Mobile Elemente und Transposable Elemente

Mobile Elemente oder transposable Elemente sind DNA-Sequenzen, die sich selbst an neue Positionen im Genom bewegen oder kopieren können. Sie machen einen großen Teil der menschlichen DNA aus, und ihre fortgesetzte Aktivität – hauptsächlich durch Retrotransposition von Elementen wie Alu, LINE-1 und SVA – ist eine ständige Quelle für insertionelle Strukturvariationen zwischen Individuen.

Definition

Transposable Elemente sind DNA-Sequenzen, die ihre Position innerhalb eines Genoms ändern können; sie werden grob in DNA-Transposons unterteilt, die sich direkt als DNA bewegen, und Retrotransposons, die über die reverse Transkription eines RNA-Intermediats transponieren und so ihre Kopienzahl erhöhen, während sie sich ausbreiten.

Scope

Dieses Thema behandelt die Hauptklassen mobiler Elemente, den Unterschied zwischen DNA-Transposons, die sich durch einen "Cut-and-Paste"-Mechanismus bewegen, und Retrotransposons, die sich über ein RNA-Intermediat bewegen, sowie wie neue Insertionen zu Strukturvariationen und der Genomevolution beitragen. Es handelt sich um eine Referenzbehandlung der Biologie mobiler Elemente und ist keine klinische Leitlinie.

Core questions

• Was sind die Hauptklassen transponierbarer Elemente im menschlichen Genom?
• Wie unterscheiden sich DNA-Transposons mechanistisch von Retrotransposons?
• Wie erzeugen neue Insertionen mobiler Elemente Strukturvariationen zwischen Menschen?
• Welche evolutionären und genomischen Auswirkungen hat die Retrotransposon-Aktivität?

Key concepts

• DNA-Transposon (Cut-and-Paste)
• Retrotransposon (Copy-and-Paste über RNA)
• LINE-1 (L1) und Target-Primed Reverse Transcription
• Alu- und SVA-nicht-autonome Elemente
• Endogenes Retrovirus (ERV)
• Insertionspolymorphismus mobiler Elemente
• Insertionelle Strukturvariation

Mechanisms

Mobile Elemente vermehren sich auf zwei gegensätzliche Weisen. DNA-Transposons exzidieren von einer Stelle und fügen sich anderswo durch eine Transposase-katalysierte "Cut-and-Paste"-Reaktion wieder ein, wodurch die Kopienzahl ungefähr unverändert bleibt. Retrotransposons kopieren sich stattdessen selbst: Ein Element wird in RNA transkribiert, revers transkribiert, und die neue DNA-Kopie wird an einer neuen Stelle integriert, sodass jede Runde eine Kopie hinzufügen kann. Beim Menschen liefert das autonome LINE-1-Element die Maschinerie für die "Target-Primed Reverse Transcription", die auch nicht-autonome Alu- und SVA-Elemente mobilisiert; endogene Retroviren stellen eine verwandte, meist fixierte Klasse dar. Neue Insertionen fügen Sequenzen hinzu oder unterbrechen sie und werden als eine Form der Strukturvariation erkannt.

Clinical relevance

Insertionen mobiler Elemente sind ein Mechanismus, durch den neue Strukturvarianten entstehen, und die Erkennung von Insertionsereignissen ist relevant bei der Interpretation genomischer Daten in den Gesundheitswissenschaften. Dieser Eintrag beschreibt die Biologie transponierbarer Elemente und ihre Insertionsaktivität als Referenzmaterial und ist keine Grundlage für individuelle Diagnosen oder Behandlungen.

Epidemiology

Transposable Elemente machen sequenziell etwa die Hälfte des menschlichen Genoms aus, wobei der Großteil davon aus Retrotransposon-abgeleiteten Wiederholungen stammt. Allein Alu-Elemente sind in Hunderttausenden von Kopien vorhanden und gehören weiterhin zu den aktivsten Quellen neuer polymorpher Insertionen, während LINE-1 die enzymatische Aktivität liefert, die die fortlaufende Retrotransposition antreibt; Populationsstudien katalogisieren Insertionspolymorphismen, die sich zwischen Individuen und Abstammungslinien unterscheiden.

History

Transposable Elemente wurden zuerst von Barbara McClintock im Mais entdeckt, Jahrzehnte bevor ihre Allgegenwart in Säugetiergenomen erkannt wurde. Die Sequenzierung des menschlichen Genoms zeigte, dass mobile-Element-abgeleitete Sequenzen die Wiederholungslandschaft dominieren, und Arbeiten von Kazazian, Batzer, Deininger und anderen etablierten, dass LINE-1-, Alu- und SVA-Elemente aktiv bleiben, neue Insertionen erzeugen und sowohl zu normaler Variation als auch gelegentlich zu Krankheiten beitragen.

Debates

Wie hoch ist die aktuelle Rate neuer Insertionen mobiler Elemente?

Schätzungen, wie oft neue Alu-, LINE-1- und SVA-Insertionen pro Generation auftreten, variieren je nach Nachweismethode, und die Quantifizierung der wahren Rate aktiver Retrotransposition in lebenden Populationen bleibt ein Bereich der Verfeinerung.

Key figures

• Barbara McClintock
• Haig H. Kazazian
• Mark A. Batzer
• Prescott L. Deininger
• Richard Cordaux

Seminal works

• batzer-2002
• cordaux-2009
• hancks-2016

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem DNA-Transposon und einem Retrotransposon?

Ein DNA-Transposon bewegt sich direkt als DNA durch einen "Cut-and-Paste"-Mechanismus, während ein Retrotransposon sich selbst über ein RNA-Intermediat kopiert, das revers transkribiert und wieder eingefügt wird, sodass Retrotransposons dazu neigen, ihre Kopienzahl zu erhöhen, während sie sich ausbreiten.

Sind mobile Elemente im menschlichen Genom noch aktiv?

Ja. Während die meisten Kopien transponierbarer Elemente fixiert und inaktiv sind, bleibt eine Untergruppe von LINE-1-, Alu- und SVA-Elementen zur Retrotransposition fähig und erzeugt weiterhin neue, individuell variable Insertionen.