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10.4: Transposones - & quot; genes saltarines & quot - Biología

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Los transposones son segmentos de ADN que pueden moverse a diferentes posiciones en el genoma de una sola célula. En el proceso, pueden causar mutaciones y aumentar (o disminuir) la cantidad de ADN en el genoma de la célula, y si la célula es precursora de un gameto, en los genomas de cualquier descendiente. Estos segmentos móviles de ADN a veces se denominan "genes saltarines" y hay dos tipos distintos. Transposones de clase II consisten en ADN que se mueve directamente de un lugar a otro. Transposones de clase I están retrotransposones que primero transcriben el ADN en ARN y luego usan la transcriptasa inversa para hacer una copia de ADN del ARN para insertar en una nueva ubicación.

Transposones de clase II

Los transposones de clase II se mueven por un "cortar y pegar"proceso: el transposón se extrae de su ubicación (como comando / control-X en su computadora) y se inserta en una nueva ubicación (comando / control-V). Este proceso requiere una enzima, una transposasa - que está codificado dentro de algunos de estos transposones.

Figura 10.4.1 Transposones

La transposasa se une a ambos extremos del transposón, que constan de repeticiones invertidas; es decir, secuencias idénticas que se leen en direcciones opuestas. También se unen a una secuencia de ADN que forma el sitio objetivo. Algunas transposasas requieren una secuencia específica como su sitio objetivo; otros pueden insertar el transposón en cualquier parte del genoma.

El ADN en el sitio objetivo se corta de manera desplazada (como los "extremos pegajosos" producidos por algunas enzimas de restricción). Después de que el transposón se liga al ADN del huésped, los espacios se rellenan mediante el emparejamiento de bases Watson-Crick. Esto crea idéntico repeticiones directas en cada extremo del transposón. A menudo, los transposones pierden su gen de transposasa. Sin embargo, siempre que en algún lugar de la célula haya un transposón que pueda sintetizar la enzima, se reconocen sus repeticiones invertidas y también se pueden mover a una nueva ubicación.

Elementos transponibles de repetición invertida en miniatura (MITE)

La reciente finalización de la secuencia del genoma del arroz y C. elegans ha revelado que sus genomas contienen miles de copias de un motivo recurrente que consta de secuencias casi idénticas de aproximadamente 400 pares de bases flanqueadas por características repeticiones invertidas de unos 15 pares de bases como

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

Los MITE son demasiado pequeños para codificar cualquier proteína. Todavía es incierto cómo se copian y se mueven a nuevas ubicaciones. Probablemente los responsables sean transposones más grandes que codifican la enzima necesaria y reconocen las mismas repeticiones invertidas. Hay más de 100.000 MITE en el genoma del arroz (que representan alrededor del 6% del genoma total). Algunos de los mutaciones que se encuentran en ciertas cepas de arroz son causadas por la inserción de un ácaro en el gen. También se han encontrado MITE en los genomas de humanos, Xenopus y manzanas.

Transposones en el maíz

Los primeros transposones fueron descubiertos en la década de 1940 por Barbara McClintock, que trabajaba con maíz (Zea mays, llamado "maíz" en los EE. UU.). Descubrió que eran responsables de una variedad de tipos de mutaciones genéticas, generalmente inserciones y deleciones (indeles) y translocaciones. Algunas de las mutaciones (C, bz) utilizados como ejemplos de cómo los loci de genes se mapean en el cromosoma fueron causados ​​por transposones. En el desarrollo de tejidos somáticos como los granos de maíz, una mutación (p. Ej., C) que altera el color se transmitirá a todas las células descendientes. Esto produce el patrón abigarrado que es tan apreciado en el "maíz indio". (Foto cortesía de Whalls Farms.) A otros científicos les llevó unos 40 años apreciar plenamente la importancia de los descubrimientos de Barbara McClintock. Finalmente fue galardonada con el Premio Nobel en 1983.

Transposones en Drosophila

Elementos P están Transposones de clase II encontrado en Drosophila. Hacen poco daño porque la expresión de su gen transposasa suele estar reprimida. Sin embargo, cuando las moscas macho con elementos P se aparean con moscas hembras que carecen de ellos, la transposasa se activa en la línea germinal produciendo tantas mutaciones que su descendencia es estéril. En la naturaleza, esto ya no es un problema. Los elementos P parecen haber aparecido por primera vez en Drosophila melanogaster hace unos 50 años. Desde entonces, se han extendido por todas las poblaciones de la especie. Hoy en día, las moscas que carecen de elementos P solo se pueden encontrar en cepas antiguas mantenidas en el laboratorio. Los elementos P han proporcionado herramientas valiosas para los genetistas de Drosophila. Se pueden producir moscas transgénicas que contienen cualquier gen deseado inyectando al embrión temprano un elemento P modificado que contiene ese gen. Se están estudiando otros transposones por su capacidad para crear insectos transgénicos de importancia para la agricultura y la salud pública.

Transposones en bacterias

Algunos transposones en bacterias portan, además del gen de la transposasa, genes para una o más (generalmente más) proteínas que imparten resistencia a los antibióticos. Cuando dicho transposón se incorpora a un plásmido, puede abandonar la célula huésped y trasladarse a otra. Esta es la forma en que el alarmante fenómeno de la resistencia a múltiples fármacos se propaga con tanta rapidez. La transposición en estos casos se produce mediante un "copiar y pegar"mecanismo. Esto requiere una enzima adicional - un resolvasar - que también está codificado en el propio transposón. El transposón original permanece en el sitio original mientras su copia se inserta en un nuevo sitio.

Retrotransposones

Los retrotransposones también se mueven por un "copiar y pegar"pero a diferencia de los transposones descritos anteriormente, la copia está hecha de ARN, no de ADN. Las copias de ARN luego se transcriben de nuevo en ADN, utilizando una transcriptasa inversa, y estas se insertan en nuevas ubicaciones en el genoma. Muchos retrotransposones han repeticiones terminales largas (LTR) en sus extremos que pueden contener más de 1000 pares de bases en cada uno. Al igual que los transposones de ADN, los retrotransposones generan repeticiones directas en sus nuevos sitios de inserción. De hecho, es la presencia de estas repeticiones directas lo que a menudo es la pista de que el tramo de ADN intermedio llegó allí por retrotransposición. Aproximadamente el 50% de todo el genoma humano está formado por retrotransposones.

LINEs (elementos largos intercalados)

El genoma humano contiene más de un millón de LINE (que representan el 19% del genoma). Los más abundantes pertenecen a una familia denominada LINE-1 (L1). Estos elementos L1 son secuencias de ADN que varían en longitud desde unos pocos cientos hasta 9.000 pares de bases. Sólo unos 50 elementos L1 son "genes" funcionales; es decir, se puede transcribir y traducir. Los elementos funcionales L1 tienen una longitud aproximada de 6.500 pb y codifican tres proteínas, incluida una endonucleasa que corta el ADN y una transcriptasa inversa que hace una copia del ADN de una transcripción de ARN.

Actividad L1

La actividad L1 procede de la siguiente manera:

  1. La ARN polimerasa II transcribe el ADN de L1 en ARN.
  2. Los ribosomas del citoplasma traducen el ARN en proteínas.
  3. Las proteínas y el ARN se unen y vuelven a entrar en el núcleo.
  4. La endonucleasa corta una hebra de ADN "diana", a menudo en el intrón de un gen.
  5. La transcriptasa inversa copia el ARN L1 en el ADN L1 que se inserta en el ADN diana formando un nuevo elemento L1 allí.

A través de esto copiar pegar mecanismo, el número de LINE puede aumentar en el genoma. La diversidad de LINE entre los genomas humanos individuales los convierte en marcadores útiles para la "toma de huellas dactilares" del ADN. Se produce una variación en la longitud de los elementos L1: la transcripción de un elemento L1 activo a veces continúa corriente abajo en ADN adicional produciendo un elemento transpuesto más largo. Marcha atrás la transcripción del ARN de L1 a menudo concluye prematuramente y produce un elemento transpuesto acortado.

Si bien los elementos L1 no son funcionales, pueden desempeñar un papel en la regulación de la eficiencia de la transcripción del gen en el que residen. Ocasionalmente, la actividad de L1 produce e inserta una copia de un ARNm celular (por lo tanto, un ADNc natural). Al carecer de intrones y de los elementos de control necesarios como los promotores, estos genes no se expresan. Representan una categoría de pseudogén.

SINEs (elementos cortos intercalados)

Los SINE son secuencias de ADN cortas (100 a 400 pares de bases) que representan ARN de transcripción inversa moléculas originalmente transcritas por la ARN polimerasa III; es decir, moléculas de ARNt, ARNr 5S y algunos otros ARN nucleares pequeños. Los SINE más abundantes son los Elementos de aluminio. Hay más de un millón de copias en el genoma humano (lo que representa el 9% de nuestro ADN total). Los elementos Alu consisten en una secuencia con un promedio de 260 pares de bases que contiene un sitio que es reconocido por la enzima de restricción. AluI. Parecen ser transcripciones inversas de ARN 7S, parte de la partícula de reconocimiento de señales. La mayoría de los SINE no codifican ninguna molécula funcional y dependen de la maquinaria de los elementos L1 activos que se van a transponer; es decir, copiados y pegados en nuevas ubicaciones.

VIH-1

El VIH-1, la causa del SIDA, y otros retrovirus humanos (por ejemplo, HTLV-1, el virus de la leucemia / linfoma de células T humanas) se comportan como retrotransposones. El genoma de ARN del VIH-1 contiene un gen para la transcriptasa inversa y uno para integrase. La integrasa tiene la misma función que las transposasas de transposones de ADN. Las copias de ADN se pueden insertar en cualquier parte del genoma. Las moléculas de ambas enzimas se incorporan a la partícula de virus.

Transposones y mutaciones

Los transposones son mutágenos y puede causar mutaciones de varias formas. Si un transposón se inserta en un gen funcional, probablemente lo dañará. La inserción en exones, intrones e incluso en el ADN que flanquea los genes (que pueden contener promotores y potenciadores) puede destruir o alterar la actividad del gen. La reparación defectuosa del espacio dejado en el sitio anterior (en la transposición de cortar y pegar) puede provocar una mutación allí. La presencia de una cadena de secuencias repetidas idénticas presenta un problema para el emparejamiento preciso durante la meiosis. ¿Cómo va a asegurar la tercera, digamos, de una cadena de cinco secuencias Alu en la "cadena invasora" de una cromátida que se empareja con la tercera secuencia en la otra cadena? Si se empareja accidentalmente con una de las otras secuencias de Alu, el resultado será un cruce desigual, una de las causas más comunes de duplicaciones.

Nota

Se cree que la inserción de un retrotransposón en el ADN que flanquea un gen para la síntesis de pigmentos produjo uvas blancas de un antepasado de piel negra. Posteriormente, la pérdida de ese retrotransposón produjo las variedades de uva de piel roja que se cultivan en la actualidad.

Los SINE (principalmente secuencias Alu) y los LINE causan solo un pequeño porcentaje de mutaciones humanas. (Incluso puede haber un mecanismo por el cual evitan insertarse en genes funcionales). Sin embargo, se ha descubierto que son la causa de las mutaciones responsables de algunos casos de enfermedades genéticas humanas, que incluyen:

  • Hemofilia A (Factor VIII gen) y hemofilia B [Factor IX gene]
  • Inmunodeficiencia combinada grave ligada al cromosoma X (SCID) [gen para parte del receptor de IL-2]
  • porfiria
  • predisposición a pólipos de colon y cáncer [APC gene]
  • Distrofia muscular de Duchenne [distrofina gene]

¿De qué sirven los transposones?

A los transposones se les ha llamado ADN "basura" y ADN "egoísta". Son "egoístas" porque su única función parece hacer más copias de sí mismos y "basura" porque no hay ningún beneficio obvio para su anfitrión. Debido a las similitudes de secuencia de todos los LINE y SINE, también constituyen una gran parte del "ADN repetitivo" de la celda. Los retrotransposones no pueden ser tan egoístas como para reducir la supervivencia de su anfitrión. Y ahora parece que muchos, al menos, confieren algún beneficio. El proyecto ENCODE descubrió que alrededor del 75% de nuestro ADN repetitivo se produce dentro de secuencias, como potenciadores, que regulan la expresión génica o se superpone con ellas.

Algunas otras posibilidades:

  • Los retrotransposones a menudo llevan algunas secuencias adicionales en su extremo 3 'cuando se insertan en una nueva ubicación. Quizás estos ocasionalmente crean nuevas combinaciones de exones, promotores y potenciadores que benefician al huésped.

Ejemplo:

  • Miles de nuestros elementos Alu se encuentran en los intrones de los genes.
  • Algunos de estos contienen secuencias que cuando se transcriben en la transcripción primaria son reconocidas por el espliceosoma.
  • Luego, estos pueden empalmarse en el ARNm maduro creando un nuevo exón, que se transcribirá en un nuevo producto proteico.
  • El empalme alternativo puede proporcionar no solo el nuevo ARNm (y por lo tanto la proteína) sino también el antiguo.
  • De esta manera, la naturaleza puede probar nuevas proteínas sin el riesgo de abandonar la ya probada y verdadera.
  • Los elementos L1 insertados en los intrones de genes funcionales reducen la transcripción de esos genes sin dañar el producto génico; cuanto más largo es el elemento L1, menor es el nivel de expresión génica. Alrededor del 79% de nuestros genes contienen elementos L1, y tal vez sean un mecanismo para establecer el nivel de referencia de actividad genética.
  • La telomerasa, la enzima esencial para mantener la longitud de los cromosomas, está estrechamente relacionada con la transcriptasa inversa de LINE y puede haber evolucionado a partir de ella.
  • RAG-1 y RAG-2. Las proteínas codificadas por estos genes son necesarias para ensamblar el repertorio de anticuerpos y receptores de células T (TCR) utilizados por el sistema inmunológico adaptativo. El mecanismo se parece al del método de cortar y pegar de los transposones de Clase II, y los genes RAG pueden haber evolucionado a partir de ellos. Si es así, el evento ocurrió hace unos 450 millones de años cuando los vertebrados con mandíbula evolucionaron de antepasados ​​sin mandíbula. Solo los vertebrados con mandíbula tienen la RAG-1 y RAG-2 genes.
  • En Drosophila, la inserción de transposones en genes se ha relacionado con el desarrollo de resistencia al DDT y a los insecticidas organofosforados.

Transposones y la paradoja del valor C

El genoma de Arabidopsis thaliana contiene ~ 1.2 x 108 pares de bases (pb) de ADN. Aproximadamente el 14% de esto consiste en transposones; el resto de genes funcionales (25.498 de ellos). El genoma del maíz (maíz) contiene 20 veces más ADN (2,4 x 109 bp) pero seguramente no necesita 20 veces más genes. De hecho, el 60% del genoma del maíz está formado por transposones (la cifra para los humanos es del 42%). Por tanto, parece probable que la falta de asociación entre el tamaño del genoma y el número de genes funcionales (la paradoja del valor C) se deba a la cantidad de ADN de transposón acumulado en el genoma.


Ver el vídeo: Transposones, los genes saltarines (Mayo 2022).