Informace

9.1: Transponovatelné prvky (transpozony) - biologie


Transponovatelné prvky (aktivní i neaktivní) zabírají přibližně polovinu lidského genomu a podstatně větší část některých rostlinných genomů! Tyto pohyblivé prvky jsou v biosféře všudypřítomné a samy se velmi úspěšně šíří. Nyní si uvědomujeme, že některé transponovatelné prvky jsou také viry, například některé retroviry se mohou integrovat do hostitelského genomu za vzniku endogenních retrovirů. Některé viry mohou být skutečně odvozeny z přirozených transponovatelných prvků a naopak. Protože se viry pohybují mezi jednotlivci, přinejmenším některé transponovatelné prvky se mohou pohybovat mezi genomy (mezi jednotlivci) i v genomu jednotlivce. Vzhledem k jejich prevalenci v genomech byla funkce (pokud existuje) transponovatelných prvků hodně diskutována, ale je málo chápána. Není ani jasné, zda by transponovatelné prvky měly být považovány za nedílnou součást genomu druhu, nebo zda jde o úspěšné parazity. Mají důležité účinky na geny a jejich fenotypy a jsou předmětem intenzivního zkoumání.

Transpozice souvisí s replikací, rekombinací a opravou. Proces přesunu z jednoho místa na druhé zahrnuje typ rekombinace, vložení transponovatelných prvků může způsobit mutace a některé transpozice jsou replikativní a generují novou kopii, zatímco stará kopie zůstává nedotčena. Tato schopnost pohybu je však jedinečnou vlastností transponovatelných prvků a sama o sobě vyžaduje ošetření.

Vlastnosti a efekty transponovatelných prvků

Definující vlastnost transponovatelné prvky je jejich mobilita; tj. jsou to genetické prvky, které se mohou v genomu pohybovat z jedné polohy do druhé. Kromě společné vlastnosti mobility vykazují transponovatelné prvky značnou rozmanitost. Někteří se pohybují meziprodukty DNA a jiní se pohybují meziprodukty RNA. Velká část mechanismu transpozice je pro tyto dvě třídy charakteristická, ale všechny transponovatelné prvky se efektivně vkládají v rozložených zlomech chromozomů. Některé transponovatelné prvky se pohybují v a replikační zatímco ostatní ano nereplikačnítj. pohybují se, aniž by si kopírovali sami sebe.

Transponovatelné prvky jsou hlavními silami ve vývoji a přeskupování genomů (obrázek 9.1). Některé transpoziční akce deaktivovat geny, protože kódovací potenciál nebo exprese genu je narušena vložením transponovatelného prvku. Klasickým příkladem je r alela (rugosus) genu kódujícího enzym rozvětvující škrob v hrachu je nefunkční v důsledku vložení transponovatelného prvku. Tato alela způsobuje fenotyp vrásčitého hrachu u homozygotů původně studovaných Mendelem. V ostatních případech může transpozice aktivovat blízké geny přiblížením zesilovače transkripce (v rámci transponovatelného prvku) dostatečně blízko genu, aby se stimulovala jeho exprese. Pokud cílový gen není obvykle exprimován v určitém buněčném typu, může tato aktivace vést k patologii, jako je aktivace protoonkogenu, která způsobí, že se buňka stane rakovinnou. V ostatních případech, žádný zjevný fenotyp vyplývá z transpozice. Konkrétní typ transponovatelného prvku může aktivovat, deaktivovat nebo mít žádný vliv na blízké geny, v závislosti na tom, kam přesně vloží, jeho orientaci a další faktory.

Obrázek 9.1. Možné efekty pohybu transponovatelného prvku na funkci a expresi cílového genu. Transponovatelný prvek je zobrazen jako červený obdélník a cílový gen (X) se skládá z více exonů. Proteinové kódující oblasti exonů jsou zelené a nepřeložené oblasti jsou zlaté. Šikmá šipka označuje počáteční místo pro transkripci.

Transponovatelné prvky mohou způsobit delece nebo inverze DNA. Když transpozice generuje dvě kopie stejné sekvence ve stejné orientaci, rekombinace může vymazat DNA mezi nimi. Pokud jsou obě kopie v opačných orientacích, rekombinace převrátí DNA mezi nimi.

V rámci mechanismu transpozice lze mobilizovat další sekvence DNA. DNA umístěnou mezi dvěma kopiemi transponovatelného prvku lze s nimi při pohybu pohybovat společně. Tímto způsobem může transpozice přesunout sekvence DNA, které normálně nejsou součástí transponovatelného prvku, do nových míst. Sekvence „hostitele“ mohou být skutečně získány viry a propagovány infekcí jiných jedinců. To může být přirozený prostředek pro vývoj nových kmenů virů. Jedním z nejpozoruhodnějších příkladů je získání a modifikace protoonkogenu, například buněčného c-srcretrovirem ke generování modifikované, transformující se formy genu, tzv v-src. Tato a související pozorování poskytla pohledy na vývoj událostí, které z normální buňky udělají rakovinnou. Rovněž poukazují na neustálé získávání (a případně mazání) informací z hostitelských genomů jako přirozenou součást evoluce virů.


Mutátor a transpozony MULE

Mutátorový systém transponovatelných prvků (TEs) je vysoce mutagenní rodina transpozonů v kukuřici. Protože transponují vysokými rychlostmi a cílovými genovými oblastmi, mohou tyto transpozony rychle generovat velké množství nových mutantů, což činí ze systému Mutator oblíbený nástroj pro dopřednou i reverzní mutagenezi v kukuřici. Verze tohoto systému s nízkým počtem kopií se také ukázaly jako vynikající modely pro pochopení regulace a chování transpozonů třídy II v rostlinách. Zejména dostupnost přirozeně se vyskytujícího lokusu, který může dědičně umlčet autonomní prvky mutátora, poskytl pohled na prostředky, kterými jsou jinak aktivní transpozony rozpoznávány a umlčovány. Tato kapitola poskytne přehled biologie, regulace, evoluce a využití tohoto pozoruhodného transpozonového systému s důrazem na nedávný vývoj v našem chápání způsobů, kterými je tento systém TE uznáván a epigeneticky umlčován, a také nedávné důkazy o tom, že Mu podobné prvky (MULE) měly významný vliv na vývoj genomů rostlin.


Pozadí

Změna v genové regulaci je důležitým mechanismem, který je základem vzniku nových biologických znaků [1,2,3,4,5]. Existuje velké množství empirických studií, které ilustrují, jak přidání, úprava nebo zmizení cis-regulační prvky, jako jsou zesilovače, vedly v průběhu evoluce k vzniku hlubokých fenotypových změn [6,7,8]. V uplynulém desetiletí tedy došlo k zintenzivnění úsilí lépe porozumět mechanismům, které jsou základem evoluce zesilovačů a dalších cis-regulační prvky [4, 9,10,11,12].

V nejširší definici jsou zesilovače krátké (100 bp – 1 kb) sekvence DNA, které modulují transkripci cílových genů bez ohledu na genomovou orientaci nebo vzdálenost, a jsou často vázány transkripčními faktory (TF) [13, 14]. Nedávné pokroky ve funkční genomice umožnily téměř nezaujaté mapování zesilovačů a jejich přidružených vazebných míst pro TF (TFBS) v měřítku celého genomu a usnadnilo systematické studie evoluce zesilovače napříč druhy i mezi nimi [11, 15,16,17]. Seminární srovnávací studie na savcích odhalily nízkou úroveň zachování genomové polohy zesilovačů vzhledem ke genům a jejich promotorům [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]. Villar a kolegové například zjistili, že téměř polovina z 20 000–25 000 aktivních zesilovačů jater zmapovaných v každém z 20 druhů savců je specifická pro linii nebo dokonce pro druhy, zatímco téměř všechny promotory aktivní v játrech jsou konzervovány ve většině nebo ve všech zkoumaných druzích [28]. Nedávné analýzy však ukázaly, že hluboce konzervované enhancery často koordinují robustní a esenciální programy genové exprese, zatímco méně konzervované enhancery přispívají plasticitou a redundancí do genových regulačních sítí [29,30,31]. Zatímco tyto studie poukazují na rychlý obrat zesilovačů během evoluce savců, mechanismy, které jsou základem zrodu a smrti zesilovačů, teprve začínají být chápány [10, 11, 26, 32,33,34,35].

Transponovatelné prvky (TE) představují důležitý zdroj nových cis-regulační prvky, včetně zesilovačů. TE představují podstatnou část jaderné DNA a genetické variace prakticky u všech metazoanů [36]. Například mezi jednou a dvěma třetinami všech dosud zkoumaných genomů savců je rozpoznatelné, že pocházejí ze sekvencí TE [36,37,38,39]. Tyto prvky byly vloženy v různých dobách během evoluce savců, od vysoce rozpadlých kopií integrovaných před> 100 miliony let až po nedávno integrované kopie, které mohou být druhově specifické nebo stále polymorfní v populaci [37,38,39,40,41,42] . Několik studií systematicky zkoumalo přínos TE k vazbě TF a vzniku cis-regulační prvky a objevily se některé obecné zásady [43,44,45,46,47]. Za prvé, TE přispívají podstatnou, ale velmi variabilní frakcí (

2–40%) TFBS mapovaných pro daný TF v celém genomu [48,49,50,51,52]. Za druhé, TFBS a cis-regulační prvky odvozené z TE mají tendenci být evolučně nedávné a jsou omezeny na konkrétní druhy nebo linie [34, 50, 53]. Například ∼ 20% vazebných míst OCT4 a NANOG bylo odvozeno z linií specifických TE u lidí a myší [20]. To lze vysvětlit skutečností, že většina TE v jakémkoli savčím genomu je sama o sobě specifická pro linii: například 85% myších TE není sdíleno s člověkem [40] a 35% není sdíleno ani s potkanem [ 54]. Za třetí, ne všechny TE přispívají stejně: pro jakýkoli daný TF obecně existuje jedna nebo několik rodin TE, které představují nepřiměřenou část vazebných míst vzhledem k jejich frekvenci v genomu [20, 44, 46, 48, 50, 51 ].

Několik studií nyní potvrdilo, že různé třídy a rodiny TE přispívají TFBS pro různé TF u různých druhů savců a že tyto TFBS odvozené z TE příležitostně podstupují exaptaci, aby vznikly nové regulační prvky hostitele (přehled v [44, 47]). Mechanismy, kterými z TE vycházejí komplexní zesilovače, však zůstávají špatně pochopeny. Není například jasné, proč jsou konkrétní rodiny TE nebo kopie vázány konkrétním TF, zatímco úzce související prvky ve stejném genomu nejsou [45, 51]. Cesta, pomocí které jsou jednotlivé kopie TE kooptovány pro regulační účely, byla sotva charakterizována [55] a relativní příspěvky motivů kombinatorických sekvencí, které již existovaly v TE nebo v blízkosti jejich inzerčních míst, nebyly podrobně zkoumány. Abychom se zabývali těmito a dalšími špatně pochopenými aspekty spolurozhodování TE v regulačním vývoji, rozhodli jsme se prozkoumat jejich příspěvek k cis-regulační síť, která je základem cirkadiánní genové exprese. Strojní zařízení odpovědné za transkripční kontrolu exprese cirkadiánních genů je hluboce konzervované a bylo rozsáhle charakterizováno v myších játrech, což poskytuje solidní experimentální rámec, proti kterému lze dopad TE vysledovat. Cirkadiánní hodiny také představují relativně jedinečnou výhodu poskytnutí obzvláště robustního systému pro zkoumání vazby TE regulačními proteiny, protože cirkadiánní rytmy jsou udržovány řadou propojovacích zpětnovazebních smyček paralogických TF [56,57,58].

Primární zpětnovazební smyčka se skládá ze šesti cirkadiánních regulátorů (CR), z nichž dva jsou transkripční aktivátory (BMAL1 a CLOCK) a čtyři jsou transkripční represory (PER1, PER2, CRY1 a CRY2). Během dne tvoří BMAL1 a CLOCK heterodimer, který se váže na tandemový pár motivů E-boxu v distálních a promotorových oblastech hodinově řízených genů [59]. Mezi přímé cíle komplexu BMAL1: CLOCK patří represory PER1/2 a CRY1/2. Po translaci vstupují PER a CRY do jádra a inhibují transkripci zprostředkovanou BMAL1: CLOCK, čímž se sníží jejich vlastní transkripce a vytvoří se zpětnovazební smyčka nezbytná pro udržení hodinové periody [60, 61]. Tento model byl nedávno revidován, aby odrážel zprávy, že BMAL1 působí jako průkopnický faktor a podporuje odstraňování rytmických nukleosomů a že transkripce podporovaná CLOCK: BMAL1 není homogenně oscilační [62]. Navrhuje se, aby vazba CLOCK: BMAL1 rytmicky udržovala chromatinovou krajinu, která usnadňuje vazbu a transkripční aktivaci jinými všudypřítomnými nebo tkáňově specifickými transkripčními faktory, včetně členů rodiny nukleárních receptorů (NR) [63]. Předpokládá se, že interakce mezi CR a NR specifickými pro játra jsou základem cirkadiánní regulace metabolických procesů, jako je metabolismus glukózy, cholesterolu a lipidů, specifická pro játra [64,65,66]. Obrovské množství dat a znalostí dostupných pro cirkadiánní regulaci v myších játrech poskytuje solidní paradigma k rozebrání mechanismů, které jsou základem příspěvku konkrétních TE k tomuto cis-regulační síť.


Výhled

Jako silné inzerční mutageny mohou mít TE pozitivní i negativní účinky na kondici hostitele, ale je pravděpodobné, že většina kopií TE v jakémkoli daném druhu - a zejména v takových, jako jsou lidé s malou efektivní velikostí populace - dosáhla fixace prostřednictvím genetického driftu sami a jsou nyní do značné míry neutrální vůči svému hostiteli. Kdy můžeme říci, že TE byly kooptovány pro buněčnou funkci? Publikování původního článku ENCODE [195], který tvrdil „funkci pro 80% genomu“, bylo předmětem mnoha debat a kontroverzí. Technicky vzato, ENCODE přiřadil této velké frakci genomu pouze „biochemickou“ aktivitu. Kritici však měli námitky proti velkým proklamacím v populárním tisku (The Washington Post Headline: „Koncept nevyžádané DNA odhalený novou analýzou lidského genomu“) a proti tomu, že konsorcium ENCODE nezabránilo této nesprávné interpretaci [196,197,198]. Pro tyto kritiky bylo ignorování evolučních definic funkcí velkým chybným krokem.

Tuto debatu lze snadno rozšířit o TE. TE tvoří drtivou většinu toho, co se často označuje jako „nevyžádaná DNA“. Dnes je tento termín většinou používán (a zneužíván) médii, ale ve skutečnosti má hluboké kořeny v evoluční biologii [199]. Bez ohledu na sémantiku, jaké důkazy jsou potřebné k přiřazení TE s funkcí? Mnoho TE kóduje širokou škálu biochemických aktivit, které normálně prospívají jejich vlastní propagaci. Například TE často obsahují promotorové nebo enhancerové elementy, které pro transkripci buněčných RNA polymeráz s vysokým jackem, a autonomní elementy kódují proteiny s různými biochemickými a enzymatickými aktivitami, které jsou všechny nezbytné pro replikaci transpozonu. Dělají je tyto činnosti funkční?

Velké rozdíly v TE mezi druhy způsobují, že standardní přístupy ke stanovení jejich regulačních rolí jsou obzvláště náročné [200]. Například zajímavé studie o dopadu HERV, zejména HERV-H, na kmenové buňky a pluripotenci [150,151,152], musí být interpretovány pomocí nových paradigmat, která nevyvolávají hlubokou evoluční konzervaci, která by naznačovala funkci, protože tyto konkrétní ERV chybí mimo lidoopi. Evoluční omezení lze měřit v kratších časových měřítcích, včetně úrovně populace, ale zůstává to statisticky náročný úkol, zejména pro nekódující sekvence. V lidské populaci mohou existovat přirozené alely ztráty funkce a jejich účinek na kondici lze studovat, pokud je jejich dopad zřejmý, ale tyto jsou poměrně vzácné a neumožňují systematické studie. Je možné navrhnout genetické knockouty konkrétního lidského TE lokusu, aby se otestovala jeho regulační role, ale ty jsou omezeny na systémy in vitro, zvláště když ortologní TE neexistuje v modelovém druhu. V této souvislosti bude i nadále nesmírně cenné studium dopadu TE na modelové druhy pomocí výkonných nástrojů genomového inženýrství a rozsáhlých sbírek mutantů a dalších genetických zdrojů, jako jsou rostliny, houby a hmyz.

A konečně, rostoucí konsensus nabádá k přísnosti při přiřazování buněčných funkcí TE, zejména ve prospěch fitness hostitele [178]. Skutečně, TE vykazující biochemickou aktivitu (jako jsou ty vázané transkripčními faktory nebo ležící v otevřených oblastech chromatinu) nelze srovnávat s TE, který vykazuje důkaz purifikační selekce na úrovni sekvence, nebo pokud je geneticky změněn, má za následek škodlivé nebo nefunkční fenotyp. Nedávné pokroky v úpravách a manipulaci s genomem a epigenomem masově a přesto s přesností, včetně opakujících se prvků [153, 154, 189,190,191], nabízejí příslib systematického hodnocení funkčního významu TE.


Podívejte se na video: P-Elements Explained (Listopad 2021).