Transpozibilní elementy

Transpozóny = mobilní genetické elementy úseky DNA schopné přenosu na jiné (další) místo genomu (transpozice) U Prokaryot i všech dosud analyzovaných Eukaryot (s výjimkou parazita Plasmodium falciparum) - u rostlin tisíce rodin (až 80% genomu) - živočichové 3-45%, houby 2-20%

Způsoby množení / přenosu „CUT and PASTE“ vyštěpení a přenos transpozónu do jiného místa genomu pouze přeskočení, bez pomnožení „COPY and PASTE“ opakované kopírování, kopie se vkládá do nového místa původní element zůstává, počet kopií ~ počtu kopírování kopírování přes RNA intermediát a tvorbu cDNA přímé vložení kopírované DNA „COPY, (COPY)n and (PASTE)n ???

Základní typy TE dle transpozice Rolling circle replication ??? Lisch 2013, Nature Rev. Genet.

Ne všechny transpozóny kódují potřebné enzymatické aktivity Autonomní elementy – kódují gen, jehož produkt zajistí přenos/replikaci Neautonomní elementy – odvozené od autonomních – ztratily geny potřebné pro přenos, ale mohou být mobilizovány jinými (příbuznými) autonomními elementy – mají sekvence potřebné k mobilizaci (!)

Klasifikace transpozónů Třídy: Dle toho, zda je či není intermediátem při replikaci RNA DNA transpozóny Retrotranspozóny Podtřídy: Dle mechanismu replikace (u DNA transpozómů) Řády: Dle základních strukturních rysů Nadčeledi: Dle sekvenční příbuznosti Nature Rev. Genet. 2008

Třída II: DNA transpozóny

DNA transpozóny - podtřída I: zpravidla kódují transpozázu, na okrajích jsou invertované repetice (pozn.: houbový řád Crypton nemá transpozázu, ale rekombinázu) - složitý proces transpozice – vazba IR, štěpení (transpozáza), štěpení cílové sekvence, syntéza DNA, ligace - zdvojení krátké sekvence (2-8 bp) v místě začlenění = footprint po opětovném vyštěpení Množení DNA transpozónů?

Přesuny a množení DNA transpozónů Mechanismus aktivace při replikaci? Hemimetylovaný stav? + opravy zlomu po vyštěpení TE podle homologního úseku (tedy možnost rekonstrukce původní sekvencei s TE)

DNA transpozóny - podtřída I - vyšší pravděpodobnost začlenění v blízkosti původní inserce - klastrování většinou několik až několik set kopií v genomu př.: - Ac, Spm, Mu (kukuřice), Tam (Antirrhinum), TphI (petunie), TagI (Arabidopsis), Stowaway, Tourist >10 000 kopií, každých 30kbp (u kukuřice, inserce do TA bohatých sekvencí) - MULE (Mutator-like elements) u rýže – mobilizováno přes 1000 genových fragmentů – 5 % je exprimováno! – evoluce nových genů Pack-MULE (fragmenty více různých genů) - mutované neautonomní formy Ac/Ds (Ds1, Ds2), Spm/dSpm

DNA transpozóny podtřída II: řád: Helitron – jednovláknový zlom, vytěsnění vlákna, vložení - Rep/helikase-like, replication protein A-like - u kukuřice 4 až 10 tis. mobilizovaných gen.úseků řád: Mavericks - zřejmě vyštěpena ssDNA (poté mimochromozomální replikace a integrace)

Třída I: Retrotranspozóny

Retrotranspozóny Řád: LTR – nejvýznamnější TE u rostlin replikace přes RNA intermediát (četné potomstvo!) velikost 1-13kbp, až milióny kopií (až 40-80% genomu) často v heterochromatinových oblastech, v euchromatinu především mezi geny - zřejmě důsledek selekčního tlaku Řád: LTR – nejvýznamnější TE u rostlin - podobné retrovirům LTR (long terminal repeat) - promotor, terminátor, přímá repetice krátké zdvojení cílové sekvence - nucleocapsidový protein (!), proteáza, RT, RNáza H, integráza

LTR retrotranspozóny - replikace - replikace analogická retrovirům - LTR (U3, R, U5) - PBS (primer binding site): tRNA primer - přeskoky mezi templáty (přímý repeat - R)

Příklady retrotranspozónů s LTR Ty1- copia group BARE-1, ječmen, 12,1 kbp, >50 000 kopií, transkript v listech a kalusu Opie –1, kukuřice, 8,7 kbp, >30 000 kopií, kořeny, listy, integrace do LTR PREM-2, kukuřice, 9,5 kbp, >10 000 kopií, mikrospory Tnt1, tabák, 5,3 kbp, >100, protoplasty, kořeny, - aktivace po poranění, ataku patogenu, integrace do euchromatinu Ty3 – gypsy group potenciální předci živočišných retrovirů, někdy i env-like sekvence Athila, A.t., 10,5 kbp, >10000, paracentromerické oblasti Athila-1-1, A.t., 12 kbp, 730, env-like sekvence Cinful-1, kukuřice, 8,6 kbp, 20000, listy, env-like sek.

Retrotranspozóny bez LTR LINE (long interspersed nuclear elements) SINE (short interspersed nuclear elements) LINE - fylogeneticky zřejmě nejstarší, předchůdci transpozónů s LTR - 5´oblast – promotor; 3´oblast - terminátor Cin4, kukuřice, 1-6,8kbp, 50-100, různě zkrácené formy SINE - využívají aparát (RT) jiných transpozónů - odvozeny od produktů RNA polymerázy III (tRNA, 7SLRNA, (rRNA)) - < 500 nt LINE APE – endonuclease, RH – RNase H

Regulace aktivity transpozónů regulace vlastními mechanismy i hostitelem (individuálně) - většinou neaktivní – metylace (siRNA + RdDM, CMT2/3 + KYP) - jedna z možných příčin vzniku metylace DNA - „heterochromatinizace“ nutná i pro zachování integrity genomu (brání hybridizaci mezi kopiemi TE na různých místech genomu) aktivace může být vývojově ovlivněná větší ochrana „zárodečné linie“ oproti diferencovaným somatickým buňkám? – u rostlin ne zcela odlišené! - nárůst metylace Spm a Mu v průběhu vývoje listů, demetylace v časných fázích vývoje - aktivace v centrální buňce zárodečného vaku a veget. jádře pylu - aktivace může být ovlivněna vnějšími podmínkami: - Tam1 u hledíku (1000x při 15°C) - Reme1 u melounu – aktivace UV zářením - Tnt1 u tabáku po poranění či infekci (do euchromatinu)

Význam transpozónů navozování mutací = zvyšování variability modulace exprese (aktivace, represe, vývojová, stresová) tvorba nových genů evoluce genomů u rostlin na TE chybí geny, které přímo zvyšují fitness (rezistence apod.) zvýšení fitness náhodně navozenou mutací (př. při aktivaci stresovými podmínkami) – velmi nízká pravděpodobnost … velký význam při domestikaci (šlechtění) rostlin!

Mutace působené transpozóny ~ místo začlenění (různé preference: GC, AT, transkrib.,…) ~ charakter nesených regulačních sekvencí Cis/Promotor 5´UTR exon intron exon 3´UTR terminátor modulace exprese (časově i místně) – promotor, enhancery změny ve stabilitě transkriptu a postranskripčních úpravách (sestřih) - UTR, introny, terminátor změna sekvence výsledného proteinu (vč. footprintů), předčasná terminace translace, vznik chimerických genů,… - exony, introny

Regulace genové exprese transpozóny př. réva: inaktivace exprese TF VvmybA1 (regulace antokyanových genů) přítomností retrotranspozónu z rodiny Gypsy (Kobayashi et al. 2004, Science)

Regulace genové exprese transpozóny př. kukuřice – inaktivace genu CCT (odpověď na délku fotoperiody) inzercí CACTA-like elementu (DNA TE) do promotorové oblasti – rozšíření pěstování do mírného pásma (kvetení za dlouhého dne) př. blok větvení (TE enhancer  OE inhibitoru) (Yang et al. 2013, PNAS) př. pomeranč Ruby – myb TF (regulace antokyanových genů) - aktivovaný inzercí TF (Butelli et al. 2012, Plant Cell) PROČ byly TE tak významné v domestikaci? - umělý výběr - skokové změny vlastností

Význam v evoluci genů - inserční mutageneze (předčasná terminace), footprinty možná účast v multiplikaci genů - přímo či zprostředkovaně přes homologní rekombinaci - výhodné mít genové rodiny s různou regulací, popř. záložní kopie genů tvorba bezintronových kopií genů (reverzní transkripcí) mohou se podílet na tvorbě zcela nových genů – např. fúzí přenášených fragmentů stávajících genů (helitrons, MULE) geny, původně transpozónového původu byly mnoha eukaryotickými organismy „domestikovány“ pro nové funkce (př. telomerázy, syncitin, ….)

Vliv TE na celkovou architekturu genomu - tvoří většinu repetitivní DNA v genomech rostlin (heterochromatin) až 80 % genomu - mohou způsobovat chromozomální přestavby

Změny na úrovni genomu Chromozómové přestavby (zlomy, inverze, delece, duplikace, translokace) - změny vazbových skupin, speciace (sterilita hybridů) Zvětšování genomu („genomic obesity“) příčiny - vlastní transpozice (nové inserce) x homologní rekombinace (repetitivní sekvence) základní mechanismus bránící zvětšování genomu (u 2n druhů bavlníku až 3 násobné rozdíly ve velikosti genomu díky aktivní rekombinaci; Hawkins 2009 PNAS)

Transpozónová mutageneze především u Arabidopsis DNA transpozóny z kukuřice: Ac/Ds, Spm/dSpm – nízká frekvence dvoukomponentní systém R Ds Gen pro transpozázu (indukovatelná exprese) rostlina s neautonomním elementem v genu rezistence Ds R Selekce rezistentních rostlin = s transpozicí neautonomního elementu V další generaci selekce rostlin bez transpozázy Modifikace - vyštěpením aktivovaná exprese represoru transkripce genu pro transpozázu

Transpozónová mutageneze možnost určení místa začlenění (např. TAIL PCR) častá mutageneze přilehlých oblastí (20 % v 1Mb okolí) reintrodukcí transpozázy je někdy možné mutaci revertovat

Objevení transpozónů Barbara McClintock (1902-1992) Nobelova cena za Fyziologii and Medicínu 1983 za objevení (poznání podstaty) mobilních genetických elementů kukuřice 1940-1950

Objevení transpozónů (B. McClintock) studium chromozomálních zlomů u kukuřice zvýšený výskyt zlomů v určité oblasti (= marker nazvaný „dissociation“ Ds) poloha markeru ale nebyla po křížení s některými liniemi stabilní, a přesouvala se na jiná místa (= linie nesoucí „activator“ Ac)

u jedné linie způsobil přesun Ds markeru ztrátu purpurového zbarvení obilek světlá barva obilek (c) způsobená inzercí Ds elementu však nebyla při křížení s liniemi nesoucími Ac stabilním znakem - objevovaly se obilky s purpurovými skvrnami c/c/c = světlé obilky C/c/c nebo C/C/c nebo C/C/C = purpurové zbarvení triploidní endosperm

Transpozice a zbarvení obilek pokud dojde k reverzi c na C, začne se v buňce tvořit červený pigment a vytvoří se skvrna na světlém pozadí, čím dříve ve vývoji obilky dojde k reverzi, tím je skvrna větší B. McClintock vyvodila, že “c” alela vznikla začleněním neautonomního transpozónu “Ds” do “C” alely (Ds = dissociation) reverze c na C je způsobena transpozicí Ds elementu z c alely, která je zprostředkována autonomním transpozonem “Ac” (Ac = activator) PROČ tak vysoká frekvence transpozice?

Barbara McClintock (1902-1992) 1951: formulovala základní koncept epigenetiky "[T]he progeny of two (such) sister cells are not alike with respect to the types of gene alteration that will occur. Differential mitoses also produce the alterations that allow particular genes to be reactive. Other genes, although present, may remain inactive. This inactivity or suppression is considered to occur because the genes are ‘covered' by other nongenic chromatin materials. Gene activity may be possible only when a physical change in this covering material allows the reactive components of the gene to be ‘exposed' and thus capable of functioning."