Какво е транспозон? – с една проста дума


ДНК на живите организми се състои от различни последователности. Някои от тези последователности са гени, които кодират клетъчни протеини и РНК, а някои от тях са структурни последователности. Някои структурни ДНК последователности са фиксирани и някои от тях се движат между различни части на генома. Мобилните ДНК последователности в еукариотните и прокариотните клетки се наричат ​​транспозони. След това ще обясним какъв е механизмът на транспозонно предаване.

Някои транспозони се превръщат в РНК, преди да бъдат прехвърлени на ново място, а други се прехвърлят директно на новото място под формата на ДНК. Единственият ген, който е кодиран в тази област на ДНК, е ензим, участващ в транслокацията. В тази статия от списание Faradars обясняваме какво е транспозон и разглеждаме неговите видове и механизми на предаване.

Какво е транспозон?

Транспозоните са части от ДНК, които се движат между различни части на генома на клетката. Тези елементи присъстват в прокариотните и еукариотните клетки. Транспозонът има ензимен ген, който помага при пренасянето му. Началото на репликацията отсъства в транспозоните. Поради тази причина той е независим от други части на генома за трансфер и отделяне от хромозомата, но за репликация зависи от други части на хромозомата или плазмида. Някои от транспозоните са разположени в кодиращите области на гена, но повечето от тях са разположени в неутрализиращите последователности като центромер и теломер. Тези части обикновено се образуват от последователни последователности от temrari. Прехвърлянето на транспозони между различни части на генома може да доведе до мутации или рекомбинация на ДНК. В останалата част от тази статия обясняваме видовете транспозони в еукариотите и прокариотите заедно с тяхната роля.

Видео за обучение по генетика за напреднали в извънкласни часове

щракнете

Какви са видовете транспозони?

Транспозоните съставляват поне 44% от човешкия геном и повече от 80% от генома на растенията. Други части от генома са съставени от кодиращи последователности и неподвижни структури. ДНК кодиращите последователности определят появата на черти, но транспозоните и структурните последователности могат да променят функцията на кодиращите сегменти. Генетиката е много обширна тема, от която транспозоните са малка част. Ако искате да имате по-изчерпателна информация за структурата на генома и видовете транспозони, препоръчително е да гледате извънкласните образователни видеоклипове, подготвени по тази тема.

  • Извънкласно обучение по молекулярна биология за напреднали
  • Разширено извънкласно обучение по генетика

Еукариотните транспозони се разделят на две основни категории: клас I или ретротранспозони и клас I или ДНК транспозони. По-долу първо обясняваме ретротранспозона и след това изследваме ДНК на транспозоните и прокариотните транспозони.

Какво е ретротранспозон?

Ако сте проследили предишните части на тази статия от нашето списание Faradars, вие разбирате какво е транспозон. В този раздел ще обясним един вид транспозон. Ретротранспозоните са елементи, които изискват ензима обратна транскриптаза за трансфер. Механизмът на трансфер на тези транспозони е подобен на трансфера на генетичен материал на ретровирусите. За да се прехвърлят тези елементи, първо копие на РНК се транскрибира от ДНК. След това ензимът обратна транскриптаза подготвя ДНК копие от РНК и това копие се поставя на ново място в генома. Тези елементи са разделени на LTR и не-LTR групи.

LTR елементи

LTR елементите се състоят от централна генна кодираща област и дълги повтарящи се последователности в двата края (Long Terminal Repeats | LTR). Крайните повтарящи се последователности са последователности от няколкостотин двойки съвпадения и хомология. Има gag и pol гени в кодиращия регион на тези елементи. Генът gag кодира вирусоподобен структурен протеин, в който се извършва обратна транскрипция. Генът pol кодира ензими протеаза, обратна транскриптаза и интеграза. За да прехвърли тези елементи, първо РНК полимераза II транскрибира иРНК копие от промотора, разположен в $$5^\prime LTR$$ региона. Тази иРНК се транслира в цитоплазмата във вирусоподобни протеини и ензими на механизма на прехвърляне.

В цитоплазмата се образуват вирусоподобни частици. Всяка вирусоподобна частица обикновено съдържа две РНК. Праймерът на първата стъпка на обратната транскрипция е тРНК, която се сдвоява с региона $$5^\prime LTR$$. След това сДНК, образувана от $$5^\prime LTR$$ региона се прехвърля към $$3^\prime LTR$$ региона и транскрипцията продължава. И накрая, двойноверижната сДНК се произвежда от РНК. След прехвърляне в ядрото cDNA навлиза в нова част от генома.

Елементът Ty е LTR ретротранспозон в генома на дрождите. В тази последователност от 5,9 kbp има два повтарящи се края от 340 bp. В повечето видове дрожди има около 35 копия на Ty1, който се състои от TyA и TyB гени. TyA кодира структурни протеини, а TyB кодира ензимни протеини (обратна транскриптаза и интеграза). cDNA се произвежда и прехвърля в новата част на генома по същия механизъм като другите LTR ретротранспозони.

Елементи, които не са LTR

Дългите двустранни повтарящи се последователности липсват в не-LTR елементи. Но $$3^\prime$$ краищата на тези елементи завършват с последователността от А нуклеотиди. Тези елементи съдържат една или две отворени области за четене (ORF), които кодират ензимите, необходими за обратна транскрипция и интегриране на транспозона в новото място. Дълги разпръснати ядрени елементи (LINE) и къси разпръснати ядрени елементи (SINE) са не-LTR ретротранспозони в човешкия геном. L1, L2 и L3 са три дълги разпръснати ядрени елемента в човешкия геном. L1 е активен, а L2 и L3 са неактивни. L1 е около 6 kb и се състои от вътрешен промотор и две ORF. Ензимът РНК полимераза II идентифицира промотора на тази част от ДНК. ORF1 кодира протеини, свързващи нуклеинова киселина, а ORF2 кодира обратна транскриптаза и ендонуклеазни ензими. За да научите повече за последователностите на LINEs и SINEs, можете да гледате видео урока за Advanced Molecular Biology, към който има връзка по-долу.

Видео за обучение по молекулярна биология за напреднали в извънкласни часове

щракнете

В човешкия геном има между 3 и 5 хиляди копия на L1. За да се прехвърлят тези елементи, иРНК първо се транскрибира и транслира. В следващата стъпка РНК заедно с протеините се връща в ядрото и ензимът обратна транскриптаза произвежда двойноверижна кДНК. И накрая, нуклеазният ензим създава разрез в ДНК на гостоприемника и ЛИНИИТЕ се поставят на новото място на генома. SINE са последователности от по-малко от 400 bp, които нямат ORF и не кодират ензими, необходими за производството и транскрипцията на cDNA. Поради тази причина те зависят от LINEs за предаване. Елементите Alu, MIR и Ther2/MIR3 са SINE в човешкия геном. Au е активен, а MIR и Ther2/MIR3 са неактивни.

Какво е транспозонна ДНК?

ДНК транспозоните не изискват РНК междинен продукт за трансфер между две части на генома. Тези елементи се състоят от кодиращата последователност на ензима транспозаза и обратни крайни последователности (например $$5^\prime TAATGCGTC$$ в единия край и $$3^\prime ATTTACGCAG$$ в другия край). Транспозазата е ензим, който има нуклеазна и лигазна активност. За да прехвърли ДНК на транспозона, транспозазата се свързва с обратните крайни последователности и създава огъване в ДНК, което обединява двата края на транспозона. След това транспозазата прави разрез във всяка ДНК верига. При прехвърлянето на някои транспозази вторият разрез се създава от ензими, а при някои транспозони свободният ОН край се свързва с противоположната верига и се създава разрез във втората верига.

В следващата стъпка свободният ОН край на транспозона, който все още е прикрепен към транспозазата, атакува фосфодиестерна връзка между нуклеотидите на ДНК на гостоприемника в две точки и създава разрез в ДНК. Разстоянието между генерираните срезове е между 2 и 9 bp. След интегрирането на транспозона с целевата ДНК, възстановителната система на клетката запълва празнината, създадена в нуклеотидната последователност. В допълнение, транспозонните празнини в ДНК на гостоприемника се поправят с помощта на хомоложна рекомбинация или нехомоложни механизми за свързване на краищата.

Този метод е основният механизъм за ДНК трансфер на транспозони. Но някои от тези елементи се прехвърлят по друг механизъм. При втория механизъм репликираното копие на транспозоновата ДНК се прехвърля на ново място в генома. В първата стъпка на този механизъм транспозазата се свързва с обратните крайни последователности и обединява двата края на транспозона чрез създаване на огъване. В следващата стъпка транспозазата отрязва $$3^\prime$$ края на транспозона в две ДНК вериги. В следващата стъпка свободният ОН край разкъсва фосфодиестерната връзка между нуклеотидите на двете вериги на целевата ДНК. В този случай транспозонът все още е прикрепен към транспозазата и неговият $$5^\prime$$ край не е отделен от първичната ДНК. За да научите повече за „нуклеотидите“, можете да прочетете свързаната статия „Nucleotidchist“ от списание Faradars.

В следващата стъпка репликационните ензими използват OH в края на $$3^\prime$$ на целевата ДНК молекула, която репликира две ДНК вериги. В последния етап преместените хромозомни части се връщат в първоначалното си състояние чрез един от механизмите на рекомбинация. В следващия раздел какво е транспозон ще разгледаме прокариотните транспозони.

Какво представляват прокариотните транспозони?

Геномът на бактериите е по-прост от този на еукариотните клетки. Но подобно на генома на еукариотите, той се състои от генно кодиращи последователности, фиксирани структурни последователности и транспозони. Ако се интересувате да научите повече за бактериалната генетика, можете да гледате образователните видеоклипове по микробиология, медицинска микробиология и основи на генетиката, които са свързани по-долу. В някои от тези извънкласни образователни видеоклипове генетиката на бактериите е напълно преподавана.

  • Видео за обучение по извънкласна микробиология
  • Обучително видео по медицинска микробиология
  • Видео за обучение по основи на генетиката
Кликнете върху изображението, за да го видите в по-голям размер.

Инсерционните последователности, съставните транспозони и простите транспозони са мобилни ДНК фрагменти на бактерии. Последователностите на вмъкване са най-простите мобилни елементи в бактериите, които се прехвърлят между различни части на хромозома или плазмид. Последователностите на бактериално вмъкване се състоят от ген, който кодира ензим транспозаза. Има различни последователности на снаждане в бактериите, които са с дължина около 1000 bp. В двата края на тези елементи има обърнати последователности от 9 до 40 двойки. Трансферът на тези елементи е подобен на ДНК на еукариотните транспозони.

За трансфер транспозазен ген първо се транскрибира и транслира. В следващата стъпка ензимът транспозаза се свързва с обратния край на инсерционната последователност и създава разрез в хромозомната или плазмидната ДНК. В продължението на последователността на оплождането тя се отделя от първичната ДНК. Ензимът транспозаза идентифицира мястото на свързване в новата ДНК с помощта на обратни крайни последователности и създава разрези с едноверижни краища в ДНК нишките. Накрая вмъкнатата последователност се интегрира с целевата ДНК и системата за възстановяване на клетката поправя създадената празнина.

Прокариотните транспозони са по-големи от инсерционните последователности и съдържат повече гени. Композитните транспозони се състоят от част от ДНК, поставена между две инсерционни последователности. В резултат на това има четири обратни последователности в тези транспозони. В съставните транспозони има ген за резистентност към антибиотици в допълнение към гена за транспозаза. Tn10 е един от бактериалните съставни транспозони с 9,3 kbp, от които 1,4 kbp са странични последователности. В последователността от прости транспозони, в допълнение към гена на транспозазата, има няколко други гена и в двата му края има 30 до 40 базови двойки обратни повтарящи се последователности. Tn3 е един от простите бактериални транспозони с 5 kbp, който съдържа три гена на бета-лактамаза, транспозаза и “резолваза”. Ензимът бета-лактамаза играе роля в резистентността към пеницилин, а ензимите на два други гена участват в транскрипцията и рекомбинацията.

често задавани въпроси

В този раздел на списание Faradars отговаряме на редица въпроси относно това какво е транспозон.

Ролята на транспозоните в клетката

В предишните части на тази статия разбрахме какво е транспозон и какви са неговите видове. В този раздел обясняваме ролята на транспозона в клетката. Ролята на транспозоните в различните клетки зависи от влизането им в целевия ген. Преместването на тези фрагменти в различни части на генома може да доведе до точкови мутации, промени в генната експресия или хромозомни пренареждания. В допълнение, увеличаването на броя на ДНК фрагментите увеличава размера на генома. Много клетъчни елементи се инактивират чрез метилиране на ДНК, образуване на хетерохроматин, заместване на хистони и обработка на иРНК. По този начин се намалява вероятността от създаване на мутация от тези елементи.

Видео за обучение по молекулярна биология за напреднали в извънкласни часове

щракнете

Приложение на транспозони в лаборатория

Транспозоните могат да се използват за скрининг на мутации, производство на трансгенни животни и генен трансфер. В предишните раздели на какво е транспозон обяснихме, че транспозоните са мутагенни елементи. Това свойство на транспозоните се използва в лабораторията, за да се изследва дали мутацията е полезна (придобиване на нова функция) или вредна (загуба на функция). При тези тестове последователността е ориентировъчна. След прехвърлянето на транспозона към целевия организъм и влизането му в ДНК, геномът на гостоприемника се извлича и анализира чрез следващо поколение секвениране.

Трансгенните животни обикновено се произвеждат чрез добавяне на част от ДНК към оплодена яйцеклетка. При този метод трансферната ДНК навлиза произволно в ДНК на яйцеклетката. Но транспозоните влизат на определено място в генома на яйцеклетката. Транспозоните могат да се използват вместо вирусни вектори при генния трансфер. С тези елементи по-голяма нуклеотидна последователност може да бъде прехвърлена към целевата ДНК. Освен това е много по-малко вероятно транспозоните да активират имунната система на гостоприемника, отколкото вирусните вектори.

Какво е транспозонно писане? – На прост език, за първи път в списание Фарадарс. се появи.