Jest prawdopodobnie niewielu – jeśli w ogóle – czytelników tego tekstu, dla których nazwisko Barbary McClintock nie brzmi znajomo. Podczas gdy wszyscy laureaci Nagrody Nobla zdobywają powszechne uznanie, w jej przypadku było to spotęgowane przez walkę podjazdową, jaką stoczyła o akceptację swojej pracy. Cytogenetyk, pracująca na kukurydzy jako systemie modelowym, doszła do wniosku, że nie wszystkie geny są statycznymi, stałymi loci w określonych punktach genomu. Stwierdzenie, że jej wniosek o istnieniu „genów skaczących” – kodujących elementy DNA zdolne do przemieszczania się z jednego miejsca chromosomalnego do drugiego – spotkał się z powszechnym niedowierzaniem, jest uprzejmym niedopowiedzeniem. Czas i waga danych udowodniły, że miała rację, a jej Nobel z 1983 roku w dziedzinie fizjologii lub medycyny, w wieku 81 lat, był tak samo świadectwem jej wytrwałości, jak i dobrej nauki.
Odkryte przez nią cechy DNA są właściwie określane jako elementy transpozycyjne lub transpozony. Strukturalnie mają one wiele cech podobnych do niektórych typów wirusów (retrowirusów) i mogą być w pewnym sensie traktowane jako podobne do wirusów, ponieważ mogą się replikować półautonomicznie, wykorzystując maszynerię komórki gospodarza. Jednak w przeciwieństwie do prawdziwych wirusów transpozony nie opuszczają komórki, a ich potomstwo po prostu przemieszcza się do nowego miejsca w genomie, gdzie zamieszkuje. Są one w efekcie najprostszym przykładem tego, co określa się mianem „samolubnego genu”, czyli postulatu, że elementy genetyczne dążą jedynie do samoreplikacji. Podczas gdy większość z nich „wybrała” tę drogę poprzez współpracę z innymi genami, aby stworzyć zdolne do życia replikujące się organizmy, transpozony robią to wyłącznie we własnym imieniu i bardziej jako pasożyt na komórce gospodarza niż jako produktywny składnik większej całości. Nasze dzisiejsze zainteresowanie nimi wynika po pierwsze z faktu, że nie są one ograniczone do występowania w kukurydzy, ale w rzeczywistości występują w większości organizmów, w tym u ludzi, a po drugie w odniesieniu do tego zbójeckiego, każdy gen dla siebie, wewnątrzkomórkowego stylu życia.
LINES i SINES
Ludzie nie mają tylko jednego typu transpozonów – jest ich w rzeczywistości kilka typów, które są luźno pogrupowane w oparciu o ich fizyczny rozmiar w Długie Elementy Przenikające (LINES) i Krótkie Elementy Przenikające (SINES). Jak można się spodziewać, im większe są one fizycznie, tym więcej informacji genetycznej mogą zakodować. Element znany jako LINE-1 o rozmiarze ~6000 par zasad koduje dwie otwarte ramki odczytu (regiony, które mogą być przepisane na mRNA, a następnie przetłumaczone na białko). Jedno z tych białek posiada aktywność wiążącą RNA, ale niejasną funkcję biologiczną; drugie posiada endonukleazę (cięcie DNA) i odwrotną transkrypcję (generowanie sekwencji DNA na podstawie szablonów RNA). Zasadniczo po transkrypcji elementu LINE-1 (napędzanej częściowo przez miejsca wiążące czynnik transkrypcyjny na jego 5′ końcu), drugie białko dokonuje cięć w DNA gospodarza poprzez swoją funkcję endonukleazy. Następnie tworzy kopię DNA pełnego transkryptu LINE-1 za pomocą funkcji odwrotnej transkryptazy. Ta kopia DNA zostaje wstawiona do przeciętego genomu gospodarza, a mechanizm naprawy DNA komórki gospodarza liguje ją na miejsce. Chromosom gospodarza zyskał teraz nową kopię LINE-1 i każdy kolejny cykl replikacji komórkowej powiela ją jako część swojego „normalnego, wrodzonego” DNA jądrowego. Jest to uważane za autonomiczną retrotranspozycję, ponieważ LINE-1 dostarcza swoich własnych kluczowych funkcji enzymatycznych dla tego procesu. Choć sam proces zachodzi rzadko, łatwo zauważyć, jak w długich okresach biologicznych może to prowadzić do nagromadzenia wielu replikacyjnych kopii elementu LINE-1. Uważa się, że LINE-1 jest jedynym w pełni autonomicznym elementem transpozycyjnym ludzkiego genomu, który okazał się skuteczną strategią biologiczną – prawie 17 procent ludzkiego genomu składa się z tej sekwencji (około 170 000 kopii na komórkę)!
Na dzień dzisiejszy skupiamy się jednak na SINE, a w szczególności na jednym (naprawdę jednej rodzinie) znanym jako elementy Alu. Nazwane tak od miejsca endonukleazy restrykcyjnej (Alu I), które charakterystycznie zawierają, są znacznie krótsze niż LINE-1, mają tylko około 280 par zasad. Oznacza to, że poza sygnałami startu transkrypcji nie mają one zbyt wielu własnych możliwości kodowania, a więc nie są autonomiczne. W rzeczywistości elementy Alu wymagają do replikacji zarówno czynników komórkowych, jak i drugiego produktu białkowego LINE-1, będąc w pewnym sensie pasożytami zarówno w stosunku do komórki gospodarza, jak i do elementów LINE-1. To podejście pasożyta pasożyta jest najwyraźniej jeszcze bardziej skuteczną strategią samolubnego genu, ponieważ elementy Alu stanowią około 11 procent ludzkiego genomu (około 2 miliony kopii na komórkę).
Wpływy biologiczne
Nic dziwnego, że istnieją pewne bardzo realne wpływy wynikające z posiadania tak wielu genetycznych darmozjadów w naszym genomie – i to niestabilnych. Szczególnie poprzez transkrypcyjne i inne genetyczne sygnały, które przenoszą, element Alu może wpływać na wiele aspektów ekspresji genów gospodarza proksymalnego, włączając w to podstawowe poziomy ekspresji genów, splicing intronów i poliadenylację oraz edycję RNA. Ewolucyjna presja na komórkę jako całość doprowadziłaby do adaptacji genomu gospodarza w celu dostosowania się, skompensowania, a może nawet w niektórych przypadkach uzyskania korzyści z wpływu danego elementu Alu w kontekście. Takie adaptacje gospodarza wymagają jednak czasu, a patologie kliniczne mogą pojawić się, gdy wystąpi nowe zdarzenie transpozycji Alu, prowadzące do nagłej zmiany genetycznej w zasadniczo przypadkowym loci – wstawienia nowej kopii Alu.
Kilka rzeczy, które należy o tym wiedzieć to to, że ponieważ jest to proces replikacji zainicjowany transkrypcją (RNA), replikacja jest podatna na błędy. W przeciwieństwie do polimeraz DNA, z których wiele zawiera to, co nazywa się funkcją korekty, dzięki której każdy nukleotyd dodany do powstającej kopii szablonu jest poddawany drugiemu spojrzeniu w celu potwierdzenia prawdziwego komplementarnego dopasowania, w przeciwieństwie do tego opartego na przejściowym przesunięciu tautomerycznym, polimerazy RNA są biologicznie zoptymalizowane pod kątem szybkości i procesywności. Gdy tylko nukleotyd zostanie dodany do rosnącego transkryptu, polimeraza pędzi naprzód do następnej zasady. Ponieważ część wszystkich baz tworzących DNA i RNA może i istnieje w formach tautomerycznych, gdzie są krótkie rearanżacje hydrogenów i wiązań podwójnych w porównaniu do form, które widzimy w podręcznikach, transkrypty RNA mają tendencję do niskich, ale znaczących wskaźników błędnego kopiowania z ich szablonu DNA.
Wyczuwam niektórych czytelników nagle wpadających w panikę, dlaczego, jeśli tak jest, nie jesteśmy wszyscy bałaganem z powodu błędów w regularnych transkryptach mRNA? To dlatego, że tworzymy wiele kopii transkryptów z aktywnych genów, i średnio są one OK. Niezależnie od tego, czy są w porządku, czy nie, mają krótki żywot przed degradacją i zastąpieniem nowymi transkryptami w razie potrzeby. Rzadkie, sporadyczne błędy w mRNA nie powinny więc mieć znaczenia.
Jeśli, jednakże teraz bierzesz ten nie-quite-perfect RNA kopia DNA, następnie odwrotnej transkrypcji go z powrotem do DNA dla długoterminowej propagacji, masz teraz ustalone, że zmiana genetyczna na długi okres czasu. Konsekwencją tego jest to, że tylko niewielka część elementów Alu w naszych genach jest faktycznie kompetentna do replikacji i wstawiania nowych kopii siebie. W sumie szacuje się, że istnieje tylko około jednej nowej insercji Alu. To bardzo dobra rzecz, ponieważ te insercje są potencjalnie problematyczne.
Przypomnijmy, że około jeden procent lub nieco więcej ludzkiego genomu koduje białka gospodarza (około 21 000 genów). Jeśli pójdziemy robić cięcia i nadziewanie niepowiązane DNA willy-nilly w genomie, to stoi na rozum, że około jeden procent z nich będzie w genach, a wynik będzie wstawianie inaktywacji genu. Ponieważ element Alu przenosi sygnały transkrypcyjne i potencjalnie inne elementy regulacyjne, jest również całkiem możliwe, że wywiera on niepożądany wpływ na ekspresję genów rzeczy, do których jedynie się zbliża. W obu przypadkach rezultatem jest dysregulacja genu lub genów, prawie na pewno ze szkodliwymi skutkami.
Inna strona, dokładnie ten proces jest używany w niektórych organizmach modelowych do identyfikacji genów odnoszących się do cech fenotypowych. W uproszczeniu, transpozony endogenne dla danego organizmu mogą być zachęcane do aktywacji, a organizmy potomne ze zmianami w interesującym nas fenotypie są badane pod kątem nowych miejsc wstawienia transpozonu, przy założeniu, że mogą one znajdować się w lub w pobliżu genów związanych z fenotypem. Nazywa się to tagowaniem transpozonów.
Poza nowymi zdarzeniami retrotranspozycji powodującymi inaktywację insercyjną, wysoka całkowita liczba elementów Alu sama w sobie może prowadzić do innych problemów genetycznych. W szczególności, te lokalne wyspy podobieństwa sekwencji mogą być punktami dla nierównych zdarzeń rekombinacji homologicznej, gdzie kontekst chromosomalny wokół każdego elementu Alu nie jest taki sam. Mogą one zachodzić zarówno pozachromosomalnie (prowadząc do wymiany niehomologicznych segmentów chromosomalnych), jak i wewnątrzchromosomalnie (gdzie prowadzą do delecji lub duplikacji regionów, w zależności od tego, czy dwa elementy Alu znajdują się w tej samej czy odwrotnej orientacji biegunowej).
Przykłady z prawdziwego życia
Więc teraz, kiedy już pokryliśmy teorię, że naprawdę istnieją mobilne elementy genetyczne u ludzi, czasami aktywują się i wstawiają nowe kopie siebie, a to może mieć złe konsekwencje dla komórki – co z przykładami z prawdziwego życia? Czy ludzie pojawiają się w warunkach klinicznych z problemami, które można przypisać nowym insercjom Alu? Oczywiście; już w 1999 roku1 oszacowano, że nowe insercje Alu są wykrywalne u około jednego z każdych 200 żywych urodzeń i są odpowiedzialne za 0,1 procent znanych zaburzeń genetycznych. Szczególne doniesienia z literatury obejmują spontaniczne występowanie hemofilii;2-4 zespołu Aperta;5 nerwiakowłókniakowatości typu 1;6 i zaniku nerwu wzrokowego.7 Czytelników poszukujących dłuższej listy kierujemy do przeglądu z 2012 roku i jego odniesień, wymienionych jako odniesienie ósme poniżej.
Prezentacje kliniczne odnoszące się do zdarzeń rekombinacyjnych pod wpływem Alu są prawdopodobnie trudniejsze do zidentyfikowania z całą pewnością niż te wynikające ze zdarzeń insercyjnych, ale przypadki zostały zgłoszone (patrz odniesienie dziewiąte dla przykładu) i są prawdopodobnie częstsze niż wiemy.
Z perspektywy leczenia, każda mutacja wywołana przez Alu – insercyjna lub rekombinacyjna – jest unikalna, a leczenie (jeśli w ogóle) prawdopodobnie musiałoby odnosić się do bezpośredniej interwencji biochemicznej w oddziałującej ścieżce (ścieżkach), gdzie to możliwe, lub być może narzędzi inżynierii genetycznej, jak przewidziano w innych wrodzonych zaburzeniach genetycznych. Pozostają one zatem dla klinicysty raczej ciekawostką niż rodzajem schorzenia ze wspólnym leczeniem lub zapobieganiem – ale prawdopodobnie jednym z niebagatelnych częstotliwości u podstaw nowej prezentacji genetycznej.
- Alu Repeats and Human Disease. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- 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.
- Haemophilia B due to a de novo insertion of a human-specific Alu subfamily member within the coding region of the factor IX gene. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Ekson skipping spowodowany intronową insercją młodego elementu Alu Yb9 prowadzi do ciężkiej hemofilii A. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-element insertions in FGFR2 identify a distinct pathological basis for Apert syndrome. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- A de novo Alu insertion results in neurofibromatosis type 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Alu-element insertion in an OPA1 intron sequence associated with autosomal dominant optic atrophy. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Alu Mobile Elements: From Junk DNA to Genomic Gems (Od śmieciowego DNA do genomowych klejnotów). Dridi S. Scientifica 2012. ID artykułu 545328, 11 stron.
- Mutacja w receptorze LDL: Alu-Alu Recombination Deletes Exons Encoding Transmembrane and Cytoplasmic Domains. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.
.