TRANSPOSIÇÃO

Profa. Zulmira Lacava

Elementos transponíveis de eucariotos :

Barbara McClintock (1902-1992)Cold Spring Harbor Laboratory, NY

Nobel Prize in Physiology and Medicine 1983

“por sua descoberta dos elementos genéticos móveis”

• Estudou elementos transponíveis em milho (Zea mays) 1940s-1950s(antes identificados como genes mutatores por Marcus Rhoades1930s)

Elementos transponíveis:

• Características gerais dos elementos transponíveis

• Elementos transponíveis de procariotos

• Elementos transponíveis de eucariotos

• Elemento transponível : elementos genéticos de um cromossomoque têm a capacidade de se mobilizar e mover de um local paraoutro do genoma.

• Normais e ubíquitos componentes de genomas de procariotos eeucariotos.

• Procariotos transpõem de/para cromossoma da célula, plasmídeo oucromossoma de fago.

• Eucariotos transpõem do mesmo ou de cromossomas diferentes.

• Recombinação não homóloga: elementos transponíveis inserem-seem DNA que não tem homologia de sequência com o transposon.

• Elementos transponíveis causam alterações genéticas e fazemcontribuições importantes para evolução dos genomas:

•Inserção em genes.

•Inserção em sequências regulatórias; modificam expressãogenética.

•Produzem mutações cromossômicas.

Elementos transponíveis:

Duas classes de elementos transponíveis /mecanismos de movimento:

1. Codificam proteínas que (1) movem o DNA diretamente para umanova posição ou (2) replicam o DNA e integram o DNA replicado emoutro lugar (procariotos e eucariotos).

2. Retrotransposons codificam a transcriptase reversa and fazemcópias de DNA a partir dos RNA transcritos; cópias do DNAintegram-se em novos sítios (apenas eucariotos).

Elementos transpoíveis em procariotos:

Três exemplos:

1. Elementos de inserção de sequência (IS)

2. Transposons (Tn)

3. Bacteriófago Mu

Elementos de inserção de sequência (IS):

1. O elemento transponível mais simples – cromossomos bacterianos eplasmídeos.

2. Codificam apenas genes para mobilização e inserção.

3. Tamanho de 768 bp a 5 kb.

4. IS1 identificados inicialmente no operon galactose de E. coli de 768bp e presente com 4-19 cópias no cromossomo de E. coli.

5. Todos elementos IS terminam com sequencias terminais invertidas(ITRs).

Elementos de inserção de sequência (IS):

Integração de IS pode:

• Interromper sequências codificantes ou regiões regulatórias.

• Alterar a expressão de genes próximos.

• Causar deleções e inversões em DNAar adjacentes.

• Resultar em crossing-over.

Transposição de elementos de sequência de inserção (IS):

1. Cópia original permanecce no lugar; nova cópia se insererandomicamente.

2. Elementos IS usa as enzimas de replicação do hospedeiro para areplicação.

3. Transposição requer transposase, codificada pelo elemto IS.

4. Transposiçãowhen trinicia quando a transposase reconhece osterminais ITRs.

5. Sítio de integração = sítio alvo.

6. Cortes específicos são feitos no DNA no sítio alvo, IS se insere, DNApolimerase e DNA ligase preenche as falhas.

7. Repetições pequenas diretas (~5 pb) flanqueando o sítio alvo sãocriadas.

Integration of IS element in chromosomal DNA.

Transposons (Tn):

• Similares aos elementos IS, mas mais complexos estruturalmente ecarreando genes adicionais

• 2 tipos de transposons:

1. Transposons compostos

2. Transposons não compostos

Transposons composite (Tn):

• Carry genes (e.g., a gene for antibiotic resistance) flanked on bothsides by IS elements.

• Tn10 is 9.3 kb and includes 6.5 kb of central DNA (includes a genefor tetracycline resistance) and 1.4 kb inverted IS elements.

• IS elements supply transposase and ITR recognition signals.

Noncomposite transposons (Tn):

• Carry genes (e.g., a gene for antibiotic resistance) but do notterminate with IS elements.

• Ends are non-IS element repeated sequences.

• Tn3 is 5 kb with 38-bp ITRs and includes 3 genes; bla ( -lactamase),tnpA (transposase), and tnpB (resolvase, which functions inrecombination).

Models of transposition:

• Similar to that of IS elements; duplication at target sites occurs.

• Cointegration = movement of a transposon from one genome (e.g.,plasmid) to another (e.g., chromosome) integrates transposon toboth genomes (duplication).

• May be replicative (duplication) or non-replicative (transposon lostfrom original site).

• Result in same types of mutations as IS elements: insertions,deletions, changes in gene expression, or duplication.

• Crossing-over occurs when donor DNA with transposable elementfuses with recipient DNA.

Recombination, crossing-over, and duplication of a transposableelement.

Temperate bacteriophage Mu (Mu = mutator):

• 37 kb linear DNA with central phage DNA and unequal lengths ofhost DNA at each end.

• On infection, Mu integrates by non-replicative transposition andreplicates when E. coli replicates.

• During the lytic cycle, Mu remains integrated in E. coli chromosome,and shifts to replicative transposition.

General properties of plant transposons:

• Possess ITR sequences and generate short repeats at target sites.

• May activate or repress target genes, cause chromosomemutations, and disrupt genes.

• Two types:

• Autonomous elements transpose themselves; possesstransposition gene.

• Nonautonomous elements do not transpose themselves; lacktransposition gene and reply on presence of another Tn

• McClintock demonstrated purple spots in otherwise white corn (Zeamays) kernels are results of transposons.

A descoberta de McClintock dos transposons em milho:

• Pontos púrpura em grãos de milho brancos resultam detransposons.

• c/c = grãos brancos and C/- = grãos púrpura

• Alelostraços para cor dos grãos são instáveis.

• Se ocorre a reversão de c para C em uma célula, a célula produzirápigmento púrpura e um ponto.

• Quanto mais precoce a reversão no desenvolvimento, maior é oponto.

• McClintock concluiu que o alelo “c” resulta de um transpososn não-autônomo chamado “Ds” inserido no gene “C” (Ds =desassociação).

• Transposon autônomo “Ac” controla o transposon “Ds” (Ac =ativador).

Transposon effects on corn kernel color.

McClintock’s discovery of transposons in corn (cont.):

• Ac element is autonomous/Ds element in nonautonomous.

• Ac is 4,563 bp with 11 bp ITRs and 1 transcription unit encoding an807 amino acid transposase.

• Ac activates Ds; Ds varies in length and sequence, but possessessame ITRs as Ac.

• Many Ds elements are deleted or rearranged version of Ac; Dselement derived from Ac.

• Ac/Ds are developmentally regulated; Ac/Ds transpose only duringchromosome replication and do not leave copies behind.

Structure of Ac autonomous and Ds non-autonomoustransposable elements in corn.

Ac transposition mechanism during chromosome replication.

Ty elements in yeast:

• Similar to bacterial transposons; terminal repeated sequences,integrate at non-homologous sites, with target site duplication.

• Ty elements share properties with retroviruses, retrotransposons:

• Synthesize RNA copy and make DNA using reverse transcriptase.

• cDNA integrates at a new chromosomal site.

Fig. 20.14

Drosophila transposons:

• ~15% of Drosophila genome thought to be mobile.• 2 different classes:

1. Copia retrotransposons

• Conserved, 5-100 scattered copies/genome.• Structurally similar to yeast Ty elements.• Use RNA intermediate and reverse transcriptase.

2. P elements

• Hybrid dysgenesis, defects arise from crossing of specificDrosophila strains.

• Occurs when haploid genome of male (P strain) possesses~40 P elements/genome.

• P elements vary in length from 500-2,900 bp.• P elements code a repressor, which makes them stable in

the P strain (but unstable when crossed to the wild typefemale; female lacks repressor in cytoplasm).

• Also used experimentally as transformation vectors.

FemaleP elementsDNA + cytoplasmRepressorStable

MaleNo P elementsDNA only

FemaleNo P elementsDNA + cytoplasmNo repressor

MaleP elementsDNA only

OffspringP elementsNo repressorUnstable germ line

Fig. 20.16

Human retrotransposons:

Alu1 SINEs (short-interspersed sequences)

• ~300 bp long, repeated 300,000-500,000X.

• Flanked by 7-20 bp direct repeats.

• Some are transcribed, thought to move by RNA intermediate.

• AluI SINEs detected in neurofibromatosis (OMIM1622200) intron;results in loss of an exon and non-functional protein.

L-1 LINEs (long-interspersed sequences)

• 6.5 kb element, repeated 50,000-100,000X (~5% of genome).

• Contain ORFs with homology to reverse transcriptases; lacks LTRs.

• Some cases of hemophilia (OMIM-306700) known to result newlytransposed L1 insertions.