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Elementos transponíveis de eucariotos :
Barbara McClintock (1902-1992)Cold Spring Harbor Laboratory, NY
Nobel Prize in Physiology and Medicine 1983
“por sua descoberta dos elementos genéticos móveis”
• Estudou elementos transponíveis em milho (Zea mays) 1940s-1950s(antes identificados como genes mutatores por Marcus Rhoades1930s)
Elementos transponíveis:
• Características gerais dos elementos transponíveis
• Elementos transponíveis de procariotos
• Elementos transponíveis de eucariotos
• Elemento transponível : elementos genéticos de um cromossomoque têm a capacidade de se mobilizar e mover de um local paraoutro do genoma.
• Normais e ubíquitos componentes de genomas de procariotos eeucariotos.
• Procariotos transpõem de/para cromossoma da célula, plasmídeo oucromossoma de fago.
• Eucariotos transpõem do mesmo ou de cromossomas diferentes.
• Recombinação não homóloga: elementos transponíveis inserem-seem DNA que não tem homologia de sequência com o transposon.
• Elementos transponíveis causam alterações genéticas e fazemcontribuições importantes para evolução dos genomas:
•Inserção em genes.
•Inserção em sequências regulatórias; modificam expressãogenética.
•Produzem mutações cromossômicas.
Elementos transponíveis:
Duas classes de elementos transponíveis /mecanismos de movimento:
1. Codificam proteínas que (1) movem o DNA diretamente para umanova posição ou (2) replicam o DNA e integram o DNA replicado emoutro lugar (procariotos e eucariotos).
2. Retrotransposons codificam a transcriptase reversa and fazemcópias de DNA a partir dos RNA transcritos; cópias do DNAintegram-se em novos sítios (apenas eucariotos).
Elementos transpoíveis em procariotos:
Três exemplos:
1. Elementos de inserção de sequência (IS)
2. Transposons (Tn)
3. Bacteriófago Mu
Elementos de inserção de sequência (IS):
1. O elemento transponível mais simples – cromossomos bacterianos eplasmídeos.
2. Codificam apenas genes para mobilização e inserção.
3. Tamanho de 768 bp a 5 kb.
4. IS1 identificados inicialmente no operon galactose de E. coli de 768bp e presente com 4-19 cópias no cromossomo de E. coli.
5. Todos elementos IS terminam com sequencias terminais invertidas(ITRs).
Elementos de inserção de sequência (IS):
Integração de IS pode:
• Interromper sequências codificantes ou regiões regulatórias.
• Alterar a expressão de genes próximos.
• Causar deleções e inversões em DNAar adjacentes.
• Resultar em crossing-over.
Transposição de elementos de sequência de inserção (IS):
1. Cópia original permanecce no lugar; nova cópia se insererandomicamente.
2. Elementos IS usa as enzimas de replicação do hospedeiro para areplicação.
3. Transposição requer transposase, codificada pelo elemto IS.
4. Transposiçãowhen trinicia quando a transposase reconhece osterminais ITRs.
5. Sítio de integração = sítio alvo.
6. Cortes específicos são feitos no DNA no sítio alvo, IS se insere, DNApolimerase e DNA ligase preenche as falhas.
7. Repetições pequenas diretas (~5 pb) flanqueando o sítio alvo sãocriadas.
Transposons (Tn):
• Similares aos elementos IS, mas mais complexos estruturalmente ecarreando genes adicionais
• 2 tipos de transposons:
1. Transposons compostos
2. Transposons não compostos
Transposons composite (Tn):
• Carry genes (e.g., a gene for antibiotic resistance) flanked on bothsides by IS elements.
• Tn10 is 9.3 kb and includes 6.5 kb of central DNA (includes a genefor tetracycline resistance) and 1.4 kb inverted IS elements.
• IS elements supply transposase and ITR recognition signals.
Noncomposite transposons (Tn):
• Carry genes (e.g., a gene for antibiotic resistance) but do notterminate with IS elements.
• Ends are non-IS element repeated sequences.
• Tn3 is 5 kb with 38-bp ITRs and includes 3 genes; bla ( -lactamase),tnpA (transposase), and tnpB (resolvase, which functions inrecombination).
Models of transposition:
• Similar to that of IS elements; duplication at target sites occurs.
• Cointegration = movement of a transposon from one genome (e.g.,plasmid) to another (e.g., chromosome) integrates transposon toboth genomes (duplication).
• May be replicative (duplication) or non-replicative (transposon lostfrom original site).
• Result in same types of mutations as IS elements: insertions,deletions, changes in gene expression, or duplication.
• Crossing-over occurs when donor DNA with transposable elementfuses with recipient DNA.
Temperate bacteriophage Mu (Mu = mutator):
• 37 kb linear DNA with central phage DNA and unequal lengths ofhost DNA at each end.
• On infection, Mu integrates by non-replicative transposition andreplicates when E. coli replicates.
• During the lytic cycle, Mu remains integrated in E. coli chromosome,and shifts to replicative transposition.
General properties of plant transposons:
• Possess ITR sequences and generate short repeats at target sites.
• May activate or repress target genes, cause chromosomemutations, and disrupt genes.
• Two types:
• Autonomous elements transpose themselves; possesstransposition gene.
• Nonautonomous elements do not transpose themselves; lacktransposition gene and reply on presence of another Tn
• McClintock demonstrated purple spots in otherwise white corn (Zeamays) kernels are results of transposons.
A descoberta de McClintock dos transposons em milho:
• Pontos púrpura em grãos de milho brancos resultam detransposons.
• c/c = grãos brancos and C/- = grãos púrpura
• Alelostraços para cor dos grãos são instáveis.
• Se ocorre a reversão de c para C em uma célula, a célula produzirápigmento púrpura e um ponto.
• Quanto mais precoce a reversão no desenvolvimento, maior é oponto.
• McClintock concluiu que o alelo “c” resulta de um transpososn não-autônomo chamado “Ds” inserido no gene “C” (Ds =desassociação).
• Transposon autônomo “Ac” controla o transposon “Ds” (Ac =ativador).
McClintock’s discovery of transposons in corn (cont.):
• Ac element is autonomous/Ds element in nonautonomous.
• Ac is 4,563 bp with 11 bp ITRs and 1 transcription unit encoding an807 amino acid transposase.
• Ac activates Ds; Ds varies in length and sequence, but possessessame ITRs as Ac.
• Many Ds elements are deleted or rearranged version of Ac; Dselement derived from Ac.
• Ac/Ds are developmentally regulated; Ac/Ds transpose only duringchromosome replication and do not leave copies behind.
Ty elements in yeast:
• Similar to bacterial transposons; terminal repeated sequences,integrate at non-homologous sites, with target site duplication.
• Ty elements share properties with retroviruses, retrotransposons:
• Synthesize RNA copy and make DNA using reverse transcriptase.
• cDNA integrates at a new chromosomal site.
Fig. 20.14
Drosophila transposons:
• ~15% of Drosophila genome thought to be mobile.• 2 different classes:
1. Copia retrotransposons
• Conserved, 5-100 scattered copies/genome.• Structurally similar to yeast Ty elements.• Use RNA intermediate and reverse transcriptase.
2. P elements
• Hybrid dysgenesis, defects arise from crossing of specificDrosophila strains.
• Occurs when haploid genome of male (P strain) possesses~40 P elements/genome.
• P elements vary in length from 500-2,900 bp.• P elements code a repressor, which makes them stable in
the P strain (but unstable when crossed to the wild typefemale; female lacks repressor in cytoplasm).
• Also used experimentally as transformation vectors.
FemaleP elementsDNA + cytoplasmRepressorStable
MaleNo P elementsDNA only
FemaleNo P elementsDNA + cytoplasmNo repressor
MaleP elementsDNA only
OffspringP elementsNo repressorUnstable germ line
Fig. 20.16
Human retrotransposons:
Alu1 SINEs (short-interspersed sequences)
• ~300 bp long, repeated 300,000-500,000X.
• Flanked by 7-20 bp direct repeats.
• Some are transcribed, thought to move by RNA intermediate.
• AluI SINEs detected in neurofibromatosis (OMIM1622200) intron;results in loss of an exon and non-functional protein.
L-1 LINEs (long-interspersed sequences)
• 6.5 kb element, repeated 50,000-100,000X (~5% of genome).
• Contain ORFs with homology to reverse transcriptases; lacks LTRs.
• Some cases of hemophilia (OMIM-306700) known to result newlytransposed L1 insertions.