Genom je dynamický

Mobilní elementy jako významná část lidského genomu

Mobilní elementy

Mobilní elementy představují ca necelou polovinu lidského genomu. 20 až > 1 000 000 kopií

RETROELEMENTY RNA svět -----> DNA svět význam reverzní transkripce (při vzniku DNA i dnes) retroelementy jsou relikty RNA světa (struktura, replikační mechanizmy, všudypřítomnost) úloha v evoluci genomů, RT je nejčastější gen kódující protein v lidském genomu

Retroelementy Retropozice jsou sekvence DNA nebo RNA obsahující gen pro enzym reverzní transkriptázu (přepis RNA do DNA). Širší definice zahrnuje veškeré sekvence vzniklé reverzní transkripcí RNA do DNA. Po genomech se šíří procesem retropozice. Retropozice je přesun genetického materiálu z jednoho místa v genomu do místa jiného prostřednictvím RNA intermediátu. Má vždy duplikativní charakter.

Retropozice

Reverzní transkripce - nasednutí primeru tRNA a extenze - odstranění RNA oblasti R a U5 - první přeskok a extenze - odstranění většiny RNA RNázouH - zbyde primer a extenze - odstranění zbytku virové RNA a tRNA - druhý přeskok a dosyntetizování

Typy retroelementů

Endogenní retroviry • Struktura podobná retrovirům. • Pozůstatky dávných retrovirových infekcí. • HERV (human endogenous retrovirus).

Retroviry - obecné schéma pol gag LTR env LTR > PR RT RNázaH INT > PBS PPT gag, pol, env ....... geny LTR ... dlouhé koncové repetice PBS .... místo vazby primeru PR ...... doména kódující proteázu INT .... doména kódující integrázu RT ...... doména kódující reverzní transkriptázu PPT ..... polypurinový úsek > ......... přímé repetice LTR U3 R U5 U3 ... jedinečná sekvence na 3‘ konci R ..... repetitivní sekvence U5 ... jedinečná sekvence na 5‘ konci krátká obrácená repetice krátká obrácená repetice promotor polyadenylační signál zesilovače transkripce

Retrotranspozony - obecné schéma (a) Typ Ty1-copia: gag pol LTR LTR > > PBS PR INT RT RNázaH PPT gag, pol, env ....... geny LTR ... dlouhé koncové repetice PBS .... místo vazby primeru PR ...... doména kódující proteázu INT .... doména kódující integrázu RT ...... doména kódující reverzní transkriptázu PPT ..... polypurinový úsek > ......... přímé repetice (b) Typ Ty3-gypsy: pol gag LTR env? LTR > > PBS PR RT RNázaH INT PPT

Retrotranspozony • Struktura podobná retrovirům. • Obsahují dlouhé koncové repetice (LTR) nesoucí regulační sekvence a promotory. • Ty1-copia, Ty-3gypsy. • U všech eukaryot. Hojné především u rostlin. U obratlovců méně časté. U bobu setého cca 1 milion kopií elementu Ty1-copia, tvoří polovinu genomu.

Retropozony (polyA, nonLTR retroelementy) (a) LINE (L1): ORF1 ORF2 5’UTR 3‘UTR > > poly(A) EN RT PPT 1 kb ORF1 ......... protein vážící RNA EN .............. doména kódující endonukleázu RT .............. doména kódující reverzní transkriptázu 5‘UTR ........ netranslatovaná oblast na 5‘ konci 3‘UTR ........ netranslatovaná oblast na 3‘ konci PPT ............ polypurinový úsek poly(A) ....... polyadeninový úsek > ................. přímé repetice (b) SINE (sekvence Alu): > > levý monomer poly(A) pravý monomer poly(A) 100 bp

Retropozony • Nemají LTR. Poly(A) na 3’ konci. • U všech eukaryot. Nejčastější retrolelementy u člověka a savců. • LINE (Long interspersed nuclear elements) kódují vlastní reverzní transkriptázu. • SINE (Short interspersed nuclear elements) Nemají vlastní reverzní transkriptázu. Jejich šíření závislé na přítomnosti LINE elementů. • Nejznámější SINE je Alu sekvence: nejhojnější retroelement u lidí (1,5 milionů kopií, 13% genomu). Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA 7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřní promotor přepisovaný RNA polymerázou III).

Včleňování LINE elementů Twin priming: mechanizmus tvorby inverzí TPRT (target-primed RT)

LINE elementy v genomu člověka - vliv na velikost genomu u primátů (struktura) - místa homologií pro genovou konverzi a rekombinaci - včleňuje se do genu a narušují kódující sekvence, nemoci (funkce) - přeskupování oblastí, exon shufling, zkráceny na 5’ konci - nedosyntetizovány - zacelují místa chromosomových zlomů (reparace) - nedávná aktivita u primátů, rozdíly mezi druhy i uvnitř druhů (evoluce) Včleňování mechanizmem TPRT (target primed reverse transcription)

LINE elementy a inaktivace chromosomu X - 2x větší hustota LINE-1 (L1) elementů na chromosomu X - nejvíce v místě centra inaktivace chromosomu X (Xq13-Xq21) - geny, které unikají inaktivaci (10%) obsahují méně L1 elementů - L1 slouží k šíření inaktivačního signálu z centra (Xist gen) - po připojení autosomu ke chromosomu X se signál šíří po autosomu do 100Mb - přenesení genu Xist na autosom vede k šíření signálu – Xist RNA pokryje i autosom - L1 jako vazebná místa Xist RNA!!! - u drozofily za šíření signálu kompenzace dávky genu (zvýšení exprese samčího X) také zodpovídají RNA-proteinové komplexy - L1 elementy jako zesilovače/přenašeče (booster, way station) šíření inaktivačního signálu - zejména zvýšená hustota L1 mladších 100 mil let – vznik inaktivace chromosomu X (XCI) v linii savců před oddělením Metatheria a Eutheria

Chromosom X – křižovatka pohybu genů 1. Únik genů z chromosomu X je ovlivněn jeho inaktivací (Xi): - meiotická inaktivace pohlavních chromosomů (MSCI) – sex chromosomu kondenzovány v samčí meióze, „sex body“, „XY body“, aby nedocházelo k rekombinaci mezi nehomologickými chromosomy, geny na XY tedy transkripčně suprimovány - proto backup genů na autosomech, přenos retropozicí (compensatory hypothesis) 2. Přenos genů na chromosom X: - přednostní včleňování i selekce - L1 elementy i retropseudogeny, L1 mašinérie - recesivní geny výhodné pro samce a dominantní geny výhodné pro samice A A A X A A A

Alu elementy jsou nejhojnější retroelementy lidského genomu odvozeny z 7SL RNA genu kódujícího podjednotku signální rozpoznávací částice (přenos proteinů přes membrány a začleňování do membrán) - Alu inzerce – u každého 200 narozeného jedince

Alu elementy tvoří ~10% lidského genomu (>1 milion). 5% lidských alternativních exonů je odvozeno z Alu elementů.

Alu elementy a alternativní sestřih - 40-60% lidských genů má alternativní sestřih rozdíl mezi člověkem a myší: 23 000 genů, fenotypové rozdíly způsobeny druhově-specifickým alterantivním sestřihem exony – konstitutivní (konzervativní) a alternativní alternativní exony – majoritní a minoritní formy

Vznik alternativních exonů duplikace exonů, inzerce transposonu nebo retroviru, mutace existující intronové sekvence, z Alu elementů (5% lidských alternativních exonů)

Retroelementy prokaryot Jsou velmi staré. Kódují jediný RT protein s jedinou enzymatickou aktivitou. Ostatní aktivity (proteáza, integráza, endonukleáza) u retrotransposonů a retrovirů byly získány od hostitele jako onkogeny retrovirů. RT prokaryot provádí syntézu nezávislou na primeru podobně jako RNA polymeráza (předchůdce RT). Prokaryotické RT jsou podobné RdRP (RNA-directed RNA polymerase), RT eukaryotických retroelementů jsou méně příbuzné. Telomeráza, starý eukaryotický enzym, je podobná prokaryotickým RT a RT retroposonů.

Retroelementy prokaryot Typy 1. Retrony 2. Retroplasmidy 3. Retrointrony (introny II. skupiny)

Retrony - primitivní retroelementy bakterií (b) msDNA: (a) retron: RT msr msd msr ... gen kódující RNA složku msd ... gen kódující DNA složku RT ..... gen pro reverzní transkriptázu

Retrony • Bakteriální retroelementy. • Chiméry tvořené molekulami DNA a RNA.

Další primitivní retroelementy Mitochondriální (retro)plazmidy dsDNA plazmidy, v mitochondriích hub, kódují RT, replikace procesem transkripce-reverzní transkripce, homologie s tRNA, sekundární struktury na 3‘konci, hairpiny. Introny II. skupiny U bakterií a v organelách hub, řas a rostlin, kódují RT, samosestřih, „reverzní sestřih“ do RNA bez intronu a reverzní transkripce. Telomery U eukaryot, kompenzace zkracování chromozomů, telomeráza - homologie s RT, vlastní RNA templát.

DNA transpozony • Hojné především u prokaryot. • Přesunují se mechanismem „cut and paste“ nebo „copy-paste“. • Kódují enzym transpozázu. Často navíc také geny pro rezistenci proti antibiotikům. Lemované obrácenými repeticemi. • IS elementy a Tn elementy u prokaryot. P elementy u drozofily. Ac a Ds elementy u kukuřice (Barbara McClintock).

Charakteristické rysy mobilních DNA elementů • Nesou si vlastní regulační sekvence (promotory, enhancery). Nejsou závislé na přítomnosti cizích promotorů v místě integrace. Mohou naopak ovlivňovat transkripci sousedních genů. • Většinou v genomu pouze malé množství celých nepoškozených elementů. Většinu tvoří nefunkční, zkrácené či jinak poškozené elementy. Ale i poškozené elementy se mohou kopírovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozených kopií, které dodávají potřebné enzymy.

Vznik a evoluce retroelementů Původní genomy byly tvořeny molekulami RNA myšlenka RNA jako předchůdce DNA všudypřítomnost RNA (probírali jsme v tématu relikty světa RNA) objev ribozymu - uložení i realizace informace reverzní transkriptáza, homologie s RNA replikázami a telomerázami všudypřítomnost retroelementů, různá struktura a mechanizmus replikace, tRNA a sekundární struktury při převedení informace z RNA do proteinů i do DNA

Význam mobilních DNA elementů Dřívější představa Představují pouze zbytečné sekvence „junk DNA“. Parazitická DNA, která genomu jen škodí, nepřináší žádný užitek. Negativní vliv mobilních DNA elementů na hostitele • Inzerční mutageneze. • Ovlivnění genové exprese sousedních genů (zvýšení exprese genů díky silným promotorům či naopak snížení exprese genů v důsledku heterochromatinizace). • Ektopická rekombinace mezi elementy v různých částech genomu může vést ke vzniku chromosomových přestaveb či rozsáhlých delecí či duplikací. • Způsobují zvětšování genomu. Způsobuje energenickou zátěž pro buňku. • U člověka 1% mutací kvůli přeskokům DNA elementů, u drosofily až 50%

Význam mobilních DNA elementů Dnešní představa Může docházet ke vzájemnému přizpůsobení transpozonů a jejich hostitele. V některých případech mohou transpozony poskytnout i užitečné nové funkce pro svého hostitele (domestikace transpozonů). Činí genom dynamičtějším.

Molekulární domestikace transpozonů • Náhrada činnosti telomerázy u Drosophila melanogaster (non- LTR retrotranspozony Het-A, TART, TAHRE). • TERT – telomerická reverzní transkriptáza (proteinová enzymatická komponenta telomerázy), příbuzná RT od L1 • CENP-B protein – váže se na centromery, váže mikrotubuly dělícího vřeténka. blízce příbuzný transpozáze pogo elementu u drozofily (případně Tigger elementu u člověka) • Syncytin – odvozen od env z endogenního retroviru HERV –W. Důležitý pro utváření placenty. • Geny pro miRNA. • Alu a L1 elementy obsahují mnoho CpG míst, které mohou být metylovány - Alu a L1 jsou pravděpodobně hlavními zdroji CpG ostrovů v lidském genomu.

Pozitivní vliv mobilních DNA elementů na hostitele Regulace mutační rychlosti v závislosti na stresu • Transpozony mohou být aktivovány v odpovědi na nějaké vnější podmínky –stres, UV záření, teplotu, radioaktivní záření, zranění, infekci patogenem, polyploidizaci, mezidruhovou hybridizaci • Vznik nových mutací, mezi nimiž mohou být nové varianty schopné daný stres přežít • Adaptivní odpověď, strategie pro zvýšení variability a následnou selekci Tam1 , Tam3 u hledíku (1000x větší aktivita při 15°C) Reme1 u melounu (aktivace UV)

DNA mobilní elementy činí genom dynamičtějším • Podporují duplikaci genů. Díky přítomnosti reverzní ranskriptázy vznikají v genomu pseudogeny. Důležitý proces při evoluci nových genů. • Umožňují přestavby genomu (translokace, inverze). • „Exon shuffling“ pomocí Helitronů. Helitrony = DNA transpozony, replikativní transpozice pomocí mechanizmu valivé kružnice (obsahují různé fragmenty genů – možnost vzniku chimérických genů)

Hledání společného předka všech retroelementů příbuznost retroelementů, evoluční strom progenitor - jednoduchá struktura a všudypřítomnost dvě alternativní hypotézy: (a) retrony (nejjednodušší, codon usage - včleněny dávno) (b) retropozony (největší diverzita sekvencí RT, všudypřítomné)

Dvě hlavní evoluční větve retroelementů první větev: retroelementy bez LTR, jednodušší struktura druhá větev: retroelementy s LTR, složitější struktura, příbuznější jsou retroviry, Ty3-gypsy a caulimoviry, vzdálenější jsou Ty1-copia a hepadnaviry

Evoluce retroelementů gen pro RNA replikázu gag + INT gag RT INT RT první větev RNA virus LTR bakteriální genom mitochond. plazmid intron Hepadnaviry druhá větev Retropozony env ? RT RT Retrotranspozony Ty1-copia Introny II. skupiny Retrony RT Mitochondriální plazmidy RNA virus Retrotranspozony Ty3-gypsy Retroviry Caulimoviry

Chromozomální distribuce retroelementů Vyskytují se na všech chromozomech (hybridizace in situ). Existují místa s vyšší koncentrací retroelementů i bez nich. Retroelementy jsou přítomny v heterochromatinu i euchromatinu, hřbitovy RE. Sex chromozomy – zjištěna akumulace na chromozomu Y u D. miranda, Cannabis sativa, Marchantia polymorpha .

Inzerce retroelementů do již existujících

Inzerční specificita a inzerce retroelementů do heterochromatinu - Inzerce není náhodná (retroviry) - Role IN – targed domain (TD) - Interakce s proteiny chromatinu - inženýrství (nové specifity) - genová terapie integráza heterochromatin

Metoda „transposon display“ – detekce nových inzercí transposonů - Indukce transpozice stresem - Štěpení genomické DNA - PCR okolní oblasti - Nové bandy

Funkce retroelementů I. Koadaptace retroelementů a hostitele Alternativní hypotézy - parazité x významný činitel v evoluci, jsou slučitelné, koadaptace, vliv na hostitele. Pravidlo 3K: konflikt-kompromis-kooperace (ekologie genomu). Mutabilita – stochastické, ale regulované. Místo inzerce retroelementu do genomu - exony, introny, regulační sekvence, LTR, RE, sekvenční specificita. Regulace počtu kopií retroelementů v genomu - obranné mechanizmy hostitele, metylace, rekombinace.

II. Negativní vliv retroelementů na hostitele Sobecká a parazitická DNA. Choroby (hemofilie, rakovina), L1, Alu. Příčinou inzerce nebo rekombinace (mezi Alu). III. Pozitivní vliv retroelementů na hostitele Přestavby genomu, rekombinace. Duplikace, genové rodiny, vznik nových genů (SETMAR aj.). Telomery drozofily. Imunitní systém.

Poškození genomu transposony Rekombinační přestavby Antisense RNA Inzerční mutageneze Umlčení způsobené metylací Chimerická mRNA

Helitrony Jsou nedávno objevené transposony. Využívají mechanismus otáčející se kružnice.

Jsou rostlinné ekvivalenty lidských Alu. MITE elementy Jsou rostlinné ekvivalenty lidských Alu. Neautonomní elementy (master = DNA TE Mariner). Jsou malé, 125 - 500bp. Obrácené koncové repetice (TIR) - konzervativní 10-15 bp. AT-bohaté, tvoří sekundární struktury DNA (hairpins). Preference cílového místa TA(A). Asociace s geny v intronech, poblíž 5‘ nebo 3‘ konců genů.

RYCHLÁ AMPLIFIKACE TRANSPOSONů V EVOLUCI HOMINIDů

Korelace mezi expanzemi transposonů a oddělováním větví savců

Korelace mezi expanzemi transposonů a oddělováním větví savců Alu a LINE-1 existují v našem genomu po dlouhou dobu ~80 MY ~150 MY

Lidský genom je plný starých transposonů zatímco transposony v jiných genomech jsou mladší Srovnání stáří transpozonů v eukaryotických genomech

Různá místa včlenění retroelementů u různých větví primátů L1HS480 lokus člověk Retroviry PTERV1: - u Afrických (šimpanz a gorila) - chybí u člověka a Asijských (orangutan, gibon) lemuři

Obranné mechanismy šíření DNA mobilních elementů • Umlčování transpozonů pomocí metylace cytosinu či RNA interference. • Odstraňování transpozonů pomocí ektopické rekombinace. • Preferenční včleňování transpozonů do míst, kde neškodí (heterochromatin, jiné transpozony). Ale: Některé elementy Např. MITE elementy, Helitrony (eukaryotické DNA transpozony) se vyskytují převážně v blízkosti genů či uvnitř intronů. • Omezení transpozice na germinální linii.

UMLČOVÁNÍ TRANSPOSONŮ Metylace DNA Metylace histonu H3 (lyzin 9) Deacetylace histonů RNAi

Umlčování transposonů je transkripční i posttranskripční

Transkripční umlčování – metylace promotorů TE. Posttranskripční umlčování – sekvenčně specifická degradace RNA v cytoplazmě.

Umlčování transposonů mechanizmem RNAi Caenorhabditis elegans a Drosophila nemají metylaci DNA. Umlčování transposonů je zajišťováno pomocí RNAi.

Tvorba heterochromatinu • Transpozony často umlčeny a heterochromatinizovány pomocí DNA metylace a RNA interference. • Transpozony bývají důležitou součástí heterochromatinu centromer. • Inaktivace chromosomu X v somatických buňkách savců (důležité LINE).

TANDEMOVÉ REPETICE

Evoluce tandemových repeticí Evoluce v koncertu (concerted evolution) Genová konverze Molekulární tah (molecular drive) Nerovnoměrný crossing-over Evoluce satelitních sekvencí – skládání ze segmentů Genová konverze - interchromosomální - intrachromosomální

Satelity mohou vznikat i z retroelementů

PROMISKUITNÍ DNA

Genomové sekvence prozrazují, že spousta DNA z organel soustavně bombardovala jádro od doby, kdy organely vznikly. Nedávné experimenty ukázaly, že DNA přechází z organel do jádra v rozsahu, který byl dříve nepředstavitelný. Endosymbiotický transfer genů je všudypřítomný, kontinuální a přirozený proces, který prostupuje dynamiku jaderné DNA. Tento vytrvalý příliv organelové DNA zrušil autonomii organel a zvýšil komplexitu jádra.

Organelové genomy – pozůstatky prokaryot (i) chloroplast 20-200 kb 20-200 proteinů progenitor - cyanobacteria (Synechocystis) 3.6 Mb 3000 proteinů (ii) mitochondrie 6-400 kb 3-67 proteinů progenitor - alpha-proteobacteria (Mesorhizobium loti) 7 Mb 6 700 proteinů

? ? sinice proteobakterie mitochondrie chloroplast jádro ~ 4000 kb ~ 4000 genů ~ 3000 kb ~ 3000 genů mitochondrie chloroplast ? ~ 150 kb ~ 100 genů 10-2000 kb* ~ 60 genů ? jádro rostlinná buňka

Endosymbiotická evoluce a strom života

Endosymbiotický genový přenos: - transport genů, reimport proteinů

Mechanizmy genového přenosu (i) Přenos velkých kusů DNA (“bulk DNA” hypothesis) intergenové spacery, introns experimenty u kvasinek >100kb (ii) Přenos prostřednictvím cDNA (“cDNA intermediates”) přenesená DNA je sestřižena a editována rekombinace sestřižené mtDNA s nesestřiženou mtDNA heterogenita velikostí mtDNA

Proč některé geny zůstávají v organelách (i) Hydrophobicita, hydrofóbní proteiny jsou těžko importovány do organel. (ii) Řízení redoxního stavu, organely řídí expresi genů, které kódují komponenty jejich elektronového transportu, jejich lokalizace je výhodnější v organelách.

Zmenšení genomů u organel a parazitů Proč některé geny zůstávají v organelách Zmenšení genomů u organel a parazitů Parazité - specializace na intracelulární prostředí - ztráta genů Organely - export genů do jádra hostitele - import produktů

Některé geny se přenášejí do jádra dříve jiné později Nejdříve – regulační funkce (sigma factor of RNApolymerase, gamma subunit of ATPase) Poslední – translace - respirace

Kam se přenesená DNA integruje Nejsou důkazy preferovaných sekvencí nebo částí chromosomů. Sekvenční proměnlivost promiskuitní DNA >95% identity nasvědčuje velké obměně organelových sekvencí. Faktory vedoucí k degeneraci sekvencí Asexualita, poškozující zplodiny metabolismu, selekce na malé genomy. Kompenzující faktory (u rostlin) Polyploidie, reparace DNA.