Springende Gene

Ein Transposon (umgangssprachlich: springendes Gen) ist ein DNA-Abschnitt bestimmter Länge im Genom. Es umfasst ein oder mehrere Gene und hat die Möglichkeit seinen Ort im Genom zu verändern (Transposition). Man unterscheidet Transposons, deren mobile Zwischenstufe von RNA gebildet wird (Retroelemente oder Klasse-I-Transposon) und diejenigen, deren mobile Phase DNA ist (DNA-Transposon oder Klasse-II-Transposon).

Transposons sind, wenn sie autonom sind, also ihre "Werkzeuge zum Springen" selbst mitbringen, oftmals von kleinen Wiederholungssequenzen (repeats) umgeben, die für die Transposition notwendig sind. Je nach Art des Transposons sind diese gleichgerichtet (direct repeat) oder gegenläufig (inverted repeat).

Entdeckung und Bedeutung

Die Spur der springenden Gene: Unterschiedlich gefärbte Maiskörner

Entdeckt wurden die Transposons 1948 von der US-amerikanischen Botanikerin Barbara McClintock im Mais, die für diese Entdeckung 1983 mit dem Nobelpreis geehrt wurde. Seitdem wurden Transposons auch in vielen anderen Organismen nachgewiesen, so zum Beispiel auch beim Menschen. In der Genetik und Entwicklungsbiologie spielen besonders die Transposons von Drosophila melanogaster eine große Rolle, da diese gezielt in die Fliegen injiziert und stabil ins Genom integriert werden können. Durch gentechnisch veränderte Transposons können auf diese Weise relativ einfach transgene Fliegen hergestellt werden, die für die Erforschung der Genfunktionen eine wichtige Rolle spielen. Transposons können aber auch auf Plasmide oder Phagengenome übertragen werden, was zu infektiösen Mutationen führen kann. So kann die neu eingefügte genetische Information bei Bakterien Resistenz gegen Antibiotika hervorrufen.

Der Ursprung und die biologische Funktion von Transposons ist noch nicht vollständig geklärt. Es handelt sich vermutlich um von Retroviren abgeleitete DNA, die sich in das Wirtsgenom integrierte und nunmehr vererbt wird.

Rund 45 % des menschlichen Genoms bestehen aus transposablen Elementen, die jedoch nur zu einem sehr geringen Anteil zum Springen fähig sind. Es gibt auch die Theorie, dass die Immunglobuline von Transposons abstammen. Insofern ist es strittig, ob man Transposons zu junk-DNA zählen soll. Forschungsergebnisse von Eric Lander et al. (2007) zeigen jedoch, dass Transposons eine durchaus wichtige Funktion haben, in dem sie als kreativer Faktor im Genom wichtige genetische Innovationen rasch im Erbgut verbreiten können.^[1]

Andere Lebewesen haben weniger Transposons, so sind in D. melanogaster nur etwa 15-22 % und in Caenorhabditis elegans etwa 12 % des Genoms transposable Elemente. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht der Anteile transposabler Elemente an der genomischen DNA.

Genomgröße und Anteil transposabler Elemente^[2]

Spezies		Genomgröße in Gb	transposable Elemente  %
Rana esculenta	Frosch	5,6–8,0	77
Zea mays	Mais	5,0	60
Homo sapiens	Mensch	3,5	45
Mus musculus	Maus	3,4	40
Drosophila melanogaster	Taufliege	0,18	15-22
Caenorhabditis elegans	Wurm	0,1	12
Saccharomyces cerevisiae	Hefe	0,012	3-5
Escherichia coli	Bakterium	0,0046	0,3

Vermehrungsmechanismen

Bei DNA-Transposons wird zwischen der konservativen Transposition und der replikativen Transposition unterschieden. Während bei der konservativen Transposition das Transposon aus der DNA herausgeschnitten und an anderer Stelle wieder eingebaut wird ("cut & paste"), wird bei der replikativen Transposition das Transposon nicht herausgeschnitten, sondern eine Kopie erstellt, die an anderer Stelle eingebaut wird ("copy & paste"). Bei der replikativen Transposition wird die Anzahl der Transposons vermehrt. Das Herausschneiden bzw. das Kopieren des Transposons erfolgt mit Hilfe des Enzyms Transposase.

DNA-Transposons, die zu klein sind, um ein Protein zu kodieren, bezeichnet man als "Miniature Inverted-repeat Transposable Elements" (MITEs). Sie können sich nicht autonom verbreiten. Wie sie sich vermehren oder verschieben ist noch unklar. Möglicherweise war das Transposase-Gen einmal vorhanden und ist nun defekt oder verloren gegangen. Möglicherweise kopieren und verschieben sich MITEs durch Transposaseenzyme, die von anderen, größeren Transposons kodiert werden, und die gleiche Erkennungssequenz besitzen (inverted repeats). ^[3]

RNA-Transposons, oder besser: Retroelemente springen, indem sie in mRNA transkribiert werden, die anschließend in cDNA umgeschrieben (durch eine Reverse Transkriptase) und wieder integriert wird. Dabei vermehren sich die Retroelemente. Die Unterklasse der sogenannten SINEs, aber auch andere nicht mehr autonome Retroelemente haben keine Reverse Transkriptase mehr und sind auf eine fremde (etwa von anderen Retroelementen) angewiesen.

Funktionelle Einteilung transposabler Elemente

Je nachdem, ob das intermediäre Element DNA oder RNA ist, unterscheidet man zwischen DNA-Transposons (auch Klasse-II-Transposon genannt) und sogenannten Retroelementen (Klasse-I-Transposon). Die Retroelemente besitzen entweder long terminal repeats (LTR; bei LTR-Retrotransposons bzw. Retrotransposons i. e. S. und bei klassischen Retroviren) oder nicht (Retroposons).

Evolution der Transposons

Die Evolution der Transposons und ihre Auswirkungen auf die Evolution des Genoms ist zurzeit Gegenstand kontroverser Forschung.

Transposons findet man in allen Zweigen des Lebens. Es ist jedoch unbekannt, ob sie von einem letzten gemeinsamen Vorfahren vererbt wurden, oder ob sie mehrfach unabhängig voneinandner entstanden sind, oder möglicherweise einmal entstanden und dann unter den Lebewesen durch horizontalen Gentransfer verbreitet wurden. Obwohl Transposons ihrem Wirt Vorteile verschaffen können, werden sie generell als eigennützige DNA -Parasiten eingestuft, welche in Genomen zellularer Organismen "leben". Auf diese Art sind sie Viren ähnlich. Viren und Transposons haben gleiche Eigenschaften in ihrer Genomstruktur und ihren biochemischen Eigenschaften. Dies führt zu der Spekulation, dass Viren und Transposons einen gemeinsamen Vorfahren haben könnten.

Interessanterweise kodieren Transposons oft das Enzym Transposase, welche eine wichtige Rolle im Vermehrungsmechanismus des Transposons selbst spielt. Dies könnte man als virenähnliche Eigenschaft deuten, da auch das Genmaterial von Viren eben genau die Genprodukte kodiert, die zur Weiterverbreitung ebendieses Virengenoms dienen.

Da eine exzessive Transposonaktivität das Genom zerstören kann, scheinen viele Organismen Mechanismen entwickelt zu haben, welche die Transposition auf ein handhabbares Maß reduzieren. Bakterien können eine hohe Gendeletionsrate aufweisen als Teil eines Mechanismus welcher Transposons und Viren aus ihrem Genom entfernen soll. Hingegen könnten eukaryotische Organismen den RNA-Interferenz (RNAi) -Mechanismus entwickelt haben, um die Transposonaktivität einzuschränken. In dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans verringern einige Gene, die für RNAi benötigt werden, die Transposonaktivität.

Literatur

• J. D. Boeke, V. D. Corces: Transcription and reverse transcription of retrotransposons In: Annu. Rev. Microbiol. 43, 1989, S. 403-34.

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.nature.com/nature/journal/v447/n7141/abs/nature05805.html Eric Lander et al: Genome of the marsupial Monodelphis domestica reveals innovation in non-coding sequences, Nature 447, 167-177 (10 May 2007)
2. ↑ Christian Biémont & Cristina Vieira: Junk DNA as an evolutionary force. In: Nature. Bd. 443, S. 521-524. PMID 17024082
3. ↑ http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/T/Transposons.html#MITEs

Weblinks

• Springende Gene: Vom Phänomen zum Werkzeug
• Das Wandern ist der Gene Lust - Springende DNA-Sequenzen im Genom
• Transposons: mobile DNA (english)