Probabil că sunt puțini – dacă există – cititori pentru care numele Barbara McClintock nu sună cunoscut. În timp ce toți laureații Premiului Nobel obțin o recunoaștere pe scară largă, în cazul ei, aceasta a fost agravată de lupta grea pe care a dus-o pentru acceptarea muncii sale. Citogeneticiană care lucra pe porumb ca sistem model, ea ajunsese la concluzia că nu toate genele erau loci statici fixați în puncte definite ale genomului. Să spunem că concluzia ei că existau „gene săritoare” – elemente ADN codificatoare capabile să se deplaseze de la o locație cromozomială la alta – a fost întâmpinată cu neîncredere generalizată este un eufemism politicos. Timpul și greutatea datelor i-au dat dreptate, iar premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină din 1983, la vârsta de 81 de ani, a fost o dovadă atât a perseverenței sale, cât și a bunei științe.
Caracteristicile ADN pe care ea le-a descoperit sunt denumite în mod corect elemente transpozabile sau transpozoni. Din punct de vedere structural, ele împărtășesc o serie de caracteristici similare cu unele tipuri de virusuri (retrovirusuri) și pot fi considerate, într-un fel, asemănătoare unui virus, în sensul că se pot replica în mod semi-autonom prin utilizarea mașinăriei celulei gazdă. Totuși, spre deosebire de adevărații viruși, transpozonii nu părăsesc celula, iar progeniturile se deplasează pur și simplu către o nouă locație genomică unde își stabilesc reședința. Aceștia sunt, de fapt, cel mai simplu exemplu a ceea ce se numește „gena egoistă”, un postulat conform căruia elementele genetice caută doar să se reproducă singure. În timp ce majoritatea au „ales” să facă acest lucru prin asocierea cooperantă cu alte gene pentru a crea organisme viabile care se replică, transpozonii fac acest lucru pur și simplu în nume propriu și mai mult ca un parazit al celulei gazdă decât ca o componentă productivă a unui întreg mai mare. Interesul nostru pentru ei astăzi provine, în primul rând, din faptul că nu se limitează doar la existența lor în porumb, ci se găsesc de fapt în majoritatea organismelor, inclusiv în oameni, și, în al doilea rând, în ceea ce privește acest stil de viață intracelular necinstit, de genul „fiecare pentru sine”.
LINES și SINES
Oamenii nu au doar un singur tip de transpozon – există, de fapt, mai multe tipuri care sunt grupate în mod vag, în funcție de dimensiunea lor fizică, în elemente lungi intercalate (LINES) și elemente scurte intercalate (SINES). După cum v-ați aștepta, cu cât acestea sunt mai mari din punct de vedere fizic, cu atât mai multe informații genetice pot codifica. Cel cunoscut sub numele de LINE-1, cu o dimensiune de ~6000 de perechi de baze, codifică două cadre de lectură deschise (regiuni care pot fi transcrise în ARNm și apoi traduse în proteine). Una dintre aceste proteine are activitate de legare a ARN-ului, dar o funcție biologică neclară; cea de-a doua are rol de endonuclează (tăiere a ADN-ului) și de transcripție inversă (generarea de secvențe de ADN pe baza șabloanelor de ARN). În esență, după ce un element LINE-1 este transcris (determinat în parte de situsurile de legare a factorilor de transcripție de la capătul său 5′), cea de-a doua proteină exprimată face tăieturi în ADN-ul gazdă prin intermediul funcției sale de endonuclează. Apoi, prin intermediul funcției sale de transcriptază inversă, aceasta realizează o copie în ADN a transcripției complete LINE-1. Această copie de ADN este inserată în genomul gazdă tăiat, iar mașinăria de reparare a ADN-ului celulei gazdă o leagă la locul ei. Cromozomul gazdă a obținut acum o nouă copie a LINE-1 și fiecare ciclu de replicare celulară ulterioară o reproduce ca parte a ADN-ului său nuclear „normal, înnăscut”. Aceasta este considerată retrotranspunere autonomă, deoarece LINE-1 furnizează propriile sale funcții enzimatice cheie pentru acest proces. Deși procesul în sine are loc rar, este ușor de observat cum, pe perioade biologice lungi de timp, acest lucru poate duce la acumularea de mai multe copii replicate ale elementului LINE-1. Se crede că LINE-1 este singurul element transpozabil complet autonom din genomul uman și s-a dovedit a fi o strategie biologică eficientă, aproape 17% din genomul uman fiind alcătuit din această secvență (aproximativ 170.000 de copii pe celulă)!
Astăzi, însă, ne concentrăm asupra unui SINE și, în special, asupra celui (de fapt, a singurei familii) cunoscut sub numele de elemente Alu. Numite după un situs de endonuclează de restricție (Alu I) pe care îl conțin în mod caracteristic, acestea sunt mult mai scurte decât LINE-1, cu o lungime de numai aproximativ 280 de perechi de baze. Acest lucru înseamnă că nu au prea multă capacitate de codificare proprie în afara unor semnale de pornire a transcripției și, prin urmare, nu sunt autonome. De fapt, elementele Alu au nevoie atât de factori celulari, cât și de cel de-al doilea produs proteic al LINE-1 pentru replicarea lor, fiind într-un fel parazite atât pentru celula gazdă, cât și pentru elementele LINE-1. Această abordare de parazit al unui parazit este, aparent, o strategie genetică egoistă și mai eficientă, deoarece elementele Alu reprezintă aproximativ 11 procente din genomul uman (aproximativ 2 milioane de copii pe celulă).
Impacte biologice
Nu este surprinzător faptul că există unele efecte foarte reale din cauza faptului că avem atât de mulți liber-profesioniști genetici în genomul nostru – și unii instabili. În special prin semnalele transcripționale și alte semnale genetice pe care le transportă, un element Alu poate influența multe aspecte ale expresiei genei gazdă proximale, inclusiv nivelurile de expresie a genei bazale, splicarea intronilor și poliadenilarea, precum și editarea ARN-ului. Presiunea evolutivă asupra celulei ca întreg ar conduce, în general, la adaptarea genomului gazdei la acestea pentru a se adapta, a compensa sau, poate, în unele cazuri, chiar a obține un beneficiu din impactul unui anumit element Alu în context. Cu toate acestea, astfel de adaptări ale gazdei necesită timp, iar patologiile clinice pot apărea atunci când are loc un nou eveniment de transpoziție Alu care duce la o schimbare genetică bruscă la ceea ce este în esență un loci aleatoriu – inserția unei noi copii Alu.
Câteva lucruri care trebuie știute despre acest lucru sunt că, din moment ce este un proces de replicare inițiat de transcripție (ARN), replicarea este predispusă la erori. Spre deosebire de polimerazele ADN, dintre care multe conțin ceea ce se numește o funcție de corecție, prin care fiecare nucleotidă adăugată la copia șablonului nazal este supusă unei a doua verificări pentru a confirma o potrivire complementară adevărată, spre deosebire de una bazată pe o schimbare tautomerică tranzitorie, polimerazele ARN sunt optimizate din punct de vedere biologic pentru viteză și procesivitate. Odată ce un nucleotid este adăugat la un transcript în creștere, polimeraza se grăbește să treacă la următoarea bază. Deoarece o parte din toate bazele care alcătuiesc ADN-ul și ARN-ul pot exista și există în forme tautomerice în care există rearanjări scurte ale hidrogenilor și legăturilor duble în comparație cu formele pe care le vedem în manualele școlare, transcriptele ARN tind să aibă rate scăzute, dar semnificative de copiere greșită față de șablonul lor ADN.
Simt că unii cititori intră brusc în panică, de ce, dacă este așa, nu suntem cu toții un dezastru din cauza erorilor din transcriptele normale de ARNm? Pentru că facem mai multe copii ale transcriptelor din genele active și, în medie, acestea sunt în regulă. Fie că sunt OK sau nu, ele au o viață scurtă înainte de degradare și înlocuire cu transcripte noi, după cum este necesar. Prin urmare, este puțin probabil ca erorile rare și sporadice din ARNm să fie semnificative.
Dacă, totuși, luați acum această copie ARN nu tocmai perfectă a unui ADN, apoi o transcrieți invers înapoi în ADN pentru propagare pe termen lung, ați fixat acum acea modificare genetică pe termen lung. O consecință a acestui fapt este că doar o mică parte din elementele Alu din genele noastre sunt de fapt competente să se reproducă și să insereze noi copii ale lor. În total, se estimează că există doar aproximativ o singură inserție Alu nouă. Acesta este un lucru foarte bun, deoarece aceste evenimente de inserție sunt potențial problematice.
Reamintim că aproximativ un procent sau puțin mai mult din genomul uman este codificat pentru proteine gazdă (aproximativ 21.000 de gene). Dacă ne apucăm să facem tăieturi și să băgăm ADN fără legătură în genom, în mod voit, este de la sine înțeles că aproximativ unu la sută dintre acestea vor fi în gene, iar rezultatul va fi o inactivare inserțională a genei. Deoarece elementul Alu poartă semnale de transcripție și, eventual, alte elemente de reglementare, este, de asemenea, foarte posibil ca acesta să exercite influențe nedorite asupra expresiei genice a elementelor de care se află doar în apropiere. În ambele cazuri, rezultatul este o dereglare a unei gene sau a unor gene, aproape sigur cu rezultate dăunătoare.
În altă ordine de idei, exact acest proces este folosit la unele organisme model pentru a identifica genele legate de o trăsătură fenotipică. În mod simplist, transpozonii endogeni organismului pot fi încurajați să se activeze, iar organismele progenitură cu modificări ale fenotipului de interes sunt examinate pentru orice noi situsuri de inserție a transpozonilor, pornind de la ipoteza că acestea ar putea fi în sau în apropierea genelor legate de fenotip. Aceasta se numește marcarea transpozonilor.
În afară de evenimente noi de retrotranspunere care cauzează inactivarea inserției, numărul total ridicat de elemente Alu în sine poate duce la alte probleme genetice. În mod specific, aceste insule locale de similaritate de secvență pot fi puncte pentru evenimente de recombinare omoloagă inegală, în care contextul cromozomial din jurul fiecărui element Alu nu este același. Acestea pot avea loc atât extracromozomal (ceea ce duce la schimbul de segmente cromozomiale neomologe), cât și intracromozomal (unde tind să ducă la ștergerea sau duplicarea unor regiuni, în funcție de faptul că cele două elemente Alu se află în aceeași orientare sau în orientări de polaritate inversă).
Exemple din viața reală
Acum că am abordat teoria conform căreia există într-adevăr elemente genetice mobile la om, acestea se activează uneori și inserează noi copii ale lor, iar acest lucru poate avea consecințe nefaste pentru celulă – cum rămâne cu exemplele din viața reală? Apar oameni în mediul clinic cu probleme atribuibile unor noi inserții Alu? Absolut; încă din 19991 s-a estimat că noile inserții Alu puteau fi detectate la aproximativ una din 200 de nașteri vii și erau responsabile pentru 0,1 % din tulburările genetice cunoscute. Rapoartele particulare din literatura de specialitate includ apariții spontane ale hemofiliei;2-4 sindromul Apert;5 neurofibromatoza de tip 1;6 și atrofia optică.7 Cititorii care caută o listă mai lungă sunt îndrumați către o analiză din 2012 și referințele sale, enumerate ca referință opt de mai jos.
Prezentările clinice legate de evenimente de recombinare influențate de Alu sunt probabil mai greu de identificat cu certitudine decât cele provenite din evenimente de inserție, dar au fost raportate cazuri (a se vedea referința nouă pentru un exemplu) și sunt probabil mai frecvente decât știm.
Din punct de vedere al tratamentului, fiecare mutație indusă de Alu – inserțională sau recombinațională – este unică și tratamentul (dacă există) ar trebui probabil să se refere la intervenția biochimică directă în calea (căile) afectată (e), acolo unde este posibil, sau poate la instrumente de inginerie genetică, așa cum se preconizează în cazul altor tulburări genetice înnăscute. Prin urmare, ele rămân pentru clinician mai degrabă o curiozitate decât un tip de afecțiune cu un tratament sau o prevenire comună – dar probabil una cu o frecvență deloc neglijabilă la baza unei prezentări genetice noi.
- Alu Repeats and Human Disease. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- O inserție Alu ca și cauză a unei forme severe de hemofilie A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Haemofilie B datorată unei inserții de novo a unui membru al subfamiliei Alu specific uman în regiunea de codificare a genei factorului IX. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Exon skipping cauzat de o inserție intronică a unui element tânăr Alu Yb9 duce la hemofilie A severă. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- Inserțiile de novo ale elementului Alu în FGFR2 identifică o bază patologică distinctă pentru sindromul Apert. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- O inserție Alu de novo are ca rezultat neurofibromatoza de tip 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Inserție de element Alu într-o secvență intronică OPA1 asociată cu atrofia optică autosomal dominantă. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Alu Mobile Elements: De la ADN gunoi la pietre prețioase genomice. Dridi S. Scientifica 2012. ID articol 545328, 11 pagini.
- Mutație în receptorul LDL: Recombinarea Alu-Alu elimină exoni care codifică domeniile transmembranare și citoplasmatice. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.
.