Sodobni pogled na TE pri koruzi

Osnovne lastnosti TE pri koruzi

Transpozicijski elementi (TE) predstavljajo večino DNA v cvetočih rastlinah. Pri koruzi je 85% genoma ponavljajoče se zaporedje, 63% pa predstavljajo transpozicijski elementi. V sredini 40. let prejšnjega stoletja je Barbara McClintock med eksperimentiranjem na koruzi naletela na določene kromosomske elemente, ki so lahko 'skakali' na druge dele DNA. Posledica teh elementov je bila različna pigmentacija koruznih zrn. Prelomi DNA so se vedno zgodili na enakem mestu kromosoma 9. Z nadaljnimi poskusi so ugotovili, da sta za prelom DNA potrebna dva elementa – disociacijski element Ds in aktivatorski element Ac. Gen za pigmentacijo se izključi, ko se vanj vključi element Ds. Element Ac pa je potreben za aktivacijo rekombinaze, ki jo Ds potrebuje za premik. V nadaljnjih študijah so ugotovili, da je element Ds potomec elementa Ac, ki je izgubil gen za transpozazo (rekombinazo). Ac je torej avtonomen element, Ds pa neavtonomen.

Danes vemo, da večina TE v rastlinah spada v I razred retrotranspozonov, ki jih nadaljno razdelimo v rede LTR (RLC, RLG, RLX naddružine), LINE in SINE (nonLTR - RIL, RIT, RST) elemente. Druga dva velika reda DNA transpozonov sta TIR (DTA, DTC, DTH, DTM, DTT, DTX) in Helitron (DHH). Retrotranspozoni se nahajajo v heterokromatinskem področju in so močno metilirani. TIR naddružina DTM (mutator) se pogosto vstavi blizu genov in transkripcijskih mest. Naddružine temeljijo na razlikah v zaporedju in funkciji proteinov, ki jih kodira TE in so potrebni za transpozicijo. Danes pri koruzi poznamo 13 naddružin TE. Družine TE se razlikujejo po številu kopij, kje v genomu se vstavijo, v katerih tkivih se izražajo in epigenetski restrikciji gostiteljskega genoma. Pri koruzi so določene družine majhne in vsebujejo nekaj deset kopij (Ds1, Bs), spet druge so velike z deset tisoč kopijami (huck, cinful-zeon). Določene družine se izražajo samo v specifičnih tkivih (misfit), druge pa so izražene bolj splošno (cinful). Nekatere družine se rajši vstavljajo v genske regije (Mu1), druge pa v centromerne (CRM1). Pri nekaterih družinah metilacija DNA ne poteka, druge so metilirane po celotni dolžini transpozicijskega elementa, spet tretje povzročijo metilacijo na zaporedjih zunaj TE.

Identifikacija TE je potekala na koruznem genomu B73. rezultati so pokazali 143,067 LTR retrotranspozonov, 1640 LINE in SINE retrotranspozonov, 171,570 TIR transpozonov in 22,234 Helitronov. Število naddružin so določili glede na povprečno dolžino, starost, oddaljenost od najbližjega gena in število baznih parov, ki jih naddružina prispeva h genomu. Zaradi njihove velikosti, LTR retrotranspozoni prispevajo več baznih parov h genomu in so bolj pogosto prekinjeni z drugimi TE. Ponavadi se nahajajo daleč od genov. Čeprav imajo TIR elementi več kopij, prispevajo manj baznih parov k celotnem genomu in so redko prekinjeni z insercijo drugega TE. Nahajajo se daleč od genov in se pogosto vstavijo v že obstoječe kopije TE. So najmlajše insercije, s povprečno starostjo 185000 let. Helitroni predstavljajo najstarejše kopije, so bližje genom in prispevajo več baznih parov h genomu kot TIR elementi. LINE in SINE transpozoni so kratki in se pogosto nahajajo v bližini genov.

Znotraj teh redov se TE razlikujejo tudi znotraj naddružine. Naddružini RLG in DTC sta pogosti v centromernih in pericentromernih regijah, med tem ko RLC in DTA najdemo na rokah kromosomov. Med tem, ko se naddružina TIR nahaja daleč od genov se DTM nahaja srednje blizu. In čeprav so TIR elementi največkrat kratki imajo DTC elementi povprečno dolžino 2886 baznih parov.

Večina družin LTR retrotranspozonov je v koruzi prisotna v le eni kopiji. LTR družina ima v povprečju 6,1 kopijo (1-16.289 kopij). Distribucija TIR transpozonov je bolj uniformna, posamezna družina pa ima 142 elementov. Helitroni imajo v povprečju 14 kopij, nonLTR retrotranspozoni pa 3. Nahajanje družin na kromosomih je neuniformno. Včasih je razporeditev vseh družin v naddružini enaka, lahko pa pride tudi do razlik: druga največja RLG družina je bolj bogata na rokah kromosomov, tretja največja RLG družina pa je enakomerno razporejena po kromosomu.

Velika razlika je v starosti TE družin. Določene družine niso imele novih insercij zadnjih 100.000 let, med tem ko so se druge hitro razvijale. V zadnjih 100.000 letih je bilo aktivnih 70% TIR, 20% LTR, 15% nonLTR in 7% Helitron družin.

TE: Genomski inženirji

Glede na to, da transpozicijski elementi gostujejo v gostiteljskem genomu in se sami razmnožujejo, premikajo, kopirajo in borijo za obstanek, jih lahko imenujemo genomske parazite. Tako kakor organizmi zapolnjujejo ekološke niše, ki zmorejo nuditi ugodno okolje le za omejeno število osebkov in vrst, ki bivajo v medsebojnem dinamičnem ravnovesju, morajo tudi TE tekmovati za genomske niše. Da bi se ohranili pri »življenju«, morajo ne le kljubovati naravni selekciji in gostiteljevim popravljalnim mehanizmom, pač pa tekmovati tudi med sabo, kajti genomske niše so omejene. Te so določene z lastnostmi DNA v okolici posameznih transpozonov.

Pomembno vlogo pri ohranjanju TE igra metilacija DNA. Raziskane so metilacije citozina v treh motivih: CG, CHG in CHH (H predstavlja katerokoli bazo razen G), ki različno vplivajo na regulacijo. Slednja je zlasti pogosta v bližnji okolici genov in predstavlja mejo med eukromatinom in heterokromatinom. TE, ki se tu nahajajo, bodo imeli torej bolj metilirane motive CHH.

Ko se TE vstavi na ciljno mesto v genomu, se sproži metilacija DNA. Gre za obrambni mehanizem gostitelja, saj na ta način utiša gene TE, s čimer zmanjša možnost za novo transpozicijo. Pogosto pa se zgodi, da se proces metilacije ne ustavi, ko doseže konce TE, pač pa se širi še v okolico tudi do nekaj tisoč baznih parov, ustvarjajoč heterokromatin. S tem se utišajo tudi morebitni geni, ki so bili v tej okolici. Zahvaljujoč kompleksnosti življenja pa to lahko povzroči, da se nekateri drugi geni začno intenzivneje izražati. Tako ta celica pridobi nove lastnosti, TE pa novo oznako genomskega inženirja.

Metilacija DNA se prenaša na hčerinske celice – TE, ki metilacijo razširijo v obdajajočo DNA, s tem vplivajo tudi na to (če se npr. metilira pri pomembnih genih), ali bo hčerinska celica sploh zmožna preživeti. Posledično lahko TE s transpozicijo na nepravo mesto sam sebi skoplje grob. Za uspešno preživetje gostitelja (pridobitev prednosti za naravno selekcijo) in posledično TE ter transponiranje in razvoj TE torej pride do ravnovesja med vstavljanjem v nizkometiliran eukromatin in visokometiliran heterokromatin.

Kakor v sociologiji in ekologiji mora tudi med posameznimi TE včasih priti do sodelovanja. Zgodi se namreč, da različni TE znotraj iste družine kodirajo za različne proteine, vsi ti proteini pa morajo biti izraženi, da lahko pride to transpozicije. Posamezni TE so torej neavtonomni; avtonomnost dosežejo šele kot družina. Ker je zelo malo verjetno, da bi prišlo do horizontalnega prenosa vseh potrebnih TE znotraj družine, saj se že horizontalni prenos sam po sebi precej redko zgodi, njihova evolucija poteka sklopljeno znotraj istega organizma.

Kaj lahko povemo o starosti in evoluciji TE s pomočjo modeliranja na osnovi genoma koruze

Bioinformatska orodja dandanes predstavljajo nepogrešljiv pripomoček za obdelavo in analizo velikih količin eksperimentalnih podatkov, ki jih v zadnjih letih proizvajajo nove tehnologije. Tako lahko na podlagi izdelave modelov s pomočjo strojnega učenja sklepamo o starosti in sposobnosti preživetja transpozonov, specifično na primeru koruze zgolj iz različnih lastnosti skupin transpozonov in glede na njihovo trenutno lego v genomu.

Lastnosti, ki pomembno doprinesejo k možnosti določitve starosti so predvsem kot že prej omenjene: velikost, ohranjenost različnih setov proteinov za katere kodirajo in s tem medsebojna odvisnost transpozonov, različne mutacije, ki jim tako zmanjšujejo transkripcijsko aktivnost, lega in s tem izpostavljenost za dodatno inhibicijo, tkivna specifičnost, pomembno prispeva tudi število insercij v posamezni transpozon - večje število insercij tako nakazuje na večjo starost transpozona, pri LTR transpozonih pa igra pomembno vlogo tudi divergenca med posameznimi kopijami.

Ob združitvi naštetih lastnosti se izkaže, da največjo vlogo pri natančnosti predikcije starosti transpozonov igra pripadnost specifični naddružini. Vse naddružine v koruzi so prisotne tudi v drugih predstavnikih po celotnem filogenetskem drevesu življenja, kar kaže na starost teh starodavnih “parazitov”. Poenostavitev lastnosti celotne populacije transpozonov v koruzi na naddružine tako v večini primerov za pridobitev podatka o posameznih okvirnih starostih zadošča. Predstavlja pa vsekakor zgolj povprečje posameznih sorodnih družin, s čimer izgubimo podatek o meddružinski pestrosti. Za opis evolucijskih dinamik med različnimi sorodniki koruze pogosto primerjamo na nivoju družin, zato je pri tovrstni analizi, v kolikor želimo vključiti še vpliv transpozonov in njihovo koevolucijo, smiselno dodati še značilnosti posameznih družin transpozonov, še posebej kadar te močno odstopajo od povprečja lastnosti naddružin. Izkaže pa se tudi, da prisotnost enakih družin transpozonov z večanjem filogentske razdalje med različnimi, tudi precej sorodnimi vrstami koruze skokovito upada.

Približno 12 milijonov let nazaj se je koruza ločila od najbližjega sesterskega rodu Sorghum (sirek), za tem je sledil alopoliploidičen dogodek, pri čemer je koruza pridobila hibridni genom z 10 kromosomi kot ga poznamo danes. Tako je koruza produkt dveh genomov, lastnosti vzorcev njunih transpozicijskih elementov pa žal ni več mogoče določiti, saj so najstarejši odkriti transpozoni v koruzi stari zgolj 8,5 milijona let, oziroma so tako približno 3,5 milijona let premladi. Razlog za to se lahko skriva tudi v naši nezmožnosti določitve in prepoznave specifičnih transpozonskih regij bodisi zaradi številnih insercij, bodisi številnih mutacij, ki so se nakopičile tekom let.

Koruzo kot jo poznamo danes smo pridobili z udomačitvijo Zea mays podvrste parviglumis (teosinte) približno 10.000 let nazaj. Večina transpozonov v koruzi je mlajših od 1 milijona let, v genomu B73 pa ima približno 46.949 transpozicijskih elementov starost manjšo od 9.000 let, zato je zanimivo navesti tudi nekaj primerov sodelovanja transpozonov pri samem procesu udomačitve: gen teosinte branched1 (tb1), odgovoren za represijo razvejanosti organizma, ima pri sodobni koruzi zaradi insercije transpozicijskega elementa Hopscotch v regulatorno regijo povečano ekspresijo, koruza kot jo poznamo danes pa ima temu ustrezno spremenjen fenotip, drugi primer je insercija transpozonu CACTA – podobnega transpozicijskega elementa v promotor ZmCCT, ki je razlog za sposobnost prilagoditve koruze na dolge dneve, saj koruza preferenčno potrebuje krajše dneve za cvetenje. Vsekakor pa je bilo primarno vodilo kopičenja tovrstnih “koristnih” transpozicij posledica človeške selekcije ter želje po vzgojitvi najboljše možne različice koruze.

Preiskovanje ekologije transpozonov je eden redkih primerov, kjer s posegom v sistem le-tega ne spreminjamo in zgolj opazujemo nekakšne arheološke ostanke preteklih transpozicij, ker pa so te marsikdaj na prvi pogled brezoblični, nam računalniška pomoč pogosto prav pride pri osmišljanju ter okarakterizaciji odnosov med transpozicijskimi elementi in gostiteljskim genomom.

Viri in literatura

• M. C. Stitzer, S. N. Anderson, N. M. Springer, and J. Ross-Ibarra, “The genomic ecosystem of transposable elements in maize,” PLOS Genet., let. 17, št. 10, p. e1009768, okt. 2021, doi: 10.1371/journal.pgen.1009768.

• J. M. Noshay et al., “Monitoring the interplay between transposable element families and DNA methylation in maize,” PLOS Genet., let. 15, št. 9, p. e1008291, sep. 2019, doi: 10.1371/journal.pgen.1008291.

• L. D. Moore, T. Le, and G. Fan, “DNA Methylation and Its Basic Function,” Neuropsychopharmacology, let. 38, št. 1, čl. št. 1, jan. 2013, doi: 10.1038/npp.2012.112.

• A. Le Rouzic, S. Dupas, and P. Capy, “Genome ecosystem and transposable elements species,” Gene, let. 390, št. 1, str. 214–220, apr. 2007, doi: 10.1016/j.gene.2006.09.023.

• A. Studer, Q. Zhao, J. Ross-Ibarra, in J. Doebley, „Identification of a functional transposon insertion in the maize domestication gene tb1“, Nature Genetics, let. 43, št. 11, str. 1160–1163, nov. 2011, doi: 10.1038/ng.942.