Transpozony - mobilní genetické elementy Tvoří pravidelnou součást genomu prokaryot i eukaryot (až 50% genomu) Navozují mutace genů (inzerční inaktivace, polární mutace, změny exprese genů) Jsou zodpovědné za přestavby chromozomů nebo plazmidů (tvoří "přenosné" úseky homologie, podmiňující homologní rekombinace, interakce mezi složkami genomu) Přenášejí nové znaky (např. AntR, onkogeny) mezi organismy (horizontální přenos genů) P T Gen 1 Gen 2 Základní typy transpozonů a jejich klasifikace DNA-transpozony • Transpozony „cut and paste“ (prokaryota a eukaryota) – vyčlení se z původního místa a začleňují se do nového • Replikativní transpozony (prokaryota) – během transpozice se replikují (jedna kopie zůstává v původním místě, druhá se objeví v novém místě) - Konjugativní transpozony (bakterie) – horizontální přenos Retrotranspozony (eukaryota) – během transpozice se transkripcí sekvence transpozonu vytváří RNA, která se převádí reverzní transkripcí na DNA, která se pak začleňuje do nového místa - retroviry, - retrovirům podobné elementy, retropozony - retrony (bakterie) Struktura mobilních elementů bakterií Inzerční sekvence (IS) Složené transpozony (Tn) transponáza Příklady složených transpozonů bakterií Rezistence k antibiotikům: Kanamycin Gentamycin Ampicilin Tetracyklin Chloramfenikol Streptomycin Vedle místa začlenění Mobilní elementy u kukuřice (Ac/Ds) (Elementy B. McClintockové) Ac element Ds elementy Autonomní elementy schopné zajistit vlastní transpozici Neautonomní elementy schopné transpozice za přítomnosti Ac elementů IR o délce 11 bp Transpozice Ds elementu u kukuřice Funkční gen pro purpurovou barvu obilek Vyčlenění Ds elementu z genu zprostředkované transponázou Ac elementu Gen pro purpurovou barvu obilek přerušený transpozonem Znovunabytí funkce genu pro purpurovou barvu obilek v buňkách, v nichž došlo k vyčlenění transpozonu. Náhodnost procesu vyčlénění má za následek vznik skvrnitých obilek Transpozony u kukuřice Transpozony u Antirrhinum Mozaikovitost květu je způsobena pohyby transpozonů, které jsou začleněny do obou alel genu pro anthokyanin. Vyčlenění transpozonů vede k vytváření červených sektorů. Mobilní elementy Drosophila melanogaster - P elementy Transpozony navozující dysgenezi hybridů K transpozici dochází jen v zárodečných buňkách, kde se tvoří aktivní transponáza – v somatických buňkách nedochází k sestřihu mariner – různé druhy drosofil a hmyzu, HGT. Dysgeneze hybridů navozená transpozicí P-elementů Kmen P Kmen M Vysoká frekvence mutací, chromozomové aberace, neschopnost tvorby gamet P element 2,9 kb 31 bp dereprese transponázy Dysgeneze hybridů navozená P-elementy piRNA vytvářené z P-elementů zabraňují transpozici Typy transpozice - intramolekulární - intermolekulární Mechanismy transpozice „cut and paste“ Vznik přímých repeticí v cílovém místě po začlenění transpozonu Cílové místo Vytvoření posunutých zlomů transponázou Doplnění komplementárních úseků Začlenění transpozonu do cílového místa Duplikovaná cílová sekvence transpozon Vznik kointegrátu Rozklad kointegrátu homologní rekombinací Nová kopie transpozonu Replikativní transpozice Tn3 Struktura transpozonu Tn3 38 bp res Mechanismus replikativní transpozice Důsledky začlenění transpozonů do genomu hostitele Chromozomová přeskupení navozená transpozony = transpozon (ektopické intrachromozomové výměny) Delece úseku mezi transpozony Inverze úseku mezi transpozony přímá opakování obrácená opakování rekombinace rekombinace Dva stejné nebo podobné transpozony ve stejné (a) nebo obrácené (b) orientaci a) b) Delece pozorované v místě začlenění IS1 v lokusu gal E. coli Úloha transpozonů při evoluci R-plazmidů - každý transpozon může být přenášen nezávisle retrovirus (obsahují LTR) pol RT neautonomní nemají LTR Dlouhé rozptýlené jaderné elementy Long interspersed nuclear elements Short interspersed nuclear elements Krátké rozptýlené jaderné elementy gag = proteiny virové částice; pol = reverzní transkriptáza/integráza env = proteiny lipidového obalu endogenní retroviry Mobilní elementy kvasinek - Ty elementy LTR Enzymy zajišťující zpětnou transkripci a integraci DNA do nových míst v genomu Retrovirům podobné elementy - Virus like particles (VLP) Transpozice kvasinkového Ty1-elementu Životní cyklus retroelementu Ty1 PIC = preintegrační komplex: cDNA + integráza Retroelementy u drozofily Copia elementy (element podobný retrovirům) Gypsy elementy (element podobný retrovirům) F, G a I-elementy (retropozony – nemají LTR) HeT-A, TART (telomere associated retrotransposons) – transpozice v telomerách, regenerace konců chromozomů ztracených při replikaci podobné Ty- elementům Inaktivní nejméně 50 milionů let Alu Endogenní retroviry 45% lidského genomu Repetitivní DNA – genetické haraburdí, junk DNA, selfish DNA Sleeping beauty – uměle rekontruovaný transpozon Mechanismus transpozice L1 v lidském genomu RNA ORF2: endonukleáza, reverzní transkriptáza ORF1: polypeptid zodpovědný za transport L1 RNA do jádra? Transpozice neretrovirových retrotranspozonů (sekvence LINE 1) místně specifickou rekombinací Iniciační fáze, při níž endonukleáza (součást RT) připojená na L1 RNA štěpí cílovou sekvenci - uvolněná 3´OH skupina funguje jako primer pro reverzní transkripci - vytváří se ssDNA napojená na cílovou DNA. V dalším kroku se vytvoří dsDNA, která se začlení do cílového místa Transpozice retrovirů nebo retrotranspozonů místně-specifickou rekombinací RNA RT Štěpení konců transpozonu integrázou Atak cílových sekvencí na chromozomu 3-12 nt HIV - Human immunodeficiency virus AIDS = acquired immune deficiency syndrom (syndrom získaného selhální imunity) Th-lymfocyt (+ další typy buněk virus je polytrofní) HIV-1 se váže na specifický receptor Th-lymfocytu, CD4 Životní cyklus viru HIV Začlenění dsDNA viru HIV do chromozomu hostitelské buňky Cirkulární forma dsDNA hnRNA mRNA DNA Vznik upravených pseudogenů Původní funkční gen Sestřih a připojení polyA Reverzní transkriptáza některé transkripty konvertuje na cDNA Vytvořená cDNA je začleněna do jiných míst genomu - vzniká pseudogen, který není funkční v důsledku chybění promotoru Vytváření upravených pseudogenů Retrotranspozice „homing retro-intronů“ skupiny II Intron začleněný v jedné z kopií genu kopie genu neobsahující intron Vytvoření enzymu s dvojí aktivitou Štěpení genu v cílovém místě dvouřetězcový zlom dsDNA kopie intronu po mnoha generacích mobilní elementy Vznik „odpadní“ DNA jako důsledek transpozice a následné inaktivace mobilních elementů Vznik retrovirů přenášejících onkogeny retrovirus Inzerční aktivace protoonkogenu pomalu transformujícími retroviry nádor Transdukce onkogenu akutně transformujícími retroviry nádor Akutně a pomalu transformující retroviry Význam transpozonů v evoluci genomů - vytváření mutací (inzerční inaktivace, posunové mutace) - přestavby chromozomů (delece, inverze, duplikace) - interakce složek genomů (chromozomů, plazmidů…) - horizontální přenosy genů (onkogenní retroviry) Využití transpozonů: vektory pro přenos genů