Транспозони () — це ділянки ДНК організмів, що здатні до пересування (транспозиції) та розмноження в межах геномуСиволоб АВ. Молекулярна біологія. К. : Видавничо- поліграфічний центр «Київський університет»; 2008. p. 384.. Транспозони також відомі під назвою «стрибаючі гени» і є прикладами мобільних генетичних елементів.
Рухливий елемент ДНК, що може вклинюватись у нове місце в плазмідах чи хромосомах незалежно від рекомбінаційної системи клітини-господаря. Прокаріотичні транспозони можуть нести гени, що передають господареві нові фенотипні властивості, такі як опірність до антибіотиків.
Транспозони формально належать до так званої некодуючої частини геному — тієї, що в послідовності пар основ ДНК не несе інформацію про амінокислотні послідовності білків, хоча деякі класи мобільних елементів містять у своїй послідовності інформацію про ферменти, що транскрибуються та каталізують пересування, наприклад, ДНК-транспозони та LINE-1 кодують білки транспозазу, ORF1p й ORF2p. У різних видів транспозони розповсюджені різною мірою, так у людини транспозони складають до 45% всієї послідовності ДНК, у плодової мухи Drosophila melanogaster частина мобільних елементів становить лише 15-20% усього геному. У рослин транспозони можуть займати основну частину геному, так у кукурудзи (Zea mays) з розміром геному у 2,3 мільярдів пар основ принаймні 85% складають різні мобільні елементи.
Історія відкриття Барбара МакКлінток () досліджувала варіації забарвлення зерна та листя кукурудзи, та 1948 року шляхом цитологічних та генетичних досліджень дійшла висновку, що мобільні ділянки ДНК, Ac/Ds-елементи, призводять до соматичного мозаїцизму рослин. Вона була першою, хто довів, що геном еукаріот не постійний, а містить ділянки, які можуть пересуватися. 1983 року за цю працю Барбара МакКлінток отримала Нобелівську премію (єдина жінка, що отримала премію з фізіології та медицини самостійно, без співавторів).
Хоча транспозони були відкриті в 1940-х роках, лише через півстоліття стало зрозуміло, наскільки масштабним є їхній внесок у геном організмів. Так, отримання першої нуклеотидної послідовності (секвенування) геному людини довело, що мобільних елементів у послідовності ДНК не менше 50%. Точну оцінку отримати важко, адже деякі транспозонні ділянки з часом настільки змінилися, що їх не можна впевнено ідентифікувати.
Оскільки транспозони потенційно здатні спричиняти шкідливі мутації та поломки хроматину, з початку відкриття мобільних елементів вважалося, що їхня дія зводиться до геномно-паразитичної. Але на початку XXI сторіччя з'являється все більше даних про можливі сприятливі ефекти транспозонів для організмів, еволюційний вплив ретротранспозонів на геном плацентарних ссавців. Ідентифікують випадки використання транспозонів організмами. Наприклад, РНК L1-ретротранспозону бере участь в утворенні гетерохроматину під час інактивації X-хромосоми. Плодова муха не має теломерази, а натомість використовує зворотну транскриптазу ретротранспозонів для подовження теломерних ділянок, які у Drosophila melanogaster представлені повторами транспозонів.
Типи транспозонів та механізми їх пересування
Мобільні генетичні елементи належать до повторювальних елементів геному — тих, що мають декілька копій у послідовності ДНК клітини. Повторювальні елементи геному можуть розташовуватися в тандемі (мікросателіти, теломери тощо) або зустрічатися в різних ділянках геному (мобільні елементи, псевдогени тощо).
Мобільні генетичні елементи за типом транспозиції поділяють на два класи: ДНК-транспозони, які використовують механізм «вирізати й вставити», та ретротранспозони, пересування яких має в своєму алгоритмі синтез РНК з ДНК та подальшим зворотнім синтезом ДНК з молекули РНК, тобто, механізм «копіювати й вставити».
Транспозони також класифікують за ступенем автономності. Як ДНК-транспозони, так і ретротранспозони мають автономні та неавтономні елементи. Неавтономні елементи для транспозиції потребують ферментів, що кодуються автономними елементами. Вони часто містять значно змінені ділянки транспозонів і додаткові послідовності. Кількість неавтономних транспозонів у геномі може значно перевищувати кількість автономних.
ДНК-транспозони
ДНК-транспозони переміщуються геномом шляхом «вирізати та вставити» завдяки комплексу ферментів під назвою транспозаза. Інформація про амінокислотну послідовність білка транспозази закодована в самому транспозоні. Крім того, ця ділянка ДНК може містити інші, не пов'язані з транспозоном послідовності, наприклад гени або їхні частини. Більшість ДНК-транспозонів мають неповну послідовність. Такі транспозони є неавтономними й пересуваються геномом завдяки транспозазі, що кодується іншим, повним ДНК-транспозоном.
На кінцях ДНК-транспозону розташовані інвертовані повтори, які є специфічними сайтами розпізнавання транспозази, що дозволяє ферменту ідентифікувати ці елементи в геномі. Транспозаза здатна робити дволанцюгові розрізи ДНК, вирізати транспозон і вставляти його в ДНК-мішень.
До ДНК-транспозонів належать Ac/Ds-елементи рослин, які вперше відкрила Барбара МакКлінток у кукурудзі. Ac-елемент () є автономним і кодує транспозазу. Існує кілька типів Ds-елементів, які здатні спричиняти розриви хромосом і переміщуватися геномом завдяки Ac-елементам.
Хелітрони () — тип транспозонів, наявний у рослин, тварин та грибів, широко представлений у геномі кукурудзи, де він, на відміну від інших організмів, розташований у багатих на гени ділянках ДНК. Хелітрони транспозуються за допомогою механізму «коло, що котиться» (). Процес починається з розриву одного ланцюга ДНК-транспозону. Вивільнена ділянка ДНК вбудовується в послідовність-мішень, де формується гетеродуплекс. Завдяки реплікації ДНК завершується вбудовування транспозону у нову ділянку. Під час транспозиції хелітрони можуть захоплювати сусідні послідовності.
Ретротранспозони
Ретротранспозони — це мобільні генетичні елементи, що використовують механізм «копіювати й вставити» для поширення в геномі тварин. Щонайменше 45% геному людини становлять ретротранспозони та їхні похідні. Процес пересування включає проміжну стадію молекули РНК, яка зчитується з ділянки ретротранспозона, а потім використовується як матриця для зворотної транскрипції в послідовність ДНК. Новосинтезований ретротранспозон вбудовується в іншу ділянку геному.
Активні ретротранспозони ссавців поділяються на три основні родини: LINE-1, Alu-повтори, SVA.
Ретротранспозони LINE-1 — LINE-1, L1 (), довгі дисперговані повтори — тип ретротранспозонів, широко розповсюджений у ссавців, складає до 20% геному. L1-елементи мають довжину близько 6 тисяч пар основ. Більшість цих ретротранспозонів у геномі представлена неповно, хоча існує приблизно 150 повних і потенційно мобільних L1-елементів у послідовності ДНК людини та приблизно 3000 — у миші.
Процес пересування починається зі зчитування молекули РНК з елемента L1. РНК транспортується до цитоплазми, де з неї транслюються білки ORF1p (що є РНК-зв'язуючим білком) та ORF2p (що має ендонуклеазну та зворотньо-транскриптазну активність). ORF1p, ORF2p та РНК транспозону формують рибонуклеопротеїн і транспортуються в ядро, де відбувається зворотна транскрипція ретротранспозону.
Більшість випадків інтеграції L1-елементів відбувається не до кінця, і такі копії втрачають здатність до самостійної мобілізації.
Існують відомості про неканонічні функції L1-елементів під час інактивації X-хромосоми.
LTR — довгі кінцеві повтори () — ретротранспозони, що мають кінцеві повторювальні послідовності, які відіграють важливу роль у транскрипції та зворотній транскрипції РНК транспозону. LTR-елементи кодують білки pol та gag, що близькі до білків ретровірусів, але, на відміну від останніх, LTR не вистачає білків, які змогли би сформувати зовнішню оболонку (суперкапсид) і вийти з клітини.
SINE — короткі дисперговані елементи () — є неавтономними ретротранспозонами: для пересування вони потребують активності L1-елементів. У ДНК-послідовності SINE містять лише сайт зв'язування РНК-полімерази. До SINE належать Alu-ретротранспозони.
Alu-елементи — широко розповсюджені в геномі людини мобільні елементи. Alu-елементи мають довжину ~300 пар основ і часто розташовані в інтронах, ділянках геному, що не транслюються, та міжгенних ділянках. Назву Alu-ретротранспозони отримали через те, що вони містять послідовність розпізнавання рестрикційного ензиму AluI. Аналіз послідовностей показав, що Alu-елементи виникли у приматів приблизно 65 мільйонів років тому від гену 7SL РНК, що входить до рибосомного комплексу. Alu-ретротранспозони не мають власної зворотної транскриптази, тому для пересування їм необхідні ферменти елементів LINE-1.
В Alu-елементах відбувається до 90% всіх випадків редагування РНК з перетворенням A на I.
SVA () — мобільні елементи довжиною у 2-3 тисячі пар основ ДНК, що складаються з декількох частин: коротких розкиданих елементів (SINE), змінної кількості тандемних повторів (), Alu-послідовності та CT-багатого повтору, з послідовністю CCCTCT, що зустрічається частіше за все і має назву гексамер (Hex). Довжина SVA-елементів значно варіює через різну кількість складових повторів. Вони не є автономними й потребують білків, що закодовані в L1-ретротранспозонах для пересування, але вони активні в геномі людини. SVA-елементи зазнають високого рівня метилювання ДНК у більшості тканин людини. Цікавим фактом є занижене метилювання ДНК SVA-ретротранспозонів у чоловічих статевих клітинах людини, тоді як у шимпанзе SVA-послідовності сперматозоїдів високо метильовані.
Механізми блокування транспозонів
Мобільні елементи геному досить широко представлені в рослинних та тваринних геномах. Їх висока активність є ризиком для стабільності геному, тому їх експресія жорстко регулюється, особливо в тих тканинах, які беруть участь у формуванні гамет та передачі спадкової інформації нащадкам. У рослин і тварин регуляція активності мобільних елементів геному відбувається шляхом метилювання послідовності ДНК de novo та активності некодуючих РНК разом із білковими комплексами Аргонавт.
Основна роль малих некодуючих РНК, що взаємодіють з ПІВІ-комплексом, або піРНК (), полягає в заглушенні мобільних елементів геному в зародкових тканинах. Ця роль піРНК досить високо консервативна серед тварин.
У мишей мобільні елементи геному впродовж онтогенезу перебувають переважно в неактивному стані, який досягається шляхом епігенетичних взаємодій та активності некодуючих РНК. У період ембріонального розвитку епігенетична мітка метилювання ДНК зазнає репрограмування: батьківські мітки стираються, а нові встановлюються. У цей період частина білків Аргонавту — PIWI-білки (Mili та Miwi2) — та некодуючі РНК, що з ними взаємодіють — піРНК — відіграють ключову роль у заглушенні de novo ретротранспозонів мишей шляхом метилювання ДНК, і пінг-понг-циклу ампліфікації піРНК та заглушення мішені. Якщо в мишей виникає нестача білків Mili та Miwi2, це призводить до активації LINE-1 й LTR та зупинки гаметогенезу й стерильності у самців. Нещодавні роботи встановили, що в мухи Drosophila melanogaster активним кофактором у заглушенні є білок GTSF1 (, чи Asterix).
Механізм піРНК-індукованого заглушення транспозонів остаточно не з'ясовано, але схематично його можна подати такою моделлю:
первинне накопичення одноланцюгових молекул РНК, піРНК-прекурсорів; дозрівання піРНК та їх ампліфікація за допомогою PIWI-білків (пінг-понг-цикл); заглушення цільового транспозону, що може відбуватися декількома шляхами: деградація РНК (за допомогою РНКазної активності H-подібного домену білків-аргонавтів), заглушення трансляції та залучення хроматин-модифікуючих систем (таких, як білки ) і подальше епігенетичне заглушення транспозону.