Tema 9. Organización del genoma en eucariotas IV - Elementos transponibles

Tema 9 TEMA 9: ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN EUCARIOTAS (IV) Elementos transponibles: descripción y clasificación Transposones de DNA Retrotransposones con LTRs y sin LTRs, y retrovirus endógenos Elementos transponibles en el genoma humano Efectos de los elementos transponibles Significado gené...

Tema 9 TEMA 9: ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN EUCARIOTAS (IV) Elementos transponibles: descripción y clasificación Transposones de DNA Retrotransposones con LTRs y sin LTRs, y retrovirus endógenos Elementos transponibles en el genoma humano Efectos de los elementos transponibles Significado genético y evolutivo de los elementos transponibles También se incluyen los descriptores del Tema 13 1  Tema 9 1. Elementos transponibles Secuencias repetidas dispersas por el genoma (DNA moderadamente repetido) Algunos poseen información para su propia transposición (movilización/replicación): elementos autónomos (minoritarios) Pueden estar flanqueados por repeticiones invertidas o directas Generan repeticiones directas cortas en el sitio de inserción (secuencia diana) Pueden provocar mutaciones (por inserción, reordenaciones cromosómicas) y son sustratos de recombinación Se clasifican según el mecanismo de transposición (diapo 3) 2  Tema 9 1. Clasificación de los elementos transponibles Clase 1. Retrotransposones o retroelementos (transposición vía RNA) * Se transcriben en un intermediario de RNA que, por transcripción reversa, se copia a DNA y se inserta en una nueva posición del genoma * El elemento original se mantiene * Algunos están relacionados con retrovirus * Sólo en eucariotas Clase 2. Transposones de DNA (transposición vía DNA) * Cambian de posición al escindirse de su localización inicial y reinsertarse en una nueva posición del genoma * En procariotas y eucariotas * También pueden replicarse durante la transposición (sólo en procariotas) 3  Tema 9 2. Transposones de DNA * Tc1 (C. elegans) Similares a los transposones de procariotas (Tema 4) Abundantes en eucariotas pero inactivos en humanos Están flanqueados por repeticiones invertidas cortas (TIRs o IRs) y codifican una transposasa (específica de cada familia) Cada familia de transposones de DNA contiene elementos autónomos y no autónomos Dos tipos de transposición: conservativa y replicativa 4  Tema 9 2. Transposones de DNA Transposición conservativa (cut-and-paste) y replicativa (copy-and-paste) Transposasa: cortes monocatenarios a ambos lados del elemento transponible (ET) y bicatenarios en la secuencia diana (cortes escalonados) Conservativa (2A) en procariotas y eucariotas, replicativa (2B) solo en procariotas 1 2A 2B 3’ 5’ Fill gaps 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ Corte bicatenario escalonado resolvasa 5  Tema 9 2. Transposones de DNA ELEMENTOS DE CONTROL DEL MAIZ (SISTEMA Ac/Ds) − Descubiertos por Bárbara McClintock en los años 40-50 (Premio Nobel Medicina, 1983) − Primeros elementos transponibles descritos a nivel conceptual Observaciones: * Roturas en el cromosoma 9 del maíz en un punto concreto * Presencia de granos de maíz jaspeados Interpretación: * Se requerían dos factores genéticos: Ds (Dissociation element, en el punto de rotura) y Ac (Activator, un factor imposible de mapear por recombinación) * Existencia de elementos genéticos o genes móviles (elementos de control) 6  Tema 9 2. Transposones de DNA 7  Tema 9 2. Transposones de DNA ELEMENTOS P DE Drosophila − Descubiertos en los años 70, analizando el fenómeno de la disgénesis híbrida (DH: esterilidad, alta tasa de mutación, etc.) − DH en la descendencia del cruce entre hembras de laboratorio (cepas M) y machos de poblaciones naturales (cepas P) − Las cepas P contienen elementos P (transposón de DNA 2,9 kb) y las cepas M carecen de ellos − Contiene IRs y codifica dos proteínas: transposasa y represor − Represión de los elementos P: piRNAs Luo y Lu 2017 8  Tema 9 2. Transposones de DNA Aplicaciones de los elementos P de Drosophila: p.e. Generación de organismos transgénicos (transformación de la línea germinal) Embrión microinyectado * Adultos transgénicos Embrión microinyectado * * Las cepas utilizadas en la microinyección carecen de elementos P (transferencia horizontal reciente) 9  Tema 9 2. Transposones de DNA ELEMENTOS de la familia Tc1 (DDE) /mariner (DDD) - Repeticiones invertidas y transposasa - Ampliamente distribuidos en eucariotas Ivics et al. 2009 - Activos en C. elegans y Drosophila pero inactivos en vertebrados - Sleeping beauty: elemento Tc1-like de peces reactivado in vitro (Ivics et al. 1997) (por mutagénesis dirigida y combinación de elementos) Reconstrucción in vitro del gen de la transposasa Integración de transgenes en células HeLa mediada por SB - Aplicaciones de SB: p.e. identificación de genes implicados en cáncer (Sesión 5 y Journal club) 10  Tema 9 3. Retrotransposones CLASIFICACIÓN 1. Retrotransposones con LTRs * Semejantes a retrovirus, p.e. MoMLV, Moloney murine leukemia virus (a) * Repeticiones terminales largas (LTRs) y genes con homología a gag y pol (b, c) 2. Retrotransposones sin LTRs * Sin LTRs, pueden contener secuencias 5’-UTR, 3’-UTR y algunos una región poliA (d) * Generalmente contienen 2 genes: ORF1 (proteína de unión a RNA) y ORF2 (transcriptasa reversa-endonucleasa) 11  Tema 9 3. Retrotransposones con LTRs gypsy/copia en Drosophila 1 2 IAP en ratón No en humanos (HERVs) repetición directa LTR RT Int Levin y Moran 2011 virus-like particles 12  Tema 9 3. Retrotransposones con LTRs Transcripción reversa Integración Major steps of reverse transcription for LTR retrotransposons. The gray box represents retrotransposon RNA with major sequence features not drawn to scale: LTR sequences U3, R, and U5; gag and pol ORFs; PBS-primer binding site; PPT-polypurine tract. The lavender shape indicates the tRNA primer, dashed blue arrows indicate newly synthesized DNA, and solid blue lines indicate DNA synthesized in a previous step. Maxwell 2020 13  Tema 9 3. Retrotransposones con LTRs Retrovirus endógenos (ERV) − En mamíferos se llama ERVs a las secuencias con similitud a retrovirus (genes gag, pol, env y LTRs) que hay en los genomas − El 85-90% de los ERVs son LTRs aisladas* (elementos enhancer y promotores) y el 15% restante son secuencias defectivas similares a genes retrovirales − Remanentes de infecciones retrovirales antiguas o restos de retrotransposones con LTRs Gerdes et al. 2016 Savage et al. 2019 − En el genoma humano hay ~ 450.000 copias de HERVs (human ERVs) y representan un 8% del genoma (todas inactivas, HERV-K potencialmente activo) − En ratón hay ERVs activos: familia IAP (retrotransposón con LTRs) Crichton et al. 2014 14  Tema 9 3. Retrotransposones sin LTRs TART, HeT-A en Drosophila 1 2 endonucleasa-RT 7-20 nt (endonucleasa-RT) : target site duplication Levin y Moran 2011 TPRT: target-primed reverse transcription elemento truncado en 5’ 15  Tema 9 3. Retrotransposones sin LTRs Schematic of the endogenous LINE-1 retrotransposition cycle Savage et al. 2019 16  Tema 9 3. Retrotransposones sin LTRs LINEs (long interspersed elements) - Elementos LINE-1 en humanos o ratón o R1, R2 en insectos - Autónomos (codifican proteínas implicadas en su replicación/propagación) 6 kb Promotor interno RNApol II SINEs (short interspersed elements) - Elementos Alu y SVA (SINE/VNTR/Alu) en humanos - No autónomos (dependen de los LINEs) Cordaux y Batzer 2009 RNApol III L1-type TSD L1-type TSD 2 kb No promotor (RNApol II) Promotor RNApol III Hexámero (CCCTCT) + Alu-like + VNTR (35-50 bp) + env-3’LTR La maquinaria de LINE-1 también genera pseudogenes procesados en humanos RNA Savage et al. 2019 17  Tema 9 4. Elementos transponibles en el genoma humano − El 45% del genoma humano está constituido por ETs y secuencias derivadas − Elementos mayoritarios: retrotransposones sin LTRs (LINEs y SINEs), algunos activos (~ 100 copias LINE-1) (Clase 1) Alu SVA 2 kb 5,000 0,2% (Clase 2) ¿Cómo sobrevivimos con tanto DNA “móvil”? 1. ETs insertados sobre todo en intrones 2. Mecanismos específicos de “protección”, sobre todo en la línea germinal (diapo 19): * Metilación de Cs y de histonas  inhibición de la transcripción * Regulación postranscripcional y traduccional (siRNAs y piRNAs) * Familia APOBEC3 (apolipoprotein B mRNA-editing enzyme 3): citosina desaminasas 18  Tema 9 4. Elementos transponibles en el genoma humano ratón Crichton et al. 2014 Retrotransposon suppression mechanisms. A schematic overview of a generalised retrotransposon life cycle encompassing transcription, RNA export, translation, assembly, nuclear import, and de novo integration is shown. Specific elements can show some variation in this process, e.g. RNA from non-autonomous SINE retrotransposons is not translated and uses LINE-1-encoded proteins to catalyse their integration. Also, the mechanism of integration differs between LINE-1 and LTR retrotransposons. Genes involved in suppressing retrotransposons at specific stages of their life cycle in germ cells and pluripotent cells are indicated. Miwi, Mili are Piwi proteins. 19  Tema 9 4. Elementos transponibles en el genoma humano Retrotransposición en cis Movilización de Alu/SVA y generación de pseudogenes procesados Inserción en genes Transducción en 3’ (exon shuffling) gene 1 gene 2 Reordenaciones cromosómicas Expresión génica Efectos de LINE-1 en el genoma humano 20  Tema 9 4. Elementos transponibles en el genoma humano Some of the steps in the expression of mammalian genes that can be affected by cis- or trans-acting LINEs or SINEs. LINE and SINE genomic insertions can regulate gene expression by altering transcription and/or chromatin structure. When embedded in the transcripts of RNA polymerase II (Pol II)–transcribed genes, SINEs can influence nuclear pre-mRNA splicing, nuclear mRNA retention in paraspeckles, cytoplasmic mRNA stability, or cytoplasmic mRNA translation. ARE-BP, AU-rich element–binding protein. Elbarbary et al. 2016 21  Tema 9 4. Elementos transponibles en el genoma humano A finales de los años 80 se demostró que la inserción de elementos LINE-1 puede causar enfermedades en humanos Kazazian y Moran 2017 22  Tema 9 4. Elementos transponibles en el genoma humano * Tasas de inserción de retrotransposones en humanos (línea germinal): - Alu = 1 en cada 20 nacimientos vivos - LINE-1 = 1 en cada 20-200 nacimientos vivos - SVA = 1 en cada 900 nacimientos vivos Elbarbary et al. 2016 * Las inserciones en la línea germinal pueden causar enfermedades, aunque en tejidos somáticos también tienen el potencial de hacerlo 23  Tema 9 5. Efectos de los elementos transponibles Consecuencias de la presencia y movilización de ETs en la estructura de los genomas y en la expresión génica (elementos Ac/Ds) (elementos P) Elbarbary et al. 2016 24  Tema 9 5. Efectos de los elementos transponibles Evolution of tail loss in hominoids. a) Tail phenotypes across the primate phylogenetic tree. Ma, millions of years ago. c) Schematic of the proposed mechanism of tail-loss evolution in hominoids. Xia et al. 2024 An ape-specific alternative RNA transcript of a tail-development gene. The TBXT gene is involved in tail development. Xia et al. (2024) compared TBXT sequences across primates, and identified a short mobile DNA sequence, known as an Alu element, that is inserted into a non-protein-coding region (intron) of TBXT in apes but not in other primates. When DNA is transcribed into RNA, the interaction of this Alu element with another nearby Alu element, which is not specific to apes and is oriented in the opposite direction, can lead to the removal of a protein- coding region (exon) during splicing, resulting in two possible versions of mature RNA — one that is full-length and one in which exon 6 is missing. Expression of this exon-skipped TBXT might have contributed to tail loss as early apes evolved. Konkel y Casanova 2024  Tema 9 5. Efectos de los elementos transponibles La inserción de algunos ETs ocurre en regiones “seguras” para el huésped (safe havens): En otros transposones Regiones heterocromáticas  baja densidad génica En genes repetidos  p.e. Ty3 de levadura (retrotransposón con LTRs) en genes tRNA o elementos R1/R2 de artrópodos (retrotransposón sin LTRs en genes rRNA) Levin y Moran 2011 Esto explica que los ETs puedan aumentar su número en el genoma sin comprometer la supervivencia del huésped 26  Tema 9 6. Significado genético y evolutivo los elementos transponibles ¿Por qué son tan abundantes? * Hipótesis del DNA egoísta * Hipótesis de la variación genética * Hipótesis de la función celular Generadores de variabilidad genética - Inactivación de genes - Nuevas secuencias reguladoras - Procesado alternativo - Nuevos exones y genes - Pérdida o ganancia de material hereditario Implicados en la reorganización de genomas - Traslocaciones - Inversiones Mantenimiento de telómeros en algunas especies: retrotransposones HeT-A , TART y Tahre en Drosophila 27 Bibliografía Capítulos de libros Capítulos 9, 16 y 17: Viral genomes and mobile genetic elements; Recombination and transposition. Brown TA. (2017, 2023). Genomes 4 y Genomes 5. Garland Science; CRC Press. Capítulo 15: Transposable elements and retroviruses. Krebs JE, Goldstein ES y Kilpatrick ST. (2017). Lewin’s Genes XII. Jones & Barlett Publishers. Capítulo 18: Gene mutation and DNA repair. Pierce BA. (2020). Genetics: A conceptual approach, 7th edition. Mcmillan Learning. Capítulo 9: Uncovering the architecture and workings of the human genome. Strachan T y Read A. (2018). Human Molecular Genetics, 5th Edition. CRC Press, Taylor & Francis Group. Artículos Crichton JH, Dunican DS, Maclennan M, Meehan RR, Adams IR. (2014). Defending the genome from the enemy Within: Mechanisms of retrotransposon suppression in the mouse germline. Cell Mol Life Sci 71: 1581–605. Cordaux R, Batzer MA. (2009). The impact of retrotransposons on human genome evolution. Nature Rev Genet 10: 691-703. Elbarbary RA, Lucas BA, Maquat LE. (2016). Retrotransposons as regulators of gene expression. Science 351: 679. Gerdes P, Richardson SR, Mager DL, Faulkner GJ. (2016). Transposable elements in the mammalian embryo: pioneers surviving through stealth and service. Genome Biol 17:100. Ivics Z, Hackett PB, Plasterk RH, Izsvák Z. (1997). Molecular Reconstruction of Sleeping Beauty, a Tc1-like Transposon from Fish, and Its Transposition in Human Cells. Cell 91: 501-10. Ivics Z, Li MA, Mátés L, Boeke JD, Nagy A, Bradley A, Izsvák Z. (2009). Transposon-mediated genome manipulation in vertebrates. Nat Methods 6: 415-22. Kazazian HH Jr, Moran JV. (2017). Mobile DNA in Health and Disease. N Engl J Med 377: 361-70. Konkel MK, Casanova EL. (2024). A mobile DNA sequence could explain tail loss in humans and apes. Nature 626: 958-959. Levin HL, Moran JV. (2011). Dynamic interactions between transposable elements and their hosts. Nature Rev Genet 12: 615-27. Luo S, Lu J. (2017). Silencing of Transposable Elements by piRNAs in Drosophila: An Evolutionary Perspective. Genomics Proteomics Bioinformatics 15: 164-176. Maxwell PH. (2020). Diverse transposable element landscapes in pathogenic and nonpathogenic yeast models: the value of a comparative perspective. Mob DNA 11: 16. Savage AL, Schumann GG, Breen G, Bubb VJ, Al-Chalabi A, Quinn JP. (2019). Retrotransposons in the development and progression of amyotrophic lateral sclerosis. J Neurol Neurosurg Psychiatry 90: 284-293. Xia B, Zhang W, Zhao G, Zhang X, Bai J, Brosh R, Wudzinska A, Huang E, Ashe H, et al. (2024). On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes. Nature 626: 1042-1048. 28