Drosophila. Dette transposable klasse II-element er kendt for sin uhyggelige evne til at blive overført horisontalt hos mange arter. Det anslås, at der findes 14 000 kopier af Mariner i det menneskelige genom, som omfatter 2,6 millioner basepar.
Evolution
Transposoner findes i mange former for liv. De kan være opstået uafhængigt af hinanden mange gange, eller måske kun én gang og derefter spredt til andre riger ved horisontal genoverførsel.
Mens nogle transposoner kan give deres værter fordele, betragtes de fleste af dem som selviske DNA-parasitter. På denne måde ligner de virus. Forskellige vira og transposoner har også fælles træk i deres genomstrukturer og biokemiske evner, hvilket har ført til spekulationer om, at de har en fælles forfader.
Overdreven transposon-aktivitet kan ødelægge et genom, hvilket er dødeligt. Mange organismer har udviklet mekanismer til at hæmme dem. Bakterier kan bruge gensplejsning til at fjerne transposoner og vira fra deres genomer, mens eukaryote organismer bruger RNA-interferens (RNAi) til at hæmme transposonaktivitet.
I hvirveldyrceller koder næsten alle de mere end 100.000 DNA-transposoner i et genom for inaktive polypeptider. Hos mennesker er alle de klasse I-lignende transposoner inaktive. Det første DNA-transposon, der blev brugt som et redskab til genetiske formål, det såkaldte "Sleeping Beauty"-transposonsystem, var et transposon, der blev genoplivet efter en lang evolutionær søvn.
Rolle i immunsystemet
Transposoner kan være blevet taget i brug af hvirveldyrs immunsystem som et middel til at producere antistofdiversitet: V(D)J-rekombinationssystemet fungerer ved hjælp af en mekanisme, der ligner transposonernes mekanisme. Det er et system med tre gener, som omarrangeres i produktionen af lymfocytter fra hvirveldyr. Systemet koder på forskellig vis for proteiner, der passer til antigener fra bakterier, vira, parasitter, dysfunktionelle celler som f.eks. tumorceller og pollen.
Den endelige DNA-sekvens og dermed sekvensen af antistoffet er meget variabel, selv når de samme to V-, D- eller J-segmenter er forbundet. Denne store diversitet gør det muligt for VDJ-rekombination at generere antistoffer selv mod mikrober, som hverken organismen eller dens forfædre tidligere har mødt.
Søge