Jumping Genes Мобильные гены эукариот Вельков В.В. 2013

ТРАНСПОЗОН Нет постоянной локализации в геноме Их названия – Бродяга, Цыган, Бигль, Магеллан, Блоха, Турист, Улисс и т.д. Транспозоны вездесущи – есть у бактерий и у эукариот Перемещение транспозонов происходит 2 способами Путем вырезания с одного места и встраивания в другое Путем образования копии, которая внедряется на новое место. При этом мобильные элементы размножаются

Отличие мобильных элементов от обычных генов 1948 – Барбара МакКлинток, МЭ у кукурузы 1976 – Д. Хогнесс, МЭ у дрозофилы представлены в геноме одной копией Гены имеют постоянное место в определенной хромосоме Мобильные элементы число копий у разных особей – разное, от 0 до десятков и сотен могут менять свое место, перемещаясь в новые локусы той же хромосомы или других

Строение мобильного элемента Гены белков транспозиции ДНК хромосомы Инвертированные или прямые повторы Мобильный элемент В повторах и самом элементе часто содержатся регуляторные элементы – промоторы, энхансеры транскрипции. Кроме того, могут быть уникальные гены, захваченные при перемещениях

Transposable element: mobile genetic elements of a chromosome that have the capacity to move from one location to another in the genome. Normal and ubiquitous components of prokaryote and eukaryote genomes. Prokaryotes-transpose to/from cell’s chromosome, plasmid, or a phage chromosome. Eukaryotes-transpose to/from same or a different chromosome. Nonhomologous recombination: transposable elements insert into DNA that has no sequence homology with the transposon. Transposable elements cause genetics changes and make important contributions to the evolution of genomes: Insert into genes. Insert into regulatory sequences; modify gene expression. Produce chromosomal mutations.

Роль мобильных элементов в геноме Вызывают мутации – встраиваясь в ген или его регуляторную часть. В отличие от обычных мутаций, транспозиции происходят гораздо чаще, особенно в неблагоприятных условиях среды. Большинство МГЭ содержат регуляторные сайты – энхансеры и сайленсеры. Их встраивание рядом с генами – быстрый способ изменения характера транскрипции генов. Могут играть роль в видообразовании – часто близкие виды отличаются именно мобильными элементами.

В 1983 году 82-летняя Барбара Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии за открытие, сделанное почти 40 лет назад.

Transposable elements: Two classes of transposable elements/mechanisms of movement: Encode proteins that 1) move DNA directly to a new position or 2) replicate DNA and integrate replicated DNA elsewhere in the genome (prokaryotes and eukaryotes). Retrotransposons encode reverse transcriptase and make DNA copies of RNA transcripts; new DNA copies integrate at different sites (eukaryotes only).

Conservative (Non Replicative) Transposition In a conservative (or simple) transposition event, the TE is excised from its original location by transposase and transferred to a new position in the genome

Механизм нерепликативной транспозиции:

Figure 5-69 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) “Cut and paste” transposition DNA-only transposons recognized in chromosomes by the inverted repeat sequences at their ends (can be as short as 20 nt)

Replicative Transposition In replicative transposition, the TE is nicked on a single strand. Simultaneously, the target DNA site is also nicked. This induces a process similar to recombination, in which one strand of the TE inserts itself into the target DNA site. Gap repair synthesis fills in the missing bases, resulting in a TE in both the original and target DNA.

Стильное приглашение на свадьбу, вклеить фото онлайн

Cut and paste Разрежь и вклей Сopy and paste Скопируй и вклей

Short direct repeats flanking the newly inserted element A very common feature of mobile elements is duplication of a short sequence at the target site. This generates short direct repeats flanking the newly inserted element. This results for a staggered cut being made in the DNA strands at the site of insertion.

How duplications in the target site probably occur. Duplication remains when element excises, thus the Footprint.

Classes of Transposable Elements Insertion Sequences Inverted terminal repeats, which are necessary for transposition to occur, are found at both ends A central region that codes for the enzyme transposase

Composite transposons Are composed of two truncated insertion sequences which are bound together by an antibiotic resistance gene

Общая структура мобильных элементов В состав тела транспозона могут входить: функциональный или «испорченный» ген транспозазы ген резолвазы ген устойчивости к антибиотикам гены дополнительных ферментов клеточного метаболизма

В ходе развития зерна в некоторых клетках случайным образом происходят перемещения подвижного элемента. Все потомки таких клеток будут окрашены и сложатся в пятно на поверхности зрелого зерна.

Последствия транспозиции Изменение окраски - последствия транспозиции

Чем раньше произошел «прыжок» подвижного элемента, тем крупнее будет пятно.

Retrotransposition Retroelements transpose by way of an RNA intermediary. The mRNA product of retroelement transcription is used as a template to reverse transcribe the mRNA into DNA. This newly made DNA, which is a copy of the retroelement, can insert itself in a new location in the genome

Retrotransposons Represent 42% of the human genome! Mobile genetic elements which can amplify themselves (selfish) and change the amount of DNA in a genome Mechanism – Copy themselves to RNA Forms DNA via a reverse transcriptase that may be encoded by the retrotransposon Integrates back into genome Can induce stable mutations by inserting near or within a gene

Retrovirus

Viral retroelements Viral retroelements contain long terminal repeat sequences at both ends of the element. They also code for both reverse transcriptase and integrase, which are needed for retrotransposition. Their ability to transpose intercellularly has not been observed in any other TE.

Non-viral-like retroelements Contain a gene for reverse transcriptase, as do viral retroelements. However, they do not appear to have any other similarities to viral retroelements.

Autonomous & Non-autonomous elements Non-autonomous do not encode a cis-acting factor (probably a transposase) needed for transposition. Autonomous elements do encode a factor that can act in trans to move coresident non-autonomous elements. Non-autonomous elements may derive from autonomous elements by deletion of internal segments, thus inactivating their ability to program transposition. Alternatively, non-autonomous elements may arise when two sequences arise in proximity by mutation to be sufficiently similar to the element's inverted repeat termini.

LTR retroposons Bascially, these are retroviruses without the env protein Retroviruses evolved from retropsons. They have the LTR and (usually) gag genes. LTR retroposons are often simple called retrotransposons

LTR (long terminal direct repeats) retrotransposons Retrotransposons move by a “copy and paste” mechanism but in contrast to transposons, the copy is made of RNA, not DNA. The LTR’s (long terminal direct repeats) contain all of the necessary transcriptional regulatory elements The autonomous also contain gag and pol which encode a protease, reverse transcriptase, RNaseH, and integrase. Reverse transcription occurs in the cytoplasm primed by a tRNA (in contrast to nuclear location and chromosomal priming of LINEs)

Non-LTR transposition The LINE is transcribed into mRNA (red). A part of this mRNA is translated into proteins involved in the integration complex, which binds to the 3' end of the mRNA transcript. The target site (blue) is cleaved followed by reverse transcription, with the 3' end of the target site as the primer. Newly synthesized cDNA is shown in pale green. Ligation of the cDNA occurs at the 5' end, and the second strand is synthesized using the first cDNA strand as template and the host DNA polymerase

Non-LTR retroposons Also called retroposons. They have the pol and gag-related gene, but lack the LTRs, LINEs (Long interspersed elements) LINEs are one of the most ancient and successful inventions in eukaryotic genomes. Upon translation, a LINE RNA assembles with its own encoded proteins and moves to the nucleus, where an endonuclease activity makes a single-stranded nick and the reverse transcriptase uses the nicked DNA to prime reverse transcription from the 3' end of the LINE RNA. Reverse transcription frequently fails to proceed to the 5' end, resulting in many truncated, nonfunctional insertions. Most LINE-derived repeats are short, with an average size of 900 bp for all LINE1 copies, and a median size of 1,070 bp for copies of the currently active LINE1 element (L1Hs). The LINE machinery is believed to be responsible for most reverse transcription in the genome, including the retrotransposition of the non-autonomous SINEs and the creation of processed pseudogenes Three distantly related LINE families are found in the human genome: LINE1, LINE2 and LINE3. Only LINE1 is still active.

L1 = example of LINE Nonretroviral retrotransposon Moves by transpositional site-specific recombination 2 open reading frames One codes for RNA-binding protein of unknown function Other codes for protein with domains for reverse transcriptase and an endonuclease that nicks genome at site of insertion

LINEs - long interspersed repetitive elements 6kb in humans Encodes an internal polymerase II promoter and two open reading frames Reverse transcription frequently fails to proceed to the 5’ end, resulting in many truncated nonfunctional insertions. Endonuclease is not highly sequence specific but seems to preferentially recognize a DNA junction between pyrimidines and purines (dTn–dAn) +endonuclease Graur & Li. Fundamentals of Molecular Evolution (1999)

LINE-1 The LINE-1 (L1) retrotransposon is the most abundant mobile element of the human genome. There are approximately 500,000 copies of L1 that comprises ~17% of human DNA. However, only ~100 elements remain potentially active. Because of their activity L1 can induce genetic diseases by insertional mutation in either coding or regulatory regions. Moreover, because of its high representation in the genome, L1 can generate deleterious genomic rearrangements induced by non allelic homologous recombination.

L1 (LINE1) insertions have turned up in several genetic disorders including Duchenne muscular dystrophy, type 2 retinitis pigmentosa, thalassaemia and chronic granulomatous disease Prak & Kazazian. (2000) NRG. 1: 134-144 Insertions

Prak & Kazazian. (2000) NRG. 1: 134-144 In addition to duplicating themselves L1s can carry with them genomic flanking sequences that are downstream of their 3UTRs. Transduction

Repair by retrotransposition LINE-1 elements, an abundant class of mammalian transposable elements, can insert at sites of double-stranded DNA breaks

SINEs are freeloaders on the backs of LINE elements

Parasites upon parasites SINEs (Short interspersed elements) SINEs are freeloaders on the backs of LINE elements. short (about 100Р400 bp), harbour an internal polymerase III promoter and encode no proteins. non-autonomous transposons use the LINE machinery for transposition. most SINEs 'live' by sharing the 3' end with a resident LINE element. Most promoter regions of known SINEs are derived from tRNA sequences A single monophyletic family of SINEs (ALU) derived from the signal recognition particle component 7SL This family is the only active SINE in the human genome The human genome contains three distinct monophyletic families of SINEs: the active Alu, and the inactive MIR and Ther2/MIR3.

SINES Mobile Highly repetitive Transposed into genomic loci through RNA intermediates (retrotransposition) Source of insertional mutagenesis throughout mammalian evolution Not encode own endonuclease or reverse transcriptase---use ones from the cell In primates --- related to 7SL RNA In rodents--- related to both 7SL RNA and tRNAs In all other animals and plants---related to tRNAs

Graur & Li. Fundamentals of Molecular Evolution (1999)c SINEs are successful LINE freeloaders! Encode an internal polymerase III promoter but no proteins SINEs transpose by using the LINE machinery LINE machinery

Human Alu = example of SINE 1 X 106 copies per haploid genome (>5% mass of human genome) About every 3 kb on average Continues to amplify at rate of 1 insertion every 200 new births

Prak & Kazazian. (2000) NRG. 1: 134-144 Apart from influencing gene expression and function through insertions, the large number of Alu elements, and to a lesser extent L1 elements, may promote homologous recombination events. Recombination

Some types of rearrangements mediated by DNA transposons Gene (2005)345 pp91-100

Транспозоны эукариот автономные (Ac из Zea mays) неавтономные (Ds из Zea mays) 4560 п.н. 11 11 8 8 мутация гена, кодирующего транспозазу Эксплуатация транспозазы

P-элемент Drosophila melanogaster 31 2900 п.н. pre-mRNA 3’ сплайсинг 5’ 8 31 8 мРНК транспозазы

General properties of plant transposons Possess ITR sequences and generate short repeats at target sites. May activate or repress target genes, cause chromosome mutations, and disrupt genes. Two types: Autonomous elements transpose themselves; possess transposition gene. Nonautonomous elements do not transpose themselves; lack transposition gene and reply on presence of another Tn McClintock demonstrated purple spots in otherwise white corn (Zea mays) kernels are results of transposable elements.

Autonomy in Transposition Maize transposable elements of the Ac type transpose regardless of the genetic background they are in. They belong to the class of autonomous elements. Maize transposable elements of the Ds type do not transpose unless one or more copies of Ac are also present in the genome. They are designated non-autonomous elements

Transposon effects on corn kernel color

Processed pseudogenes (retropseudogenes) cDNA copies of reverse-transcribed mRNAs. Because the mRNA does not contain the Pol II promoter (it is external to the coding sequence), these are almost always inactivate upon formation.

P element

P element !! there is a family of transposable elements known as the P element family. P elements refer to all elements related to the initial sequence cloned in D. melanogaster. A P element is an insertion sequence (transposable element) found only in Drosophila. Its mode of transposition is conservative, meaning it does not increase in number by undergoing transposition. However, this transposition is almost exclusively found in the germ line cells.

P elements are typical transposable elements, containing terminal inverted repeats and creating target site duplications on transposition. Autonomous P elements encode a protein which is probably the transposase. Hybrid dysgenesis results from activation of the transposition ability of dormant P elements. P elements are maintained in a dormant state by a factor present in P cytoplasm. Transposition causes a variety of genetic aberrations

Drosophila transposons ~15% of Drosophila genome thought to be mobile. P elements Hybrid dysgenesis, defects arise from crossing of specific Drosophila strains. Occurs when haploid genome of male (P strain) possesses ~40 P elements/genome. P elements vary in length from 500-2,900 bp. P elements code a repressor, which makes them stable in the P strain (but unstable when crossed to the wild type female; female lacks repressor in cytoplasm). Used experimentally as transformation vectors.

Гибридный дисгенез у дрозофилы. Три системы дисгенеза: P-M (p-элементы), H-E (Hobo), I-R (I-элемент) P-M система: Р-линии (30-60 копий Р элемента, часть дефектные), М-линии (нет Р элементов, или все дефектные (М’ линии). Скрещивание самцов Р с самками М вызывает гибридный дисгенез (множественные мутации и фенотипические изменения, потомство частично стерильно).

Classes of transposable elements Science 12 March 2004: Vol. 303. no. 5664, pp. 1626 - 1632

Основные типы мобильных элементов

Number of Mobile elements Element Human Fly Worm Arabidopis LINE/SINE 33.4% 0.7% 0.4% 0.5% LTR 8.1% 1.5% 0.0% 4.8% DNA 2.8% 0.7% 5.3% 5.1% All Tes 44.4% 3.1% 6.5% 10.5% Humans contain a higher percentage of mobile elements (active and incactive) relative to three other fully-sequenced genes (Fly, worm, mustard)

Мобильные элементы в геноме человека % генома Длина Число копий Ретро транспозоны

Мобильные элементы в геномах эукариот: человека, дрозофилы и нематоды Количество МГЭ в эухроматине человека гораздо больше, чем у мухи и нематоды.

МОБИЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 1) Мишени для специфической рекомбинации 2) Предоставляют новые сайты сплайсинга 3) Содержат работающие промоторы и энхансеры 4) Предоставляют сигналы полиаденилирования 5) Трансдуцируют (переносят) уникальные последовательности ДНК 6) Создают псевдогены

Функции мобильных элементов: реорганизация генома в результате рекомбинации по повторам Делеция нуклеотидной последовательности между двумя сонаправленными элементами. Инверсия нуклеотидной последовательности между двумя противонаправленными элементами. Транслокация нуклеотидной последовательности между двумя участками генома в результате негомологичной рекомбинации. Хромосомные абберации и транслокации. (4)

Функции мобильных элементов: взаимодействие с генами Встраивание в экзон – нарушение рамки считывания. Разрушение сплайс-сайта – пропуск экзона. Дополнительный сплайс-сайт – короткая форма мРНК Экзонизация – дополнительный экзон, возможно, с нарушением рамки считывания и/или стоп-кодоном.

Функции мобильных элементов: взаимодействие с генами LTR – усиление транскрипции гена и/или его альтернативный старт. Встраивание транспозона между энхансорами или регуляторами может приводить к нарушению регуляции гена, блоку экспрессии или оверэкспрессии. LTR, встроившийся перед протоонкогеном может вызвать его экспрессию и перерождение клетки в раковую.

Функции мобильных элементов: взаимодействие с генами Мобильный элемент в интроне гена в антисенс ориентации может блокировать экспрессию гена через конфликт полимераз. Интеграция мобильного элемента в UTR может приводить siРНК интерференции и блокированию трарнсляции мРНК. Гиперметилирование ДНК в районе интеграции мобильных элементов может блокировать активность близлежащих генов.

Функции мобильных элементов: теломеры Теломеры эукариот содержат однонитевую ДНК Специфические «мобильные элементы (LINE)» дефектные по эндонуклеазе имеют на 3’конце область, комплиментарную повтору теломеразы. Теломераза достраивает теломеру после интеграции элемента. При этом теломера существенно удлиняется.

Функции мобильных элементов: экзонизация Экзонизацией называется образование новых экзонов, включающих в себя часть или целый мобильный элемент. Экзонизация возникает, в результате образования дополнительного сплайс-сайта. Как правило возникает альтернативный сплайс- вариант мРНК. Если образовавшийся экзон полезен, отбор может отселектировать один вариант из двух или оставить оба.

Роль мобильных элементов: новые функции в клетке ID – элемент, только у грызунов, произошёл, вероятно из тРНК аланина. Не автономный, использует LINE1 для ретропозиции. ВС1 – это ID – элемент с добавлением специфического участка. Активен только в мозгу, только в гипоталамусе. Функция до конца не понятна, вероятно регуляция синтеза белков в дендритах нервных клеток. У приматов есть полный аналог BC1 – это BC200, расположенный в ином локусе, но так же активный в мозгу и сформировавшийся из Alu элемента.

Эффекты перемещения транспозонов Инсерционный мутагенез – у дрозофилы 80% мутаций связано с перемещением моб. Элементов Изменение экспрессии генов за счет наличия в транспозонах регулирующих элементов 3. Хромосомные аберрации ( инверсии, делеции) 4. Могут изменить границы гена, внедряясь в петлю ДНК и имитируя эффект инсулятора

Spontaneous Mutations

Роль мобильных элементов в жизни эукариот. Мобильные элементы в геноме эукариот в основном являются мутагенами. Стратегии защиты клетки от активности мобильных элементов включают инактивацию транскрипции, блокирование трансляции, нарушение структуры РНК мобильного элемента. В принципе, эти механизмы работают по отношению к любому многокопийному гену в составе генома, за исключением облигаторных клеточных компонентов. Дополнительные уровни защиты от активности мобильных элементов включаются при формировании гамет. Это Piwi-РНК система и блокировка формирования яйцеклеток при обнаружении активности мобильных элементов. Помимо прямой мутагенной активности, мобильные элементы могут вызывать различные эффекты на экспрессию генов через взаимодействие с элементами структуры гена. Некоторые мобильные элементы были рекрутированы отбором на исполнение особых, специфических функций (например RAG система или BC1 и BC200, достройка теломер). Некоторые мобильные элементы имеют функцию внутри кодовой части или в окружении гена. Рекрутированная функция мобильных элементов в ORF части гена чаще всего является спейсерной сигнальной. Мобильные элементы, рекрутированные в функцию целиком, часто работают буфером.

Evolutionary Implications of Mobile Elements Huge generators of new mutations Regulatory changes from strong promoters in TEs Insertion mutation excision mutations Hybrid dysgenesis

Phylogenomics Retroposed Elements as Archives for Evolutionary History