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