Μεταθετά στοιχεία στο γονιδίωμα - Ρετροτρανσποζόνια

Η μετάθεση στην οποία εμπλέκεται υποχρεωτικά η σύνθεση ενός ενδιάμεσου μορίου RNA είναι ένα φαινόμενο που απαντάται αποκλειστικά στους ευκαρυώτες

Εικόνα 17.1 Οι αναπαραγωγικοί κύκλοι των ρετροϊών και των ρετροποζονίων περιλαμβάνουν εναλλαγή ανάμεσα στο στάδιο όπου γίνεται αντίστροφη μεταγραφή από RNA σε DNA και στο στάδιο όπου γίνεται μεταγραφή από DNA σε RNA. Μόνο οι ρετροϊοί μπορούν να σχηματίσουν μολυσματικά σωμάτια. Τα ρετροποζόνια περιορίζονται σε έναν ενδοκυτταρικό κύκλο.

Σύγκριση ρετροτρανσποζονίου LTR και ρετροϊικού DNA (α) Ρετροτρανσποζόνιο LTR: Ένα τυπικό ρετροτρανσποζόνιο LTR φέρει ευθείες επαναλήψεις μήκους περίπου 300 έως 500 bp (κίτρινα βέλη) εκατέρωθεν της περιοχής που περιέχει τα γονίδια gag και pol. Το γονίδιο gag κωδικοποιεί για μία δομική πρωτεΐνη, γνωστή ως αντιγόνο ειδικής ομάδας, η οποία αλληλεπιδρά με το RNA σχηματίζοντας ένα ιοειδές σωμάτιο. Το γονίδιο pol κωδικοποιεί για ένα πολυπεπτίδιο μεγάλου μήκους, από τη διάσπαση του οποίου θα προκύψει μία αντίστροφη μεταγραφάση, μία ιντεγκράση και μία πρωτεάση. (β) Ρετροϊικό DNA: Μία κύρια διαφορά ανάμεσα στα ρετροτρανσποζόνια LTR και στα ρετροϊικά DNA είναι ότι τα ρετροϊικά DNA διαθέτουν γονίδια env, ενώ τα περισσότερα ρετροτρανσποζόνια όχι. Το προϊόν του γονιδίου env, μία πρωτεΐνη του φακέλου, είναι απαραίτητο για τη δημιουργία ενός μολυσματικού ιικού σωματίου.

Ο βιολογικός κύκλος των ρετροϊών περιλαμβάνει γεγονότα που μοιάζουν με μετάθεση Αποτέλεσμα της μετάθεσης είναι η δημιουργία μικρών επαναλήψεων στο DNA-στόχο. Αν ο ρετροϊός ενσωματωθεί στη γαμετική σειρά (germline) τότε παραμένει στο γονιδίωμα ως ενδογενής προϊός (όπως ο λυσιγονικός βακτηριοφάγος). Κυτταρικές αλληλουχίες μπορούν να ανασυνδυαστούν με ρετροϊικές αλληλουχίες με αποτέλεσμα τη μετάθεσή τους και την ενσωμάτωσή τους σε νέες θέσεις στο γονιδίωμα. Κυτταρικές αλληλουχίες που μετατίθενται από ένα ρετροϊό σε νέες θέσεις μπορούν να αλλάξουν τις ιδιότητες του κυττάρου που έχει μολυνθεί από τον ιό.

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.2 Ο βιολογικός κύκλος του ρετροϊού περιλαμβάνει αντίστροφη μεταγραφή του RNA γονιδιώματος σε δίκλωνο DNA, το οποίο εισάγεται στο γονιδίωμα του ξενιστή ώστε να μεταγραφεί σε RNA. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Το ένζυμο που ευθύνεται για τη δημιουργία του αντιγράφου DNA από το RNA είναι η αντίστροφη μεταγραφάση. Το ένζυμο που ευθύνεται για την ενσωμάτωση λέγεται ιντεγράση. Σε κάθε ιοσωμάτιο συσκευάζονται δύο αντίγραφα του γονιδιώματος RNA, καθιστώντας το ουσιαστικά διπλοειδές. Όταν ένα κύτταρο μολυνθεί από δύο διαφορετικούς αλλά συγγενικούς ιούς, είναι δυνατόν να δημιουργηθούν ετεροζυγωτικά ιοσωμάτια που φέρουν ένα γονιδίωμα από κάθε τύπο ιού.

Τα γονίδια των ρετροϊών

Εικόνα 17.3 Τα γονίδια του ρετροϊού παράγουν πολυπρωτεΐνες που μετατρέπονται σε συγκεκριμένα προϊόντα μετά από επεξεργασία.

Όταν τα πλαίσια ανάγνωσης των gag και pol είναι σε συνεχή σειρά και στο ίδιο αναγνωστικό πλαίσιο, τότε η καταστολή του τερματισμού της μετάφρασης από ένα Glu-tRNA που αναγνωρίζει το κωδικόνιο λήξης επιτρέπει τη σύνθεση μιας πολυπρωτεΐνης Gag-Pol. Όταν τα gag και pol βρίσκονται σε διαφορετικά πλαίσια ανάγνωσης, η παραγωγή της πολυπρωτεΐνης Gag-Pol γίνεται με μετατόπιση του αναγνωστικού πλαισίου από το ριβόσωμα. Η αναγνωστική διέλευση που παράγει Gag-Pol έχει απόδοση ~5% σε σχέση με την παραγωγή της Gag. To αποτέλεσμα είναι ότι η Gag ξεπερνά ποσοτικά την Gag-Pol κατά ~20 φορές. Η λειτουργία της πρωτεάσης μπορεί να είναι μέρος της Gag ή της Pol ή, κάποιες φορές, να αποτελεί ανεξάρτητο αναγνωστικό πλαίσιο.

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.4 Οι ρετροϊοί (εδώ απεικονίζεται ο HIV) εκβλαστάνουν από την κυτταροπλασματική μεμβράνη ενός μολυσμένου κυττάρου. Η φωτογραφία είναι ευγενική προσφορά του Matthew Gonda. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Η σύνθεση του ιικού DNA

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.5 Το RNA των ρετροϊών τερματίζει σε ομόρροπες επαναλήψεις (R), το ελεύθερο γραμμικό DNA σε LTR και ο προϊός σε LTR, που έχουν βραχυνθεί κατά δύο βάσεις. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 χάρη στην ενεργότητα RNase Η της αντίστροφης μεταγραφάσης του ξενιστή Εικόνα 17.6 Ο αρνητικός κλώνος του DNA σχηματίζεται με αλλαγή μήτρας κατά την αντίστροφη μεταγραφή. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.7 Η σύνθεση της θετικής αλυσίδας του DNA απαιτεί ένα δεύτερο άλμα. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Πότε μπορεί να συμβεί ανασυνδυασμός στους ρετροϊούς; Θυμηθείτε: σε κάθε ιοσωμάτιο συσκευάζονται δύο αντίγραφα του γονιδιώματος RNA. Κατά τη σύνθεση της αρνητικής αλυσίδας (μεταπήδηση από τον ένα κλώνο στον άλλο). Κατά τη σύνθεση της θετικής αλυσίδας (λιγότερο συνηθισμένο).

Κάθε LTR φέρει έναν υποκινητή που εντοπίζεται στην περιοχή U3 Κάθε LTR φέρει έναν υποκινητή που εντοπίζεται στην περιοχή U3. Ο υποκινητής στην αριστερή LTR ευθύνεται για την έναρξη της μεταγραφής του προϊού. Κάποιες φορές ο προϊός επιτυγχάνει την ενεργοποίηση γονιδίων του ξενιστή που κείνται γειτονικά της θέσης ενσωμάτωσης του προϊού: Είτε μέσω του υποκινητή στη δεξιά LTR. Είτε μέσω ενισχυτή (enhancer) σε LTR.

Όταν το ιικό DNA ενσωματωθεί σε ένα κύτταρο της γαμετικής σειράς (germline) κληρονομείται πλέον ως ένας "ενδογενής προϊός" (endogenous provirus) του οργανισμού. Οι ενδογενείς προϊοί συνήθως δεν εκφράζονται, αλλά μερικές φορές ενεργοποιούνται από εξωτερικά γεγονότα, όπως μια μόλυνση από έναν άλλο ιό.

Ελαττωματικοί ιοί

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.10 Στους μετασχηματιστικούς ιούς, που είναι ελαττωματικοί ως προς την αντιγραφή, ένα τμήμα της αλληλουχίας του ιού έχει αντικατασταθεί από μια κυτταρική αλληλουχία. Ο ελαττωματικός ιός μπορεί να αντιγραφεί με τη βοήθεια ενός βοηθητικού ιού που φέρει τις λειτουργίες άγριου τύπου. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Πώς ενσωματώνονται τα γονίδια onc στους ρετροϊούς; c-onc έχουν ιντρόνια v-onc δεν έχουν ιντρόνια Μοντέλο;;

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.11 Ελαττωματικοί ως προς την αντιγραφή ιοί δημιουργούνται μέσω ενσωμάτωσης και επακόλουθης δημιουργίας ελλείμματος στο ιικό γονιδίωμα. Έτσι, προκύπτει ένα υβριδικό μετάγραφο με αλληλουχίες προερχόμενες από τον ιό και το κύτταρο, το οποίο συσκευάζεται μαζί με ένα φυσιολογικό γονιδίωμα του ιού. Για να σχηματιστεί το γονιδίωμα ενός ελαττωματικού ως προς την αντιγραφή ιού, είναι αναγκαίο να γίνει μη ομόλογος ανασυνδυασμός. Ο ανασυνδυασμός συμβαίνει με διάφορους τρόπους και με μεγάλη συχνότητα κατά τη διάρκεια του μολυσματικού κύκλου του ρετροϊού. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Δεν περνούν από μια ανεξάρτητη μολυσματική μορφή Προκύπτουν από μετάγραφα της RNA πολυμεράσης ΙΙ Δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες με λειτουργίες μετάθεσης: μη αυτόνομα Εικόνα 17.16 Τα ρετροποζόνια διαιρούνται στην ιική υπεροικογένεια (τα μέλη της οποίας μοιάζουν με ρετροϊούς), στα LINΕS και στη μη ιική υπεροικογένεια (τα μέλη της οποίας δε φέρουν κωδικές αλληλουχίες).

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 17.17 Τα ρετροποζόνια που έχουν στενή συγγένεια με τους ρετροϊούς έχουν παρόμοια οργάνωση με αυτούς. Αντίθετα, το μόνο κοινό των LINΕS με τους ρετροϊούς είναι η παρουσία της ενεργότητας αντίστροφης μεταγραφάσης. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Εικόνα 17.18 Τέσσερα είδη μεταθετών στοιχείων αποτελούν σχεδόν το μισό ανθρώπινο γονιδίωμα. Το γονιδίωμα του ποντικού περιέχει πολλούς ενεργούς ρετροϊούς με ικανότητα οριζόντιας μόλυνσης. Το γονιδίωμα του ανθρώπου δεν περιέχει ενεργούς ρετροϊούς: έπαψαν να είναι ενεργοί ~50 εκατ. χρόνια πριν.

Figure 1. Repetitive sequences in the human genome. Rodić N, Burns KH (2013) Long Interspersed Element–1 (LINE-1): Passenger or Driver in Human Neoplasms?. PLoS Genet 9(3): e1003402. doi:10.1371/journal.pgen.1003402 http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1003402

Figure 2. DNA methylation and related mechanisms inhibit LINE-1 (L1) expression, and hypomethylation of DNA allows the L1 retrotransposon “life cycle” to proceed. Rodić N, Burns KH (2013) Long Interspersed Element–1 (LINE-1): Passenger or Driver in Human Neoplasms?. PLoS Genet 9(3): e1003402. doi:10.1371/journal.pgen.1003402 http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1003402

Στα περισσότερα γονιδιώματα συναντώνται πολυάριθμα μεταθετά στοιχεία ΠΙΝΑΚΑΣ 7.1: Τα ποσοστά των διαφορετικών οικογενειών μεταθετών στοιχείων σε διάφορους οργανισμούς.

ΠΙΝΑΚΑΣ 7.2: Τα μεταθετά στοιχεία συνιστούν ένα μεγάλο ποσοστό του γονιδιώματος.

Alu Ρετροστοιχεία Τα ρετροστοιχεία Alu αποτελούν περίπου το 11% του ανθρώπινου γονιδιώματος Το όνομα προέρχεται από την ιδιότητά τους να πέπτονται από το περιοριστικό ένζυμο που προέρχεται από τον Arthrobacter luteus (Alu: AGCT). Τα ρετροστοιχεία Alu ανήκουν στην οικογένεια των SINEs. Τα Alus έχουν μήκος περίπου 300 bp και περιέχουν αριστερά και δεξιά μονομερή. Τα Alus εμπλέκονται σε ανασυνδυασμούς με άλλα Alus καθώς και των γειτονικών τους περιοχών. Τα Alus δεν κωδικοποιούν την αντίστροφη μεταγραφάση και επομένως είναι μη-αυτόνομα στοιχεία. Για την ενεργοποίησή τους η αντίστροφη μεταγραφάση πρέπει να δοθεί από ένα LINE.

The Alu fossil record Οι αλληλουχίες Alu στα ανθρωποειδή σχηματίζουν ένα αρχείο απολιθωμάτων που είναι εύκολο να αναλυθεί. Διότι το αποτέλεσμα της εισόδου μιας αλληλουχίας Alu έχει μια χαρακτηριστική υπογραφή που διαβάζεται εύκολα και καταγράφεται πιστά από γενιά σε γενιά. Έτσι, η μελέτη των αλληλουχιών Alu αποκαλύπτει λεπτομέρειες καταγωγής διότι άτομα που μοιράζονται μια συγκεκριμένη αλληλουχία Alu θα έχουν αναγκαστικά ένα κοινό πρόγονο. Οι περισσότερες αλληλουχίες Alu μπορούν να βρεθούν στις αντίστοιχες θέσεις στα γονιδιώματα άλλων ανθρωποειδών. Όμως, σχεδόν 2000 από αυτές είναι μοναδικές στους ανθρώπους.

Τα τρανσποζόνια προκαλούν αναδιατάξεις στο DNA

Εικόνα 16.9 Ο αμοιβαίος ανασυνδυασμός ανάμεσα σε ομόρροπες επαναλήψεις εξαλείφει το υλικό ανάμεσά τους. Κάθε προϊόν του ανασυνδυασμού έχει ένα αντίγραφο της ομόρροπης επανάληψης.

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004 Εικόνα 16.10 Ο αμοιβαίος ανασυνδυασμός ανάμεσα σε ανάστροφες επαναλήψεις αναστρέφει την περιοχή ανάμεσά τους. Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Τα Alus εμπλέκονται σε ανθρώπινες παθήσεις Η πρώτη αναφορά ανασυνδυασμού με βάση στοιχεία Alu ο οποίος επέφερε μια επικρατή, κληρονομίσημη προδιάθεση για καρκίνο ήταν μια αναφορά του 1995 για hereditary nonpolyposis colorectal cancer [Nystrom-Lahti]. Οι επόμενες ασθένειες του ανθρώπου έχουν συνδεθεί με εισαγωγές στοιχείων Alu: Καρκίνος του στήθους Σάρκωμα του Ewing Οικογενειακή υπερχοληστερολαιμία Αιμοφιλία Neurofibromatosis Diabetes mellitus type II

Στον LDLR προσ-δένεται η LDL που διακινεί τη χοληστε-ρόλη στο αίμα. ΕΙΚΟΝΑ 7.15: Ο ανασυνδυασμός ανάμεσα στα στοιχεία Alu προκαλεί μεταλλαγές στο γονίδιο που κωδικοποιεί τον υποδοχέα της λιποπρωτεΐνης χαμηλής πυκνότητας (LDLR).

Τα μεταθετά στοιχεία είναι δυνατόν να προκαλέσουν μεταλλάξεις

Στον άνθρωπο έχουν χαρακτηριστεί νέες ενθέσεις ρετροτρανσποζονίων σε ~50 μεμονωμένες περιπτώσεις 34 διαφορετικών ασθενειών. Αιμοφιλία Μυϊκή δυστροφία β-θαλασσαιμία Οξεία ολική ανοσοανεπάρκεια Σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις, 1 στις 600 μεταλλαγές στον άνθρωπο οφείλονται σε ενθέσεις ρετροτρασνποζονίων

ΕΙΚΟΝΑ 7.11: Η ένθεση ενός στοιχείου L1 στο γονίδιο της αιμοφιλίας Α (παράγοντα VΙΙΙ) προκαλεί την αδρανοποίησή του.

Τα μεταθετά στοιχεία επηρεάζουν τη γονιδιακή έκφραση Παράδειγμα 1: Μεταφορά από ρετρο-τρανσποζόνια γειτονικών τους αλληλουχιών Παράδειγμα 2: Doc1420 Παράδειγμα 3: Accord in Cyp6g1

Doc1420 80% των πληθυσμών της D. melanogaster έχουν ένθεση του LINE ρετρομεταθετού Doc1420 στο γονίδιο CHKov1 (μάλλον κινάση της χολίνης) Η αρχική ένθεση έγινε πριν από ~90000 χρόνια, αλλά τα τελευταία 25-240 χρόνια επήλθε απότομη εξάπλωση (→ πρόσφατο εξελικτικό πλεονέκτημα) Η ένθεση στο εξόνιο 2 του CHKov1 παράγει μια νέα σειρά μη λειτουργικών μεταγράφων

Ρόλος στην ανθεκτικότητα σε ΟΡs? Δημιουργία δύο στελεχών Drosophila: Ένα με ένθεση Doc1420 Το άλλο όχι Έκθεση σε ΟPs Το πρώτο στέλεχος παρουσίασε μεγαλύτερη επιβίωση στην έκθεση (81% επιβίωση σε διαγνωστική συγκέντρωση OP) Το δεύτερο μικρότερη επιβίωση (32%)

Accord Για την κατανόηση των μοριακών μηχανισμών ανθεκτικότητας στο DDT έγινε σύγκριση (με μικρο-συστοιχίες) ανθεκτικών και μη ανθεκτικών στελεχών D. melanogaster ως προς την έκφραση ~90 γονιδίων Όλα τα ανθεκτικά παρουσίαζαν υπερέκφραση του Cyp6g1 Ανοδικά του Cyp6g1 είναι ενσωματωμένο το LTR ρετρομεταθετό Accord Καθοδηγούμενη από ισχυρό υποκινητή/ενισχυτή στο LTR του Accord αυξάνεται η μεταγραφή και η έκφραση του γειτονικού Cyp6g1

Μελετήστε από Genes VIII : 17.1 έως 17.3 17.6 17.9 έως 17.10 Επίσης: 16.5