Retrotransposon

Wie die LTR-Retrotransposons enthalten auch die Nicht-LTR-Retrotransposons Gene für die reverse Transkriptase, das RNA-bindende Protein, die Nuklease und manchmal die Ribonuklease-H-Domäne, aber ihnen fehlen die langen terminalen Wiederholungen. RNA-bindende Proteine binden das RNA-Transpositionsintermediat und Nukleasen sind Enzyme, die Phosphodiesterbindungen zwischen Nukleotiden in Nukleinsäuren aufbrechen. Anstelle von LTRs haben Nicht-LTR-Retrotransposons kurze Wiederholungen, die eine umgekehrte Reihenfolge von Basen nebeneinander haben können, abgesehen von den direkten Wiederholungen, die in LTR-Retrotransposons zu finden sind, d.h. nur eine Sequenz von Basen, die sich selbst wiederholt.

Obwohl sie Retrotransposons sind, können sie keine reverse Transkription unter Verwendung eines RNA-Transpositionsintermediats in derselben Weise wie LTR-Retrotransposons durchführen. Diese beiden Schlüsselkomponenten des Retrotransposons sind zwar immer noch notwendig, aber die Art und Weise, wie sie in die chemischen Reaktionen eingebunden werden, ist anders. Das liegt daran, dass Nicht-LTR-Retrotransposons im Gegensatz zu LTR-Retrotransposons keine Sequenzen enthalten, die tRNA binden.

Sie lassen sich hauptsächlich in zwei Typen unterteilen – LINEs und SINEs. SVA-Elemente bilden die Ausnahme zwischen den beiden, da sie sowohl mit LINEs als auch mit SINEs Ähnlichkeiten aufweisen, indem sie Alu-Elemente und eine unterschiedliche Anzahl der gleichen Wiederholungen enthalten. SVAs sind kürzer als LINEs, aber länger als SINEs.

Während sie historisch als „Junk-DNA“ angesehen wurden, deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass in einigen Fällen sowohl LINEs als auch SINEs in neue Gene eingebaut wurden, um neue Funktionen zu bilden.

LINEsEdit

Wenn eine LINE transkribiert wird, enthält das Transkript einen RNA-Polymerase-II-Promotor, der dafür sorgt, dass LINEs an die Stelle kopiert werden können, an der sie sich einfügen. RNA-Polymerase II ist das Enzym, das die Gene in mRNA-Transkripte umschreibt. Die Enden der LINE-Transkripte sind reich an mehreren Adeninen, den Basen, die am Ende der Transkription hinzugefügt werden, damit die LINE-Transkripte nicht abgebaut werden. Bei diesem Transkript handelt es sich um das RNA-Transpositionsintermediat.

Das RNA-Transpositionsintermediat bewegt sich vom Zellkern in das Zytoplasma zur Translation. Dabei entstehen die beiden kodierenden Regionen einer LINE, die wiederum an die RNA zurückbindet, von der sie transkribiert wurde. Die LINE-RNA bewegt sich dann zurück in den Zellkern, um sich in das eukaryotische Genom einzufügen.

LINEs fügen sich in Regionen des eukaryotischen Genoms ein, die reich an AT-Basen sind. An AT-Regionen schneidet die LINE mit ihrer Nuklease einen Strang der eukaryotischen doppelsträngigen DNA. Die adeninreiche Sequenz im LINE-Transkript bildet Basenpaare mit dem geschnittenen Strang, um zu markieren, wo die LINE mit Hydroxylgruppen eingefügt wird. Die Reverse Transkriptase erkennt diese Hydroxylgruppen und synthetisiert das LINE-Retrotransposon an der Stelle, an der die DNA geschnitten wird. Wie bei den LTR-Retrotransposons enthält diese neu eingefügte LINE Informationen über das eukaryotische Genom, so dass sie leicht kopiert und in andere genomische Regionen eingefügt werden kann. Die Informationssequenzen sind länger und variabler als die in LTR-Retrotransposons.

Die meisten LINE-Kopien haben zu Beginn eine variable Länge, da die reverse Transkription normalerweise stoppt, bevor die DNA-Synthese abgeschlossen ist. In einigen Fällen geht dadurch der RNA-Polymerase-II-Promotor verloren, so dass die LINEs nicht weiter transponieren können.

Genetische Struktur der murinen LINE1 und SINEs. Unten: vorgeschlagene Struktur der L1 RNA-Protein (RNP) Komplexe. ORF1-Proteine bilden Trimere, die RNA-Bindung und Nukleinsäure-Chaperon-Aktivität aufweisen.

Human L1Edit

LINE-1 (L1)-Retrotransposons machen mit schätzungsweise 500.000 Kopien pro Genom einen erheblichen Teil des menschlichen Genoms aus. Die Transkription von Genen, die für menschliches LINE1 kodieren, wird in der Regel durch die Bindung von Methylgruppen an die DNA durch PIWI-Proteine und Enzyme, die DNA-Methyltransferasen, gehemmt. Die Retrotransposition von L1 kann die Art der transkribierten Gene stören, indem sie sich in oder in der Nähe von Genen einnistet, was wiederum zu menschlichen Krankheiten führen kann. LINE1 können nur in einigen Fällen retrotransponieren und so unterschiedliche Chromosomenstrukturen bilden, die zu genetischen Unterschieden zwischen Individuen beitragen. Im Referenzgenom des Humangenomprojekts gibt es schätzungsweise 80-100 aktive L1s, und eine noch kleinere Anzahl von L1s innerhalb dieser aktiven L1s retrotransponiert häufig. L1-Insertionen wurden mit der Tumorentstehung in Verbindung gebracht, da sie krebsverwandte Gene, Onkogene und Tumorsuppressoren, aktivieren.

Jede menschliche LINE1 enthält zwei Regionen, in denen Genprodukte kodiert werden können. Die erste kodierende Region enthält ein Leucin-Zipper-Protein, das an Protein-Protein-Interaktionen beteiligt ist, und ein Protein, das an den Terminus von Nukleinsäuren bindet. Die zweite kodierende Region enthält eine Purin/Pyrimidin-Nuklease, eine reverse Transkriptase und ein Protein, das reich an den Aminosäuren Cystein und Histidin ist. Das Ende der menschlichen LINE1 ist, wie bei anderen Retrotransposons, adeninreich.

SINEsEdit

SINEs sind viel kürzer (300bp) als LINEs. Sie haben Ähnlichkeit mit Genen, die von der RNA-Polymerase II transkribiert werden, dem Enzym, das Gene in mRNA-Transkripte umschreibt, und der Initiationssequenz der RNA-Polymerase III, dem Enzym, das Gene in ribosomale RNA, tRNA und andere kleine RNA-Moleküle umschreibt. SINEs wie die MIR-Elemente der Säugetiere haben ein tRNA-Gen am Anfang und ein adeninreiches am Ende wie bei LINEs.

SINEs kodieren kein funktionelles Reverse-Transkriptase-Protein und sind auf andere mobile Transposons, insbesondere LINEs, angewiesen. SINEs nutzen die LINE-Transpositionskomponenten, obwohl LINE-bindende Proteine bevorzugt an LINE-RNA binden. SINEs können nicht selbst transponieren, da sie nicht für SINE-Transkripte kodieren können. Sie bestehen in der Regel aus Teilen, die von tRNA und LINEs abgeleitet sind. Der tRNA-Teil enthält einen RNA-Polymerase-III-Promotor, die gleiche Art von Enzym wie die RNA-Polymerase II. Dadurch wird sichergestellt, dass die LINE-Kopien in RNA für die weitere Umsetzung transkribiert werden. Die LINE-Komponente bleibt erhalten, damit LINE-bindende Proteine den LINE-Teil der SINE erkennen können.

Alu-ElementeBearbeiten

Alus sind die häufigsten SINE bei Primaten. Sie sind etwa 350 Basenpaare lang, kodieren keine Proteine und können durch das Restriktionsenzym AluI erkannt werden (daher der Name). Ihre Verbreitung kann bei einigen genetischen Krankheiten und Krebserkrankungen von Bedeutung sein. Beim Kopieren und Einfügen von Alu-RNA müssen das adeninreiche Ende der Alu und der Rest der Sequenz an ein Signal gebunden sein. Die signalgebundene Alu kann dann mit Ribosomen assoziieren. Die LINE-RNA assoziiert mit denselben Ribosomen wie die Alu. Durch die Bindung an dasselbe Ribosom können Alus von SINEs mit LINE interagieren. Diese gleichzeitige Übersetzung von Aluelement und LINE ermöglicht das Kopieren und Einfügen von SINEs.