Transposon

Ein Transposon (umgangssprachlich: springendes Gen) ist ein DNA-Abschnitt bestimmter Länge im Genom, der seine Position im Genom verändern kann (Transposition). Man unterscheidet Transposons, deren mobile Zwischenstufe von RNA gebildet wird (Retroelemente oder Klasse-I-Transposon) von denjenigen, deren mobile Phase DNA ist (DNA-Transposon oder Klasse-II-Transposon).

Wenn Transposons autonom sind, also ihre "Werkzeuge zum Springen" selbst mitbringen, sind sie oftmals von kurzen Wiederholungssequenzen (repeats) umgeben, die für die Transposition notwendig sind. Die Orientierung dieser Wiederholungssequenzen kann gleichgerichtet (direct repeat) oder gegenläufig (inverted repeat) sein. Die typische Beschaffenheit der Wiederholungssequenzen wird häufig zur Klassifikation von Transposons herangezogen. Vollständige, autonome Transposons enthalten ein oder mehrere Gene.

Entdeckung und Bedeutung

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 Gbp	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 voneinander entstanden sind, oder möglicherweise einmal entstanden und dann unter den Lebewesen durch horizontalen Gentransfer verbreitet wurden. Für letzteres ergibt eine 2008 erschienene Untersuchung starke Hinweise. So finden sich nahezu identische space invader (SPIN) Gene in so weitentfernten Arten wie Mäusen und Fröschen.^[4] 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^[5].

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.

Phasenvariation

In bestimmen Stämmen von Salmonella typhimurium ist ein Transposon dafür verantwortlich, dass der Organismus etwa alle 1000 Generationen zwischen zwei Variationen des Flagellins, dem Hauptbestandteil des Flagellums, hin und her schaltet. Da beide Varianten durch unterschiedliche Antikörper erkannt werden, ist das für den Organismus von Vorteil.^[6]

Trivia

Ein synthetisches Transposon (Sleeping Beauty) ist von der International Society for Molecular and Cell Biology and Biotechnology Protocols and Researches (ISMCBBPR ) als "Molekül des Jahres 2009" ausgezeichnet worden.^[7][8]

Literatur

• J. D. Boeke, V. D. Corces: Transcription and reverse transcription of retrotransposons In: Annu. Rev. Microbiol. 43, 1989, S. 403-34. doi:10.1146/annurev.mi.43.100189.002155
• Joachim Bauer: Das kooperative Gen - Abschied vom Darwinismus. 1. Aufl., Hoffmann und Campe, Hamburg 2008, S. 223, ISBN 978-3-455-50085-1
• H. H. Kazazian: Mobile DNA transposition in somatic cells. In: BMC biology. Band 9, 2011, S. 62. doi:10.1186/1741-7007-9-62. PMID 21958341. PMC 3182954.

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
4. ↑ pnas.org: Repeated horizontal transfer of a DNA transposon in mammals and other tetrapods (englisch)
5. ↑ Witzany Guenther (2006). Natural Genome Editing Competences of Viruses. Acta Biotheor 54: 235-253
6. ↑ Donald Voet & Judith Voet; Biochemistry 2^nd Edition, pp1059; ISBN: 0-471-58651-X
7. ↑ idw-online: "Dornröschen" ist Molekül des Jahres
8. ↑ ISMCBBPR announces the Molecule of the Year 2009 (englisch)

Weblinks

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