Retrotransposon

Vereenvoudigde weergave van de cyclus van een retrotransposon
Reverse-transcriptie bij het klasse VI virus (+)ssRNA-RT van het Hiv-virus. Sleutel:U3 - promotorgebied, U5 - herkenningsplaats voor het virale integrase; PBS - primerbindingplaats; PP - polypurine gedeelte (polypurine tract); gag, pol, env - zie organisatie Hiv-genoom). Kleuren markeren complementaire sequenties.
Retrotransposon met long terminal repeats

Een retrotransposon is een genetische sequentie die zichzelf in een genoom kan vermeerderen en komt in het DNA van vele eukaryote organismen voor. De aanduiding retro in retrotransposon is gekozen omdat dit een omkering is van het normale procedé, waarbij de DNA-volgorde wordt omgezet in een RNA-volgorde. De structuur van een retrotransposon komt overeen met die van retrovirussen. Bij retrovirale retrotransposons wordt eerst een RNA-transcriptie gemaakt. Bij niet-retrovirale retrotransposons wordt van het transposon een transcript aangemaakt, waarbij het transcript een rechtstreekse template (matrijs) is voor het reverse-transcriptase bij de invoeging in het genoom.

Retrotransposons gebruiken een kopieer- en plak-mechanisme (reverse-transcriptie), waarbij eerst een RNA getranscribeerd wordt en vervolgens dit RNA omgezet wordt in de DNA-sequentie door gebruik te maken van reverse-transcriptase. Vervolgens wordt deze DNA-sequentie in een specifiek gebied van het genoom opgenomen door middel van het enzym integrase.

Retrotransposons komen vooral voor in planten, waar ze vaak een belangrijk deel van het kern-DNA zijn. In mais bijvoorbeeld bestaat 49–78% van het genoom uit retrotransposons.[1] Bij gewone tarwe bestaat ongeveer 90% van het genoom uit repeats (herhalingen), waarvan 68% springende genen zijn.[2]

Bij zoogdieren bestaat bijna de helft (45% to 48%) van het genoom uit transposons of overblijfselen van transposons. Ongeveer 40% van het menselijk genoom bestaat uit retrotransposons en 2–3% uit DNA-transposons.[3] Bij de mens zijn enkel nog de niet-virale retrotransposons actief, waarbij deze verantwoordelijk zijn voor 0,2% van de mutaties.

Biologische activiteit

De DNA-replicatie van retrotransposons verhoogt het aantal kopieën en vergroot zo de grootte van het genoom. Net zoals DNA-transposons (klasse II transposons) kunnen retrotransposons mutaties veroorzaken door insertie (invoegen) naast of in genen. Verder zijn door retrotransposons veroorzaakte mutaties relatief stabiel, omdat de sequentie op de plaats van insertie door het replicatiemechanisme behouden blijft bij het verspringen.

Door opeenvolgende mutaties kunnen de meeste retrotransposons echter niet meer werken.

Typen retrotransposons

Retrotransposons (klasse I) vormen een van de twee klassen van transposons (springende genen), terwijl de DNA-transposons van klasse II geen RNA-tussenstap nodig hebben. Klasse II DNA-transposons maken het eiwit transposase aan, dat nodig is voor het invoegen van het transposon en het knippen van de DNA-strengen. Sommige van de klasse II DNA-transposons maken ook nog andere eiwitten aan.[4]

Retrotransposons (klasse I) worden onderverdeeld in long terminal repeat (lang eindstandige herhaling) (LTR) retrotransposons en non-LTR retrotransposons. De onderverdeling in deze twee onderklassen berust op de fylogenie van het reverse-transcriptase.[5] Tussen de onderklassen is er naast het al of niet aanwezig zijn van LTR verder verschil in aantal en type open leesramen, af te lezen eiwitmotieven en de lengte van de invoegplaats (insertie) van de duplicatie.

LTR retrotransposons

LTR retrotransposons hebben directe repeat LTR's die ongeveer 100 bp tot over 5 kb groot zijn. LTR retrotransposons worden verder op grond van de mate van overeenkomst van de sequentie en de volgorde van de codering van de genproducten onderverdeeld in

  • Ty1-copia-achtige (Pseudoviridae-virussen),
  • Ty3-gypsy-achtige (Metaviridae-virussen) en
  • BEL-Pao-achtige

Ty1-copia en Ty3-gypsy retrotransposons komen gewoonlijk met zeer veel kopieën (meer dan enkele miljoenen kopieën per haploïde kern) voor bij dieren, schimmels, protisten en planten. BEL-Pao-achtige elementen zijn tot nu toe alleen bij dieren gevonden.[6][7]

Retrovirussen hebben veel dezelfde kenmerken als LTR retrotransposons. Een belangrijk verschil met Ty1-copia en Ty3-gypsy retrotransposons is echter dat retrovirussen een envelopeiwit (ENV) hebben. Een retrovirus kan omgezet worden in een LTR retrotransposon door inactivatie of deletie van het eiwitmotief dat ervoor zorgt dat het virus zich buiten de cel kan verspreiden. Bij infectie en opname in het genoom van kiemachtige cellen van de gastheer kan het retrovirus zich verticaal verspreiden en wordt het een endogeen (van binnen uit) retrovirus (ERV).[7] Het menselijk genoom bestaat tot ongeveer 8% uit endogene retrovirussen en bij de huismuis (Mus musculus) is dit ongeveer 10%.[8]

In plantengenomen vormen LTR retrotransposons de belangrijkste klasse van repeats.[9]

Ty1-copia retrotransposons

Ty1-copia retrotransposons komen veel voor in de eencellige soorten van algen tot Embryophyta, naaktzadigen en bedektzadigen. Ze coderen vier eiwitmotieven in de volgorde: protease, integrase, reverse-transcriptase en ribonuclease H.

Er zijn ten minste twee classificatiesystemen voor de indeling van Ty1-copia retrotransposons in vijf verwantschapslijnen:[10][11]

  • Sireviruses/Maximus,
  • Oryco/Ivana, Retrofit/Ale,
  • TORK (onderverdeeld in:
    • Angela/Sto,
    • TAR/Fourf,
    • GMR/Tork) en
  • Bianca.

Sireviruses/Maximus retrotransposons bevatten een vermoedelijk extra gen voor het envelopeiwit. Deze afstammingslijn is vernoemd naar de ontdekker van het element SIRE1 in het sojaboon-genoom,[12] en is later ook beschreven in veel soorten zoals mais (Zea mays),[13] zandraket (Arabidopsis thaliana),[14] biet (Beta vulgaris),[15] en zeeden (Pinus pinaster).[16] Planten-Sirevirussen van vele gesequencde plantengenomen zijn opgenomen in de MASIVEdb Sirevirus database.[17]

Ty3-gypsy retrotransposons

Ty3-gypsy retrotransposons (Metaviridae) komen wijdverspreid in planten voor. Ze coderen voor ten minste vier eiwitmotieven in de opeenvolgende orde: protease, reverse-transcriptase, ribonuclease H en integrase. Op basis van de structuur, aan-/afwezigheid van specifieke eiwitmotieven en geconserveerde eiwitsequentie motieven worden ze ingedeeld in de volgende afstammingslijnen:

  • Errantivirussen bevatten een extra open leesraam voor een defect envelopeiwit met overeenkomsten met het retrovirale envelopeiwit gen. Dat voor het eerst is beschreven als Athila-elementen in zandraket (Arabidopsis thaliana)[18][19] en later ook gevonden in vele andere soorten zoals de sojaboon (Glycine max)[20] en biet (Beta vulgaris).[21]
  • Chromovirussen bevatten een extra chromo-eiwitmotief (chromatine organisation modifier domain=chromatine organisatie veranderend eiwitmotief) op de C-terminus van hun integrase eiwit.[22][23] Ze komen wijdverspreid voor in planten en schimmels. Waarschijnlijk zijn dit tijdens de evolutie overgebleven eiwitmotieven[24] en zorgen ze voor de integratie van het retrotransposon in speciale invoegplaatsen.[25] Naar sequentie en structuur van het chromo-eiwitmotief worden chromovirussen ingedeeld in vier clades. Chromovirussen van iedere clade vertonen aparte integratiepatronen, bijvoorbeeld in centromeren of in de rRNA-genen.[26][27] De vier clades zijn:
    • CRM,
    • Tekay,
    • Reina en
    • Galadriel.
  • Ogre-elementen {monster-elementen} zijn zeer lange Ty3-gypsy retrotransposons met een lengte tot meer dan 25 kb.[28] Ogre-elementen zijn voor het eerst beschreven bij de erwt (Pisum sativum).[29]
  • Metavirussen omvatten conventionele Ty3-gypsy retrotransposons, die geen extra eiwitmotief of open leesramen hebben.

Endogene retrovirussen

Endogene retrovirussen zijn endogene virale delen van het genoom die zeer veel op retrovirussen lijken en afgeleid zijn van deze virussen. Ze komen veel voor in de genomen van kaakdieren. Bij zoogdieren zijn ze de belangrijkste LTR retrotransposons. Zo bestaat het menselijk genoom voor ongeveer 1 tot 8% uit endogene retrovirussen.[30][31][31]

Non-LTR retrotransposons

Non-LTR retrotransposons bestaan uit twee ondergroepen:

Ze kunnen met veel kopieën in het genoom voorkomen, zoals bij planten.[32] Non-LTR retroposons komen wijdverspreid voor in de genomen van eukaryoten. LINE's hebben twee open leesramen die de benodigde functies coderen voor retrotranspositie. Tot deze functies behoren reverse-transcriptase en endonuclease activiteiten, naast een nucleïnezuurbindingeigenschap nodig voor het vormen van een ribonucleoproteïne-deeltje. Zo'n deeltje bestaat uit zowel een structureel RNA-molecuul als een of meer proteïnen.[33] SINE's, aan de ander kant, gebruiken de LINE-machinerie en functie als nietautonome retroelementen. Vroeger werden ze beschouwd als "junk-DNA", terwijl onderzoekers tegenwoordig denken dat in sommige weinig voorkomende gevallen zowel LINE's als SINE's opgenomen werden in nieuwe genen en zo evolueerde tot nieuwe functies.[34][35]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. ↑ (1998). Evidence that a recent increase in maize genome size was caused by the massive amplification of intergene retrotranposons. Annals of Botany 82 (Suppl A): 37–44. DOI: 10.1006/anbo.1998.0746.
  2. ↑ (November 2004). Sequence composition, organization, and evolution of the core Triticeae genome. Plant J. 40 (4): 500–11. PMID 15500466. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2004.02228.x.
  3. ↑ (February 2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409 (6822): 860–921. PMID 11237011. DOI: 10.1038/35057062.
  4. ↑ Pray, Leslie A. (2008). Transposons: The jumping genes. Nature Education 1 (1): 204.
  5. ↑ Xiong, Y, Eickbush, TH (October 1990). Origin and evolution of retroelements based upon their reverse transcriptase sequences.. The EMBO Journal 9 (10): 3353–62. PMID 1698615.
  6. ↑ (2005). The Sinbad retrotransposon from the genome of the human blood fluke, Schistosoma mansoni, and the distribution of related Pao-like elements. BMC Evol. Biol. 5 (1): 20. PMID 15725362. PMC 554778. DOI: 10.1186/1471-2148-5-20.
  7. ↑ a b (December 2007). A unified classification system for eukaryotic transposable elements. Nat. Rev. Genet. 8 (12): 973–82. PMID 17984973. DOI: 10.1038/nrg2165.
  8. ↑ (2004). Long terminal repeat retrotransposons of Mus musculus. Genome Biol. 5 (3): R14. PMID 15003117. PMC 395764. DOI: 10.1186/gb-2004-5-3-r14.
  9. ↑ Baucom, RS, Estill, JC, Chaparro, C, Upshaw, N, Jogi, A (November 2009). Exceptional diversity, non-random distribution, and rapid evolution of retroelements in the B73 maize genome.. PLoS Genetics 5 (11): e1000732. PMID 19936065. PMC 2774510. DOI: 10.1371/journal.pgen.1000732.
  10. ↑ Wicker, T, Keller, B (July 2007). Genome-wide comparative analysis of copia retrotransposons in Triticeae, rice, and Arabidopsis reveals conserved ancient evolutionary lineages and distinct dynamics of individual copia families.. Genome Research 17 (7): 1072–81. PMID 17556529. DOI: 10.1101/gr.6214107.
  11. ↑ Llorens, C, Muñoz-Pomer, A, Bernad, L, Botella, H, Moya, A (2 november 2009). Network dynamics of eukaryotic LTR retroelements beyond phylogenetic trees.. Biology Direct 4: 41. PMID 19883502. DOI: 10.1186/1745-6150-4-41.
  12. ↑ Laten, HM, Majumdar, A, Gaucher, EA (9 June 1998). SIRE-1, a copia/Ty1-like retroelement from soybean, encodes a retroviral envelope-like protein.. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95 (12): 6897–902. PMID 9618510. DOI: 10.1073/pnas.95.12.6897.
  13. ↑ Bousios, A, Kourmpetis, YA, Pavlidis, P, Minga, E, Tsaftaris, A (February 2012). The turbulent life of Sirevirus retrotransposons and the evolution of the maize genome: more than ten thousand elements tell the story.. The Plant journal 69 (3): 475–88. PMID 21967390. DOI: 10.1111/j.1365-313x.2011.04806.x.
  14. ↑ Kapitonov, VV, Jurka, J (1999). Molecular paleontology of transposable elements from Arabidopsis thaliana.. Genetica 107 (1-3): 27–37. PMID 10952195.
  15. ↑ Weber, B, Wenke, T, Frömmel, U, Schmidt, T, Heitkam, T (February 2010). The Ty1-copia families SALIRE and Cotzilla populating the Beta vulgaris genome show remarkable differences in abundance, chromosomal distribution, and age.. Chromosome Research 18 (2): 247–63. PMID 20039119. DOI: 10.1007/s10577-009-9104-4.
  16. ↑ Miguel, C, Simões, M, Oliveira, MM, Rocheta, M (November 2008). Envelope-like retrotransposons in the plant kingdom: evidence of their presence in gymnosperms (Pinus pinaster).. Journal of Molecular Evolution 67 (5): 517–25. PMID 18925379. DOI: 10.1007/s00239-008-9168-3.
  17. ↑ Bousios, A, Minga, E, Kalitsou, N, Pantermali, M, Tsaballa, A (30 april 2012). MASiVEdb: the Sirevirus Plant Retrotransposon Database.. BMC Genomics 13: 158. PMID 22545773. DOI: 10.1186/1471-2164-13-158.
  18. ↑ Pélissier, T, Tutois, S, Deragon, JM, Tourmente, S, Genestier, S (November 1995). Athila, a new retroelement from Arabidopsis thaliana.. Plant Molecular Biology 29 (3): 441–52. PMID 8534844. DOI: 10.1007/bf00020976.
  19. ↑ Wright, DA, Voytas, DF (June 1998). Potential retroviruses in plants: Tat1 is related to a group of Arabidopsis thaliana Ty3/gypsy retrotransposons that encode envelope-like proteins.. Genetics 149 (2): 703–15. PMID 9611185.
  20. ↑ Wright, DA, Voytas, DF (January 2002). Athila4 of Arabidopsis and Calypso of soybean define a lineage of endogenous plant retroviruses.. Genome Research 12 (1): 122–31. PMID 11779837. DOI: 10.1101/gr.196001.
  21. ↑ Wollrab, C, Heitkam, T, Holtgräwe, D, Weisshaar, B, Minoche, AE (November 2012). Evolutionary reshuffling in the Errantivirus lineage Elbe within the Beta vulgaris genome.. The Plant Journal 72 (4): 636–51. PMID 22804913. DOI: 10.1111/j.1365-313x.2012.05107.x.
  22. ↑ Marín, I, Lloréns, C (July 2000). Ty3/Gypsy retrotransposons: description of new Arabidopsis thaliana elements and evolutionary perspectives derived from comparative genomic data.. Molecular Biology and Evolution 17 (7): 1040–9. PMID 10889217. DOI: 10.1093/oxfordjournals.molbev.a026385.
  23. ↑ Gorinsek, B, Gubensek, F, Kordis, D (May 2004). Evolutionary genomics of chromoviruses in eukaryotes.. Molecular Biology and Evolution 21 (5): 781–98. PMID 14739248. DOI: 10.1093/molbev/msh057.
  24. ↑ Novikova, O, Smyshlyaev, G, Blinov, A (8 april 2010). Evolutionary genomics revealed interkingdom distribution of Tcn1-like chromodomain-containing Gypsy LTR retrotransposons among fungi and plants.. BMC Genomics 11: 231. PMID 20377908. DOI: 10.1186/1471-2164-11-231.
  25. ↑ Gao, X, Hou, Y, Ebina, H, Levin, HL, Voytas, DF (March 2008). Chromodomains direct integration of retrotransposons to heterochromatin.. Genome Research 18 (3): 359–69. PMID 18256242. DOI: 10.1101/gr.7146408.
  26. ↑ Neumann, P, Navrátilová, A, Koblížková, A, Kejnovský, E, Hřibová, E (3 March 2011). Plant centromeric retrotransposons: a structural and cytogenetic perspective.. Mobile DNA 2 (1): 4. PMID 21371312. DOI: 10.1186/1759-8753-2-4.
  27. ↑ Weber, B, Heitkam, T, Holtgräwe, D, Weisshaar, B, Minoche, AE (1 March 2013). Highly diverse chromoviruses of Beta vulgaris are classified by chromodomains and chromosomal integration.. Mobile DNA 4 (1): 8. PMID 23448600. DOI: 10.1186/1759-8753-4-8.
  28. ↑ Macas, J, Neumann, P (1 april 2007). Ogre elements--a distinct group of plant Ty3/gypsy-like retrotransposons.. Gene 390 (1-2): 108–16. PMID 17052864. DOI: 10.1016/j.gene.2006.08.007.
  29. ↑ Neumann, P, Pozárková, D, Macas, J (October 2003). Highly abundant pea LTR retrotransposon Ogre is constitutively transcribed and partially spliced.. Plant Molecular Biology 53 (3): 399–410. PMID 14750527. DOI: 10.1023/b:plan.0000006945.77043.ce.
  30. ↑ (April 2004). Long-term reinfection of the human genome by endogenous retroviruses. Proc Natl Acad Sci USA 101 (14): 4894–9. PMID 15044706. PMC 387345. DOI: 10.1073/pnas.0307800101.
  31. ↑ a b (October 2004). Human endogenous retroviruses: Transposable elements with potential ?. Clinical and Experimental Immunology 138 (1): 1–9. PMID 15373898. PMC 1809191. DOI: 10.1111/j.1365-2249.2004.02592.x.
  32. ↑ Schmidt, Thomas (1 augustus 1999). LINEs, SINEs and repetitive DNA: non-LTR retrotransposons in plant genomes. Plant Molecular Biology 40 (6): 903–910. ISSN: 0167-4412. DOI: 10.1023/A:1006212929794.
  33. ↑ Yadav, VP, Mandal, PK, Rao, DN (December 2009). Characterization of the restriction enzyme-like endonuclease encoded by the Entamoeba histolytica non-long terminal repeat retroposon EhLINE1. The FEBS Journal 276 (23): 7070–82. PMID 19878305. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2009.07419.x.
  34. ↑ (October 2007). Ancient Exaptation of a CORE-SINE Retroposon into a Highly Conserved Mammalian Neuronal Enhancer of the Proopiomelanocortin Gene. PLoS Genetics 3 (10): 1813–26 (Public Library of Science). PMID 17922573. PMC 2000970. DOI: 10.1371/journal.pgen.0030166. Geraadpleegd op 31 december 2007.
  35. ↑ Liang, Kung-Hao, Yeh, Chau-Ting (2013). A gene expression restriction network mediated by sense and antisense Alu sequences located on protein-coding messenger RNAs.. BMC Genomics 14: 325. PMID 23663499. PMC 3655826. DOI: 10.1186/1471-2164-14-325. Geraadpleegd op 11 mei 2013.