Transportable elementer

PHD-indledning af

Tobias Mourier

Revers transskription

• Centralt dogme:

DNA → RNA → Protein

• RNA kan fungere som et informations-oplagrende molekyle

=> Oprindelig RNA-verden

• Revers transskription har stået for transitionen til DNA:

RNA → DNART

Transportable elementer

Koder for RT:• Non-LTR’s• LTR’s• Retrovira• Hepadnavira• Caulimovira• Telomeraser• Gruppe II introns• Mauriceville mt-plasmider• Bakterielle retrons

Andre elementer:• SINEs• DNA transposoner

RT-kodende 1

Non-LTRs:• 5-8 kb med 1-2 ORFs• ÷ extrakromosomalt

DNA• Findes i alle ældre

eukaryote slægter• LINEs er den humane

udgave = ~ 20% af genomet

LTRs:• 5-9 kb omgivet af

LTRs• I cytoplasmaet

dannes partikler, hvori revers transskription finder sted.

• Tilbage til kernen og indsættes

RT-kodende 2

Retrovira• Overførsel mlm

værter pga env• Stor lighed med LTRs• HERVs (endogen

virus) udgør ~ 8 % af humant genom

Hepadnavira• ÷ integration i

værtens kromosomer• Revers transskription

er primet af et protein

Caulimovira• 8,2 kb transskribt

revers transskriberes via en tRNA primer

RT-kodende 3Telomeraser• Syntetiserer

telomerisk DNA• Forlænger

kromosomarme => mister ikke længde

Gruppe II introns• Selv-splejsende i

RNA• Få er mobile =>

minder om retroelementer

Mauriceville mt-plasmid• Én ORF som koder

protein med RT-aktivitet• mRNA virker også som

tRNA (CCA-ende)Bakterielle retrons• Koder for RT =>

DNA/RNA struktur• RT menes oprindelig i

M. xanthus• Anderledes i E. coli =>

Opstået flere gange

Andre elementer

SINEs• ~500 bp• ÷ ORFs• ÷ selvstyrende• Udbredelse: bruger

non-LTRs maskineri• Afledt af tRNA (oftest)

DNA transposoner• Koder transposase og

indeholder ITRs• Fjernet fra genome +

genindsat vha. transposase

• Sjældent replikativ transposition

• Ikke set aktivt i det humane genom

Evolutionen af RTs- og deres elementer

• RRPs menes at være oprindelige pga. RNA-world (RNA → RNA)

• Sammenligning med RTs viser stor similaritet

• Telomerase dateres før non-LTRs

RRPs som udgruppe

• Udgangspunkt: proka-ryoter er oprindeligt

• Foreslår telomerase udviklet fra non-LTRs

• Modsigelser i de to træer => udgruppen er altafgørende for udslaget

Prokaryotisk RT som udgruppe

• 1998: Forsøg viser vertikal overførsel af retrotransportable elementer

• 1999: Non-LTRs viser lighed med ovenstående forsøg => kan udelukke horisontal overførsel af non-LTRs og fordelingen af dem kan dermed fortælle om alder

• 1999: Forsøg viser sekvens-specifitet som oprindeligt (REL-endo) hos non-LTRs

Forsøgsresultater

LTR-elementers opståen

• En oprindelig DDE-sekvens udvikledes til class II (DNA) element og inkorporeredes senere i en oprindelig non-LTR

• Ovenstående + LTRs medførte LTR-elementer• Adskillelse af transskription og translation i eukaryoter

taler for selektion for selvudbredelse

Derfor er selektionen ikke sket i eubakterier

1997:

Prokaryoter/Eukaryoter- hvad er oprindeligt?

• Mest udbredt at prokaryoter er det oprindelige

• 1974: Prokaryoter er den afledte, hvor stort set alle gentagende (overflødige) sekvenser er udryddet

• 1999: Proteiner overtager ribozymers funktion => organismer hvor lignende funktioner udføres af henholdsvis ribozymer og proteiner, er ribozymet den oprindelige (RNA-world)

Usikkerheds-faktorer

• Forskel i substitutionsrate mellem retrotransposable elementer og telomeraser => ÷ direkte sammenligning

• Retrotransposable elementer menes at have kunne udveksle eller tilkomme domæner => måske overflytning af RT-domæner imellem elementer

• => træer skal læses med forsigtighed

Priming (5 mekanismer)

• RRP oprindelig ifølge RNA-world => skal repræsentere den oprindelige replikation

• Self-priming – RRP’s + Mauriceville plasmider => oprindelig iblandt RT’s

• Foreslået udvikling (1999):

Self-priming → tRNA priming →

andre priming mekanismer

Priming - fortsat

• Priming mekanismer samles i klynger

- men stemmer ikke overens med tidligere forsøgsresultater

• Foreslår at protein-priming og dermed Hepadnavira er direkte efter RRP’s

RRP som udgruppe

Priming - fortsat

• Mauriceville primer på flere måder. Hvis en tidlig RT repræsenteres => let at tilegne sig bedre metoder

• 1999: Foreslår at retrotransportable elementer er levn fra oprindelige replikations mekanismer, da DNA-syntese i dag er påbegyndt med RNA-priming

ELLER… moderne duplex DNA genomer er retrovira i stort målestok

Retrotransportable elementers effekt på genomet

A. Direkte effekt, som skyldes indsættelse af elementet

B. Tilstedeværelsen af flere homologe genome regioner (rekombination)

C. Indsættelse af heterologt revers transskribt (pseudogener)

D. Ikke-indsatte revers transkripter (bakterielle retrons)

E. Funktioner som er udviklet, som et forsvar mod transpositioner

A. –direkte indsættelse

• Tilfælde inkluderer regulerende roller som f.eks.promotorer, eller transkribtionelle enhancers og silencers

• LINE’s er involveret i reparation af DSB’s, men ved ikke ved hvilken mekanisme => kan være selvisk

- Er ved forsøg set, at ved missense mutationer i EN domænet, sætter de sig stadig ind i genomet

B. –flere homologe genome regioner

• Transposition vil føre til homologe sekvenser i non-homologe regioner => ved rekombination sker kromosomale rearrangementer

• Er blevet foreslået nødvendig for at undslippe stasis (1997)

• Er foreslået at inducere ændringer i morfologisk og antomisk konstante organismer => forklaring på relativ pludselig divergens af arter (2002)

C. –heterologt revers transskribt

• Transkribt, som ikke stammer fra elementet som revers transkriberer, sættes sommetider ind i genomet => • ÷ introns

• tab af upstream reguleringssystem

• Alu-medieret tab af exon (SINE):

Alu

Pga. RT

Exon-tab

C. –heterologt revers transskribt

• Søger links mellem neurale processer og retrotransposition- Størstedelen af G-protein-koblede receptorer er uden introns og sandsynligvis retrogener

• Numts (mtPseudogener):- RNA-baseret transfer ville kræve RT=> Revers transkribtion er måske involveret i styrkelsen af symbiosen mellem mitochondrie og vært

D. – ikke-indsat revers transskribt

• Ser ingen skævhed i intronplacering i flercellede eukaryoter => processen spiller ingen stor rolle hos disse

• Intron-tab ved rekombination mellem revers transskriberet cDNA og det tilsvarende gen (gær)

- Evt. selektion for kort generationstid og dermed små genomer (pga. diverse habitater)

Intron-tab

D. – ikke-indsat revers transskribt

• Prokaryotiske RT-gener er single-copy gener => taler for positiv selektion for en specifik funktion relateret til msDNA

• Bakterielle retrons mulige funktion: Mismatch repair proteiner binder det mutagene msDNA => fjernes fra andre mismatch (hjælper evolution ved stress)

• Inducible mutators

E. –forsvar mod transpositioner

• Genomets forsvars hypotese:Der er en begrænsning på, hvor mange gener en organisme kan regulere uden der opstår forstyrrelser imellem forskellige transskribter = transcriptional noise1. Kromatin dannelse2. Genom methylering3. RNA silencing=> eventuel overgang fra prokaryot til eukaryot

Debatten om ”selvisk DNA”

• 1980: Ikke-unik del af genomet, som ikke bidrager værten med noget

MEN.. – forsøg viser, at nogle retrotranspor-table elementer har cellulær funktion

Problemstilling: En del af genomet eller forstyrrende elementer?

MEN.. – mere end 40% af det humane genom er retrotransportable elementer…

• Hvis man accepterer de arbejder sammen, kan man argumentere for, at ikke alle er under positiv selektion

• Må under hver runde af replikation tolereres, da evolution ikke er fremadsynet

Forbehold

• Bevarede elementer er måske blot bevarede pga. deres egen udbredelse

• Evolutionshistorien for retrotransportable elementer behøver ikke at tilsvare resten af den genetiske evolutionshistorie

Konklusion - 1• (Tidligere) retrotransportable elementer

udfører livsvigtige funktioner for værter og sørger for genom-variation

• De optager fysisk plads i kernen og forbruger energi => må have en funktion

• Hvorfor mere end 40% retrotransportable elementer i det humane genom, hvis det er parasitiske vira

• Ingen observationer omkring retrotrans-posable elementers evolution peger tydeligt på hverken prokaryot eller eukaryot som det oprindelige

Revers transkriptase

Bakterielle retrons

1

2

Mismatch