Title: MOZGЙKONY GENETIKAI ELEMEK
1MOZGÉKONY GENETIKAI ELEMEK
- Egy sor genetikai elem képes áthelyezodni
(transzponálódni) a genomban, megváltoztatva
helyzetét egy kromoszómán belül, vagy átugorva
egy másik kromoszómára. Ha egy mozgó genetikai
elem egy génbe épül be akkor annak mutációját
okozhatja.
2A kukorica kontrol elemei (Ac Ds rendszer)
Barbara McClintock az 50-es években a kukorica
kromoszóma töréseit vizsgálta, és egy kukorica
törzs 9. kromoszómáján gyakran tapasztalt spontán
kromoszóma törést.
A kromoszómatörést citológiailag és genetikailag
is könnyen ki lehetett mutatni A 9. kromoszómán
megfigyelheto dudor jó kromoszóma marker, a c
színtelen fenotípust okozó allél pedig
pszeudo-dominánsként viselkedik a C (színes)
deléciója esetén.
3Kukorica endospermium mutáns fenotípusok
Az ábrán egy többszörös mutáns beltenyésztésébol
származó F2 növény látható. A világos színu
szemek c (colorless) genotípusúak, zsugorodott
szemek sh (shrunken) genotípusúak. A többi
fenotípust a wx (waxy) a su (sugary), és a pr
(purple) gén mutációi és a különbözo mutációk
génkölcsönhatásai eredményezik. A bz (bronze)
fenotípus amely bronzszínu sötétbarna színt ad
nem szerepel az ábrán.
4A kukorica kontrol elemei (Ac Ds rendszer)
A kromoszóma törés két genetikai faktor
jelenlététol függött. Az egyik amit Ds-nek
(Dissociation) nevezett a törés helyére
térképezodött. A másik faktor nem volt kapcsolt a
9. kromoszómához, viszont annak jelenlététol
függött a törés bekövetkezése. Ezt Ac-nek
(Activator) nevezte el.
9. kromoszóma
Az Ac faktor több független kukorica törzsbol is
kimutatható volt, és meglepo módon az egyes
törzsekben más-más kromoszómára térképezodött,
sot egyetlen törzsön belül is gyakran
növényenként máshová térképezodött.
5A pszeudo-dominancia okozta fenotípusok
leggyakrabban szomatikus mutáns mozaik foltokban
láthatók
A CC Ds-Ds Ac-Ac x cc
keresztezésbol származó Ccc,
Ds-DsDs Ac-AcAc genotípusú magvak triploid
táplálószövetének fenotípusa, ahol Dc- és Ac- a
faktorok jelenlétét pedig azok hiányát jelöli.
Ac jelenlétében a kromoszóma törés a kukorica
szemeken sötét háttéren világos mozaikfoltokat
eredményez.
6Idonként a Ds faktorok is különbözo különbözo
lókuszokba térképezodnek egyazon kromoszómán
belül.
Ha a Ds faktor különbözo lókuszokban található az
különbözo mozaikos fenotípusokat eredményez.
fenotípus 1
Mindez arra utal, hogy mind az Ac mind a Ds elem
mozogni képes a genomban.
fenotípus 2
7Ritkán kivételes fenotípusú színtelen alapon
sötét foltos szemek is megjelentek.
?
Ccc, Ds-DsDs AcAcAc genotípus
Ccc Ds-DsDs Ac-AcAc genotípus
Az új fenotípus nem magyarázható kromoszóma
törésssel, hisz a fehér szektor a legnagyobb
méretu, ami igen korai törés bekövetkeztét
feltételezné, viszont akkor nem jelenhetnének meg
utólag sötét foltok, mivel a deléció nem tud
revertálni. Az új fenotípust egy új genotípus
megjelenése okozza, mivel egy új instabil cDs
allél keletkezett. Az instabilitás gyakori
reverzióval jár de csupán Ac jelenlétében, Ac
hiányában cDs stabil c allélként viselkedik.
8A cDs allél megjelenését a Ds elem C génbe ugrása
okozza
c mutáns háttér
Ac jelenlétében
C revertáns mozaikfoltok
c mutáns háttér
Ac hiányában
A cDs allél fenotípusa két géntol (cDs és Ac)
függ.
9A cAc allél megjelenését az Ac elem C génbe
ugrása okozza
Ac jelenlétében és hiányában is
A cAc allél fenotípusa egyetlen géntol függ, mert
az instabil fenotípus F2-ben 31 arányban
szegregál.
10A cDs és cAc allélok fenotípusának magyarázata
A világos alapon sötét foltos szemet az okozza,
hogy Ac hatására Ds beleugrott C allélba, és
inaktiválta azt. Így egy funkció-vesztéses cDs
allél jött létre. Ha a színtelen cDs /c háttéren
pigmentált folt jelenik meg azt csak cDs
reverzója okozhatja. Ez úgy következhet be, ha a
cDs inszerció Ac jelenlétében nem stabil, és
valahányszor Ds kiugrik cDs -bol, helyre áll C
allél, és az utód sejtek sötét foltot képeznek.
Ac hiányában cDs allél funkcióvesztéses c
allélként viselkedik. A cAc allél is
funkcióvesztéses c allélként viselkedik, de az
instabil fenotípus a mendeli 31 arány alapján
egyetlen génhez cAc -hez kötheto.
Mindezekbol Barbara McClintock arra
következtetett, hogy mind Ac, mind Ds mozgékony
genetikai elem. Ac hatására Ds mozog és közben a
kromoszóma eltörhet, emellett Ac önálló mozgásra
képes.
11Ac autonóm elem, önálló mozgásra képes, míg Ds
nem autonóm elem.
genotípus
fenotípus
Alap állapot.
Ac hiányában cDs színtelen, stabil fenotípust
eredményez. Ac jelenlétében cDs foltos szemek
jelennek meg, amik azt tükrözik, hogy Ds kiugrik
c-bol, és azokban a sejtekben, ahol ez
megtörténik, visszaáll a vad C fenotípus. Azon
törzsekben ahol Ac maga ugrott be C-be az
inszerció mindig instabil, és a fenotípus 31
arányt ad jelezve, hogy hátterében egyetlen gén
áll.
12Egy kukoricacso Barbara McClintock kísérleteibol
Mendelhez hasonlóan McClintock is a fenotípus
számarányok matematikai elemzése útján jutott
olyan felismerésekre amelyek a jelenség
hátterében meghúzódó molekuláris történésekre
utaltak.
13Az Ac és Ds elemek molekuláris felépítése
Ac
Ds
A Wx gén instabil wx mutánsaiból klónozták mind a
Ds mind az Ac elemet. A DNS szekvencia alapján az
Ac elem kb. 4500 bp hosszú, végein 11 bp
fordított ismétlodéssel. A két ORF közül a
nagyobbik kódolja a transzpozázt. A Ds elemek az
Ac különbözo méretu deléciói. A beépült
transzpozon két végén a waxy gén 8 bp hosszú
szakaszának duplikációját tapasztalták. A
revertánsokban a 8 bp duplikáció megmarad de úgy
módosul, hogy a megfelelo leolvasási keret
helyreálljon.
14A kukorica kontrol elemei (összefoglaló)
A Ds elem a tole független Ac gén hatására
bármely gént inaktiválhat inszerció útján. Az Ac
jelenléte a mutációt insabillá teszi, mivel a
target lókuszból ki is tudja mozdítani a Ds
elemet, visszaállítva a gén eredeti funkcióját. A
Ds elem nem-autonóm, mert csak Ac jelenlétében
képes mozogni. Ac autonóm elem, mert önmagában
is képes mozogni. Ha Ac épül be egy target génbe
akkor autonóm instabil allél keletkezik. Az
autonóm elem is átalakulhat nem-autonómmá úgy,
hogy az Ac elem deléciójával Ds keletkezik. A Ds
elem tehát az Ac deletált változata.
15(No Transcript)
16Mozgékony genetikai elemek baktériumokban
A baktériumok mozgékony genetikai elemeit a gal
lókusz tanulmányozása során fedezték fel. A gal
operon policisztronos, ami három enzimet
kódol. Szerkezete
Egy E génbe inszertálódó IS elem a T és K gének
átírását is megakadályozza.
STOP
17Poláris mutáció Galaktóz-kináz hiányos mutánsok
között találtak olyanokat, amikben a mutáció az
operon több enzimét inaktiválta egyszerre. Egy
ilyen mutációban a mutációs hely az epimeráz
területére térképezodött. Az ilyen mutáció
poláris, mert a mutációs ponttól a transzkripció
irányában utána következo minden gént inaktivál
az operonban. A mutáció a korábban ismert
poláris mutációktól (pl. deléciók) eltért abban,
hogy spontán gyakran revertált, és a reverziós
rátáját nem befolyásolták mutagének. A
polaritásnak az a magyarázata, hogy az inszerciós
elem (IS elem) transzkripciós vagy transzlációs
STOP jelet tartalmaz, így az operon átírása során
az inszerciós ponttól az átírás irányában
(downstream) elhelyezkedo további gének
fehérjéje nem keletkezhet.
18A l fág pontos és pontatlan kivágódása a gazda
kromoszómájából
Szabályos kivágódás
beépülés
- A l fág egyetlen kitüntetett helyen képes a
baktérium kromoszómába integrálódni. Az
integrálódott l fág a kivágódása során kis
gyakorisággal a beépülési helytol jobbra vagy
balra elhelyezkedo gént (gal vagy bio) is magával
viheti a fág fejbe csomagolva. Az ilyen fág
defektív (ldgal), hisz a fág DNS egy részét
elvesztette, helyette egy bakteriális gal gént
tartalmaz.
19Az IS inszerciók fizikai kimutatása
A l fág az E.coli genomban a gal és a bio
lókuszok közé épül be. Könnyu olyan ldgal fág
részecskéket nyerni, amik tartalmazzák a gal gént.
Poláris gal mutációt és vad típusú gal gént
tartalmazó ldgal fág DNS-e CsCl grádiensben
összehasonlítva azt mutatja, hogy a poláris
mutációt hordozó fágfej DNS-ének fajsúlya
nagyobb, mert több DNS-t tartalmaz.
ldgal
ldgal -
20DNS inszerciók fizikai kimutatása
A kétféle fág DNS-ét denaturálták majd egymással
renaturálták. A hibrid molekuláról készült EM
felvételeken a heteroduplex egy helyén egy
egyszálú kitüremkedés (nem hibridizáló rész)
látható, mely kb. 800 nukleotid hosszúságú. Ezt
az elemet nevezték el IS1-nek
További poláris mutánsok vizsgálata azt mutatta,
hogy a baktériumok genomjában szekvenciájuk
alapján többféle különbözo családba sorolható
inszerciós szekvencia található. Az IS elemek az
E. coli F plazmidjában is jelen vannak.
21A baktériumok plazmidjai
A baktériumok a kör alakú kromoszómájukon kívül
kisméretu szintén kör alakú DNS elemeket is
tartalmazhatnak, ezek az episzómák vagy
plazmidok. Az E. coli legismertebb plazmidja az F
faktor. Az F faktor képes átjutni egyik
baktériumból a másikba.
22Az E. coli IS elemei
Az F plazmid inszerciós elemei.
23A rezisztencia faktor (R plazmid)
Az 50-es években Japánban egy dizentériás
(hasmenés) betegbol olyan Shigellá-t izoláltak,
amely egyszerre volt rezisztens minden addig
használt antibiotikumra (penicilin, tetraciklin,
stb.). Ez a többszörös drogrezisztencia egy
egységként öröklodött, és nemcsak a szenzitív
törzsbe, de közeli rokon fajokba is átvihetonek
bizonyult. Kiderült, hogy a rezisztencia
átadásáért egy F faktorhoz hasonló önreplikációra
képes plazmid felelos, ami az R (rezisztencia)
faktor nevet kapta. Az R plazmidok elofordulása
általános a baktérium törzsekben.
24Az R plazmidok szerkezete
Egy R plazmid denaturált egyes szálú DNS-e saját
magával párosodó homológ szakaszokat tartalmaz.
Az EM képen látható nyalóka lollipop alakú
szerkezet szárát a párosodó szakasz adja, amely
fordított ismétlodo (inverted repeat)
szekvenciákból áll. A két repeat egy-egy
fordított irányban álló IS elemnek felel meg, míg
közöttük a nyalóka fejében találhatók a
rezisztencia gének. A kettot együttesen
transzpozonnak nevezzük.
25A bakteriális transzpozonok
plazmid
R-plazmid
rezisztencia gén
26A bakteriális transzpozonok
Az R plazmidok transzpozont tartalmazó plazmidok.
A transzpozonok úgy épülnek fel, hogy a
rezisztencia gének két oldalát mindig egy-egy IS
elem határolja, amelyek egységként képesek
elmozdulni a baktérium genomban. A két elem a
mozgása során magával viszi a közéjük ékelodött
rezisztencia géneket is. A két azonos típusú IS
elemmel határolt szerkezetet nevezik a baktérium
genetikában transzpozonnak. Az elnevezés
megtéveszto, mert a transzpozon kifejezést ma
általában sokkal szélesebb értelemben használjuk,
és bármely mozgó genetikai elemet transzpozonnak
nevezünk. A baktériumokban azonban a mozgékony
elemeknek továbbra is két fo csoportját
különítjük el az IS elemeket és az általuk
létrehozott transzpozonokat. A bakteriális
transzpozonok a felfedezésük sorrendjében
sorszámot kaptak, és az egyes transzpozonok abban
különböznek egymástól, hogy eltéro IS elemmel
határoltak és eltéro rezisztencia gént
tartalmaznak.
27Az R-plazmidok multidrog rezisztenciájának
kialakulása transzpozonok mozgásának köszönheto
A transzpozonok képesek a plazmidról a
bakteriális kromoszómára átugrani és fordítva.
Ily módon képesek új tulajdonságokat átvinni
egyik DNS-rol a másikra. A plazmidok aztán fajon
belüli vagy fajok közötti konjugációval a
rezisztenciát egymásnak és más fajoknak is
átadhatják. A nagymértéku antibiotikum
felhasználás szelekciós nyomást jelent a
rezisztenciák felhalmozódásához.
28A mu (mutator) fág
A 36 kb hosszú mu fág olyan temperált vírus, mely
sok hasonlóságot mutat az IS elemekkel. Bárhová
inszertálódni képes a bakteriális vagy plazmid
genomba miáltal gyakran okoz mutációkat. Az
inszerció replikatív transzpozícióval
megkettozodhet. Két mu fág közé eso bakteriális
DNS darab transzpozonként képes áthelyezodni a
genomban, akár kromoszóma és plazmid között is. A
fág a mozgása során kromoszóma átrendezodéseket
(deléciót inverziót) képes okozni a baktérium
kromoszómán.
29A mozgékony elemek áthelyezodésének kétféle
eredménye lehet
1., Konzervatív áthelyezodés. A mozgékony elem az
eredeti helyérol kivágódik, és egy új helyen
megjelenik. Az elemek száma nem no. 2.,
Replikatív áthelyezodés. A mozgékony elemnek új
példánya keletkezik egy új inszerciós helyen,
miközben az eredeti elem is megmarad az eredeti
helyén. Ezzel no az elemek száma.
30A konzervatív transzpozíció mechanizmusa
1., Elso lépésként a transzpozáz eltolva két
bemetszést ejt a target DNS-en (mint egy
restrikciós enzim). 2., Kivágja a transzpozont
eredeti helyérol és a transzpozon beékelodik a
túlnyúló végek közé. 3., Az egyszálú túlnyúló
végek templátul szolgálnak a DNS repair számára,
és a polimeráz feltölti a hiányzó szakaszt. Ez
target hely duplikációt eredményez az elem két
oldalán. Minden elemre jellemzo az áthelyezodés
során keletkezo duplikáció mérete.
31A replikatív transzpozíció mechanizmusa(Az ábrán
a transzpozon egyik plazmidról a másikra ugrik.)
donor
IRS
1., bemetszés
3., repair, DNS szintézis
2., kointegrátum képzése
4., a kointegrátum feloldódása
rekombinációval
target
1., A transzpozáz két eltolt egyes szálú
bemetszést ejt mind a transzpozon mind a target
hely két oldalán. 2., A bemetszési pontok
keresztbe ligálódnak, miáltal egy kettos átmeneti
DNS darab, ún. kointegrátum keletkezik. 3., A
javítórendszer kiegészíti a hiányos egyes
szálakat. 4., A kointegrátum rekombináció útján
kettéválik, amit a transzpozon közepén található
IRS (IRS internal resolution site a
feloldódás kitüntetett helye) tesz lehetové. Az
IRS deléciója esetén a rekombináció nem tud
lejátszódni.
32Az eukarióta transzpozonok két típusa
retrotranszpozon
DNS transzpozon
33Eukarióta transzpozonok
A transzpozonok jelenléte az eukarióta genomban
még általánosabb, mint a prokarióta genomban.
Egyes eukarióta fajok össz DNS-ének több mint
felét transzpozon szekvenciák alkotják. A spontán
mutációk jelentos részét transzpozonok mozgása
okozza. Az eukarióta transzpozonok két nagy
családra oszthatók 1., A DNS-ként áthelyezodo
transzpozonok, ahová az eddig tárgyalt mozgó
elemek is tartoznak 2., RNS közvetítésével
áthelyezodo ún. retrotranszpozonok, melyek a
retrovírusokkal mutatnak szerkezeti rokonságot.
Eukariótákban ezek a gyakoribbak.
A retrovírosok egyszálú RNS vírusok, melyek
kettos szálú DNS közbeiktatásával replikálódnak.
Az RNS-üket reverz transzkriptáz segítségével
másolják DNS-é. Némely retrovírus, mint az egér
emlorák vírus (MMTV), vagy a Rous szarkoma vírus
(RSV) rákos növekedést indukálhat. Provírusnak
nevezzük a kettosszálként a gazda DNS-be
integrált formájukat. Integrációkor a target DNS
rövid duplikációját váltják ki.
34A retrovírosok szerkezete és életciklusa
reverz transzkriptáz
35A retrotranszpozonok szerkezete
retrovírus
retrotranszpozonok
36A retrotranszpozonok áthelyezodési mechanizmusa
sejtmag
citoplazma
37Az RNS intermedieren keresztüli transzpozíció
bizonyítása
módosíások
eredeti elem
új inszert
Jef Boeke és Gerald Fink (1985) egy módosított Ty
elemet épített be egy éleszto plazmidba. A
transzpozáz kódoló régióba egy másik éleszto gén
intronját építették be, és az expresszíót egy
galaktózzal indukálható promóterrel szabályozták.
Azt találták, hogy galaktóz jelenlétében erosen
megnott az új transzpozíciók gyakorisága, és a
újonnan izolált transzpozíciókban nem volt benne
az intron szekvencia. Mivel az intron csak az RNS
érés folyamán vágódhat ki, ez azt bizonyítja,
hogy az új beépülés csak az érett mRNS-rol
készült DNS kópián keresztül történhetett.
38Az éleszto és a Drosophila retroelemei
Az éleszto Ty1-nek nevezett elemei 5,6 kb
hosszúak és körülbelül 35 kópiában fordulnak elo
a genomban, a végén 38 bp hosszú un. d (delta)
szekvenciával, melyekbol körülbelül 100 van a
genomban. Az elemben a d szekvenciák direkt
ismétlodésuek, és 5 bp ismétlodést okoznak a
beépülés helyén.
A Drosophila copia-like elemeinek legalább 7
családja van, méretük 5-8,5 kb. Hosszú, direkt
terminális ismétlodésükben egy rövid tökéletlen
fordított ismétlodést hordoznak és beépüléskor
jellemzo számú bázispárnyi gazda DNS duplikációt
hoznak létre. Mindegyik család 10-100-szoros
ismétlodéssel fordul elo a genomban. A Drosophila
white-apricot (wa) szemszín mutánsa jellemzo
példája a kópia-szeru elem beépülés okozta
mutációknak.
39A Drosophila P eleme
A Drosophila P-elemei hasonlítanak a kukorica
Ac-Ds elemeire. P elemeket a hibrid diszgenezis
tanulmányozásának során fedezték fel. M
laboratóriumi nostény x P természetbol izolált
hím keresztezés utódaiban sterilitást, magas
mutációs rátát, nagy gyakoriságú kromoszóma
aberrációt és nondiszjunkciót figyeltek meg. A
mutánsok instabilak, mivel az elem gyakran
kivágódik. A diszgenezis magyarázata az, hogy az
M citotípusból hiányoznak a P elemek, míg a P
citotípus sok elemet tartalmaz, melyek mozgását
egy citoplazmás represszor tartja féken. Az M
típusú (represszor mentes) petékbe a spermium
genomjával bevitt P elemek nagymértékben
mobilizálódnak.
40A P elem molekuláris szerkezete
A teljes hosszúságú P elem 2,9 kb hosszú, végein
31 bp tökéletes fordított ismétlodéssel. A négy
exon a transzpozázt kódolja, azonban ha az utolsó
intron nem vágódik ki, akkor a transzláció során
egy rövidebb represszor fehérje keletkezik. A
kisebb P elemek a Ds elemhez hasonlóan a teljes
méretu elem deléciós változatai, és
áthelyezodésre csak akkor képesek, ha az adott
sejtben a teljes elem is jelen van. Ezt a
tulajdonságot felhasználva mutagenezisre
használható. A defektív P elembe marker gént
építve transzpozáz jelenlétében a defektív elem
áthelyezodik, melyet a markerrel követni lehet.
Ha a defektív elem génbe épül az fenotípust
okozhat (látható vagy letális). A mutánsból
készített génkönyvtárból a mutáns gén a P elem
DNS próbájával könnyen azonosítható, mert a
mutáns gént a benne ülo P elem megjelöli
(tagged mutant).
41P elem közvetítette gén transzfer Drosophilában
Mozgásképtelen, mert egyik terminális repeatje
sérült.
kifejlodo pete
42P elem közvetítette gén transzfer Drosophilában
1., A klónozott P elem végi ismétlodései közé a
transzpozáz gén helyére beépítik a kívánt gént,
valamint egy szemszín marker gént . 2., A fenti
módosított P elem plazmidot egy ép P elemet
tartalmazó plazmiddal keverve (ami transzpozáz
forrásul szolgál) beinjektálják korai embriók
hátsó részébe oda, ahol az ivarsejt vonal fog
kialakulni. Az embriók homozigóta mutánsok a
marker génként használt génre nézve. A
transzpozon az injektált embriók ivarsejtjébe fog
beugrani. 3., Az embriókból kikelo legyeket
bekeresztezik ugyanazon mutáns genotípusú
partnerekkel. Ha a kikelo utód szemszíne vad
típusú, az azt jelenti, hogy a marker gén jelen
van a genomjában vagyis minden sejtjében hordozza
a kívánt transzgént is. Az elozo oldali példa
egy látható fenotípust okozó szemszín marker a
rosy markergén bejuttatását szemlélteti.
43Rokon fajok eltéro genom mérete a
transzpozonoknak köszönheto.
genom méret 101
narancs kódoló gének, zöld transzpozonok
egységnyi kromoszóma szakaszon.
44Dinamikus genom több mozgékony elem, mint hittük
volna
Az eukarióta genomok tele vannak transzpozon
szeru szekvenciákkal. A genom szekvenálások
feltárták, hogy ha közel rokon fajok genom mérete
nagyban különbözik, a különbség szinte teljes
mértékben transzpozon szekvenciák mennyiségébol
adódik. Az árpa pl. 10-szer nagyobb genom
mérettel rendelkezik mint a rokon rizs, a
szalamandra 20-szor nagyobbal mint az ember. Az
emberi genomnak csaknem felét retrotranszpozon
szeru szekvenciák alkotják. Ezek két fo csoportja
a LINE (Long Interspersed Nuclear Element) és a
SINE (Short INE) elemek. A SINE a LINE deletált
változatának tunik.
45Az ember genomban leggyakoribb SINE az Alu elem.
Ezek a genom 10 -át teszik ki. Alu-nak azért
nevezik, mert tartalmazza az Alu restrikciós
enzim target helyét. Egy tipikus humán gén a
homogentizinsav-oxidáz (HGO) ismétlodo elemei
Feltüno, hogy minden ismétlodo elem intronban
van. Az exonba ékelodo inszerciók negatív
szeleció áldozatai lesznek. Ezért transzpozonokat
sokkal ritkábban találunk muködo génben, mint
intronokban, egyéb transzpozonokban, vagy a
centromer környéki heterokromatinban. A
gazdaszervezet rendelkezik inaktiváló
mechanizmussal, ami megakadályozza a
transzpozonok mozgását. Ez foként epigenetikus
mechanizmusokból áll, ami a kromatin szerkezet
csomagolása útján inaktiválja a transzpozonokat.
A spontán emberi mutációknak csak mintegy 0,2
-át okozzák transzpozonok, de egérben ez az
érték 10.