Unterabschnitte
Transposons
Transposons oder transponierbare Elemente sind kurze DNA-Sequenzen,
die sich zwischen unterschiedlichen Plätzen innerhalb der DNA bewegen
können.
Die einfachsten Transposons sind die Insertionssequenzen (IS). An ihren
Enden weisen diese Elemente inverted terminal repeats, umgekehrte
terminale Wiederholungssequenzen auf. Im Gegensatz zu diesen
spiegelverkehrt angeordneten Sequenzen findet man an seiner
Integrationsstelle auf beiden Seiten eine direkte
Wiederholungssequenz, deren Verdopplung durch die Integration
entsteht. Die Länge dieser Sequenz ist für jede Insertionssequenz
typisch.
Die umgekehrten Wiederholungssequenzen werden von der Transposase
erkannt. Wenn ein Transposon neben den für die Transposition
benötigten Elementen ausserdem noch für eine Antibiotikaresistenz oder
ähnliches als Marker kodiert, wird es als zusammengesetztes Element Tn
bezeichnet. Dabei wird der Marker von IS-Elementen flankiert. Diese
Insertionssequenzen können entweder nur sich selbst oder das gesamte
Transposon fortbewegen. Des weiteren ist es bei der Integration in
eine Ringförmige DNA auch möglich, dass nicht der ursprüngliche
Marker, sondern der Rest der ringförmigen DNA als Transposon weiter
gegeben wird.
Man kann drei Arten von Transpositionen unterscheiden:
- Bei der replikative Transposition wird das Element
verdoppelt.
- Bei der nichtreplikativen Transposition wandert das
Element von einer Stelle an eine andere.
- Bei der konservativen Transposition ähnelt dem
Mechanismus der Integrase. Im Gegensatz zur nichtreplikativen
Transposition, die eine Lücke in der Donor-DNA zurück lässt, werden
hier alle Nukleotidbindungen wieder hergestellt.
Bei einer direkten Wiederholungssequenz kann sich durch eine Rekombination
der beiden Sequenzen das zwischen ihnen befindliche DNA-Stück als Ring
abschnüren und wird so deletiert. Wenn es sich bei den Sequenzen
allerdings um umgekehrte Wiederholungssequenzen handlet, wird der sich
zwischen ihnen befindliche Teil nicht deletiert, sondern durch eine
reziproke Rekombination lediglich in seiner Ausrichtung geändert.
Bei der Excitation eines Transposons unterscheidet man ein genaues von
einem ungenauen Ausschneiden. Beim lezteren bleibt eine veränderte
Sequenz zurück, währendim ersten Falldie ursprüngliche Situation
wieder hergestellt wird, indem das Transposon und eine der
verdoppelten Sequenzen ausgeschnitten wird.
Die Transposition erfordert als ersten Schritt bei den Transposon und
der Zielsequenz mehrere Einzelstrangbrüche.
Beim Phagen Mu ist diese MuA-Transposase für die Transposition
veantwortlich. Sie bindet an die linke und die rechte Seite der Phagen-DNA
und formt so einen Komplex und spaltet die Enden der Phagen-DNA. Die
überhängenden Enden werden dann mit der DNA des Wirtes verbunden und
der Phage integriert.
Der selbe Phage kann sich auch durch replikative Transposition
vermehren. Dieser Mechanismus fusioniert ein Donor- und ein
Empfängerreplicon zu einem Cointegrat, bei dem die 3'-Enden des
Komplexes ungebundenbleiben und als Primer für eine Replikation
dienen, das gesamte Cointegrat vermehren, so dass hinterher das
Transposon wieder ausgeschnitten werden kann.
Die nichtreplikative Transposition nutzt wie auch die replikative
einen Corssover-Komplex. Dieser wird jedoch dadurch beendet, dass der
Strang der Donor-DNA einen Strangbruch erfährt und sich das Transposon
löst. Das Donorreplicon bleibt mit einem Doppelstrangbruch zurück.
Bei den grossen Transposons der TnA-Familie ist - im Gegensatz zu den
IS-Typen - die replikative Transposition die einzige Möglichkeit. Die
Transposition verläuft in zwei von der Transposase TnpA und der
Resolvase TnpR vermittelten Schritten. Die Transposase erkennt das
Bindungsmotiv und führt die Einzelstrangbrüche in die Ziel-DNA
ein. Die Resolvase unterdrückt als Repressor seine eingene Expression
wie auch die von tnpA und wirkt so einer weiteren Transposition
entgegen. Des weiteren ist die Resolvase daran beileigt, ein
Cointegrat zu formen, die dann der Replikation dient.
Bei dem Transposon Tn10 wurde untersucht, wie dieses Element seine
Transpositionshäufigkeit kontrolliert. Es besitzt zwei Promotoren:
Einer der beiden bewirkt die Transkription des Transposons, der andere
bewirkt eine Transkription der in der Nachbaraschaft liegenden
Wirts-DNA. Da sich die Promotoren überlappen, kommt es -
insbesondere, wenn mehrere Kopien des Elements vorliegen - zu einer
Hybridisierung und der Promotor für die benachbarten Gene, PAUS
hindert den anderen Promotor, PEIN an der Translation. So kann
die dort codierte Transposase nicht umgesetzt werden und eine
Schädigung des Bakteriengenoms wird verhindert.
Wenn nur ein einzelnes Element vorhanden ist, wird es zumeist durch
die Methylierung geregelt. Die koppelt die Aktivität an die
Replikation. Der hemimethylierte Zustand der DNA nach der Replikation
aktiviert die Transposaseaktivität. Durch diesen Mechanismus wird die
Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle den entstandenen Doppelstrangbruch
reparieren kann erhöht.
Beim Mais erzeugen Kontrollelemente eine Veränderung des Genoms
während der somatischen Zellteilung. Je früher solch eine Veränderung
erfolgt desto grösser sind die phänotypisch betroffenenen
Gewebesektoren.
Kontrollelemente beeinflussen die in der Nachbarschaft liegenden Gene
durch Deletion, Duplikation oder Chromosomenbrüche. Diese Elemente
werden so kontrolliert, dass sie zu einem bestimmten
Entwicklungszeitpunkt aktiv werden. Durch einen Chromosomenbruch kann
z.B. ein azentrischer Teil des Chromosoms, der einen dominanten Marker
trägt von dem Chromosom gespalten werden, so dass die Nachkommen
dieser Zelle den rezessiven Phänotyp aufweisen. Das andere Chromosom
ist ein dizentrisches Chromosom, das durch die in der Mitose
auftretende Spannung zerbrechen wird. Durch diesen Bruch können die
Allele nochmals unterschiedlich auf die Zellen verteilt werden.
Die Kontrollelemente des Mais lassen sich in Autonome Elemente, die
Excision und Translation selbst kontrollieren und durch ihren Einbau
ein stabiles in ein mutierbares Allel verwandeln und die
nichtautonomen Elemente, die nicht transponieren und sich stabil
verhalten und nur dann instabil werden, wenn sich ein autonomes
Element der gleichen Familie in der Nähe befindet. Die nichtautonomen
Elemente entstehen z.B. durch Deletion aus den autonomen Elementen.
Die gut charakterisierten Sequenenzen Spm und En sind sich sehr
ähnlich (Abweichung in weniger als 10 Stellen) und entsprechen in
ihren Charakteristika einem Transposon. Von Spm gibt es eine Variante
d-Spm, die ein nichtautonomes Element darstellt und eine Variante
Spm-w, die eine schwächere Transposonaktivität aufweist.
An seiner Einbaustelle kann Spm die Expression eines Gens
negativ oder positiv kontrollieren. Die Beeinflussung geschieht dadurch,
dass TnpA an einer Zielstelle bindet und so die Transkription
verhindert (Mechanismus bei d-Spm). Die Art der Beeinflussung ist
davon abhängig, ob sich das Element stromaufwährts oder innerhalb des
Gens befindet.
Das Spm-Element kann durch eine Methylierung in ein kryptisches,
d.h. ein stummes nicht mehr aktives Element umgewandelt werden.
Als Hybrid-Dysgenese bezeichnet das korrelierte Auftreten von
Defekten, das z.B. bei Drosophila die Kreuzung von bestimmten Stämmen
verhindert. Man unterteilt die Stämme in Inducer und Reactive. Die
Fertilität nimmt bei einer Kreuzung zwischen einem I-Männchen und
einem R-Weibchen drastisch ab.
Das Männchen besitzt eine grosse Anzahl an P-Faktoren, die
unterschiedliche Positionen auf den Chromosomen einnehmen können.
Ihre Aktivierung erfolgt gewebespezifisch und beruht auf einer
Veränderung des Spleissmusters. Durch ein unterschiedliches Spleissen
wird entweder ein Repressor oder die Transposase translatiert.
Normalerweise liegt in dem Stamm, in dem der P-Faktor vorkommt in der
Eizelle ein Repressor vor, der die Aktivität der Transposase
unterdrückt. Bei der Kreuzung mit einem anderen Stamm fehlt dieser
Repressor und es kommt zu einer erbgutschädigenden Transposition des
P-Faktors.
Der P-Faktor hat sich in der Drosophila-Population erst innerhalb der
letzten 30 Jahre etabliert.
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