Interakcije transpozon – gostitelj

TEKMOVANJE MED OBRAMBNIMI MEHANIZMI IN TRANSPOZONI

Za zaščito pred škodljivimi posledicami transpozicije so evkarionti razvili mehanizme, ki zavirajo transpozonske elemente (TE) pri procesu transkripcije in posttranskripcijsko, kar ustavi rekombinacijo v genomu. TE pa so razvili zaščitni model, ki naj bi omogočil izognitev njihovi represiji. Zaviralni mehanizmi so tudi zadolženi za regulacijo ekspresije genov in zaščito genoma pred eksogenimi patogeni. Ob prisotnosti vseh teh podatkov se moramo vprašati, ali so glavna tarča TE ali je njihovo utišanje samo posledica delovanja teh mehanizmov. To lahko ugotovimo s preučevanjem delovanja mehanizmov.

piRNA-posredovano TE utišanje

piRNA (piwi-interacting RNA) so majhne RNA molekule najdene v večini mnogoceličarjev. Nastanejo iz večjih prekurzorjev, ki nastanejo na piRNA kodirajočem delu kromatina. Po zorenju, kjer se skrajšajo, se združijo z Argonaute proteini PIWI družine v RNP kompleks. Ti so odgovorni za regulacijo genetskih procesov v celicah zarodnih linij in posttranskripcijsko ter transkripcijsko utišanje TE. Med utišanimi TE so tudi elementi (P element) ki, če neutišani, znižajo plodnost osebka.

Primer tega so odkrili v vinskih mušicah kjer se ob utišani RNA frekvenca transpozicije poveča, kar poškoduje DNA, povzroči avtrofijo spolnih žlez ter sterilnost.

Celoten mehanizem utišanja še ni poznan. Ena izmed bolj priznanih teorij predlaga da (v primeru vinske mušice) PIWI proteina Aub (Aubergine) in Ago3 (Argonaute 3) v citoplazmi povečata efekt piRNA da lahko utiša več TE. piRNA se veže z Aub proteinom. Nastali kompleks cepi transpozonsko kodirajoči transkript. Deli transkripta se vežejo z Ago3 proteinom in nastali kompleks se veže na nove dele piRNA ter jih cepi. Novonastali fragmenti se vežejo na Aub proteine in novonastali kompleks lahko ponovno cepi transpozonski transkript. To se imenuje Ping-pong cikel, ki spada v posttranskripcijsko utišanje TE.

piRNA lahko utiša TE tudi med transkripcijo tako, da zrela molekula vstopi nazaj v jedro, kjer se postopoma vnese v PIWI protein. Nastali kompleks se veže na nastajajočo se RNA verigo TE-ja. Tudi to omogočata Aub in Ago3.

Hitro razvijanje piRNA mehanizma

Mehanizem se hitro evolucionarno razvija. S ponavljajočimi se geni in pozitivno selekcijo genov je pokazatelj na spopad med obrambnimi mehanizmi in TE.

Pozitivna genska selekcija je posledica hitre diverzitifikacije proteinov gostitelja in patogena (bakterija, virus...) zaradi interakciji med proteini dveh organizmov. S tem dobimo izboljšane proteine (z mutacijami). To se velikokrat pojavlja v nevretenčarskih in ribjih proteinih.

Število utišanih genov je še en faktor, ki bi lahko pojasnil hitro razvijanje mehanizma . Različne študije so odkrile gene, ki kodirajo PIWI proteine, ki so se neodvisno podvojili v raznoraznih organizmih, kar vodi v večje utišanje TE.

Hitro razvijanje lahko vodi tudi v nefunkcionalnost mehanizma. Dokaz za to je odkrila raziskava na Rhino in Deadlock komponentah mehanizma v muhah in mušicah. V njih ti dva proteina delujeta kot del kompleksa ki spodbuja transkripcijo piRNA na kromatinu. Njuna odsotnost privede do pomanjkanja piRNA in posledičnega povečanja izražanja TE.

Kljub temu ne vemo kaj je glavni razlog za obstoj tega procesa. Če predlagamo da je to aktivnost TE, bi to pomenilo da pozitivna selekcija spremlja TE raznolikost. Posledično se ekspresija piRNA spreminja z aktivnostjo variacij TE. Tako bi tudi potrdili spopad med TE in piRNA mehanizmom utišanja.

KRAB-ZFP

Povečanje številčnosti KRAB-ZFP proteinov v genomih sesalcev je postal prepoznavni znak, da le-ti proteini podajajo prilagojen odgovor na TE. Vsi KRAB-ZFP proteini vsebujejo N-kočno KRAB domeno, ki ji sledijo številni različni tipi C2H2 cinkovih prstov. Večina KRAB proteinov je bila do sedaj karakterizirana kot transkripcijski represorji, saj ponavadi KRAB-ZFP s pomočjo cinkovih prstov nase veže DNA ter korepresor KAP1 s pomočjo KRAB domene. KAP1 nato nase veže številne epigenetske modifikatorje kot so histon- in DNA metiltransferaze, ki tvorijo formacijo represivnega kromatina, ki ima za tarčo lokus (mesto na kromosomu). Številni KRAB-ZFP so bili povezani z utišanjem specifičnih TE družin prepoznanih s pomočjo sekvenčno specifičnih DNA-vezavnih interakcij. Predlagano je bilo, da je razlog za hitro evolucijo KRAB-ZFP genov tekmovanje s transpozicijsimi elementi.

Protiobrambni mehanizem

Tekmovanje med transpozoni in gostiteljskim sistemom kontrole nakazuje na to, da se transpozoni ponavadi izognejo utišanju. Pa vendar obstaja zelo malo primerov, kjer so transpozoni dejansko razvili aktivni mehanizem za pobeg. Trenutno so znani samo trije taki primeri, vsi prihajajo iz rastlin:

•Družina CACTA DNA transpozonov nosi mikro-RNA gen mir820, ki z vezavo zniža ekspresijo de novo metiltransferaznega gena OsDRM2, kar ima za posledico zmanjšanje DNA metilacije številnih transpozicijskih elementov in omogoči izogib utišanju.

•Nekateri transpozicijski elementi izdelajo siRNA, ki lahko vpliva na ekspresijo gostiteljskega gena v trans obliki.

•VANDAL DNA elementi (VANDAL21 in VANDAL6) kodirajo dodatna proteina VANC21 in VANC6, ki inducirata demetilacijo sorodnih elementov VANDAL družine brez, da bi vplivali na metilacijo drugih TE družin. S tem dosežejo specifično sekvenčno protiutišanje, ki promovira njihovo mobilizacijo in omejuje delecijski vpliv njihovega sistema proti utišanju na gostitelja.

STRATEGIJE POBEGA IN SAMOKONTROLE

Zakaj je s strani transpozonov kodiranih tako malo mehanizmov proti utišanju? Glavni razlog je, da se morajo transpozicijski elementi podvojiti v zarodni liniji, kar zelo omeji sposobnost nastanka efektivnega mehanizma proti utišanju. Npr. mehanizem, ki bi blokiral celotno piRNA pot, bi sicer vodil v masovno mobilizacijo različnih transpozonov, vendar hkrati ogrozil gostiteljevo plodnost in tako tudi razmnoževanje transpozonov.

Izogib gostiteljskemu nadzoru

Kot alternativa, se transpozoni lahko izognejo gostiteljskemu nadzoru, ampak tako, da njihova aktivnost ne vpliva na sposobnost delovanja gostitelja. Kot primer takšnega delovanja poznamo retrotranspozone, ki v navadni vinski mušici “ugrabijo” celice granuloze v jajčniku, da namesto njih sestavljajo RNP komplekse, ki služijo kot transpozicijski intermediati [2]. Te produkti se nato s pomočjo mikrotubulov prenesejo do oocitov, kjer se začne transpozicija. Čeprav so ti retrotranspozoni dovzetni za piRNA utišanje, ko pridejo v oocite, njihovo sestavljanje v permisivnih celicah zmanjša število transpozicijskih korakov, ki so za to dovzetni [3].

Ciljne preference

Nekateri transpozicijski elementi so razvili tudi mehanizme, ki usmerjajo svoje insercije v “varna zatočišča” oz. regije genoma, ki povzročijo minimalno škodo. Transpozoni, še posebno tisti, ki kolonizirajo kompaktne genome, so večkrat ustvarili mehanizme, ki ciljajo gensko revnejše regije oz. regije ponavljajočih se zaporedij genoma (npr. transpozoni v ribah se integrirajo v bližino tRNA genov in nimajo vpliva na izražanje tRNA, transpozoni v sviloprejkah pa imajo za tarčo telomerne regije). Čeprav mora včasih insercija teh elementov v kompartmentu vznemirit gostiteljsko izražanje gena, je manj verjetno, da bo le-ta škodljiv, kakor bi bil v kodirajočih regijah.

Samoregulatorni mehanizmi

Transpozoni lahko tudi minimizirajo delecijski vpliv z razvojem samoregulatornega mehanizma. Transpozoni so prisotni v genomu vseh celic in bi se v teoriji lahko mobilizirali tako v zarodni liniji kot somatskih tkivih. Vendar lahko mobilizacija v somatskih tkivih povzroči več škode za organizem, medtem ko ima mobilizacija v zarodni liniji manjši takojšnji vpliv na delovanje gostitelja (dokler ne vpliva na plodnost). Ravno iz tega razloga so transpozoni razvili mehanizme, ki omejujejo ekspresijo samo na zarodno linijo.

Še ena podobna strategija je evolucija suboptimalne transpozicije in samo-obvladovalnega kontrolnega mehanizma števila kopij. transpozoni morajo biti dovolj aktivni, da generirajo nove insercije, vendar ne toliko aktivni, da bi vplivali na delovanje gostitelja. Zato so določeni transpozoni razvili mehanizem, ki zmanjša njihovo aktivnost. Ta regulacija poteka na vsaj tri načine:

•Evolucija suboptimalnih transpozaz

•Inhibicija transpozazne funkcije z agregacijo, ko ekspresija transpozaze doseče določen prag

•Izbira nepopolnih končnih obrnjenih ponovitev, ki zmanjšajo transpozonsko afiniteto in učinkovitost [4].

VZAJEMNOST TRANSPOZONA IN GOSTITELJA

Samoregulacija in doseganje cilja TE lahko zmanjšata njegov škodljiv vpliv na gostitelja, neposredno pa ne zagotavljata selektivne prednosti gostitelja. Vzajemnost se doseže le, če vzdrževanje aktivnosti TE takoj koristi gostitelju. Takih primerov je pri evkariontih opisanih zelo malo, poznamo pa tri možne primere: Telomerni retroelementi pri vinski mušici, z nosilnim elementom telomer preko TBE posredovana preureditev genoma v migetalkarju Oxytricha trifallax in pojavljajoča vloga retrotranspozonov pri sesalcih v zgodnjem embrionalnem razvoju.

Retrotranspozoni ohranjajo telomere vinske mušice

Več vrst vinske mušice je izgubilo gen, ki kodira telomeraze. Pri vseh do sedaj raziskanih vrstah vinske mušice z izjemo ene so njihove telomerne ponovitve nadomestili nizi ne-LTR retrotranspozonov, ki jih skupno imenujemo telomerni retroelementi. Pri vinski mušici telomerni elementi pripadajo trem družinam, ki so sorodni družini Jocker (ang. jockey) ne-LTR transpozonom (Het-A, TAHRE in TART). Slednje so neprekinjeno vstavljene skozi celoten kromosom preko ciljno določene reverzne transkripcije, ki jih podpirajo elementi proizvedeni iz avtonomnih TAHRE in TART kopij. Prepisana mRNA iz vseh treh družin retroelementov je uvožena v jedro, kjer je povezana s proteini, ki so podobni Gag. Gag in reverzne transkriptaze (RT) iz kompleksa Het-A, TAHRE in TART s sorodnimi mRNA tvorijo RNP kompleks, ki je sposoben podaljšati telomere. Pri drugih organizmih pa telomerazna reverzna transkriptaza (TERT) in telomerazna RNA (TR) tvorita telomerazni kompleks, ki vzdržuje telomere.

Oxytricha potrebuje aktivne transpozone za svoj razvoj

Migetalkarji, kot je O. trifallax, so enocelični evkarionti, ki imajo dve vrsti jeder: trankskripcijski tihi diploidni mikronukleus zarodne linije (MIC) in somatski makronukleus (MAC). Slednji ohranja ekspresijo genov v vegetativnih celicah in je izpeljan iz MIC-a preko obsežnih genomskih prerazporeditev, ki se zgodijo kmalu po spolni konjugaciji. Geni v MIC genomu prekinejo nekodirajoča zaporedja, poznana kot notranja izločena zaporedja (IES), ki morajo biti odstranjena za pravilno delovanje MAC-a. TE obsegajo velik delež IES in veliko prispevajo k velikosti MIC genoma. Postopek izrezovanja in razpletanje IES odstrani pravzaprav vse TE iz MAC genoma. To zahtevno preoblikovanje genoma zahteva sodelovanje družine DNK transpozonov (TBE), ki se aktivno mobilizirajo med mejozo. Eksperimentalno utišanje vseh treh transpozaz družine TBE preko RNAi poškoduje celično rast in povzroči celično smrt, ki se zgodi zaradi okvar zarodne linije ter odpravi TBE in IES. Vendar pa utišanje ene TBE družine ni zadostno za povzročitev takega fenotipa, kar nakazuje, da vse tri TBE družine sodelujejo pri razvoju MAC-a.

Vloga TE pri embriogenezi sesalcev

Pojavlja se vedno več dokazov, da so retrotranspozoni in proteinska družina ERV-ji tesno prepleteni z embrionalnim razvojem sesalcev. Predvideva se, da k aktivaciji zigotskega genoma prispevata pri miših (MERVL) in ljudeh (HERVL). Visoka stopnja transkripcije več posameznih HERVH lokusov spodbuja nastanek kromatinskih zank in topoloških domen, ki so edinstvene tako za izražanje himernih dolgih nekodirajočih RNA kot tudi za ESC-je.

Prikriti konflikti med TE in gostiteljem

Prej opisani primeri kažejo, da so lahko vzajemne interakcije med TE in njihovimi gostitelji bolj razširjene kot si dandanes predstavljamo. Še vedno pa ostajajo alternativne interpretacije. Namesto resnične vzajemnosti, se te povezave lahko obravnava kot komenzalizme, kjer imajo korist le TE. Takšna povezava (odvisnost) lahko povzroči konflikt, v primeru ko pride do prenosa v presežek TE, kar oslabi telesno pripravljenost gostitelja, temu pa sledi tekmovanje med gostiteljem in TE za razvoj mehanizmov, ki nadzorujejo ta prenos.

Pot do prisvojitve (cooption)

Prednost sprejetja modela, ki je osredotočen na sodelovalne interakcije med gostiteljem in traspozonom je, da zagotavlja lažjo pot za prisvojitev TE. Prisvojitev je proces, s katerim naravna selekcija posega v zaporedja TE-jev, da se razvijejo nove funkcije gostitelja. Danes te procesi veljajo za molekularno pot in evolucijske sile, ki vodijo do sodelovanja, vendar pa ostajajo slabo razumljene.

VIRI IN LITERATURA

1. Cosby RL, Chang N-C, Feschotte C. Host–transposon interactions: conflict, cooperation, and cooption. Genes Dev. 2019;33: 1098–1116. doi:10.1101/gad.327312.119

2. Z. Zhang, J. Xu, B. S. Koppetsch, J. Wang, C. Tipping, S. Ma, Z. Weng, W. E. Theurkauf, P. D. Zamore: Heterotypic piRNA Ping-Pong Requires Qin, a Protein with Both E3 ligase and Tudor Domains, National Library of Medicine, 2012, Molecular cell, 44(4), str.572-584

3. Kaminker JS, Bergman CM, Kronmiller B, Carlson J, Svirskas R, Patel S, et al. The transposable elements of the Drosophila melanogaster euchromatin: a genomics perspective. Genome Biol. 2002;3: RESEARCH0084. doi:10.1186/gb-2002-3-12-research0084

4. Moschetti R, Dimitri P, Caizzi R, Junakovic N. Genomic Instability of I Elements of Drosophila melanogaster in Absence of Dysgenic Crosses. Imhof A, editor. PLoS ONE. 2010;5: e13142. doi:10.1371/journal.pone.0013142

5. Liu D, Chalmers R. Hyperactive mariner transposons are created by mutations that disrupt allosterism and increase the rate of transposon end synapsis. Nucleic Acids Research. 2014;42: 2637–2645. doi:10.1093/nar/gkt1218

6. Li C, Vagin VV, Lee S, Xu J, Ma S, Xi H, Seitz H, Horwich MD, Syrzycka M, Honda BM, Kittler EL, Zapp ML, Klattenhoff C, Schulz N, Theurkauf WE, Weng Z, Zamore PD, Collapse of germline piRNAs in the absence of Argonaute3 reveals somatic piRNAs in flies, 2009, Cell, 137 (3): 509–521