Transposon

Ein Transposon (umgangssprachlich springendes Gen) ist ein DNA-Abschnitt im Genom, der seine Position im Genom verändern kann (Transposition). Man unterscheidet Transposons, deren mobile Zwischenstufe von RNA gebildet wird (Retroelemente oder Klasse-I-Transposon), von denjenigen, deren mobile Phase DNA ist (DNA-Transposon oder Klasse-II-Transposon). Im Gegensatz zum Retroelement können diese Transposons ihren Locus ohne eine RNA-Zwischenstufe verändern. Transposons werden als eine Form eigennütziger DNA bezeichnet, obwohl sie ihrem Träger Vorteile verschaffen können.

Bakterielles Transposon

Eigenschaften

Wenn Transposons autonom sind, also ihre „Werkzeuge zum Springen“ selbst mitbringen, sind sie oftmals von kurzen Wiederholungssequenzen (repeats) umgeben, die für die Transposition notwendig sind. Die Orientierung dieser Wiederholungssequenzen kann gleichgerichtet sein (direct repeat) oder gegenläufig (inverted repeat oder IR). Die typische Beschaffenheit der Wiederholungssequenzen wird häufig zur Klassifikation von Transposons herangezogen. Vollständige, autonome Transposons enthalten ein oder mehrere Gene; eines der Gene codiert immer für eine Transposase.

Transposons sind begrenzt von einer kleinen (8–40 bp), gegenläufig-identischen, nicht informativen Nucleotidsequenz (inverted repeat); diese sind für die Funktion der Transposase (das für das Springen verantwortliche Enzym), zwingend notwendig. Des Weiteren sind DNA-Transposons auch von 3–13 bp langen gleichgerichteten Wiederholungen (direct repeats) umgeben. Diese gehören aber zur Wirts-DNA und entstehen dadurch, dass beim Integrieren, ähnlich wie bei einem Restriktionsenzym, an beiden Strängen versetzt geschnitten wird, dann das Transposon integriert wird und die Einzelstränge durch zelleigene Reparaturenzyme wieder aufgefüllt werden. Diese direct repeats werden deswegen auch als target site duplications bezeichnet. Beim Herausschneiden bleiben diese Duplikationen oft erhalten, sodass „Fußabdrücke“ (foot prints) beim Herausschneiden des DNA-Transposons übrigbleiben, die eine Insertion darstellen. Teilweise werden auch beide Duplikationen herausgeschnitten, sodass es effektiv zu einer Deletion kommt (die Duplikationen sind von der Wirts-DNA).

Entdeckung und Bedeutung

Entdeckt wurden die Transposons 1948 von der US-amerikanischen Botanikerin Barbara McClintock im Mais,[1] die für diese Entdeckung 1983 mit dem Nobelpreis geehrt wurde. Seitdem wurden Transposons auch in vielen anderen Organismen nachgewiesen, so zum Beispiel auch beim Menschen. In der Genetik und Entwicklungsbiologie spielen besonders die Transposons von Drosophila melanogaster eine große Rolle, da diese gezielt in die Fliegen injiziert und stabil ins Genom integriert werden können. Durch gentechnisch veränderte Transposons können auf diese Weise relativ einfach transgene Fliegen hergestellt werden, die für die Erforschung der Genfunktionen eine wichtige Rolle spielen. Transposons können aber auch auf Plasmide oder Phagengenome übertragen werden, was zu infektiösen Mutationen führen kann. So kann die neu eingefügte genetische Information bei Bakterien Resistenz gegen Antibiotika hervorrufen.

Transposons machen etwa die Hälfte des menschlichen Genoms aus.[2] Eine gut unterstützte Theorie geht davon aus, dass die Rekombinasen RAG1 und RAG2, die für die V(D)J-Rekombination bei der Immunglobulin-Produktion zuständig sind, von Transposasen abstammen, womit das Immunsystem der Wirbeltiere von DNA-Transposons abstammt.

DNA-Transposons können auch auf Plasmide springen und durch die Kointegrate somit Resistenzgene enthalten. Es ist somit nicht auszuschließen, dass sie für die Verbreitung von Resistenzen gegen Antibiotika eine Rolle spielen. Rund 45 % des menschlichen Genoms bestehen aus transponiblen Elementen, die jedoch nur zu einem sehr geringen Anteil zum Springen fähig sind. Es gibt auch die Theorie, dass die Immunglobuline von Transposons abstammen. Insofern ist es strittig, ob man Transposons zu Junk-DNA zählen soll. Forschungsergebnisse von Eric Lander et al. (2007) zeigen jedoch, dass Transposons eine durchaus wichtige Funktion haben, da sie als kreativer Faktor im Genom wichtige genetische Innovationen rasch im Erbgut verbreiten können.[3]

Andere Lebewesen haben einen anderen Genomanteil an Transposons, so sind in D. melanogaster nur etwa 15–22 % und in Caenorhabditis elegans etwa 12 % des Genoms transponible Elemente. Bei einigen Pflanzen wie z. B. Mais können jedoch über 80 % des Genoms Transposons sein.[4] Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht der Anteile transponibler Elemente an der genomischen DNA.

Genomgröße und Anteil transponibler Elemente[5]
Spezies Genom­masse
in Piko­gramm		 Genom­größe
in Giga­basen­paaren[6]		 Prozentualer Anteil
trans­ponibler Elemente
Rana esculenta Frosch 5,6–8,0 5,5–7,8 77
Zea mays Mais 5,0 4,9 85
Homo sapiens Mensch 3,5 3,4 45
Mus musculus Maus 3,4 3,3 40
Drosophila melanogaster Taufliege 0,18 0,17 15–22
Caenorhabditis elegans Wurm 0,1 0,098 12
Saccharomyces cerevisiae Hefe 0,012 0,0117 3–5
Escherichia coli Bakterium 0,0046 0,0045 0,3

Vermehrungsmechanismen

Bei DNA-Transposons wird zwischen der konservativen Transposition und der replikativen Transposition unterschieden. Während bei der konservativen Transposition das Transposon aus der DNA herausgeschnitten und an anderer Stelle wieder eingebaut wird („Cut & Paste“), wird bei der replikativen Transposition das Transposon nicht herausgeschnitten, sondern eine Kopie erstellt, die an anderer Stelle eingebaut wird („Copy & Paste“). Bei der replikativen Transposition wird die Anzahl der Transposons vermehrt. Das Herausschneiden bzw. das Kopieren des Transposons erfolgt mit Hilfe des Enzyms Transposase.

DNA-Transposons, die zu klein sind, um ein Protein zu codieren, bezeichnet man als „Miniature Inverted-repeat Transposable Elements“ (MITEs). Sie können sich nicht autonom verbreiten. Wie sie sich vermehren oder verschieben, ist noch unklar. Möglicherweise war das Transposase-Gen einmal vorhanden und ist nun defekt oder verloren gegangen. Möglicherweise kopieren und verschieben sich MITEs durch Transposaseenzyme, die von anderen, größeren Transposons codiert werden und die gleiche Erkennungssequenz besitzen (inverted repeats).[7]

RNA-Transposons (oder besser "Retroelemente") springen, indem sie in mRNA transkribiert werden, die anschließend in cDNA umgeschrieben (durch eine Reverse Transkriptase) und wieder integriert werden. Dabei vermehren sich die Retroelemente. Die Unterklasse der sogenannten SINEs, aber auch andere nicht mehr autonome Retroelemente haben keine Reverse Transkriptase mehr und sind auf eine fremde (etwa von anderen Retroelementen) angewiesen.

Funktionelle Einteilung transponibler Elemente

Je nachdem, ob das intermediäre Element DNA oder RNA ist, unterscheidet man zwischen DNA-Transposons (auch Klasse-II-Transposon genannt) und sogenannten Retroelementen (Klasse-I-Transposon). Die Retroelemente besitzen entweder long terminal repeats (LTR; bei LTR-Retrotransposons bzw. Retrotransposons im engeren Sinne und bei klassischen Retroviren) oder nicht (Retroposons).

Evolution der Transposons

Die Evolution der Transposons und ihre Auswirkungen auf die Evolution des Genoms ist zurzeit Gegenstand kontroverser Forschung.

Transposons findet man in allen Zweigen des Lebens. Es ist jedoch unbekannt, ob sie vom „Urvorfahr“ vererbt wurden, oder ob sie mehrfach unabhängig voneinander entstanden sind, oder möglicherweise einmal entstanden und dann unter den Lebewesen durch horizontalen Gentransfer verbreitet wurden. Für letzteres ergibt eine 2008 erschienene Untersuchung starke Hinweise. So finden sich nahezu identische space-invader-(SPIN-)Gene in so unterschiedlichen Arten wie Mäusen und Fröschen.[8] Obwohl Transposons ihrem Wirt Vorteile verschaffen können, werden sie generell als eigennützige DNA-Parasiten eingestuft, welche in Genomen zellularer Organismen „leben“. Auf diese Art sind sie Viren ähnlich. Viren und Transposons haben Ähnlichkeiten in ihrer Genomstruktur und ihren biochemischen Eigenschaften. Dies führt zu der Spekulation, dass Viren und Transposons einen gemeinsamen Vorfahren haben könnten[9] (Siehe Nucleocytoviricota Äußere Systematik).

Interessanterweise codieren Transposons oft das Enzym Transposase, welche eine wichtige Rolle im Vermehrungsmechanismus des Transposons selbst spielt. Dies könnte man als virenähnliche Eigenschaft deuten, da auch das Genmaterial von Viren eben genau die Genprodukte codiert, die zur Weiterverbreitung ebendieses Virengenoms dienen.

Da eine exzessive Transposonaktivität das Genom zerstören kann, scheinen viele Organismen Mechanismen entwickelt zu haben, welche die Transposition auf ein handhabbares Maß reduzieren. Bakterien können eine hohe Gendeletionsrate aufweisen als Teil eines Mechanismus, welcher Transposons und Viren aus ihrem Genom entfernen soll. Hingegen könnten eukaryotische Organismen den RNA-Interferenz (RNAi)-Mechanismus entwickelt haben, um die Transposonaktivität einzuschränken. In dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans verringern einige Gene, die für RNAi benötigt werden, die Transposonaktivität.

Phasenvariation

In bestimmten Stämmen von Salmonella Typhimurium ist ein Transposon dafür verantwortlich, dass der Organismus etwa alle 1000 Generationen zwischen zwei Variationen des Flagellins, dem Hauptbestandteil des Flagellums, hin und her schaltet. Da beide Varianten durch unterschiedliche Antikörper erkannt werden, ist das für den Organismus von Vorteil.[10]

Gruppen prokaryotischer Transposons

Das einzige Gen, welches in einer Insertionssequenz (IS) enthalten ist, codiert das Enzym Transposase. Dieses katalysiert die Bewegung des Transposons von einer Stelle der DNA zu einer anderen. Dabei handelt es sich meist um eine konservative Transposition. Nur selten wird replikativ transponiert (alte Sequenz bleibt erhalten). Das Transposase-Gen wird dann beidseitig von Inverted Repeats flankiert.

Die sogenannte Tn3-Familie besitzt neben der Transposase auch eine Resolvase (tnpR) und enthält eine sogenannte res-Site". Transposasen der Tn3-Familie schneiden im Gegensatz zu denen der IS-Elemente nicht zwingend an den eigenen IR, sondern auch an entfernteren IR der gleichen Familie. Dadurch wird ein großes Stück Wirts-DNA eingeschlossen (Kointegrat), das durch die Resolvase in der res-Site herausgeschnitten wird. Die Tn3-Familie transponiert zudem bevorzugt replikativ.

Auch gehören einige Phagen, wie der Phage Mu (Spezies Escherichia-Virus Mu, wiss. Muvirus mu, mit Enterobacteria-Phage Mu, Morphotyp Myovirien) zu den DNA-transponierbaren Elementen. Die Phagen vermehren sich im Stadium als Provirus, also im Genom integriert durch Transposition.

Eukaryotische Transposons

Eukaryotische Transposons sind nur teilweise ähnlich den prokaryotischen Vertretern. Vor allem die Transpositionsmechanismen sind recht unterschiedlich und einige DNA-Transposons weisen auch eine Intron-Exon-Struktur auf.

Recht bekannt ist das Ac-Element, an dem Barbara McClintock 1951 beim Mais „springende“ Elemente postulierte und dafür 1983 einen Nobelpreis erhielt.

In Drosophila melanogaster sind die p-Elemente bekannte Vertreter von DNA-Transposons.

Auch in dem parasitären Rafflesiengewächs Sapria himalayana wurden zahlreiche Transposons (und auch Introns) gefunden.[11]

Polintons (Mavericks)

Polintons (auch Mavericks genannt) sind große DNA-Transposons, die Gene mit einer Homologie zu viralen Proteinen enthalten und häufig in eukaryotischen Genomen zu finden sind. Sie wurden erstmals Mitte der 2000er Jahre entdeckt und sind die größten und komplexesten bekannten DNA-Transposons. Bekannte Polintons kodieren für bis zu 10 einzelne Proteine. Sie haben ihren Namen von zwei Schlüsselproteinen, einer Typ-B-DNA-Polymerase (PolB) und einer Retrovirus-ähnlichen Integrase, der Suffix -on zeigt an, dass es sich um Transposons handelt.[12][13][14][15][16]

Da sie (teilweise) Viruskapsid-ähnliche Proteine tragen und wegen ihrer Fähigkeit zur Selbstreplikation wurde vermutet, dass (diese) Polintons Virionen bilden können und daher als „Polintoviren“ (englisch polintoviruses) bezeichnet werden sollten.[17] Diese Terminologie war jedoch mangels experimenteller Bestätigung zunächst noch nicht allgemein akzeptiert (Stand 2015).[14][15]

Wie sich aber zeigte, kodieren die Adintoviridae für beide Polinton-Schlüsselproteine (die Typ-B-DNA-ploymerase und die Retrovirus-ähnliche Integrase). Auch bei den Adenoviren (Adenoviridae) und Bidnaviren (Bidnaviridae), sowie bei den Virophagen scheinen Polintons am Beginn der evolutionären Entwicklung gestanden zu haben.[18][19][20] Das International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) hat daher die beiden Virusklassen Maveriviricetes (mit der Familie Lavidaviridae) und Polintoviricetes (mit der Familie Adintoviridae) innerhalb des (neuen) Phylums Preplasmiviricota eingerichtet, um solche Polinton-ähnliche Viren (englisch polinton-like viruses, PLVs) aufzunehmen.

Insbesondere gehören die vom ICTV bisher (Stand 1. Juli 2023) bestätigten Virophagen (Riesenviren parasitierende Viren) zu den Lavidaviridae; es gibt aber Hinweise auf Virophagen auch in der weiteren Verwandtschaft dieser Familie. Gemeinsames Merkmal ist, dass sie alle Polinton-ähnlich (also PLVs) sind. Ein Beispiel ist „Preplasmiviricota sp. Gezel-14T“ (PLV ‘Gezel-14T),[21] über weitere berichteten Christopher M. Bellas et al. im April 2023, die u. a. den Gossenköllesee in Tirol untersuchten.[22] Sonya A. Widen et al. berichteten im Juni desselben Jahres über Polinton-vermittelten horizontalen Gentransfer (HGT) bei Eukaryoten, insbesondere auch bei Tieren wie dem Fadenwurm Caenorhabditis briggsae und C. plicata.[23]

Trivia

Ein synthetisches Transposon (Sleeping Beauty) ist von der International Society for Molecular and Cell Biology and Biotechnology Protocols and Researches (ISMCBBPR ) als „Molekül des Jahres 2009“ ausgezeichnet worden.[24][25]

Siehe auch

Literatur
  • J. D. Boeke, V. D. Corces: Transcription and reverse transcription of retrotransposons In: Annual Review of Microbiology. Band 43, 1989, S. 403–434, doi:10.1146/annurev.mi.43.100189.002155.
  • H. H. Kazazian: Mobile DNA transposition in somatic cells. In: BMC biology. Band 9, 2011, S. 62. doi:10.1186/1741-7007-9-62, PMID 21958341, PMC 3182954 (freier Volltext).
  • James E. Darnell, Harvey Lodish, David Baltimore: Molekulare Zellbiologie. de Gruyter, Berlin u. a. 1993, ISBN 3-11-011934-X (4. Auflage. Harvey Lodish: Molekulare Zellbiologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg u. a. 2001, ISBN 3-8274-1077-0).
  • Benjamin Lewin: Molekularbiologie der Gene. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg u. a. 1998, ISBN 3-8274-0234-4.
  • William S. Klug, Michael R. Cummings, Charlotte A. Spencer: Genetik (= Bio biologie.) 8., aktualisierte Auflage, Pearson Studium an Imprint von Pearson Education, München 2007, ISBN 978-3-8273-7247-5.

Einzelnachweise
  1. Barbara McClintock: The origin and behavior of mutable loci in maize. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 36, Nr. 6, 1950, S. 344–355, doi:10.1073/pnas.36.6.344.
  2. Agustin F. Fernandez: Transposable Elements and Human Diseases: Mechanisms and Implication in the Response to Environmental Pollutants. In: National Library of Medicine. 28. Februar 2005, abgerufen am 19. September 2023 (englisch).
  3. Eric Lander u. a.: Genome of the marsupial Monodelphis domestica reveals innovation in non-coding sequences. In: Nature. Band 447, 10. Mai 2007, S. 167–177.
  4. Patrick S. Schnable, Doreen Ware, Robert S. Fulton, Joshua C. Stein, Fusheng Wei: The B73 Maize Genome: Complexity, Diversity, and Dynamics. In: Science. Band 326, Nr. 5956, 20. November 2009, ISSN 0036-8075, S. 1112–1115, doi:10.1126/science.1178534, PMID 19965430 (sciencemag.org [abgerufen am 12. April 2018]).
  5. Christian Biémont, Cristina Vieira: Junk DNA as an evolutionary force. In: Nature. Band 443, S. 521–524, PMID 17024082.
  6. Umgerechnet aus Christian Biémont, Cristina Vieira: Junk DNA as an evolutionary force. In: Nature. Band 443, S. 521–524. mit Konversionsfaktor 0,978·Gigabasenpaaren pro Pikogramm.
  7. Transposons: Mobile DNA §Miniature Inverted-repeat Transposable Elements (MITEs). Auf: Kimball’s Biology Pages. 5. Dezember 2011. Memento im Webarchiv vom 17. Dezember 2011.
  8. John K. Pace II, Clément Gilbert, Marlena S. Clark, Cédric Feschotte: Repeated horizontal transfer of a DNA transposon in mammals and other tetrapods. Auf: pnas.org; erschienen in: Proceedings of the National Academy of Sciences. (PNAS), Band 105, Nr. 44, 4. November 2008, S. 17023​–17028 (englisch).
  9. Guenther Witzany: Natural Genome Editing Competences of Viruses. In: Acta Biotheoretica. Band 54, 2006, S. 35–253.
  10. Donald Voet, Judith Voet: Biochemistry. 2. Auflage, Wiley & Sons, New York 1995, ISBN 0-471-58651-X, S. 1059.
  11. Christie Wilcox: Das Geheimnis der parasitischen Riesenblumen. Auf: spektrum.de vom 19. Juli 2022. Quelle: Quanta Magazine: DNA of Giant ‘Corpse Flower’ Parasite Surprises Biologists. Auf: quantamagazine.org vom 21. April 2021.
  12. V. V. Kapitonov, J. Jurka: Self-synthesizing DNA transposons in eukaryotes. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 103. Jahrgang, Nr. 12, 14. März 2006, S. 4540​–4545, doi:10.1073/pnas.0600833103, PMID 16537396, PMC 1450207 (freier Volltext), bibcode:2006PNAS..103.4540K (englisch).
  13. Ellen J. Pritham, Tasneem Putliwala, Cédric Feschotte: Mavericks, a novel class of giant transposable elements widespread in eukaryotes and related to DNA viruses. In: Gene. 390. Jahrgang, Nr. 1–2, April 2007, S. 3–17, doi:10.1016/j.gene.2006.08.008, PMID 17034960 (englisch).
  14. Mart Krupovic, Eugene V. Koonin: Polintons: a hotbed of eukaryotic virus, transposon and plasmid evolution. In: Nature Reviews Microbiology. 13. Jahrgang, Nr. 2, 22. Dezember 2014, S. 105–115, doi:10.1038/nrmicro3389, PMID 25534808, PMC 5898198 (freier Volltext).
  15. Natalya Yutin, Sofiya Shevchenko, Vladimir Kapitonov, Mart Krupovic, Eugene V. Koonin: A novel group of diverse Polinton-like viruses discovered by metagenome analysis. In: BMC Biology. 13. Jahrgang, Nr. 1, 11. November 2015, S. 95, doi:10.1186/s12915-015-0207-4, PMID 26560305, PMC 4642659 (freier Volltext).
  16. Mart Krupovic, Eugene V. Koonin: Self-synthesizing transposons: unexpected key players in the evolution of viruses and defense systems. In: Current Opinion in Microbiology. 31. Jahrgang, Juni 2016, S. 25–33, doi:10.1016/j.mib.2016.01.006, PMID 26836982, PMC 4899294 (freier Volltext).
  17. Mart Krupovic, Dennis H. Bamford, Eugene V. Koonin: Conservation of major and minor jelly-roll capsid proteins in Polinton (Maverick) transposons suggests that they are bona fide viruses. In: Biology Direct. 9. Jahrgang, Nr. 1, 2014, S. 6, doi:10.1186/1745-6150-9-6, PMID 24773695, PMC 4028283 (freier Volltext).
  18. Eugene V. Koonin, Valerian V. Dolja, Mart Krupovic: Origins and evolution of viruses of eukaryotes: The ultimate modularity. In: Virology. Mai 2015, Bände 479–480, S. 2–25; Epub: 12. März 2015, doi:10.1016/j.virol.2015.02.039, PMC 5898234 (freier Volltext), PMID 25771806.
  19. Eugene V. Koonin, Natalya Yutin: Evolution of the Large Nucleocytoplasmatic DNA Viruses of Eukaryotes and Convergent Origins of Viral Gigantism. In: Advances in Virus research. Band 103, 21. Januar 2019, S. 167–202;,doi:10.1016/bs.aivir.2018.09.002.
  20. Gabriel J. Starrett, Michael J. Tisza, Nicole L. Welch, Anna K. Belford, Alberto Peretti, Diana V. Pastrana, Christopher B. Buck: Adintoviruses: A Proposed Animal-Tropic Family of Midsize Eukaryotic Linear dsDNA (MELD) Viruses. In: Virus Evolution. veaa055, 1. Oktober 2020, doi:10.1093/ve/veaa055 (Volltext als PDF).
  21. Sheila Roitman, Andrey Rozenberg, Tali Lavy, Corina P. D. Brussaard, Oded Kleifeld, Oded Béjà: Isolation and infection cycle of a polinton-like virus virophage in an abundant marine alga. In: Nature Microbiology. Band 8, 26. Januar 2023, S. 332–346; doi:10.1038/s41564-022-01305-7.
  22. Christopher Bellas, Thomas Hackl, Marie-Sophie Plakolb, Anna Koslová, Matthias G. Fischer, Ruben Sommaruga: Large-scale invasion of unicellular eukaryotic genomes by integrating DNA viruses. In: PNAS. Band 120, Nr. 16, 10. April 2023, e2300465120, doi:10.1073/pnas.2300465120. Dazu:
  23. Sonya A. Widen, Israel Campo Bes, Alevtina Koreshova, Pinelopi Pliota, Daniel Krogull, Alejandro Burga: Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities. In: Science. Band 380, Nr. 6652, 30. Juni 2023, doi:10.1126/science.ade0705. Dazu:
  24. Barbara Bachtler (Informationsdienst Wissenschaft ): „Dornröschen“ ist Molekül des Jahres. Pressemitteilung vom 19. Januar 2010.
  25. Wayne W. Grody: ISMCBBPR's President Isidro A. T. Savillo announces the Molecule of the Year 2009 as Sleeping Beauty Transposase SB 100X. (englisch) Auf: ismcbbpr.synthasite.com; zuletzt abgerufen am 20. September 2020.
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