Transpozon
Transpozonii sunt definiți ca niște elemente genetice prezente în genomurile procariotelor și eucariotelor , capabile să se deplaseze de la o poziție la alta în genom . În special în procariote se pot deplasa în poziții noi în același cromozom (deoarece este unic) sau pe plasmide sau fagi , în timp ce în eucariote se pot deplasa atât în poziții diferite pe același cromozom, cât și pe cromozomi diferiți. Acestea fac parte din elementele transpozabile , împreună cu secvențele de inserție (IS).
Acest proces de transfer este cunoscut sub numele de transpunere și necesită prezența unor site-uri pentru recombinarea ADN-ului , localizate atât pe transposon cât și pe cromozomul țintă, și acțiunea unor enzime specifice, numite transposaze. După transpunere, poate exista inactivarea funcțională a unei gene , în cazul în care transposonul este inserat în această genă sau modificarea nivelurilor de expresie ale unei gene, în cazul în care transposonul este inserat în promotorul gena
Transpozoni procariote
Transpozitele procariote conțin toate genele necesare integrării și exciziei din genom. În plus, ele conțin și gene suplimentare cu funcții diferite (rezistență la antibiotice și capacitatea de a sintetiza o anumită moleculă). Mai exact, transpozonii bacterieni sunt capabili să se deplaseze atât în poziții diferite în cromozomul bacterian (spre deosebire de cele eucariote care au un singur sit), cât și să se integreze într-o plasmidă . Transpozonii bacterieni aparțin a două clase: transpozonii complexi sau compuși (numiți și „clasa I”) și transpozonii simpli („clasa II”):
- Transpozonii complexi (sau compozite, cum ar fi Tn10) constau dintr-o parte centrală, care conține genele, și două laterale constând din secvențe de inserție IS (numite și elemente IS), care au secvențe repetate și inversate de perechi de baze la capete. Transpunerea transpozonilor compuși este posibilă tocmai prin aceste elemente, care pot avea aceeași orientare sau o orientare opusă. De fapt, produc enzima transposază, necesară pentru deplasare. De asemenea, trebuie să recunoască repetările inversate ale elementelor IS la capetele transpozonului pentru a iniția procesul de transfer.
- Transpozonii simpli (sau necompostiți, cum ar fi Tn3) diferă de cei anteriori prin faptul că ei înșiși sunt o singură secvență de inserție (element IS) fără gene suplimentare de transportat. Părțile terminale sunt formate din 2 secvențe repetate fiecare: secvențele repetate exterioare sunt numite „directe” (9 pb ) deoarece sunt repetate în aceeași ordine, secvențele repetate cele mai interioare (5-9 pb ), aproape de codarea centrală parte, sunt numite "invers", deoarece sunt repetate în ordine inversă (dacă sunt citite de la capetele transpozonului spre centrul său, ele sunt aceleași sau, de multe ori, foarte asemănătoare). Partea care „se mișcă” este partea centrală de codificare și se repetă invers, în timp ce repetările directe sunt generate prin dublarea secvenței locale a noului site de inserare. Pentru a ne referi la imaginea transpozonului compozit, ne putem imagina transpozonul simplu ca pe o parte laterală a transpozonului compozit din figură (părțile galbene și roșii) care funcționează autonom.
Mecanisme de transpunere în procariote
Există mai multe modele pentru a explica mecanismele de transpunere ale transpozonilor procarioti. Cele două cele mai acreditate sunt modelele replicative și non-replicative:
- modelul replicativ implică transpunerea unui transposon în general simplu de la un cromozom la altul sau între două situri îndepărtate ale a doi cromozomi. Conform acestui model, porțiunea cromozomului care conține transpozonul fuzionează pentru o perioadă scurtă de timp cu porțiunea acceptoră a cromozomului. În acest moment, transpozonul se duplică, iar una dintre copii este poziționată în ADN-ul cromozomului acceptor (sau porțiunea cromozomială), în timp ce cealaltă rămâne în porțiunea donator. Acest tip de transpunere se numește, prin urmare, și transpunere replicativă. (vezi animația în Legături externe )
- în modelul non-replicativ (sau chiar conservator), transposonul, de obicei compozit, se deplasează de la o poziție a cromozomului la alta, fără a-l replica. Acest lucru permite deplasarea fizică a transpozonului, de la poziția inițială la poziția finală și, prin încrucișarea și tăierea fragmentului de ADN donator, urmat de repararea ADN-ului receptor, pentru a transforma zonele rămase de la o singură catena la catena dublă.
Un alt tip de transpunere este cel conservator, care implică tăierea curată a capetelor transpozonului și o tăiere curată în ADN-ul receptor. Transpozonul este astfel integrat fără a forma repetări de flancare directe.
Rolul transpozonilor în plasmide
Plasmidele pot conține numeroase și variate site-uri țintă ale transpozonului. În consecință, transpozonii migrează frecvent între plasmide. De remarcat este faptul că multe transpozoni conțin gene care conferă rezistență la antibiotice. Atunci când se translocează de la o plasmidă la alta, prin urmare, genele implicate în rezistență sunt introduse în plasmida țintă, generând o plasmidă de rezistență (R). Plasmidele caracterizate prin rezistență la mai multe medicamente pot apărea din acumularea de transpozoni într-o plasmidă. Multe plasmide R sunt capabile să migreze de la o celulă la alta în timpul procesului de conjugare, prin care genele de rezistență sunt dispersate în populație. În cele din urmă, deoarece transpozonii migrează și între plasmide și cromozomi, genele care contribuie la rezistența la medicamente pot fi schimbate între aceste două molecule, favorizând o răspândire suplimentară a rezistenței la antibiotice. Unele transpozoni au gene implicate în transfer și pot migra între bacterii printr-un proces de conjugare. Un exemplu bine studiat de transpozon conjugativ este reprezentat de Enterococcus faecalis Tn 916 . Chiar dacă Tn 916 nu este capabil să se replice autonom, se poate transfera de la E. faecalis la un număr mare de organisme receptoare și se poate integra în cromozomii lor. Având o genă de rezistență la tetraciclină, acest transposon conjugativ răspândește, de asemenea, rezistența la medicamente.
Transpozoni eucarioti
Transpozonii eucariotelor sunt foarte asemănători ca structură cu cei ai procariotelor. Au gene care codifică proteinele necesare transpunerii și care le permit să excideze și să se integreze în diferite locuri din genom. În plus față de genele implicate în procesele de transpunere, cele mai multe dintre ele posedă, de asemenea, numeroase alte gene, a căror funcție, totuși, este încă în mare parte necunoscută. De fapt, la fel ca transpozonii procarioti, ei pot fi cauza mutațiilor genetice, inserându-se în gene funcționale și modificând sau prevenind funcțiile lor normale. Transpozonii au fost descoperiți în practic toate organismele eucariote, dar cele mai studiate sunt cele ale plantelor (în special porumbului), ale mustei fructelor și ale omului.
Transpozoni de plante
Transpozonii vegetali sunt împărțiți în două tipuri principale sau elemente: elementele autonome și elementele neautonome.
- Elementele autonome sunt transpozoni capabili de transpunere autonomă, deoarece poartă toate genele necesare transpunerii. Acești transpozoni, atunci când sunt introduși într-o genă, provoacă mutații instabile, deoarece sunt capabili, în orice moment, să se transpună din nou, restabilind astfel funcțiile sale originale la gena mutantă.
- Elementele neautonome, pe de altă parte, sunt transpozoni incapabili să se transpună singuri, deoarece le lipsește genele esențiale pentru această funcție. De regulă, atunci când un element non-autonom se integrează într-o genă funcțională, provoacă o mutație stabilă (permanentă), tocmai datorită incapacității sale de a se excida autonom. Cu toate acestea, dacă un element autonom este prezent și în același genom, acesta din urmă este capabil să furnizeze enzimele și produsele genetice necesare transpunerii, permițând astfel elementului neautonim să se transpună și.
Transpunerea transpozonilor vegetali este întotdeauna conservatoare: prin urmare, aceasta înseamnă că, atunci când unul dintre aceștia se transpune, nu se reproduce și nu lasă o copie în poziția cromozomială în care se afla anterior. Transpunerea are loc numai în timpul replicării cromozomului în care se află transposonul.
Transpozoni umani
Cei mai studiați transpozoni umani sunt retrotranspozonii , adică transpozonii care se deplasează printr-un intermediar de ARN : retrotransposonul, totuși, constând dintr-o catenă de ADN inserată într-un cromozom, se reproduce într-o catenă de ARN (prin transcripție ) și, această catenă, este apoi copiată la rândul său într-unul ADN, capabil să se integreze într-o nouă poziție în genom.
Studiile au arătat că unele familii particulare de secvențe scurte și lungi repetate ale genomului uman prezintă proprietăți de transpunere, în special familia numită Alu, o secvență particulară foarte repetată care se găsește frecvent în genom. Aceste transpozoni au făcut obiectul studiilor ca fiind suspiciunea cauzelor mutațiilor responsabile de boli genetice , cum ar fi neurofibromatoza , dar implicarea lor reală în această și alte patologii nu a avut încă o confirmare definitivă.
Transpozonii ca mutageni
Transpozonii pot provoca mutații genetice legate sau nu de modificări ale expresiei genelor. De exemplu, transpozonul (sau retrotranspozonul) se poate insera în diferite regiuni de codificare ale genomului, modificându-i cadrul de citire sau în secvențele de reglare ale promotorului, modificându-i secvența și împiedicând astfel recunoașterea acestuia prin factori de transcripție. Cu toate acestea, inserția transpozonului nu este un mecanism ireversibil, de fapt transpozonul poate acciza, iar decalajul care se formează nu este reparat corect, dând rezultate dăunătoare pentru exprimarea genei. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna adevărat deoarece, dacă golul care se formează este corect reparat, expresia genică este restabilită și, prin urmare, și funcția sa. Procesul de transpunere este, de asemenea, una dintre cauzele majore ale duplicării cromozomiale . De fapt, mai multe copii ale aceleiași secvențe, cum ar fi secvența Alu, pot compromite asocierea corectă a cromozomilor în timpul meiozei , provocând încrucișarea incorectă. Dacă, pe de altă parte, inserția transpozonului are loc în secvențe nesemnificative, nu există consecințe fenotipice. Există mai multe boli care pot fi cauzate de acțiunea transpozonilor precum hemofilia , imunodeficiența , porfiria , distrofia musculară și unele tipuri de cancer . Mai mult, mulți transpozoni posedă promotori care permit transcrierea lor în timpul procesului de transpunere. Acești promotori pot provoca supraexprimarea genelor vecine, rezultând fenotipuri anormale.
Barbara McClintock și descoperirea transpozonilor
Biologul american Barbara McClintock , laureat al premiului Nobel în 1983, s-a dedicat studiului transpozonilor în anii 1940 și 1950 , în timp ce lucra ca cercetător la Institutul Carnegie. În experimentele sale inițiale, el și-a concentrat atenția asupra acelor miezuri care, în loc să prezinte o culoare uniformă (sau complet purpurie sau complet incoloră), au fost caracterizate prin prezența diferitelor pete colorate pe o bază incoloră. În acea perioadă se știa că genele porumbului ar putea avea două forme diferite ( alele ): una, numită C, responsabilă de culoarea purpurie, și mutanta sa, numită c, care a dat naștere sâmburilor incolori. McClintock a constatat că colorarea punctată a miezurilor a fost legată de faptul că, în unele cazuri, în timpul dezvoltării sale, alela mutată c (incoloră) s-ar putea transforma (reveni) la alela sa originală C (culoare), dând naștere petei . El a descoperit, de asemenea, că această mutație a fost cauzată de un „element mobil” (despre care știm acum că este un transposon) care, dacă este prezent în gena C, îl face să se mute în c (ceea ce îl face, în practică, să nu poată produce coloratul și că, în timpul dezvoltării cariopsisului, acesta ar putea fi transpus (exciso) prin revenirea lui C la C și, astfel, din nou capabil să producă pigmentul. McClintock a numit acest element mobil Ds (disociator), identificat acum ca un transpozon non-autonom. Mai mult, el a demonstrat că pentru ca elementul Ds să poată transpune și excida de genă era necesară prezența simultană a unui alt element mobil, pe care l-a numit Ac (activator) și despre care astăzi știm că este transpozonul autonom. Acestea au fost primele două exemple de transpozoni descriși; meritul Barbara McClintock a fost să-și fi demonstrat existența într-un moment în care genomul era considerat o entitate absolut imobilă.
Semnificația evolutivă a transpozonilor
Evoluția transpozonilor și efectul pe care îl au asupra genomului este încă un câmp deschis de studiu și subiectul multor discuții.
Transpozonii au fost descoperiți în organisme vii aparținând celor mai diverse filuri . Acest lucru a făcut posibilă ipoteza că acestea au apărut în ultimul strămoș comun universal al regatelor vii prezente astăzi. Alte ipoteze diferite sunt că transpozonii ar fi putut apărea de mai multe ori independent în diferite organisme sau că au apărut o singură dată și apoi s-au răspândit printre diferitele filuri prin transfer genetic orizontal . Se crede că originea erau viruși, apoi integrați în patrimoniul genetic, similar cu alți agenți virali (cum ar fi profagul sau provirusul; un exemplu de provirus familiar este Herpesvirusul uman).
Deși transpozonii pot conferi uneori avantaje organismelor lor gazdă, ele sunt totuși considerate în general elemente autonome ale ADN-ului parazit, capabile să existe în genomul unei celule. Printre avantaje, funcția lor în embriogeneza mamiferelor este foarte semnificativă. Într-adevăr, evoluția sarcinii la mamiferele ancestrale a necesitat exprimarea în uter a mii de gene care anterior erau active cu funcții diferite doar în alte organe, dar a necesitat, de asemenea, mutarea locală a genelor sistemului imunitar. Acest proces a fost posibil doar datorită prezenței unor paraziți genetici, transpozonii. În plus, o cercetare a unor geneticieni de la Universitatea din Utah, condusă de Edward Chuong, a constatat că unii transpozoni, încorporați în patrimoniul nostru genetic aproximativ 40-60 cu milioane de ani în urmă, acestea sunt capabile să reconfigureze și să activeze rețelele de reglare a genelor implicate în sistemul imunitar. În unele moduri, așa cum am menționat, transpozonii pot fi considerați asemănători virușilor . Virușii și transpozonii împărtășesc, de asemenea, aspecte diferite în ceea ce privește compoziția genomului și capacitățile biochimice, ceea ce i-a determinat pe mulți oameni de știință să propună că pot proveni dintr-un strămoș comun.
Deoarece o activitate de transpunere prea mare poate distruge genomul, multe organisme au dezvoltat diferite mecanisme pentru a reduce transpunerea la niveluri acceptabile. De exemplu, bacteriile pot suporta deleții destul de extinse, pentru a elimina transposonii și ADN-ul retroviral din genomul lor, în timp ce eucariotele ar fi putut evolua mecanismul interferenței ARN și ca o modalitate de a reduce activitatea de transpunere: s-a demonstrat de fapt că în nematodul Caenorhabditis elegans unele gene necesare pentru interferența ARN permit reducerea activității transpozonului.
Bibliografie
- Peter J. Russel, Genetică , Napoli, Edises, 2002. ISBN 88-7959-284-X
- M. Willey, M. Sherwood, J. Woolverton, Prescott 1, Microbiologie generală , McGraw-Hill, ediția a șaptea
- Le Scienze (ediția italiană a Scientific American), 30 ianuarie 2015
- FOCUS, 3 martie 2016
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe transposon
linkuri externe
- ( EN ) Transposon , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- ( EN ) Mecanism de transpunere (animație)
- (EN) Pagini de biologie ale lui Kimball: transpozoni , pe users.rcn.com. Adus la 29 septembrie 2006 (arhivat din original la 6 februarie 2006) .
| Controlul autorității | Tezaur BNCF 41365 · LCCN (EN) sh85135694 · BNF (FR) cb12262439n (data) |
|---|
