Los transposones de ADN son secuencias de ADN, a veces denominadas "genes saltarines", que pueden moverse e integrarse a diferentes ubicaciones dentro del genoma . [1] Son elementos transponibles (ET) de clase II que se mueven a través de un intermedio de ADN , a diferencia de los ET de clase I, retrotransposones , que se mueven a través de un intermedio de ARN . [2] Los transposones de ADN pueden moverse en el ADN de un organismo a través de un intermedio de ADN monocatenario o bicatenario. [3] Se han encontrado transposones de ADN tanto en procariotas como en eucariotas.organismos. Pueden constituir una porción significativa del genoma de un organismo, particularmente en eucariotas. En los procariotas, los TE pueden facilitar la transferencia horizontal de resistencia a los antibióticos u otros genes asociados con la virulencia . Después de replicarse y propagarse en un huésped, todas las copias de transposón se inactivan y se pierden a menos que el transposón pase a un genoma iniciando un nuevo ciclo de vida con transferencia horizontal. [4] Es importante señalar que los transposones de ADN no se insertan al azar en el genoma, sino que muestran preferencia por sitios específicos.
Con respecto al movimiento, los transposones de ADN se pueden clasificar como autónomos y no autónomos. [5] Los autónomos pueden moverse por sí mismos, mientras que los no autónomos requieren la presencia del gen de otro elemento transponible , transposasa , para moverse. Hay tres clasificaciones principales para el movimiento de los transposones de ADN: "cortar y pegar", [6] " círculo rodante " (Helitrones), [7] y "auto-sintetizado" (Polintons). [8] Estos distintos mecanismos de movimiento les permiten moverse por el genoma de un organismo. Dado que los transposones de ADN no pueden sintetizar ADN, se replican utilizando la maquinaria de replicación del huésped. Estas tres clases principales se dividen en 23 superfamilias diferentes caracterizadas por su estructura, secuencia y mecanismo de acción. [9]
Los transposones de ADN son una causa de alteraciones en la expresión génica . Como ADN recién insertado en secuencias codificantes activas , pueden alterar las funciones proteicas normales y causar mutaciones. Los ET de clase II constituyen aproximadamente el 3% del genoma humano. Hoy en día, no hay transposones de ADN activos en el genoma humano. Por tanto, los elementos que se encuentran en el genoma humano se denominan fósiles.
Mecanismos de accion
Cortar y pegar
Tradicionalmente, los transposones de ADN se mueven por el genoma mediante un método de cortar y pegar. El sistema requiere una enzima transposasa que cataliza el movimiento del ADN desde su ubicación actual en el genoma y lo inserta en una nueva ubicación. La transposición requiere tres sitios de ADN en el transposón : dos en cada extremo del transposón llamados repeticiones terminales invertidas y uno en el sitio objetivo. La transposasa se unirá a las repeticiones terminales invertidas del transposón y mediará la sinapsis de los extremos del transposón. La enzima transposasa luego desconecta el elemento del ADN flanqueante del sitio donante original y media la reacción de unión que une el transposón al nuevo sitio de inserción. La adición del nuevo ADN en el sitio de destino provoca brechas cortas a ambos lados del segmento insertado. [10] Los sistemas hospedadores reparan estas brechas dando como resultado la duplicación de la secuencia objetivo (TSD) que son características de la transposición. En muchas reacciones, el transposón se escinde completamente del sitio donante en lo que se llama una transposición de "cortar y pegar" [11] y se inserta en el ADN diana para formar una inserción simple. Ocasionalmente, el material genético que no estaba originalmente en el elemento transponible también se copia y se mueve.
Helitrones
Los helitrones también son un grupo de EET eucariotas de clase II. Los helitrones no siguen el mecanismo clásico de "cortar y pegar". En cambio, se plantea la hipótesis de que se mueven alrededor del genoma a través de un mecanismo similar a un círculo rodante. Este proceso implica hacer un corte en una hebra circular mediante una enzima, que separa el ADN en dos hebras simples. La proteína de iniciación permanece unida al fosfato 5 'en la hebra mellada, exponiendo el hidroxilo 3' de la hebra complementaria. Esto permite que una enzima polimerasa comience a replicarse en la hebra sin mellas. Finalmente, la hebra completa se replica, momento en el que el ADN recién sintetizado se disocia y se replica en paralelo con la hebra molde original. [12] Los helitrones codifican una proteína desconocida que se cree que tiene función de endonucleasa HUH así como actividad helicasa 5 'a 3' . Esta enzima haría un corte de una sola hebra en el ADN, lo que explica la falta de duplicaciones de sitios objetivo que se encuentran en los helitrones. Los helitrones también fueron la primera clase de elementos transponibles que se descubrieron computacionalmente y marcaron un cambio de paradigma en la forma en que se estudiaron los genomas completos. [13]
Polintones
Los polintones también son un grupo de EET eucariotas de clase II. Como uno de los transposones de ADN más complejos conocidos en eucariotas, forman los genomas de protistas , hongos y animales , como la entamoeba , la roya de la soja y el pollo , respectivamente. Contienen genes con homología con proteínas virales y que a menudo se encuentran en genomas eucariotas , como la polimerasa y la integrasa retroviral . Sin embargo, no existe una proteína conocida funcionalmente similar a la cápside viral o las proteínas de la envoltura . Comparten sus muchas características estructurales con plásmidos lineales , bacteriófagos y adenovirus , que se replican utilizando ADN polimerasas preparadas con proteínas. Se ha propuesto que los polintones pasen por una auto-síntesis similar por su polimerasa. Los polintones, de 15 a 20 kb de longitud, codifican hasta 10 proteínas individuales. Para la replicación , utilizan una ADN polimerasa B preparada con proteínas , integrasa retroviral , cisteína proteasa y ATPasa . En primer lugar, durante la replicación del genoma del huésped, un elemento Polinton extracromosómico monocatenario se escinde del ADN del huésped utilizando la integrasa, formando una estructura similar a una raqueta. En segundo lugar, el Polinton se replica utilizando la ADN polimerasa B, con la iniciación iniciada por una proteína terminal, que puede codificarse en algunos plásmidos lineales. Una vez que se genera el Polinton bicatenario, la integrasa sirve para insertarlo en el genoma del hospedador. Los polintones exhiben una alta variabilidad entre especies diferentes y pueden estar estrictamente regulados, lo que resulta en una tasa de frecuencia baja en muchos genomas. [14]
Clasificación
A partir de la actualización más reciente en 2015, se reconocieron y anotaron 23 superfamilias de transposones de ADN en Repbase, una base de datos de elementos de ADN repetitivos mantenida por el Instituto de Investigación de Información Genética : [15]
- Académico
- Crypton
- Dadá
- EnSpm / CACTA
- Jengibre1
- Jengibre2
- Heraldo
- sombrero
- Helitron
- IS3EU
- ISL2EU
- Kolobok
- Marinero / Tc1
- Esmerejón
- MuDR
- Novosib
- PAG
- PiggyBac
- Polinton
- Sola
- Transib
- Zator
- Zisupton
Efectos de los transposones
Los transposones de ADN , como todos los transposones, son bastante impactantes con respecto a la expresión génica. Una secuencia de ADN puede insertarse en un gen previamente funcional y crear una mutación . Esto puede suceder de tres formas distintas: 1. alteración de la función, 2. reordenamiento cromosómico y 3. una fuente de material genético nuevo. [16] Dado que los transposones de ADN pueden llevar consigo partes de secuencias genómicas, puede producirse una mezcla de exones. La mezcla de exones es la creación de productos genéticos novedosos debido a la nueva ubicación de dos exones previamente no relacionados a través de la transposición. [17] Debido a su capacidad para alterar la expresión del ADN , los transposones se han convertido en un objetivo importante de la investigación en ingeniería genética .
Ejemplos de
Maíz
Barbara McClintock descubrió y describió por primera vez los transposones de ADN en Zea mays , [18] durante la década de 1940; este es un logro que le valdría el Premio Nobel en 1983. Ella describió el sistema Ac / Ds donde la unidad Ac (activador) era autónoma pero la unidad genómica Ds requería la presencia del activador para moverse. Este TE es uno de los más obvios visualmente, ya que pudo hacer que el maíz cambiara de color de amarillo a marrón / manchado en granos individuales.
Moscas de la fruta
El transposón Mariner / Tc1 , que se encuentra en muchos animales pero estudiado en Drosophila, fue descrito por primera vez por Jacobson y Hartl. [19] Mariner es bien conocido por ser capaz de extirpar e insertar horizontalmente en un nuevo organismo. [20] Se han encontrado miles de copias del TE intercaladas en el genoma humano y en otros animales.
Los transposones Hobo en Drosophila se han estudiado extensamente debido a su capacidad para causar disgenesia gonadal . [21] La inserción y posterior expresión de secuencias tipo vagabundo resulta en la pérdida de células germinales en las gónadas de moscas en desarrollo.
Bacterias
Los transposones bacterianos son especialmente buenos para facilitar la transferencia horizontal de genes entre microbios. La transposición facilita la transferencia y acumulación de genes de resistencia a antibióticos . En las bacterias, los elementos transponibles pueden saltar fácilmente entre el genoma cromosómico y los plásmidos . En un estudio de 1982 de Devaud et al., Se aisló y examinó una cepa de Acinetobacter resistente a múltiples fármacos . La evidencia apuntaba a la transferencia de un plásmido a la bacteria, donde los genes de resistencia se transpusieron al genoma cromosómico. [22]
Diversidad genetica
Los transposones pueden tener un efecto sobre la promoción de la diversidad genética de muchos organismos. Los transposones de ADN pueden impulsar la evolución de los genomas al promover la reubicación de secciones de secuencias de ADN. Como resultado, esto puede alterar las regiones y fenotipos reguladores de genes. [23] El descubrimiento de los transposones fue realizado por Barbara McClintock, quien notó que estos elementos podían cambiar el color de las plantas de maíz que estaba estudiando, proporcionando una rápida evidencia de un resultado del movimiento de los transposones. [24] Otro ejemplo es el transposón de ADN Tol2 en el pez medaka que se dice que es el resultado de su variedad en los patrones de pigmentación. [25] Estos ejemplos muestran que los transposones pueden influir en gran medida en el proceso de evolución al inducir rápidamente cambios en el genoma.
Inactivacion
Todos los transposones de ADN están inactivos en el genoma humano . [26] Los transposones inactivados o silenciados no dan como resultado un resultado fenotípico y no se mueven por el genoma. Algunos están inactivos porque tienen mutaciones que afectan su capacidad para moverse entre los cromosomas, mientras que otros son capaces de moverse pero permanecen inactivos debido a las defensas epigenéticas, como la metilación del ADN y la remodelación de la cromatina . Por ejemplo, las modificaciones químicas del ADN pueden restringir ciertas áreas del genoma de modo que las enzimas de transcripción no puedan alcanzarlas. El ARNi , específicamente el silenciamiento de ARNip y miARN , es un mecanismo natural que, además de regular la expresión génica eucariota, previene la transcripción de transposones de ADN. Otro modo de inactivación es la inhibición de la sobreproducción. Cuando la transposasa excede una concentración umbral, la actividad del transposón disminuye. [27] Dado que la transposasa puede formar monómeros inactivos o menos activos que disminuirán la actividad de transposición en general, también se producirá una disminución en la producción de transposasa cuando grandes copias de esos elementos menos activos aumenten en el genoma del huésped.
Transferencia horizontal
La transferencia horizontal se refiere al movimiento de información de ADN entre células de diferentes organismos. La transferencia horizontal puede implicar el movimiento de ET de un organismo al genoma de otro. La inserción en sí permite que el TE se convierta en un gen activado en el nuevo huésped. Los transposones de ADN utilizan la transferencia horizontal para evitar la inactivación y la pérdida completa del transposón. Esta inactivación se denomina inactivación vertical, lo que significa que el transposón de ADN está inactivo y permanece como un fósil. Este tipo de transferencia no es la más común, pero se ha visto en el caso de la proteína de virulencia del trigo ToxA, que fue transferida entre los diferentes patógenos fúngicos Parastagonospora nodorum , Pyrenophora tritici-repentis y Bipolaris sorokiniana. [28] Otros ejemplos incluyen la transferencia entre crustáceos marinos , insectos de diferentes órdenes y organismos de diferentes filos , como los humanos y los nematodos . [29]
Evolución
Los genomas eucariotas difieren en el contenido de TE. Recientemente, un estudio de las diferentes superfamilias de ET revela que existen sorprendentes similitudes entre los grupos. Se ha planteado la hipótesis de que muchos de ellos están representados en dos o más supergrupos eucariotas. Esto significa que la divergencia de las superfamilias de transposones podría incluso ser anterior a la divergencia de los supergrupos eucariotas. [30]
V (D) J recombinación
La recombinación V (D) J , aunque no es un TE de ADN, es notablemente similar a los transposones . La recombinación V (D) J es el proceso mediante el cual se crea la gran variación en los sitios de unión del anticuerpo. En este mecanismo, el ADN se recombina para crear diversidad genética. [31] Debido a esto, se ha planteado la hipótesis de que estas proteínas, en particular Rag1 y Rag2 [32] se derivan de elementos transponibles. [33]
Extinción en el genoma humano
Existe evidencia que sugiere que al menos 40 familias de transposones de ADN humano estuvieron activas durante la radiación de mamíferos y el linaje temprano de primates. Luego, hubo una pausa en la actividad de transposición durante la última parte de la radiación de primates, con una interrupción completa del movimiento de transposones en un antepasado de primates antropoides. No hay evidencia de ningún elemento transponible menor de unos 37 millones de años. [34]
Referencias
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enlaces externos
- Dfam , una base de datos de secuencias de ADN repetidas
- Repbase , una base de datos y un sistema de clasificación para repetir secuencias de ADN
- Genes derivados de transposones de ADN , en la base de datos HGNC