عناصر متحرک و عناصر قابل انتقال

عناصر متحرک یا عناصر قابل انتقال، توالی‌های DNA هستند که قادرند خود را به موقعیت‌های جدیدی در ژنوم منتقل یا کپی کنند. آن‌ها بخش بزرگی از DNA انسان را تشکیل می‌دهند و فعالیت مداوم آن‌ها — عمدتاً از طریق رتروترانسپوزیشن عناصری مانند Alu، LINE-1 و SVA — منبعی پایدار برای تغییرات ساختاری درج‌شونده (insertional structural variation) بین افراد است.

Definition

عناصر قابل انتقال، توالی‌های DNA هستند که قادرند موقعیت خود را در یک ژنوم تغییر دهند؛ آن‌ها به طور کلی به ترانسپوزون‌های DNA که مستقیماً به عنوان DNA حرکت می‌کنند، و رتروترانسپوزون‌ها که از طریق رونویسی معکوس یک واسطه RNA منتقل می‌شوند و بنابراین با گسترش خود تعداد نسخه‌هایشان افزایش می‌یابد، تقسیم می‌شوند.

Scope

این موضوع به بررسی دسته‌های اصلی عناصر متحرک، تمایز بین ترانسپوزون‌های DNA که از طریق مکانیسم برش و چسباندن حرکت می‌کنند و رتروترانسپوزون‌ها که از طریق یک واسطه RNA حرکت می‌کنند، و چگونگی مشارکت درج‌های جدید در تغییرات ساختاری و تکامل ژنوم می‌پردازد. این یک مرجع برای زیست‌شناسی عناصر متحرک است و راهنمایی بالینی محسوب نمی‌شود.

Core questions

• دسته‌های اصلی عناصر قابل انتقال در ژنوم انسان کدامند؟
• ترانسپوزون‌های DNA از نظر مکانیکی چه تفاوتی با رتروترانسپوزون‌ها دارند؟
• چگونه درج‌های جدید عناصر متحرک، تغییرات ساختاری بین افراد ایجاد می‌کنند؟
• تأثیر تکاملی و ژنومی فعالیت رتروترانسپوزون‌ها چیست؟

Key concepts

• ترانسپوزون DNA (برش و چسباندن)
• رتروترانسپوزون (کپی و چسباندن از طریق RNA)
• LINE-1 (L1) و رونویسی معکوس با آغازگر هدف
• عناصر غیرخودمختار Alu و SVA
• رتروویروس درون‌زا (ERV)
• پلی‌مورفیسم درج عناصر متحرک
• تغییرات ساختاری درج‌شونده

Mechanisms

عناصر متحرک از دو مسیر متضاد تکثیر می‌شوند. ترانسپوزون‌های DNA از یک مکان خارج شده و در جای دیگری از طریق واکنش برش و چسباندن که توسط ترانسپوزاز کاتالیز می‌شود، مجدداً وارد می‌شوند و تعداد نسخه‌ها تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند. در مقابل، رتروترانسپوزون‌ها خود را کپی می‌کنند: یک عنصر به RNA رونویسی می‌شود، سپس رونویسی معکوس شده و نسخه DNA جدید در مکان جدیدی ادغام می‌شود، بنابراین هر دور می‌تواند یک نسخه اضافه کند. در انسان، عنصر خودمختار LINE-1 ماشین‌آلات لازم برای رونویسی معکوس با آغازگر هدف (target-primed reverse transcription) را فراهم می‌کند که عناصر غیرخودمختار Alu و SVA را نیز متحرک می‌سازد؛ رتروویروس‌های درون‌زا (endogenous retroviruses) یک دسته مرتبط و عمدتاً ثابت را تشکیل می‌دهند. درج‌های جدید توالی را اضافه یا قطع می‌کنند و به عنوان نوعی از تغییرات ساختاری شناسایی می‌شوند.

Clinical relevance

درج‌های عناصر متحرک یکی از مکانیسم‌هایی است که از طریق آن واریانت‌های ساختاری جدید ایجاد می‌شوند، و شناسایی رویدادهای درج‌شونده در تفسیر داده‌های ژنومی در علوم بهداشتی اهمیت دارد. این مدخل به توصیف زیست‌شناسی عناصر قابل انتقال و فعالیت درج‌شونده آن‌ها به عنوان یک موضوع مرجع می‌پردازد و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

Epidemiology

عناصر قابل انتقال تقریباً نیمی از ژنوم انسان را از نظر توالی تشکیل می‌دهند که بخش عمده آن از تکرارهای مشتق شده از رتروترانسپوزون‌ها است. تنها عناصر Alu صدها هزار نسخه دارند و همچنان از فعال‌ترین منابع درج‌های پلی‌مورفیک جدید هستند، در حالی که LINE-1 فعالیت آنزیمی را فراهم می‌کند که رتروترانسپوزیشن مداوم را پیش می‌برد؛ بررسی‌های جمعیتی، پلی‌مورفیسم‌های درج‌شونده‌ای را که بین افراد و اجداد متفاوت است، فهرست می‌کنند.

History

عناصر قابل انتقال برای اولین بار توسط باربارا مک‌کلینتوک در ذرت شناسایی شدند، دهه‌ها قبل از اینکه گستردگی آن‌ها در ژنوم پستانداران درک شود. توالی‌یابی ژنوم انسان نشان داد که توالی‌های مشتق شده از عناصر متحرک بر چشم‌انداز تکرارها غالب هستند، و کارهای کازاژیان، باتزر، دینینگر و دیگران ثابت کرد که عناصر LINE-1، Alu و SVA فعال باقی می‌مانند و درج‌های جدیدی را تولید می‌کنند و هم به تغییرات طبیعی و هم، گاهی اوقات، به بیماری کمک می‌کنند.

Debates

میزان مداوم درج‌های جدید عناصر متحرک چقدر است؟

تخمین‌ها در مورد اینکه هر نسل چند بار درج‌های جدید Alu، LINE-1 و SVA رخ می‌دهد، با روش تشخیص متفاوت است، و تعیین کمیت نرخ واقعی رتروترانسپوزیشن فعال در جمعیت‌های زنده همچنان یک حوزه برای بهبود است.

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

تفاوت بین ترانسپوزون DNA و رتروترانسپوزون چیست؟

ترانسپوزون DNA مستقیماً به عنوان DNA از طریق مکانیسم برش و چسباندن حرکت می‌کند، در حالی که رتروترانسپوزون خود را از طریق یک واسطه RNA که رونویسی معکوس شده و مجدداً وارد می‌شود، کپی می‌کند، بنابراین رتروترانسپوزون‌ها با گسترش خود تمایل به افزایش تعداد نسخه‌ها دارند.

آیا عناصر متحرک هنوز در ژنوم انسان فعال هستند؟

بله. در حالی که بیشتر نسخه‌های عناصر قابل انتقال ثابت و غیرفعال هستند، زیرمجموعه‌ای از عناصر LINE-1، Alu و SVA همچنان قادر به رتروترانسپوزیشن هستند و به تولید درج‌های جدید و متغیر فردی ادامه می‌دهند.