Springende gener:

Der er nok kun få – hvis nogen – der læser dette, for hvem navnet Barbara McClintock ikke ringer en klokke. Mens alle Nobelpristagere opnår udbredt anerkendelse, blev det i hendes tilfælde forstærket af den hårde kamp, hun havde måttet kæmpe for at få sit arbejde anerkendt. Som cytogenetiker, der arbejdede med majs som modelsystem, var hun nået frem til den konklusion, at ikke alle gener var statiske, faste loci på bestemte steder i genomet. At sige, at hendes konklusion om, at der var “hoppende gener”, dvs. DNA-elementer, der kan flytte sig fra et kromosomalt sted til et andet, blev mødt med generel vantro, er en høflig underdrivelse. Tiden og mængden af data gav hende ret, og hendes Nobelpris i fysiologi eller medicin i 1983, i en alder af 81 år, var lige så meget et bevis på hendes udholdenhed som på god videnskab.

De DNA-elementer, som hun opdagede, betegnes korrekt som transposable elementer eller transposoner. Strukturelt har de en række træk, der ligner nogle typer virus (retrovirus), og de kan på en måde opfattes som en slags virus, idet de kan replikere sig selv semi-autonomt ved hjælp af værtscellens maskineri. I modsætning til egentlige vira forlader transposoner dog ikke cellen, og afkommet materiale bevæger sig blot til et nyt genomisk sted, hvor det tager ophold. De er i realiteten det enkleste eksempel på det, der kaldes “det selviske gen”, et postulat om, at genetiske elementer blot søger at replikere sig selv. Mens de fleste har “valgt” at gøre dette gennem samarbejde med andre gener for at skabe levedygtige replikerende organismer, gør transposoner dette udelukkende på egne vegne og mere som en parasit på værtscellen end som en produktiv komponent i en større helhed. Vores interesse for dem i dag stammer for det første fra det faktum, at de ikke kun findes i majs, men faktisk findes i de fleste organismer, herunder mennesker, og for det andet med hensyn til denne slyngelagtige intracellulære livsstil, hvor alle gener er for sig selv.

LINES og SINES

Mennesker har ikke kun én type transposon – der findes faktisk en række typer, som er løst grupperet på baggrund af deres fysiske størrelse i Long Interspersed Elements (LINES) og Short Interspersed Elements (SINES). Som man kan forvente, er det sådan, at jo større de er fysisk, jo mere genetisk information kan de kode for. Den, der er kendt som LINE-1 med en størrelse på ~6000 basepar, koder for to åbne læserammer (regioner, der kan transskriberes til mRNA og derefter oversættes til protein). Det ene af disse proteiner har RNA-bindingsaktivitet, men en uklar biologisk funktion; det andet har endonuklease (DNA-skæring) og omvendt transkription (generering af DNA-sekvenser på grundlag af RNA-skabeloner). Efter at et LINE-1-element er blevet transskriberet (delvist drevet af transkriptionsfaktorbindingssteder i dets 5′-ende), foretager det andet protein, der udtrykkes, i det væsentlige klipninger i værts-DNA’et via sin endonukleasefunktion. Derefter laver det en DNA-kopi af den fulde LINE-1-transskription via sin omvendte transkriptasefunktion. Denne DNA-kopi bliver indsat i det afskårne værtsgenom, og værtscellens DNA-reparationsmaskineri sætter den på plads. Værtskromosomet har nu fået en ny kopi af LINE-1, og i hver efterfølgende cellulære replikationscyklus replikeres denne kopi som en del af værtens “normale, medfødte” nukleare DNA. Dette betragtes som autonom retrotransposition, da LINE-1 leverer sine egne centrale enzymfunktioner til processen. Selv om processen i sig selv forekommer sjældent, er det let at se, hvordan dette over lange biologiske tidsskalaer kan føre til akkumulering af flere replikatkopier af LINE-1-elementet. LINE-1 menes at være det eneste fuldt autonome transposable element i det menneskelige genom, og det har vist sig at være en effektiv biologisk strategi med næsten 17 procent af det menneskelige genom bestående af denne sekvens (ca. 170.000 kopier pr. celle)!

Vores fokus i dag er imidlertid på et SINE, og især det (egentlig den ene familie), der er kendt som Alu-elementer. De er opkaldt efter et restriktionsendonuklease-sted (Alu I), som de karakteristisk nok indeholder, og de er meget kortere end LINE-1 med en længde på kun ca. 280 basepar. Det betyder, at de ikke har meget egen kodningskapacitet ud over nogle transkriptionelle startsignaler og derfor ikke er selvstændige. Faktisk kræver Alu-elementer både cellulære faktorer og det andet proteinprodukt fra LINE-1 for deres replikation, og de er på en måde parasitter både for værtscellen og for LINE-1-elementerne. Denne parasit af en parasit-tilgang er tilsyneladende en endnu mere effektiv egoistisk genstrategi, da Alu-elementer udgør omkring 11 procent af det menneskelige genom (ca. 2 millioner kopier pr. celle).

Biologiske konsekvenser

Det er ikke overraskende, at der er nogle meget reelle konsekvenser af at have så mange genetiske snyltere i vores genom – og ustabile snyltere oven i købet. Især gennem de transkriptionelle og andre genetiske signaler, de bærer, kan et Alu-element påvirke mange aspekter af proximal værtsgenekspression, herunder basale genekspressionsniveauer, intronsplejning og polyadenylering og RNA-redigering. Det evolutionære pres på cellen som helhed vil generelt føre til en tilpasning af værtsgenomet til disse for at tilpasse sig, kompensere eller måske i nogle tilfælde endda drage fordel af et bestemt Alu-elements indflydelse i kontekst. Sådanne værtstilpasninger tager imidlertid tid, og der kan opstå kliniske patologier, når der opstår en ny Alu-transposition, som fører til en pludselig genetisk ændring på hvad der i bund og grund er en tilfældig loci – indsættelse af en ny Alu-kopi.

Nogle ting, man skal vide om dette, er, at da det er en transkription (RNA) initieret replikationsproces, er replikationen fejlbehæftet. I modsætning til DNA-polymeraser, hvoraf mange indeholder en såkaldt korrekturlæsningsfunktion, hvorved hvert nukleotid, der tilføjes til den spirende skabelonkopi, underkastes et andet kig for at bekræfte et ægte komplementært match i modsætning til et baseret på et forbigående tautomerisk skift, er RNA-polymeraser biologisk optimeret til hastighed og processivitet. Når først et nukleotid er tilføjet til et voksende transkript, skynder polymerasen sig videre til den næste base. Da en del af alle de baser, der udgør DNA og RNA, kan og findes i tautomeriske former, hvor der er korte omlægninger af hydrogener og dobbeltbindinger i forhold til de former, vi ser i lærebøgerne, har RNA-transskriptioner en tendens til at have lave, men betydelige fejlkopieringsrater fra deres DNA-skabelon.

Jeg fornemmer, at nogle læsere pludselig går i panik, hvorfor hvis det er sådan, er vi så ikke alle sammen et rod på grund af fejl i almindelige mRNA-transskriptioner? Det er fordi vi laver flere kopier af transskriptioner fra aktive gener, og i gennemsnit er de i orden. Uanset om de er OK eller ej, har de en kort levetid, inden de nedbrydes og erstattes af nye transkriptioner efter behov. Sjældne sporadiske fejl i mRNA’er er derfor sandsynligvis ikke af betydning.

Hvis man imidlertid nu tager denne ikke helt perfekte RNA-kopi af et DNA og derefter omvendt transskriberer den tilbage til DNA med henblik på langsigtet formering, så har man nu fastgjort denne genetiske ændring på lang sigt. En konsekvens af dette er, at kun en lille del af Alu-elementerne i vores gener faktisk er kompetente til at replikere og indsætte nye kopier af sig selv. I alt anslås det, at der kun er omkring én ny Alu-indsættelse. Det er en meget god ting, for disse indsætningshændelser er potentielt problematiske.

Husk, at omkring en procent eller lidt mere af det menneskelige genom koder for værtsproteiner (ca. 21.000 gener). Hvis vi foretager nedskæringer og propper ubeslægtet DNA ind i genomet på kryds og tværs, står det klart, at omkring en procent af disse vil være i generne, og resultatet vil være en indsætningsmæssig inaktivering af genet. Da Alu-elementet bærer transkriptionssignaler og potentielt andre reguleringselementer, er det også meget muligt, at det udøver uønsket indflydelse på genekspressionen af ting, som det blot befinder sig i nærheden af. I begge tilfælde er resultatet en dysregulering af et gen eller flere gener, næsten helt sikkert med skadelige resultater.

En anden side, præcis denne proces anvendes i nogle modelorganismer til at identificere gener, der er relateret til et fænotypisk træk. Forenklet sagt kan transposoner, der er endogene for organismen, tilskyndes til at blive aktiveret, og afkomsorganismer med ændringer i den pågældende fænotype undersøges for nye transposonindsættelsessteder, idet man antager, at de kan være i eller i nærheden af gener, der er relateret til fænotypen. Det kaldes transposon-markering.

Bortset fra nye retrotranspositionsbegivenheder, der forårsager insertionsinaktivering, kan det høje samlede antal Alu-elementer i sig selv føre til andre genetiske problemer. Specifikt kan disse lokale øer af sekvenslighed være punkter for ulige homologe rekombinationsbegivenheder, hvor den kromosomale kontekst omkring hvert Alu-element ikke er den samme. Disse kan forekomme både ekstrakromosomalt (hvilket fører til udveksling af ikke-homologe kromosomale segmenter) og intrakromosomalt (hvor de har en tendens til at føre til sletning eller duplikation af regioner, afhængigt af om de to Alu-elementer er i samme eller omvendt polaritetsorientering).

Eksempler fra det virkelige liv

Så nu hvor vi har dækket teorien om, at der virkelig findes mobile genetiske elementer hos mennesker, at de nogle gange aktiveres og indsætter nye kopier af sig selv, og at det kan have dårlige konsekvenser for cellen – hvad med eksempler fra det virkelige liv? Opstår der mennesker i kliniske sammenhænge med problemer, der kan tilskrives nye Alu-indsættelser? Absolut; så langt tilbage som i 19991 blev det anslået, at nye Alu-indsættelser kunne påvises i ca. en ud af hver 200 levende fødsler og var ansvarlige for 0,1 % af de kendte genetiske lidelser. Særlige rapporter fra litteraturen omfatter spontane forekomster af hæmofili;2-4 Apert syndrom;5 neurofibromatose type 1;6 og optisk atrofi.7 Læsere, der søger en længere liste, henvises til en gennemgang fra 2012 og dens referencer, der er anført som reference otte nedenfor.

Kliniske præsentationer vedrørende Alu-influerede rekombinationshændelser er sandsynligvis sværere at identificere med sikkerhed end dem fra insertionshændelser, men der er rapporteret tilfælde (se reference ni for et eksempel) og er sandsynligvis hyppigere, end vi ved.

Fra et behandlingsperspektiv er hver Alu-induceret mutation – indsætningsbetinget eller rekombinationsbetinget – unik, og behandling (hvis nogen) vil sandsynligvis skulle vedrøre direkte biokemisk indgriben i den eller de påvirkede veje, hvor det er muligt, eller måske genteknologiske værktøjer, som man forestiller sig i andre medfødte genetiske lidelser. De forbliver derfor for klinikeren snarere en kuriositet end en tilstandstype med en fælles behandling eller forebyggelse – men sandsynligvis en af ikke ubetydelig hyppighed ved roden af nye genetiske præsentationer.

1. Alu Repeats and Human Disease. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
2. An Alu insert as the cause of a severe form of hemophilia A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
3. Hæmofili B som følge af en de novo-indsættelse af et menneskespecifikt Alu-subfamiliemedlem i den kodende region af faktor IX-genet. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
4. Exon skipping forårsaget af en intronisk indsættelse af et ungt Alu Yb9-element fører til alvorlig hæmofili A. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
5. De novo Alu-elementindsættelser i FGFR2 identificerer et særskilt patologisk grundlag for Apert-syndromet. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
6. En de novo Alu-indsættelse resulterer i neurofibromatose type 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
7. Alu-elementindsættelse i en OPA1 intronsekvens associeret med autosomal dominant optisk atrofi. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
8. Alu Mobile Elementer: Fra affalds-DNA til genomiske ædelstene. Dridi S. Scientifica 2012. Artikel ID 545328, 11 sider.
9. Mutation i LDL-receptor: Alu-Alu rekombination sletter eksoner, der koder for transmembran- og cytoplasmiske domæner. Lehrman MA, Schneider WJ, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.