04-DNA Transposons (2014)

Μεταθετά στοιχεία στο γονιδίωμα - DNA τρανσποζόνια

Το DNA δεν παραμένει αναλλοίωτο

Barbara Mc Clintock (τέλη δεκαετίας 40) παράξενα γενετικά στοιχεία έχουν την ικανότητα να κατευθύνουν τα ίδια τη μετάθεσή τους μέσα στο γονιδίωμα

Γεννήθηκε 16 Ιουνίου 1902Πέθανε 2 Σεπτεμβρίου 1992

Nobel Ιατρικής ή Φυσιολογίας 1983

Τα στοιχεία ελέγχου Ds στο καλαμπόκι

bull Μελέτη του μηχανισμού του μωσαϊκού χρώματος του καλαμποκιού και της κληρονομικότητάς του

darrbull Ύπαρξη δύο γενετικών

στοιχείων (Ac και Ds) με τη δυνατότητα να ενσωματώνονται και να απομακρύνονται στο γονιδίωμα

bull Πρότυπο έκφρασης της ανθοκυανίνηςbull Σταθερές μεταλλαγές όλοι οι σπόροι

χρώμα λευκό (όχι Αc Ds αναστέλλει την έκφραση των ανθοκυανινών)

bull Ασταθείς μεταλλαγές συχνή επανεμφάνιση μοβ χρώματος (παρουσία Ac rarr Ds μετακινείται με συνέπεια την εμφάνιση μοβ χρώματος)

bull Διασταυρώσεις ανάμεσα σε φυτά με ασταθείς μεταλλάξεις και φυτά με σταθερές rarr υψηλή συχνότητα αγρίου τύπου

darrbull Ύπαρξη δύο γενετικών στοιχείων (Ac και

Ds) με τη δυνατότητα να ενσωματώνονται και να απομακρύνονται στο γονιδίωμα

Στο παράδειγμα αυτό η παρουσία του Ac αναγκάζει το Ds να αποκοπεί και το ακκεντρικό τμήμα που δημιουργείται χάνεται Το αποτέλεσμα είναι ημιζυγωτία για όλους τους τόπους που χάνονται με το ακκεντρικό τμήμα επιτρέποντας στους υπολειπόμενους χαρακτήρες να εκφραστούν στους απογόνους του κυττάρου που υπέστη αυτή τη θραύση νωρίς στην ανάπτυξη του σπόρου Για το λόγο αυτό δημιουργείται ένας μωσαϊκός φαινότυπος

Η Barbara McClintock παρατήρησε σπάνιους παράξενους και μη αναμενόμενους

φαινότυπους σπόρων στους απογόνους των διασταυρώσεων που πραγματοποίησε

Στο παράδειγμα αυτό το Ds εντίθεται στο C νωρίς κατά την ανάπτυξη του σπόρου καταστέλλοντας την παραγωγή χρωστικής Στη συνέχεια σε μερικά από τα προκύπτοντα κύτταρα το Ds ξαφνικά εξαφανίζεται Αυτό επιτρέπει την επανεμφάνιση της φυσιολογικής λειτουργίας του C και οι περιοχές απrsquo όπου έφυγε το Ds μπορούν πλέον να παράγουν χρωστική Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς ένα μεταθετό στοιχείο (Ds) μπορεί να παράγει έναν ασταθή φαινότυπο η έκφραση αλλάζει σε διαφορετικές κυτταρικές σειρές και σε διαφορετικές χρονικές στιγμές γιατί ποτέ δεν ξέρει κανείς πότε θα φύγει το Ds επιτρέποντας το γονίδιο να επανακτήσει την αρχική του λειτουργία

Αυτόνομα και μη αυτόνομα στοιχεία

EIKONA 72 Τα μεταθετά στοιχεία Ac και Ds στο καλαμπόκι

Αλληλουχίες ένθεσης (IS)

Εικόνα 162 Τα τρανσποζόνια φέρουν ανάστροφες επάκριες επαναλήψεις και δημιουργούν ομόρροπες επαναλήψεις στο DNA που βρίσκεται εκατέρωθεν της θέσης ένθεσης Σε αυτό το παράδειγμα ο στόχος του τρανσποζονίου είναι μια αλληλουχία 5 bp Τα άκρα του τρανσποζονίου αποτελούνται από ανάστροφες επαναλήψεις 9 bp όπου οι αριθμοί 1 ως 9 αντιπροσωπεύουν μια αλληλουχία από ζεύγη βάσεων

cis-δραστικές μεταλλάξεις που αποτρέπουν τη μετάθεση εντοπίζονται στα άκρα

Τα σύνθετα τρανσποζόνια φέρουν

μονάδες IS

Εικόνα 163 Ένα σύνθετο τρανσποζόνιο έχει μία κεντρική περιοχή η οποία φέρει δείκτες (όπως γονίδια ανθεκτικότητας σε φάρμακα) και περικλείεται από μονάδες IS Οι μονάδες έχουν βραχείες ανάστροφες επάκριες επαναλήψεις Αν οι μονάδες έχουν αντίθετο προσανατολισμό οι βραχείες ανάστροφες επάκριες επαναλήψεις στα άκρα του τρανσποζονίου είναι πανομοιότυπες

Όταν οι δυο μονάδες IS είναι ίδιες οποιαδήποτε μπορεί να προωθήσει τη μετάθεση Όταν η μία εμφανίζει μειωμένη λειτουργικότητα η μετάθεση εξαρτάται αποκλειστικά από την άλλη

Μέσω ποιου μηχανισμού εξασφαλίζεται η μετάθεση ολόκληρου του σύνθετου τρανσποζονίου και όχι

μιας μόνο μονάδας IS

Εικόνα 164 Δύο μονάδες IS10 δημιουργούν ένα σύνθετο τρανσποζόνιο που μπορεί να κινητοποιήσει όποια περιοχή DNA βρίσκεται ανάμεσά τους Όταν το Tn10 είναι μέρος ενός μικρού κυκλικού μορίου οι επαναλήψεις IS10 μπορούν να κινητοποιήσουν τη μετάθεση οποιουδήποτε από τα δύο μισά του κύκλου

Η συχνότητα μετάθεσης για τα σύνθετα τρανσποζόνια μειώνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση ανάμεσα στις μονάδες IS Αυτό περιορίζει το μέγεθος των σύνθετων τρανσποζονίων

Κάτω όμως από συνθήκες επιλογής των δεικτών που φέρουν στην κεντρική περιοχή τα σύνθετα τρανσποζόνια η συχνότητα μετάθεσης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά

Τα μεταθετά στοιχεία DNA μετακινούνται

μέσω δύο διαφορετικών μηχανισμών

Αντιγραφή και ανασυνδυασμός (αντιγραφικός μηχανισμός)

Αποκοπή και επικόλληση (μη αντιγραφικός μηχανισμός)

Η μετάθεση του TnA χρειάζεται ενεργότητες τρανσποζάσης και

ρεσολβάσης Η οικογένεια TnA περιλαμβάνει

μεγάλα (~5kb) τρανσποζόνια Δεν είναι σύνθετα τρανσποζόνια αλλά

ανεξάρτητες μονάδες που μεταφέρουν γονίδια υπεύθυνα για τη μετάθεση αλλά και ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά

Τα μέλη της οικογένειας TnA μετατίθενται μέσω αντιγραφικού μηχανισμού

ΕΙΚΟΝΑ 73 Η μετάθεση του Τn3 επιτυγχάνεται μέσω αντιγραφής και ανασυνδυασμού

Εικόνα 1619 Τα τρανσποζόνια της οικογένειας TnA φέρουν ανάστροφες επάκριες επαναλήψεις (IR) μία εσωτερική θέση res και τρία γνωστά γονίδια (tnpA tnpR και ampR)

Η tnpA είναι η μεταθετάση

H tnpR έχει ρόλο ρεζολβάσης αλλά δρα και ως καταστολέας της γονιδιακής έκφρασης rarr απενεργοποίηση TnpR αυξάνει την TnpA και κατά συνέπεια αυξάνει η μετάθεση

bull Τι επίδραση έχουν οι μεταλλάξεις στο γονίδιο tnpA και τι εκείνες στο tnpR

bull Τι επίδραση έχουν οι μεταλλάξεις στην περιοχή res

bull Σε μεταλλάγματα tnpR θα προχωρήσει η μετάθεση αν παρέχουμε εξωτερική πηγή ρεσολβάσης

bull Σε μεταλλάγματα res θα προχωρήσει η μετάθεση αν παρέχουμε εξωτερική πηγή ρεσολβάσης

Tn10 και μη-αντιγραφικός

μηχανισμός μετάθεσης

ΕΙΚΟΝΑ 75 Μετάθεση του Tn10 μετά το πέρασμα μιας διχάλας αντιγραφής

Η μετάθεση ενεργοποιείται από την παρουσία ημιμεθυλιωμένου DNA ακριβώς μετά την αντιγραφή Αυτό συμβαίνει διότι η τρανσποζάση προσδένεται ικανοποιητικά μόνο σε ημιμεθυλιωμένο DNA

Το αποτέλεσμα είναι ότι από ένα αντίγραφο στο μητρικό χρωμόσωμα καταλήγουμε με 4 στα δύο θυγατρικά

Πολλά τρανσποζόνια

συντονίζουν τη μετάθεσή τους με

την αντιγραφή του DNA

Η μετάθεση του Tn10 υπόκειται σε πολλαπλούς

ελέγχους Ένα τρανσποζόνιο πρέπει να

διατηρεί μια ελάχιστη συχνότητα μετάθεσης για να μην εκλείψει

Όμως μια υψηλή συχνότητα μετάθεσης θα μπορούσε να είναι καταστροφική για τον ξενιστή

Εικόνα 1620 Δύο υποκινητές με αντίθετο προσανατολισμό βρίσκονται κοντά στο όριο μεταξύ του IS10R και του DNA του ξενιστή Ο πιο ισχυρός υποκινητής POUT προωθεί τη μεταγραφή προς το παράπλευρο DNA του ξενιστή Ο πιο αδύναμος υποκινητής ΡΙΝ προωθεί τη μεταγραφή ενός RNA που εκτείνεται κατά μήκος του IS10R και μεταφράζεται σε τρανσποζάση

Συνήθως υπάρχουν ~5 αντίγραφα RNA του POUT ανά αντίγραφο του ΡΙΝ

Genes VIII - Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2004

Εικόνα 1621 Πολλοί μηχανισμοί περιορίζουν τη συχνότητα μετάθεσης του Tn10 επηρεάζοντας είτε τη σύνθεση είτε τη λειτουργία της τρανσποζάσης

Η μετάθεση ενός μεμονωμένου τρανσποζονίου περιορίζεται από μεθυλίωση έτσι ώστε να συμβαίνει μόνο μετά από αντιγραφή

Σε περιπτώσεις πολλαπλών αντιγράφων η προτίμηση της τρανσποζάσης για cis-δραστικότητα περιορίζει τη δυνατότητα επιλογής του στόχου ενώ το ζευγάρωμα των μορίων RNA που μεταγράφονται από τους υποκινητές POUT και PIN αναστέλλει τη σύνθεση της τρανσποζάσης

Η μεθυλίωση αποτελεί τον πιο σημαντικό παράγοντα ελέγχου

Η ικανότητα του IS10 να μετατίθεται σχετίζεται με τον κύκλο της αντιγραφής μέσω της απόκρισης στο πρότυπο μεθυλίωσης δύο θέσεων

Η συχνότητα μετάθεσης αυξάνεται gt1000x σε dam- στα οποία οι δυο θέσεις δεν είναι μεθυλιωμένες

Πώς αντιγραφή rarr ημιμεθυλίωση αύξηση PIN μεταγραφής Ενίσχυση πρόσδεσης τρανσποζάσης στο

άκρο IS10R

Πώς γίνεται η επιλογή της θέσης-στόχου

Τρανσποζάση Ειδικότητα ως προς πρότυπη

ακολουθία Ειδικότητα ως προς ιδιαίτερη

δομή DNA Κάμψη Σύμπλοκο DNA-πρωτεΐνης εισαγωγή

σε υποκινητές (Ty1 Ty3 σε υποκινητές της pol III)

Τυχαία επιλογή

Η υβριδική δυσγένεση στη

Drosophila

Εικόνα 1628 Η υβριδική δυσγένεση είναι ασύμμετρη επάγεται από διασταυρώσεις laquoΡ αρσενικό Χ Μ θηλυκόraquo αλλά όχι από διασταυρώσεις laquoΜ αρσενικό Χ Ρ θηλυκόraquo

Η δυσγένεση αφορά γαμετικά κύτταρα Οι υβριδικές μύγες της F1 εμφανίζουν φυσιολογικούς ιστούς ωστόσο δεν αναπτύσσονται οι γονάδες τους

Οποιοδήποτε από τα χρωμοσώματα του αρσενικού Ρ μπορεί να επάγει δυσγένεση

Με κατασκευή ανασυνδυασμένων χρωμοσωμάτων έχει βρεθεί ότι πολλές περιοχές πάνω σε κάθε χρωμόσωμα Ρ είναι σε θέση να προκαλέσουν δυσγένεση =gt Ένα αρσενικό Ρ φέρει σε πολλούς

διαφορετικούς χρωμοσωμικούς τόπους τις αλληλουχίες εκείνες που είναι υπεύθυνες για τη δυσγένεση

Η φύση αυτών των αλληλουχιών ανακαλύφθηκε με χαρτογράφηση του DNA των μεταλλαγμάτων w που απαντώνται στα δυσγενικά υβρίδια

Όλες οι μεταλλάξεις φάνηκε ότι προκαλούνταν από την ένθεση τμημάτων DNA στο γενετικό τόπο w

Η ένθεση απενεργοποιεί το γονίδιο προκαλώντας το φαινότυπο λευκά μάτια από τον οποίο πήρε το όνομά της η μετάλλαξη

Η ένθετη αλληλουχία είναι το στοιχείο Ρ

Εικόνα 1629 Το στοιχείο Ρ έχει τέσσερα εξόνια Κατά την έκφραση του στοιχείου σε σωματικούς ιστούς τα πρώτα τρία εξόνια εμφανίζονται ματισμένα μαζί Αντίθετα στη γαμετική σειρά το μάτισμα οδηγεί σε έκφραση και των τεσσάρων εξονίων μαζί

bull Μεταλλάξεις στις θέσεις ματίσματος του 3ου ιντρονίου που αποτρέπουν την αποκοπή του rarr αδυναμία μετάθεσης

bull Απάλειψη 3ου ιντρονίου (ώστε το 4ο εξόνιο να συμπεριλαμβάνεται σε όλους τους ιστούς) rarr μετάθεση και σε σωματικά κύτταρα

bull Τι ευθύνεται για την ιστοειδικότητα του ματίσματος bull Πρωτεΐνη στα σωματικά

κύτταρα που προσδένεται σε αλληλουχία του εξονίου 3 και παρεμποδίζει το μάτισμα του τελευταίου ιντρονίου

Το ιντρόνιο

Για τη μετάθεση του Ρ απαιτούνται ~150 bp από κάθε άκρο της αλληλουχίας του

Η τρανσποζάση προσδένεται σε αλληλουχίες μήκους 10 bp οι οποίες βρίσκονται δίπλα στις ανάστροφες επαναλήψεις μήκους 31 bp

Η μετάθεση συμβαίνει με μη αντιγραφικό μηχανισμό (όπως του Tn10)

Η υβριδική δυσγένεση είναι αποτέλεσμα μεταλλάξεων οι οποίες προκύπτουν στη θέση-στόχο από την ένθεση του στοιχείου που μετατίθεται και ρήξεων οι οποίες δημιουργούνται στη θέση δότη μετά την απομάκρυνση του στοιχείου και δεν επιδιορθώνονται

Εικόνα 1630 Η υβριδική δυσγένεση καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα στοιχεία Ρ του γονιδιώματος και στον καταστολέα μεγέθους 66 kD του κυτταροπλάσματος (κυτταρότυπος)

Στελέχη της D melanogaster που αιχμαλωτίστηκαν στη φύση gt30 χρόνια πριν είναι πάντα τύπου Μ

Στελέχη της D melanogaster που αιχμαλωτίστηκαν στη φύση lt10 χρόνια πριν είναι πάντα τύπου Ρ

Επειδή η υβριδική δυσγένεση μειώνει την επιμειξία αποτελεί ένα βήμα προς την ειδογένεση

Από Genes VIII 162 και 163 169 1610 και 1611 1614 και 1615