7.12
Nur-DNA-Transposons
DNA-Transposons werden als autonome Transposons bezeichnet, da sie für das Enzym Transposase kodieren, das für den Transpositionsmechanismus erforderl…
Transposons sind sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten zu finden und machen 5 % des Amöbengenoms, 44 % des menschlichen Genoms und bis zu 90 % des Maisgenoms aus. Es gibt viele verschiedene Arten von Transposons, aber sie können grob in zwei verschiedene Klassen unterteilt werden - eins und zwei.
Transposons der ersten Klasse, auch Retrotransposons genannt, erfordern die Transkription eines RNA-Zwischenprodukts in die DNA, bevor sie in ihr Ziel eingefügt werden.
Transposons der Klasse zwei - oder "Nur-DNA-Transposons" - verbleiben jedoch während der gesamten Transposition in DNA-Form. Sie enthalten auch ein Gen, das für ein multifunktionales Enzym namens Transposase kodiert.
Das Transposase-Gen wird von terminalen invertierten Wiederholungen flankiert, die einzelsträngig sind, etwa 9 bis 40 Basenpaare lang sind, und umgekehrte Komplemente voneinander. Während der Cut-and-Paste-Transposition exprimiert das Gen zwei Monomere des Transposase-Enzyms, die an die terminalen invertierten Wiederholungen binden.
Wenn die Monomere dimerisieren, bringen sie die beiden invertierten Wiederholungen zusammen. Dadurch entsteht ein stabiler DNA-Proteinkomplex, der als synaptischer Komplex oder Transpososom bezeichnet wird.
Als nächstes spaltet das Transpososom die DNA-Stränge an jedem Ende des Transposons und hinterlässt Sequenzen, die als direkte Wiederholungen bezeichnet werden. Dadurch wird das Transposon aus der Spender-DNA freigesetzt und es kann nun zu einem zufälligen Ziel transportiert werden.
Für die Insertion macht die Transposase zwei gestaffelte Schnitte in der Ziel-DNA, indem sie die Phosphodiesterbindungen spaltet. Die abgeschnittenen Stränge der Ziel-DNA werden auseinandergezogen, so dass eine Lücke mit einzelsträngigen Überhängen entsteht.
Nun reagiert das 3'-OH-Ende der Transposon-DNA mit dem 5'-Ende der Ziel-DNA und hinterlässt Lücken zwischen den 5'-Enden des Transposons und den 3'-Enden des Ziels.
Die DNA-Polymerase verwendet das 3'-Ende der Lücke als Primer und füllt die Lücke in einem Prozess, der als Duplikation an der Zielstelle bezeichnet wird. Die neu synthetisierte DNA und das Transposon werden durch DNA-Ligase verbunden.
Ein solches Einsetzen kann erhebliche mögliche Auswirkungen haben. In einigen Fällen kann es das Zielgen ein- oder ausschalten, indem es neuartige Promotoren oder Isolatoren bereitstellt, die vom Transposon kodiert werden.
Alternativ kann es auch die Genfunktion verändern, indem es das normale Exon-Spleißen während der mRNA-Generierung stört. Dies kann zum Beispiel passieren, wenn ein Transposon mit einer neuen Spleißstelle in ein bestehendes Gen springt und die Transkriptionssignale neu verdrahtet – was zur Entstehung einer aberranten mRNA führt.
Q1: What is the difference between class one and class two transposons?
Class one transposons, called retrotransposons, require transcription into an RNA intermediate before insertion into target DNA. Class two transposons, or DNA-only transposons, remain in DNA form throughout transposition. Both types can move within genomes, but DNA-only transposons use a cut-and-paste mechanism involving the enzyme transposase.
Q2: How do terminal inverted repeats function in DNA-only transposons?
Terminal inverted repeats are short DNA sequences flanking the transposase gene, typically 9 to 40 base pairs long and reverse complements of each other. Transposase monomers bind to these repeats, and when they dimerize, they bring the inverted repeats together to form a stable DNA-protein complex called a transpososome, enabling transposon mobilization.
Q3: What happens during target site duplication in transposon insertion?
During insertion, transposase makes staggered cuts in target DNA, creating single-stranded overhangs. The transposon's 3' OH end joins the target DNA's 5' terminal, leaving gaps. DNA polymerase fills these gaps using the 3' end as a primer, and DNA ligase seals the newly synthesized DNA to the transposon, completing target site duplication.
Q4: How can transposon insertion alter gene expression?
Transposon insertion can alter gene expression by introducing novel promoters or insulators that turn genes on or off. Additionally, if a transposon contains new splice sites, it can disrupt normal exon splicing during mRNA generation, creating aberrant mRNA transcripts and changing the resulting protein structure or function.
Q5: What is exon shuffling and how does it relate to transposition?
Exon shuffling occurs when imperfect excision of transposable elements carries genomic sequences along with the transposon. When inserted at a new location, this positions unrelated exons adjacent to each other, creating new gene structures. This process allows transposition to reorganize non-mobile genetic elements and generate genetic diversity.
Q6: Why are DNA-only transposons considered autonomous elements?
DNA-only transposons are autonomous because they encode transposase, the multifunctional enzyme required for their own transposition mechanism. This self-sufficiency allows them to move independently within the genome without requiring proteins from other sources, making them powerful tools in genome editing and transgenesis applications.
Q7: What is the Sleeping Beauty transposon and how is it used?
The Sleeping Beauty transposon is a synthetic DNA transposon widely used in transgenesis as a gene vehicle to introduce foreign DNA into host organisms. Researchers use it across diverse species ranging from protozoa to small vertebrates like fishes, frogs, and mice to study foreign DNA effects, introduce new traits, or discover novel genes.