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 → DNA RT

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 3 Telomeraser 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

Forsøgsresultater 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

LTR-elementers opståen 1997: 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

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 RRP som udgruppe Priming mekanismer samles i klynger - men stemmer ikke overens med tidligere forsøgsresultater Foreslår at protein-priming og dermed Hepadnavira er direkte efter RRP’s

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 Tilstedeværelsen af flere homologe genome regioner (rekombination) Indsættelse af heterologt revers transskribt (pseudogener) Ikke-indsatte revers transkripter (bakterielle retrons) 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): Pga. RT Alu 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 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 Ser ingen skævhed i intronplacering i flercellede eukaryoter => processen spiller ingen stor rolle hos disse

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 noise 1. Kromatin dannelse 2. Genom methylering 3. 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 Mismatch 1 2