Sekwencje insercyjne – biuro podróży dla genów

avatar
Daryna Pikulska 28 kw., 5 minut czytania

Ruchomym elementem genetycznym nazywamy taką sekwencję nukleotydów, która może być wycięta z początkowego miejsca w genomie i wstawiona w miejsce docelowe, albo która może być kopiowana a jej nowo powstała kopia będzie wstawiona w innym miejscu. Oczywiście, same w sobie nukleotydy nie mogą się odczepić i zacząć się przemieszczać, gdyż spowodowałoby to destabilizację nici DNA i ogromną ilość mutacji. Sekwencje insercyjne (ang. insertion sequences – ISs) są specyficznymi sekwencjami nukleotydowymi, które są odpowiedzialne za transpozycję (patrz przypis 1) odpowiednich genów i elementów genetycznych [1]. Są to najmniejsze ruchome elementy genetyczne (średnio 700 – 2500 par zasad), które przenoszą tylko geny odpowiedzialne za własną transpozycję (rysunek 1). Takie sekwencje są otoczone bezpośrednimi (ang. DRs – direct repeats) i odwróconymi (ang. IRs – inverted repeats) powtórzeniami, które pomagają enzymom rozpoznać, gdzie jest początek i koniec sekwencji insercyjnej, oraz zawierają jeden lub dwa geny transpozazy.

Rysunek 1. Schemat sekwencji insercyjnej: DRs – czerwone równoległoboki, IRs – fioletowe trójkąty, gen transpozazy – czarna strzałka [1]

Transpozazy są enzymami, które przeprowadzają całą reakcję transpozycji. Zaczynając od wiązania się z odcinkiem DNA, następnie jego przecięciem i przyłączeniem do miejsca docelowego. W zależności od miejsca, w którym następuję cięcie lub grupy katalitycznej, która je przeprowadza, transpozazy można podzielić na różne rodziny. Na przykład transpozazy typu DDE zawierają konserwatywną domenę katalityczną (patrz przypis 2) z trzech aminokwasów Asp, Asp, Glu (nazwa, która pochodzi od skrótu jednoliterowego Asp – D, Glu – E).

Naturalnie nasuwa się pytanie, jeśli ISs przenoszą tylko geny odpowiedzialne za własną transpozycję, to w jaki sposób wspomagają one przemieszczanie innych genów? Odpowiedź na to pytanie jest bardzo intuicyjna. Jeśli dwie sekwencje insercyjne przyłączą się po obu stronach jednego genu, to w kolejnej rundzie transpozycji taki gen zostanie przeniesiony wraz z ISs. Jak widać na rysunku 2, pomiędzy dwoma sekwencjami insercyjnymi IS10 znajdują się geny, które zostaną wycięte i wstawione w inne miejsce w genomie w trakcie następnej transpozycji (pomarańczowe prostokąty). Tak złożone struktury genetyczne nazywamy transpozonami (rysunek 2).

Rysunek 2. Transpozon złożony Tn10 z odwróconymi kopiami flankującymi IS10 [1]

Transpozony w zależności od mechanizmu transpozycji dzielimy na dwie klasy (rysunek 3):

  • transpozony klasy I, które dokonują transpozycji za pośrednictwem dodatkowego enzymu odwrotnej transkryptazy (patrz przypis 3) i mediatorów RNA (retrotranspozony);
  • transpozony klasy II – transpozony DNA.

Rysunek 3. Schemat dwóch klas transpozonów [2]

Na rysunku 3 widać, jak w przypadku retrotranspozonów, w procesie transkrypcji z oryginalnego DNA powstaje przejściowy fragment RNA, a następnie z niego powstaje kopia oryginalnego DNA, która zostaje wstawiona w miejsce docelowe w genomie. W taki sposób ilość transpozonów w organizmie się zwiększa. Natomiast transpozony drugiej klasy zostają całkowicie wycięte z oryginalnego miejsca i przeniesione do miejsca docelowego. A więc ilość transpozonów pozostaje stała.

W taki sposób duża ilość genów może być przetransportowana i zlokalizowana w nowych miejscach genomu. W przypadku bakterii taki transpozon może być przeniesiony z genomu na plazmid, który np. podczas koniugacji (patrz przypis 4) może zostać przetransportowany do innej komórki bakteryjnej i wtedy transpozycja zachodzi nie tylko w obrębie jednego genomu, ale już między różnymi bakteriami. Wśród niebezpiecznych dla ludzi, ale bardzo przydatnych dla bakterii genów, które korzystają z takiej formy podróży są m.in. geny oporności na antybiotyki [3].

Badania wskazują, że najbardziej powszechne wśród bakterii transpozony złożone, takie jak np. T5 i Tn10 przenoszą geny oporności na bleomycynę (bleR), streptomycynę (strR) i tetraceklinę (tetR) w takich bakteriach patogennych jak Pseudomonas, Salmonella, Klebsiella i Vibrio. Oznacza to, że gorączkę, stan zapalny, wymioty, biegunkę, bóle głowy i brzucha, wywołane tymi bakteriami już nie można będzie wyleczyć powszechnym antybiotykiem [3].

Innym, nie mniej ciekawym, rodzajem genów, który może być przemieszczony przy pomocy transpozonów jest T4SS (ang. Type IV secretion system – system wydzielniczy typu IV). Jest to białko kluczowe dla powstania pilusu (rurki biologicznej) w trakcie koniugacji. Inaczej mówiąc, system wydzielniczy T4SS buduje drzwi, przez które plazmidy i transpozony mogą opuszczać jedną komórkę bakteryjną i wnikać do drugiej (rysunek 4). Jest to przykład niesamowitej współpracy mechanizmów biologicznych, bo transpozon przenosi geny białka, które później będą wspomagać przenoszenie transpozonów [4–6].

Rysunek 4. Schemat przenoszenia plazmidu lub transpozonu przez system wydzielniczy T4SS w procesie koniugacji [3]

Podsumowując, transpozony są niezwykle skutecznym mechanizmem biologicznym wpływającym na przyspieszenie ewolucji. Działają one dzięki temu, że zawierają w sobie sekwencji insercyjne. ISs, mimo tego, że bardzo egoistycznie przenoszą tylko niezbędne dla siebie geny, ‘nauczyły się’ współpracować i w dość skuteczny sposób pozwalają genom podróżować w postaci transpozonów złożonych.

Dla ludzi taki rozwinięty system ewolucyjny nie zawsze ma pozytywne skutki – w przypadku genów oporności na antybiotyki raczej chcielibyśmy, żeby bakterie nie mogły się między sobą dzielić wiedzą na ten temat. Ale z innej strony, gdyby nie szybko zachodzące zmiany w genomach, nie istnieliby ludzie i nie nauczylibyśmy się przystosowywać do różnych warunków środowiskowych. Pozostaje więc tylko dać ewolucji możliwość robić swoje i uczyć się precyzyjności mechanizmów biologicznych, żeby kiedyś tak samo skutecznie wykorzystywać je w inżynierii genetycznej.

 

Przypisy:

  1. Transpozycja – proces, podczas którego transpozon przemieszcza się z jednej pozycji na inną w obrębie jednego genomu.
  2. Domena katalityczna – część białka, która odpowiada za jego aktywność enzymatyczną. W zależności od rodzaju enzymu może ona być odpowiedzialna za powstanie lub zerwanie wiązań chemicznych (np. u nukleaz w domenie katalitycznej zachodzi hydroliza wiązań fosfodiestrowych, co powoduje oderwanie nukleotydów[7]), przenoszenie grupy funkcyjnej (metylotransferazy przenoszą resztę metylową pomiędzy związkami [8]) itd.
  3. Odwrotna transkryptaza – białko, które katalizuje reakcję syntezy DNA na matryce RNA [9].
  4. Koniugacja – bezpośrednie przekazywanie DNA z jednej komórki do drugiej za pośrednictwem pilusów.

Lektura:

  1. P. Siguier, E. Gourbeyre, A. Varani, B. Ton-Hoang, & M. Chandler, Everyman’s Guide to Bacterial Insertion Sequences. Microbiology Spectrum, 3 (2015). https://doi.org/10.1128/microbiolspec.mdna3-0030-2014.
  2. J. A. Ågren & A. G. Clark, Selfish genetic elements. PLoS Genetics, 14 (2018). https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1007700.
  3. S. Babakhani & M. Oloomi, Transposons: the agents of antibiotic resistance in bacteria. Journal of Basic Microbiology, 58 (2018) 905–917. https://doi.org/10.1002/jobm.201800204.
  4. R. Fronzes, P. J. Christie, & G. Waksman, The structural biology of type IV secretion systems. Nature Reviews Microbiology, 7 (2009) 703–714. https://doi.org/10.1038/nrmicro2218.
  5. Y. Liu, Y. Gao, X. Liu, Q. Liu, Y. Zhang, Q. Wang, & J. Xiao, Transposon insertion sequencing reveals T4SS as the major genetic trait for conjugation transfer of multi-drug resistance pEIB202 from Edwardsiella. BMC Microbiology, 17 (2017). https://doi.org/10.1186/s12866-017-1013-7.
  6. I. Álvarez-Rodríguez, L. Arana, B. Ugarte-Uribe, E. Gómez-Rubio, S. Martín-Santamaría, C. Garbisu, & I. Alkorta, Type IV Coupling Proteins as Potential Targets to Control the Dissemination of Antibiotic Resistance. Frontiers in Molecular Biosciences, 7 (2020). https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00201.
  7. T. Nishino & K. Morikawa, Structure and function of nucleases in DNA repair: shape, grip and blade of the DNA scissors. Oncogene, 21 (2002) 9022–9032. https://doi.org/10.1038/sj.onc.
  8. P. Siedlecki & P. Zielenkiewicz, Mammalian DNA methyltransferases (2006).
  9. A. M. Wu, R. C. Gallo, & J. Schlom, Reverse transcriptase.

 


Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Postaw mi kawę na buycoffee.to


Podziel się: