Informasi

10.4: Transposon - "gen pelompat" - Biologi

10.4: Transposon -


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Transposon adalah segmen DNA yang dapat berpindah ke posisi yang berbeda dalam genom sel tunggal. Dalam prosesnya, mereka dapat menyebabkan mutasi dan meningkatkan (atau mengurangi) jumlah DNA dalam genom sel, dan jika sel adalah prekursor gamet, dalam genom keturunan mana pun. Segmen DNA yang bergerak ini kadang-kadang disebut "gen melompat" dan ada dua jenis yang berbeda. Transposon kelas II terdiri dari DNA yang bergerak langsung dari satu tempat ke tempat lain. Transposon kelas I adalah retrotransposon yang pertama menyalin DNA menjadi RNA dan kemudian menggunakan reverse transcriptase untuk membuat salinan DNA dari RNA untuk dimasukkan di lokasi baru.

Transposon Kelas II

Transposon kelas II bergerak dengan "potong dan tempel" proses: transposon dipotong dari lokasinya (seperti perintah/kontrol-X di komputer Anda) dan dimasukkan ke lokasi baru (perintah/kontrol-V). Proses ini membutuhkan enzim — a transposase — yang dikodekan dalam beberapa transposon ini.

Gbr.10.4.1 Transposon

Transposase mengikat kedua ujung transposon, yang terdiri dari: pengulangan terbalik; yaitu, urutan identik membaca dalam arah yang berlawanan. Mereka juga mengikat urutan DNA yang membentuk situs target. Beberapa transposase memerlukan urutan tertentu sebagai situs target mereka; yang lain dapat memasukkan transposon di mana saja dalam genom.

DNA di situs target dipotong secara offset (seperti "ujung lengket" yang dihasilkan oleh beberapa enzim restriksi). Setelah transposon diikat ke DNA inang, celah diisi oleh pasangan basa Watson-Crick. Ini menciptakan identik pengulangan langsung di setiap ujung transposon. Seringkali transposon kehilangan gen mereka untuk transposase. Namun, selama di suatu tempat di dalam sel terdapat transposon yang dapat mensintesis enzim, pengulangan terbalik mereka dikenali dan mereka juga dapat dipindahkan ke lokasi baru.

Miniatur Inverted-repeat Transposable Elements (MITEs)

Penyelesaian baru-baru ini dari urutan genom beras dan C. elegan telah mengungkapkan bahwa genom mereka mengandung ribuan salinan motif berulang yang terdiri dari urutan yang hampir identik dari sekitar 400 pasangan basa yang diapit oleh karakteristik pengulangan terbalik dari sekitar 15 pasangan basa seperti

5' GGCCAGTCACAATGG..~400 nt..CCATTGTGACTGGCC 3'
3' CCGGTCAGTGTTACC..~400 nt..GGTAACACTGACCGG 5'

tungau terlalu kecil untuk mengkodekan protein apapun. Bagaimana mereka disalin dan dipindahkan ke lokasi baru masih belum pasti. Mungkin transposon yang lebih besar yang mengkodekan enzim yang diperlukan dan mengenali pengulangan terbalik yang sama bertanggung jawab. Ada lebih dari 100.000 tungau dalam genom beras (mewakili sekitar 6% dari total genom). Beberapa dari mutasi ditemukan pada galur beras tertentu disebabkan oleh penyisipan tungau dalam gen. MITES juga telah ditemukan dalam genom manusia, Xenopus, dan apel.

Transposon di Jagung

Transposon pertama ditemukan pada tahun 1940-an oleh Barbara McClintock yang bekerja dengan jagung (Zea mays, yang disebut "jagung" di AS). Dia menemukan bahwa mereka bertanggung jawab atas berbagai jenis mutasi gen, biasanya penyisipan dan penghapusan (indel) dan translokasi. Beberapa mutasi (C, BZ) digunakan sebagai contoh bagaimana lokus gen dipetakan pada kromosom disebabkan oleh transposon. Dalam mengembangkan jaringan somatik seperti biji jagung, mutasi (misalnya, C) yang mengubah warna akan diteruskan ke semua sel turunan. Ini menghasilkan pola beraneka ragam yang sangat dihargai di "jagung India". (Foto milik Whalls Farms.) Butuh sekitar 40 tahun bagi ilmuwan lain untuk sepenuhnya menghargai pentingnya penemuan Barbara McClintock. Dia akhirnya dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1983.

Transposon di Drosophila

elemen P adalah Transposon kelas II ditemukan di Drosophila. Mereka tidak membahayakan karena ekspresi gen transposase mereka biasanya ditekan. Namun, ketika lalat jantan dengan elemen P kawin dengan lalat betina yang kekurangan elemen tersebut, transposase menjadi aktif dalam germline yang menghasilkan begitu banyak mutasi sehingga keturunannya menjadi steril. Di alam ini tidak lagi menjadi masalah. Elemen P tampaknya pertama kali muncul di Drosophila melanogaster sekitar 50 tahun yang lalu. Sejak itu, mereka telah menyebar ke setiap populasi spesies. Saat ini lalat yang kekurangan unsur P hanya dapat ditemukan pada galur lama yang dipelihara di laboratorium. Elemen P telah menyediakan alat yang berharga bagi ahli genetika Drosophila. Lalat transgenik yang mengandung gen yang diinginkan dapat diproduksi dengan menyuntikkan embrio awal dengan elemen P rekayasa yang mengandung gen tersebut. Transposon lain sedang dipelajari karena kemampuannya menciptakan serangga transgenik yang penting bagi pertanian dan kesehatan masyarakat.

Transposon pada bakteri

Beberapa transposon pada bakteri membawa - selain gen untuk transposase - gen untuk satu atau lebih (biasanya lebih) protein yang memberikan resistensi terhadap antibiotik. Ketika transposon tersebut tergabung dalam plasmid, ia dapat meninggalkan sel inang dan pindah ke yang lain. Dengan cara inilah fenomena yang mengkhawatirkan dari resistensi antibiotik multi-obat menyebar begitu cepat. Transposisi dalam kasus ini terjadi oleh "Salin dan tempel" mekanisme. Ini membutuhkan enzim tambahan — a resolusi — yang juga dikodekan dalam transposon itu sendiri. Transposon asli tetap di situs asli sementara salinannya disisipkan di situs baru.

Retrotransposon

Retrotransposon juga bergerak dengan "Salin dan tempel" tetapi berbeda dengan transposon yang dijelaskan di atas, salinan dibuat dari RNA, bukan DNA. Salinan RNA kemudian ditranskripsikan kembali menjadi DNA — menggunakan reverse transcriptase — dan ini dimasukkan ke lokasi baru dalam genom. Banyak retrotransposon memiliki pengulangan terminal yang panjang (LTR) pada ujungnya yang masing-masing dapat berisi lebih dari 1000 pasangan basa. Seperti transposon DNA, retrotransposon menghasilkan pengulangan langsung di tempat penyisipan baru mereka. Kenyataannya, keberadaan pengulangan langsung inilah yang sering menjadi petunjuk bahwa rangkaian intervensi DNA tiba di sana melalui retrotransposisi. Sekitar 50% dari seluruh genom manusia terdiri dari retrotransposon.

LINEs (Elemen diselingi panjang)

Genom manusia mengandung lebih dari satu juta GARIS (mewakili 19% genom). Yang paling melimpah ini milik keluarga yang disebut LINE-1 (L1). Elemen L1 ini adalah urutan DNA yang panjangnya berkisar dari beberapa ratus hingga sebanyak 9.000 pasangan basa. Hanya sekitar 50 elemen L1 yang merupakan "gen" fungsional; yaitu, dapat ditranskripsi dan diterjemahkan. Elemen fungsional L1 panjangnya sekitar 6.500 bp dan mengkodekan tiga protein, termasuk endonuklease yang memotong DNA dan reverse transcriptase yang membuat salinan DNA dari transkrip RNA.

aktivitas L1

Kegiatan L1 berlangsung sebagai berikut:

  1. RNA polimerase II mentranskripsi DNA L1 menjadi RNA.
  2. RNA diterjemahkan oleh ribosom di sitoplasma ke dalam protein.
  3. Protein dan RNA bergabung bersama dan masuk kembali ke nukleus.
  4. Endonuklease memotong untai DNA "target", sering kali dalam intron gen.
  5. Transkriptase balik menyalin RNA L1 menjadi DNA L1 yang dimasukkan ke dalam DNA target membentuk elemen L1 baru di sana.

Melalui ini salin-tempel mekanisme, jumlah GARIS dapat meningkat dalam genom. Keragaman GARIS antara genom manusia individu menjadikannya penanda yang berguna untuk "sidik jari" DNA. Variasi terjadi pada panjang elemen L1: Transkripsi elemen L1 aktif terkadang berlanjut ke hilir menjadi DNA tambahan yang menghasilkan elemen transposisi yang lebih panjang. Membalikkan transkripsi RNA L1 sering berakhir sebelum waktunya dan menghasilkan elemen transpos yang dipersingkat.

Sementara elemen L1 tidak berfungsi, mereka mungkin memainkan peran dalam mengatur efisiensi transkripsi gen di mana mereka berada. Kadang-kadang, aktivitas L1 membuat dan menyisipkan salinan mRNA seluler (dengan demikian cDNA alami). Karena kekurangan intron serta elemen kontrol yang diperlukan seperti promotor, gen ini tidak diekspresikan. Mereka mewakili satu kategori dari pseudogen.

SINE (elemen diselingi pendek)

SINE adalah sekuens DNA pendek (100-400 pasangan basa) yang mewakili RNA yang ditranskripsi balik molekul awalnya ditranskripsi oleh RNA polimerase III; yaitu, molekul tRNA, 5S rRNA, dan beberapa RNA nuklir kecil lainnya. SINE yang paling banyak adalah elemen alu. Ada lebih dari satu juta salinan dalam genom manusia (mewakili 9% dari total DNA kita). Unsur alu terdiri dari urutan rata-rata 260 pasangan basa yang mengandung situs yang dikenali oleh enzim restriksi AluI. Mereka tampaknya merupakan transkrip terbalik dari 7S RNA, bagian dari partikel pengenalan sinyal. Kebanyakan SINE tidak mengkodekan molekul fungsional apa pun dan bergantung pada mesin elemen L1 aktif yang akan ditransposisikan; yaitu, disalin dan ditempel di lokasi baru.

HIV-1

HIV-1 — penyebab AIDS — dan retrovirus manusia lainnya (misalnya, HTLV-1, virus leukemia/limfoma sel T manusia) berperilaku seperti retrotransposon. Genom RNA HIV-1 mengandung gen untuk transkriptase terbalik dan satu untuk integrase. Integrase memiliki fungsi yang sama dengan transposase dari transposon DNA. Salinan DNA dapat dimasukkan di mana saja dalam genom. Molekul kedua enzim tergabung dalam partikel virus.

Transposon dan Mutasi

Transposon adalah mutagen dan dapat menyebabkan mutasi dalam beberapa cara. Jika transposon menyisipkan dirinya ke dalam gen fungsional, mungkin akan merusaknya. Penyisipan ke dalam ekson, intron, dan bahkan ke dalam DNA yang mengapit gen (yang mungkin mengandung promotor dan penambah) dapat menghancurkan atau mengubah aktivitas gen. Perbaikan yang salah dari celah yang tertinggal di situs lama (dalam transposisi potong dan tempel) dapat menyebabkan mutasi di sana. Kehadiran serangkaian urutan berulang yang identik menghadirkan masalah untuk pemasangan yang tepat selama meiosis. Bagaimana urutan ketiga, katakanlah, dari lima urutan Alu pada "untai penyerbu" dari satu kromatid akan memastikan bahwa ia berpasangan dengan urutan ketiga di untai lainnya? Jika secara tidak sengaja berpasangan dengan salah satu urutan Alu lainnya, hasilnya akan menjadi crossover yang tidak sama — salah satu penyebab paling umum dari duplikasi.

Catatan

Penyisipan retrotransposon dalam DNA mengapit gen untuk sintesis pigmen diduga telah menghasilkan anggur putih dari nenek moyang berkulit hitam. Kemudian, hilangnya retrotransposon itu menghasilkan varietas anggur berkulit merah yang dibudidayakan hari ini.

SINE (kebanyakan sekuens Alu) dan LINE hanya menyebabkan sebagian kecil mutasi manusia. (Bahkan mungkin ada mekanisme di mana mereka menghindari memasukkan diri ke dalam gen fungsional.) Namun, mereka telah ditemukan menjadi penyebab mutasi yang bertanggung jawab untuk beberapa kasus penyakit genetik manusia, antara lain:

  • Hemofilia A (Faktor VIII gen) dan Hemofilia B [Faktor IX gen]
  • Imunodefisiensi gabungan parah terkait-X (SCID) [gen untuk bagian dari reseptor IL-2]
  • porfiria
  • predisposisi polip usus besar dan kanker [APC gen]
  • Distrofi otot Duchenne [distrofin gen]

Apa gunanya transposon?

Transposon disebut DNA "sampah" dan DNA "egois". Mereka "egois" karena satu-satunya fungsi mereka tampaknya membuat lebih banyak salinan dari diri mereka sendiri dan "sampah" karena tidak ada manfaat yang jelas bagi tuan rumah mereka. Karena kesamaan urutan dari semua LINE dan SINE, mereka juga membentuk sebagian besar dari "DNA berulang" dari sel. Retrotransposon tidak bisa begitu egois sehingga mengurangi kelangsungan hidup inangnya. Dan sekarang tampaknya banyak, setidaknya, memberikan beberapa manfaat. Proyek ENCODE menemukan bahwa sekitar 75% dari DNA berulang kami terjadi di dalam, atau tumpang tindih dengan, urutan, seperti penambah, yang mengatur ekspresi gen.

Beberapa kemungkinan lain:

  • Retrotransposon sering membawa beberapa urutan tambahan di ujung 3' mereka saat mereka menyisipkan ke lokasi baru. Mungkin ini kadang-kadang menciptakan kombinasi baru dari ekson, promotor, dan penambah yang menguntungkan tuan rumah.

Contoh:

  • Ribuan elemen Alu kita terjadi di intron gen.
  • Beberapa di antaranya berisi urutan yang ketika ditranskripsikan ke dalam transkrip utama dikenali oleh spliceosome.
  • Ini kemudian dapat disambungkan ke mRNA matang menciptakan ekson baru, yang akan ditranskripsi menjadi produk protein baru.
  • Penyambungan alternatif dapat menyediakan tidak hanya mRNA baru (dan dengan demikian protein) tetapi juga yang lama.
  • Dengan cara ini, alam dapat mencoba protein baru tanpa risiko meninggalkan yang lama yang sudah teruji.
  • Elemen L1 yang dimasukkan ke dalam intron gen fungsional mengurangi transkripsi gen tersebut tanpa merusak produk gen — semakin lama elemen L1, semakin rendah tingkat ekspresi gen. Sekitar 79% gen kita mengandung elemen L1, dan mungkin merupakan mekanisme untuk menetapkan tingkat dasar aktivitas gen.
  • Telomerase, enzim penting untuk mempertahankan panjang kromosom, terkait erat dengan reverse transcriptase LINEs dan mungkin telah berevolusi darinya.
  • RAG-1 dan RAG-2. Protein yang dikodekan oleh gen-gen ini diperlukan untuk merakit repertoar antibodi dan reseptor sel-T (TCR) yang digunakan oleh sistem imun adaptif. Mekanismenya mirip dengan metode potong dan tempel transposon Kelas II , dan gen RAG mungkin telah berevolusi darinya. Jika demikian, peristiwa itu terjadi sekitar 450 juta tahun yang lalu ketika vertebrata berahang berevolusi dari nenek moyang yang tidak berahang. Hanya vertebrata berahang yang memiliki RAG-1 dan RAG-2 gen.
  • Di dalam Drosophila, penyisipan transposon ke dalam gen telah dikaitkan dengan perkembangan resistensi terhadap DDT dan insektisida organofosfat.

Transposon dan Paradoks nilai-C

genom dari Arabidopsis thaliana berisi ~1.2 x 108 pasangan basa (bp) DNA. Sekitar 14% dari ini terdiri dari transposon; gen fungsional lainnya (25.498 di antaranya). Genom jagung (jagung) mengandung DNA 20 kali lebih banyak (2,4 x 109 bp) tetapi pasti tidak membutuhkan gen 20 kali lebih banyak. Faktanya, 60% genom jagung terdiri dari transposon (angka untuk manusia adalah 42%). Jadi sepertinya kurangnya hubungan antara ukuran genom dan jumlah gen fungsional — paradoks nilai-C — disebabkan oleh jumlah DNA transposon yang terakumulasi dalam genom.


Tonton videonya: Խնդիրների լուծման եղանակներ ՄԱՍ 1 (Februari 2023).