Retrotransposon

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Exemplu schematic de retrotrasponă LTR.

În genetică , retrotranspozițiile sunt definite ca fragmente de ADN capabile să se transcrie autonom într-un intermediar de ARN și, prin urmare, să se replice în diferite poziții din cadrul genomului [1] .

Acestea sunt un anumit tip de transpozoni și, la fel ca acestea din urmă, fac parte din acea clasă de elemente genetice numite elemente transpozabile . Sunt deosebit de abundente în plante , dintre care alcătuiesc o fracțiune substanțială din întregul genom, și la mamifere , inclusiv la oameni .

Transpunere

Mutarea unui retrotransposon dintr-o parte a genomului în alta se numește transpunere; în special, transpunerea retrotranspozonilor urmează modelul transpunerii replicative . Conform acestui model - comun și unor tipuri de transpozoni și secvențe de inserție - atunci când elementul transpozabil se mută într-o nouă poziție în genom, o copie a acestuia rămâne întotdeauna în poziția inițială.

Retrotranspozonii se transpun mai întâi copiindu-se într-un intermediar de ARN și apoi revenind la ADN (prin transcriptază inversă ) prin integrarea într-o nouă locație din cadrul genomului. Acest mecanism permite transpozonilor să crească în mod semnificativ și rapid prezența copiilor lor în genom, crescând în consecință și dimensiunea genomului în sine.

La fel ca alte tipuri de elemente transpozabile, retrotranspozițiile pot induce mutații prin inserarea accidentală în gene funcționale, modificând sau, în unele cazuri, împiedicând exprimarea lor. Cu toate acestea, există dovezi experimentale care ar arăta că transpunerea și menținerea copiilor retrotranspozonilor în genomul gazdei sunt reglementate de gene prezente atât pe retrotranspozonii înșiși, cât și în genomul gazdei. Aceste gene ar coopera în prevenirea transpunerii de a avea efecte dăunătoare atât asupra retrotransposonului, cât și asupra gazdei. Cu toate acestea, înțelegerea modului în care funcționează aceste mecanisme și a modului în care acestea ar fi putut co- evolua pentru a asigura supraviețuirea reciprocă a retrotranspozonilor și a gazdelor este încă un domeniu de cercetare deschis și în curs de dezvoltare.

Controlul elementelor mobile

În ființa umană există mecanisme avansate care controlează elementele în mișcare, pentru a evita amenințarea cu infiltrarea. Omul are mecanisme de apărare care blochează și inhibă expresia elementelor transpozabile, în special în celulele germinale și celulele embrionare, unde noile inserții devin ereditare. Putem identifica două mecanisme principale de protecție:

  • silențiere prin piARN : piARN-urile sunt tipuri particulare de ARN transcrise de ARN polimeraza III . Aceste molecule, asociate cu proteinele numite PIWI, reduc tăcerea transpozonului la nivelul celulelor germinale masculine.
  • silențiere prin proteina KRAB-ZNF [2] : sunt proteine ​​cu motive Zinc-Finger , capabile să recunoască elementele transpozabile din genom, silențiindu-le prin domeniul KRAB, capabile să se lege de o proteină numită KAP1, care la rândul său poate recrutează enzime deacetilante și metilante, care „închid” cromatina reprimând-o.

Tipuri de retrotranspoziții

Se disting două subclase de retrotranspozoni: retrotranspozonii care se prezintă la capetele secvențelor repetate terminale lungi (LTR, din engleza L ong T erminal R epeat , din acest motiv numită retrotransposoni LTR ) și retrotranspozonii care nu le prezintă ( non -RTRotranspozoni LTR ).

Retrotranspozonii LTR

Retrotranspozițiile LTR au secvențe repetate la capete, variind de la 100 la 5000 perechi de baze în lungime. La rândul lor, acestea sunt împărțite în două grupuri, retrotranspoziții tip Ty1 (copie) și retrotranspozoni Ty3 (țigani), pe baza secvențelor lor genomice și ordinea genelor codificate. Ambele grupuri se găsesc în număr mare atât la plante (de la cele mai simple alge unicelulare până la angiosperme ), cât și la mamifere , inclusiv la oameni, din care reprezintă aproximativ 8% din întregul genom.

Retrotranspozoni non-LTR

Retrotranspozițiile non-LTR nu prezintă secvențe repetate la extremități. Acestea sunt împărțite în două subtipuri, secvențele scurte intercalate (sinus, din limba engleză S Hort I nterspersed N uclear E lements) și secvențele lungi intercalate (LINE, din limba engleză L ong I nterspersed N uclear E lements).

  • LINII sunt secvențe ADN lungi (de peste 5000 de perechi de baze). Acestea codifică pentru 2 gene, dintre care una are transcriptază inversă și activitate integrază , permițând atât copierea lor, cât și alte secvențe necodificate (cum ar fi SINE-urile) și transpunerea lor. Deoarece se transpun prin replicare, LINE-urile sunt capabile să mărească dimensiunea unui genom. Genomul uman , de exemplu, conține peste 900.000 de LINE, care reprezintă aproximativ 21% din întregul genom. În orice caz, acestea au fost secvențe virale care și-au pierdut genele structurale, dar care își păstrează activitatea transposonică.
  • SINE sunt secvențe scurte de ADN (mai puțin de 500 de perechi de baze). SINE-urile sunt rareori transcrise și nu codifică transcriptaza inversă; de aceea au nevoie de proteine ​​codificate de alte secvențe (cum ar fi LINE) pentru a se transpune. Cele mai frecvente SINE-uri la primate (și, prin urmare, la om) aparțin familiei de secvențe Alu . Elementele acestei familii de gene au o lungime de aproximativ 300 de perechi de baze și pot fi identificate prin faptul că sunt capabile să lege enzima Alu I (de unde și numele). Prezente în genomul uman în peste 1 milion de exemplare, SINE reprezintă aproximativ 11% din totalul patrimoniului genetic. Deși clasificate de obicei drept ADN nedorit , cercetări recente au sugerat că LINE și SINE ar fi putut juca atât un rol important în evoluția genomului, cât și efecte structurale și transcripționale semnificative.

LINII, dar mai ales secvențele Alu, sunt adesea folosite de geneticieni pentru amprentarea digitală . Transpunerea acestor elemente a fost implicată ca o cauză a unor tulburări genetice (cum ar fi neurofibromatoza ) și a unor tipuri de cancer .

Retrotranspozițiile ca markeri evolutivi

Retrotranspozițiile sunt utilizate ca markeri în cladistică .

Analiza SINE , LINE și LTR ca markeri moleculari cladistici reprezintă un complement deosebit de interesant pentru datele morfologice și secvențiale ale ADN-ului .

Acest lucru se datorează faptului că inserția secvențelor de retrotranspoziție este considerată a reprezenta evenimente unice slab reprezentate de mutație inversă ( sinapomorfie ) [3] . De fapt, siturile țintă ale retrotranspozonilor sunt relativ nespecifice, astfel încât probabilitatea unei integrări independente a aceluiași element identic într-un sit specific de taxoni diferiți este scăzută și poate fi considerată neglijabilă în comparație cu timpii de evoluție. Integrarea retrotranspozonilor este considerată în prezent un eveniment ireversibil, dar trebuie avut în vedere faptul că această ipoteză s-ar putea schimba dacă ar fi demonstrată existența unor mecanisme biologice capabile să producă reexcizia precisă a transpozonilor de clasa I [4] . Prin urmare, cunoscând mecanismul cu care este generat acest polimorfism, este posibil să se facă o distincție clară între starea ancestrală și cea derivată dintr-un locus , adică absența unei secvențe integrate poate fi considerată, cu mare probabilitate, formă.

Mai mult, incidența scăzută a homoplaziei , împreună cu o manifestare exclusiv bialelelică a variantei, face din markerii de integrare a retrotranspozonului un instrument ideal pentru determinarea strămoșului comun al taxonilor care împart evenimente de transpunere specifice [5] . „Prezența” unui retrotransposon dat în taxoni înrudiți sugerează integrarea lor ortologă , o condiție derivată dobândită de la un strămoș comun, în timp ce „absența” acelorași elemente indică starea plesiomorfă anterioară integrării în taxoni mai îndepărtați. Utilizarea analizei prezenței / absenței pentru a reconstitui biologia sistematică a mamiferelor depinde de disponibilitatea retrotranspozonilor care au fost integrați activ înainte de divergența anumitor specii.

Exemple de studii filogenetice bazate pe date privind prezența / absența retrotranspozonilor sunt definiția balenelor ca membri ai ordinului Cetartiodactyla [6] , definiția relațiilor evolutive din cadrul superfamiliei Hominoidea [7] și a subordinei Strepsirrhini [8] , studiul liniilor evolutive ale mamiferelor placentare [9] .

Polimorfismele amplificate inter-retrotranspozoni ( IRAP ) sunt valoroși și markeri alternativi pe bază de transpozoni. În această metodă, primerii oligonucleotidelor complementare sunt sintetizați la secvențe situate în afara LTR-urilor sau la alte secvențe ale retrotransposonului care sunt amplificate prin reacția în lanț a polimerazei (PCR) și care sunt incluse între două retroelemente integrate în genom. Așa cum s-a discutat mai sus, inserția elementelor în genom face ca numărul siturilor amplificate și mărimea fragmentelor inter-retroelemente să difere între diferite linii și pot fi utilizate ca markeri pentru a detecta genotipurile, măsura diversitatea și reconstitui filogenii [10] [ 11] [12] .

Evoluția Retrotranspozonilor

Majoritatea repetatelor intercalate în genom au precedat radiația euterienilor și, în special, elementele LINE și SINE au o durată lungă de viață: linia monofiletică a LINE1 are de fapt o vechime de cel puțin 150 de milioane de ani, în timp ce cea a lui Alu este de 80 de milioane.

Finalizarea Proiectului Genomului Uman a permis o definiție mai mare a evoluției retrotranspozonilor: în prezent există o absență a activității transpozonului ADN în genomul uman în ultimii 50 de milioane de ani și chiar și retropozonii LTR par să fie pe cale de dispariție , dacă nu sunt deja dispariți. Cele mai prolifice elemente (ERVL și MaLR) au atins vârful succesului cu mai mult de 100 de milioane de ani în urmă, dar par să fi dispărut cu aproximativ 40 de milioane de ani în urmă. Doar o singură familie de retropozoni (HERVK10) a fost activă până la divergența noastră față de cimpanzei în urmă cu 7 milioane de ani, cu o singură copie cunoscută (în regiunea HLA) care nu este împărtășită de toți oamenii.

În general, activitatea tuturor transpozonilor a scăzut semnificativ în ultimii 35 ± 50 de milioane de ani, cu excepția LINE1. Astfel, în afară de o activitate excepțională de Alu în urmă cu aproximativ 40 de milioane de ani, în linia umană a existat o scădere treptată a activității de transpozon începând cu radiația mamiferelor, care nu este observată, de exemplu, în genomul șoarecelui. Acest fapt a fost parțial explicat printr-o curățare mai lentă a genomului genealogic uman datorită geneticii diferite a populației.

Patologie moleculară

Retrotranspunerea unei secvențe de ADN nu este neobișnuită și poate provoca boli, sunt raportate două exemple:

  • S-au demonstrat două cazuri [13] în care hemofilia A este cauzată de inserția ex novo a LINE-1 repetate în exonul 14 al genei precursoare a factorului VIII de coagulare situat în Xq28 . La unul dintre cei doi pacienți, elementul fusese retrotranspus dintr-un element original situat pe cromozomul 22 . Împreună cu un alt caz de transpunere în intronul 10 al aceleiași gene, aceste evenimente demonstrează existența unui set de elemente funcționale L1 care codifică una sau mai multe proteine ​​necesare transpunerii lor.
  • Inactivarea inserțională a secvenței alu este descrisă în neurofibromatoza de tip I [14] .

Notă

  1. ^ Peter J. Russel, Genetica , Napoli, Edises, 2002. ISBN 88-7959-284-X
  2. ^ http://www.cell.com/developmental-cell/abstract/S1534-5807(14)00685-6
  3. ^ Shedlock AM, Okada N. SINE inserții: instrumente puternice pentru sistematică moleculară . Bioessays 2000; 22: 148-160. GS
  4. ^ van de Lagemaat LN, Gagnier L, Medstrand P, Mager DL. Deleții genomice și îndepărtarea precisă a elementelor transpozabile mediate de segmente scurte de ADN identice la primate . Genom Res 2005; 15: 1243–1249. GS
  5. ^ Hamdi H, Nishio H, Zielinski R, Dugaiczyk A. Originea și distribuția filogenetică a ADN-ului Alu se repetă: evenimente ireversibile în evoluția primatelor . J Mol Biol 1999; 289: 861-871. GS
  6. ^ Nikaido M, Rooney AP, Okada N. Relații filogenetice între cetartiodactili bazate pe inserții de elemente scurte și lungi intercalate: Hipopotamii sunt cele mai apropiate rude existente ale balenelor . Proc Natl Acad Sci SUA 1999; 96: 10261-10266. GS
  7. ^ Salem AH, Ray DA, Xing J, Callinan PA, Myers JS, Hedges DJ, Garber RK, Witherspoon DJ, Jorde LB, Batzer MA. Elemente alu și filogenetică hominidă . Proc Natl Acad Sci SUA 2003; 100: 12787–12791. GS
  8. ^ Roos C, Schmitz J, Zischler H. Genele săritoare ale primatelor elucidează filogenia strepsirinei . Proc Natl Acad Sci SUA 2004; 101: 10650-10654. GS
  9. ^ Kriegs JO, Churakov G, Kiefmann M, Jordan U, Brosius J, Schmitz J. (2006) Elemente retropuse ca arhive pentru istoria evolutivă a mamiferelor placentare. PLoS Biol 4 (4): e91. [1]
  10. ^ Flavell AJ, Knox MR, Pearce SR și Ellis THN. Polimorfisme de inserție pe bază de retrotranspoziune (RBIP) pentru analiza markerului de mare viteză . Plant J. 1999; 16: 643-650
  11. ^ Kalendar R, Grob T, Regina M, Suomeni A, Schulman A. IRAP și REMAP: două noi tehnici de amprentare ADN bazate pe retrotransposon. Genetica teoretică și aplicată 1999; 98: 704–711
  12. ^ Kumar A, Hirochika H. Aplicații ale retrotranspozonilor ca instrumente genetice în biologia plantelor . Trends in Plant Sciences 2001; 6: 127–134.
  13. ^ OMIM 306700 Arhivat 4 iunie 2009 la Internet Archive .
  14. ^ OMIM162200

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Biologie Portalul de biologie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de biologie
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Retrotransposon&oldid=114078700 ”