טרנספוזונים: סוגים ומאפיינים - GEOGRAFÍA - 2025

Transposon אלמנטים או transposable הם שברי דנ"א שיכולים לשנות את מיקומו בגנום. אירוע המעבר נקרא טרנספוזיציה והם יכולים לעבור ממיקום אחד למשנהו, בתוך אותו כרומוזום, או לשנות כרומוזום. הם קיימים בכל הגנומים, ובמספרים משמעותיים. הם נחקרו בהרחבה בחיידקים, שמרים, תסיסנית ותירס.

אלמנטים אלה מחולקים לשתי קבוצות, תוך התחשבות במנגנון הטרנספורמציה של האלמנט. לפיכך, יש לנו את הרטרוטרנספוזונים המשתמשים במתקן RNA (חומצה ריבונוקלאית), בעוד שהקבוצה השנייה משתמשת ביניים DNA. הקבוצה האחרונה היא סנסוס קפדני טרנספוזונים.

"הגנים הקופצים" או הטרנספוזונים התגלו בתירס (Zea mays). מקור: pixabay.com

בסיווג עדכני ומפורט יותר נעשה שימוש במבנה הכללי של היסודות, בקיומם של מוטיבים דומים ובזהות הדמיון של DNA וחומצות אמינו. באופן זה מוגדרות תת-סוגים, משפחת-על, משפחות ותתי-משפחות של אלמנטים הניתנים להעברה.

פרספקטיבה היסטורית

הודות למחקר שנערך על תירס (Zea mays) על ידי ברברה מקלינטוק באמצע שנות הארבעים, ניתן לשנות את התפיסה המסורתית שלכל גן מקום קבוע בכרומוזום מסוים, ומקום קבוע בגנום.

ניסויים אלה הבהירו כי לאלמנטים מסוימים יכולת לשנות מיקום, מכרומוזום אחד למשנהו.

במקור, מקלינטוק טבע את המונח "יסודות שליטה", מכיוון שהם שלטו בביטוי הגן במקום בו הוכנסו. היסודות נקראו אז גנים קופצים, גנים ניידים, אלמנטים גנטיים ניידים וטרנספוזונים.

במשך זמן רב תופעה זו לא התקבלה על ידי כל הביולוגים, והיא טופלה בספקנות מסוימת. כיום, אלמנטים ניידים מתקבלים לחלוטין.

באופן היסטורי, טרנספוזונים נחשבו לקטעי DNA "אנוכיים". לאחר שנות השמונים, נקודת מבט זו החלה להשתנות, מכיוון שניתן היה לזהות את האינטראקציות ואת ההשפעה של טרנספוזונים על הגנום, מבחינה מבנית ופונקציונאלית.

מסיבות אלה, למרות שניידות היסוד יכולה להיות מזיקה במקרים מסוימים, היא יכולה להועיל לאוכלוסיות של אורגניזמים - המקבילה ל"טפיל שימושי ".

מאפיינים כלליים

טרנספוזונים הם חלקי DNA נפרדים שיש להם יכולת להתגייס בגנום (המכונה הגנום "המארח"), ובדרך כלל יוצרים עותקים של עצמו במהלך תהליך הגיוס. ההבנה של טרנספוזונים, מאפייניהם ותפקידם בגנום, השתנתה עם השנים.

חלק מהמחברים סבורים ש"אלמנט הניתן להעביר "הוא מונח מטריה לייעד סדרת גנים עם מאפיינים מגוונים. לרוב אלה יש רק את הרצף הדרוש להעברתם.

אף על פי שכולם חולקים את המאפיין של היכולת להסתובב בגנום, חלקם מסוגלים להשאיר עותק של עצמם במקום המקורי, מה שמוביל לגידול האלמנטים הניתנים להחלפה בגנום.

שפע

רצף של אורגניזמים שונים (מיקרואורגניזמים, צמחים, בעלי חיים, בין היתר) הראה כי אלמנטים הניתנים להחלפה קיימים כמעט בכל היצורים החיים.

טרנספוזונים יש בשפע. בגנום של בעלי חוליות הם תופסים בין 4 ל- 60% מכל החומר הגנטי של האורגניזם, ובדו-חיים ובקבוצה מסוימת של דגים, טרנספוזונים הם מגוונים ביותר. ישנם מקרים קיצוניים, כמו תירס, בהם טרנספוזונים מהווים יותר מ- 80% מגנום הצמחים הללו.

אצל בני אדם, אלמנטים הניתנים להחלפה נחשבים למרכיבים השכיחים ביותר בגנום, עם שפע של כמעט 50%. למרות השפע המדהים שלהם, התפקיד שהם ממלאים ברמה הגנטית לא הוברר במלואו.

כדי ליצור נתון השוואתי זה, בואו ניקח בחשבון את רצפי ה- DNA המקודדים. אלה מועתקים ל- RNA של שליח שתורגם לבסוף לחלבון. בפרימטים, ה- DNA המקודד מהווה רק 2% מהגנום.

סוגי טרנסופונים

באופן כללי, יסודות הניתנים להחלפה מסווגים על סמך האופן בו הם עוברים בגנום. לפיכך, יש לנו שתי קטגוריות: אלמנטים של כיתה 1 ואלו של כיתה 2.

פריטים בכיתה 1

הם נקראים גם יסודות RNA, מכיוון שאלמנט ה- DNA בגנום מועבר לעותק של RNA. לאחר מכן מועתק עותק ה- RNA בחזרה ל- DNA אחר המוחדר לאתר היעד של הגנום המארח.

הם ידועים גם כאלמנטים רטרו, מכיוון שתנועתם ניתנת בזרימה הפוכה של מידע גנטי, מ- RNA ל- DNA.

מספר האלמנטים מסוג זה בגנום הוא עצום. לדוגמא, רצפי ה- Alu בגנום האנושי.

הסידור מחדש הוא מהסוג המשכפל, כלומר הרצף נותר על כנו לאחר התופעה.

פריטים בכיתה 2

אלמנטים בכיתה 2 ידועים כאלמנטים של DNA. קטגוריה זו כוללת טרנספוזונים העוברים מעצמם ממקום למקום, ללא צורך במתווך.

הטרנספורמציה יכולה להיות מהסוג המשכפל, כמו במקרה של אלמנטים בכיתה I, או שהיא יכולה להיות שמרנית: האלמנט מפוצל במקרה, כך שמספר האלמנטים הניתנים להחלפה אינו גדל. הפריטים שגילה ברברה מקלינטוק שייכים לשיעור 2.

איך ההעברה משפיעה על המארח?

כפי שציינו, טרנספוזונים הם אלמנטים שיכולים לנוע בתוך אותו כרומוזום, או לקפוץ לאחד אחר. עם זאת, עלינו לשאול כיצד הכושר של האדם מושפע עקב אירוע ההמרה. זה תלוי בעיקרו באזור בו מועבר היסוד.

לפיכך, התגייסות יכולה להשפיע באופן חיובי או שלילי על המארח, אם על ידי הפעלת גן, אפנון ביטוי גנים או גרימת קומבינציה לא לגיטימית.

אם הכושר של המארח יקטן באופן דרסטי, יש לכך השפעות על הטרנספוזון, מכיוון שהישרדות האורגניזם היא קריטית להנצחתו.

לפיכך, ניתן היה לזהות אסטרטגיות מסוימות במארח ובטרנספוזון המסייעות להפחתת ההשפעה השלילית של הטרנספורמציה, להשיג איזון.

לדוגמה, חלק מהטרנספוזונים נוטים להכניס לאזורים לא חיוניים בגנום. לפיכך, הסדרה משפיעה ככל הנראה מינימלית, כמו באזורי הטרוכרומטין.

בצד המארח, האסטרטגיות כוללות מתילציה של DNA, שמצליחה להפחית את הביטוי של היסוד הניתן להמרה. כמו כן, חלק מה- RNA המפריע יכול לתרום לעבודה זו.

השפעות גנטיות

הטרנספורמציה מובילה לשתי השפעות גנטיות בסיסיות. ראשית, הם גורמים למוטציות. לדוגמה, 10% מכלל המוטציות הגנטיות בעכבר הם תוצאה של הסדרים מחדש לאחר ההחלמה, רבים מהם הם אזורי קידוד או רגולציה.

שנית, טרנספוזונים מקדמים אירועי רקומבינציה בלתי לגיטימית, וכתוצאה מכך יש תצורה מחדש של גנים או כרומוזומים שלמים, אשר בדרך כלל נושאים מחיקות של חומר גנטי. ההערכה היא כי 0.3% מההפרעות הגנטיות בבני אדם (כמו לויקמיה תורשתית) קמו כך.

ההפחתה בכושר המארח כתוצאה ממוטציות מזיקות נחשבת להיות הסיבה העיקרית לכך שאלמנטים הניתנים להחלפה אינם שופעים מכפי שהם כבר.

פונקציות של אלמנטים הניתנים להחלפה

במקור נחשבו הטרנספוזונים כגנום טפילי שלא היה להם תפקיד במארחיהם. בימינו, בזכות הזמינות של נתונים גנומיים, הוקדשה תשומת לב רבה יותר לתפקודים האפשריים שלהם ולתפקיד הטרנספוזונים בהתפתחות הגנום.

כמה רצפי רגולציה משוערים נגזרו מאלמנטים הניתנים להחלפה ונשמרו בשושלות חוליות שונות, בנוסף להיותן אחראיות למספר חידושים אבולוציוניים.

תפקיד בהתפתחות הגנום

על פי המחקרים האחרונים, לטרנספוזונים הייתה השפעה משמעותית על הארכיטקטורה וההתפתחות של הגנום של יצורים אורגניים.

בקנה מידה קטן, טרנספוזונים מסוגלים לתווך שינויים בקבוצות ההצמדה, אם כי יש להם גם השפעות רלוונטיות יותר כמו שינויים מבניים ניכרים בשונות הגנומית, כמו מחיקות, כפילויות, היפוכים, כפילויות וטרנסלוקציות.

טרנספוזונים נחשבים לגורמים חשובים מאוד שעיצבו את גודל הגנום והרכבם באורגניזמים אוקריוטים. למעשה, יש מתאם לינארי בין גודל הגנום לתוכן של אלמנטים הניתנים להחלפה.

דוגמאות

טרנספוזונים יכולים גם להוביל להתפתחות אדפטיבית. הדוגמאות הברורות ביותר לתרומתם של טרנספוזונים היא התפתחות מערכת החיסון וויסות תעתיק באמצעות אלמנטים לא מקודדים בשילוב ובמוח של יונקים.

במערכת החיסונית של החוליות מיוצר כל אחד מהמספרים הגדולים של נוגדנים באמצעות גן עם שלוש רצפים (V, D ו- J). רצפים אלו מופרדים פיזית בגנום, אך הם נפגשים במהלך התגובה החיסונית באמצעות מנגנון המכונה רקומבינציה VDJ.

בסוף שנות התשעים, קבוצת חוקרים מצאה כי החלבונים האחראים לצומת VDJ מקודדים על ידי הגנים RAG1 ו- RAG2. לאלה היו חסרים אינטרונים ויכולים לגרום להעברת רצפים ספציפיים למטרות DNA.

היעדר האינטרונים הוא מאפיין שכיח בגנים הנגזרים על ידי טרנספרנסוזיציה של RNA שליח. מחברי המחקר טענו כי מערכת החיסון של החוליות קמה בזכות טרנספוזונים שהכילו את אבות הגנים RAG1 ו- RAG2.

ההערכה היא כי כ -200,000 הכניסות הוצאו בשושלת היונקים.

הפניות

1. Ayarpadikannan, S., & Kim, HS (2014). השפעתם של אלמנטים הניתנים להחלפה בהתפתחות הגנום וחוסר היציבות הגנטית והשלכותיהם על מחלות שונות. גנומיקה ואינפורמטיקה, 12 (3), 98-104.
2. Finnegan, DJ (1989). אלמנטים אלקטרוניים הניתנים להחלפה ואבולוציה של הגנום. מגמות בגנטיקה, 5, 103-107.
3. גריפית'ס, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). מבוא לניתוח גנטי. מקמילן.
4. Kidwell, MG, & Lisch, DR (2000). אלמנטים הניתנים להחלפה והתפתחות מארחת הגנום. מגמות באקולוגיה ואבולוציה, 15 (3), 95-99.
5. Kidwell, MG, & Lisch, DR (2001). פרספקטיבה: אלמנטים הניתנים להחלפה, DNA טפילי, והתפתחות גנום. אבולוציה, 55 (1), 1-24.
6. Kim, YJ, Lee, J., and Han, K. (2012). אלמנטים ניתנים להחלפה: לא עוד 'DNA זבל'. גנומיקה ואינפורמטיקה, 10 (4), 226-33.
7. Muñoz-López, M., & García-Pérez, JL (2010). טרנספרנסונים של DNA: טבע ויישומים בגנומיקה. גנומיקה נוכחית, 11 (2), 115-28.
8. Sotero-Caio, CG, Platt, RN, Suh, A., & Ray, DA (2017). התפתחות ומגוון האלמנטים הניתנים להחלפה בגנוני חוליות. ביולוגיה וגנום של הגנום, 9 (1), 161-177.