Transportable elementer

1. Transportable elementer PHD-indledning af Tobias Mourier

2. 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

3. 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 Transportable elementer

4. 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 1

5. 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 2

6. 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 RT-kodende 3

7. 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 Andre elementer

8. 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

9. Prokaryotisk RT som udgruppe • Udgangspunkt: proka-ryoter er oprindeligt • Foreslår telomerase udviklet fra non-LTRs • Modsigelser i de to træer => udgruppen er altafgørende for udslaget

10. 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

11. 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

12. 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)

13. 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

14. 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

15. Priming - fortsat 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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)

20. 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

21. 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

22. 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) • Ser ingen skævhed i intronplacering i flercellede eukaryoter => processen spiller ingen stor rolle hos disse Intron-tab

23. 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

24. 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

25. 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…

26. 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

27. Forbehold • Bevarede elementer er måske blot bevarede pga. deres egen udbredelse • Evolutionshistorien for retrotransportable elementer behøver ikke at tilsvare resten af den genetiske evolutionshistorie

28. 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

29. Revers transkriptase

30. Bakterielle retrons Mismatch 1 2