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Ein Transposon umgangssprachlich springendes Gen ist ein DNA Abschnitt im Genom der seine Position im Genom verandern 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 Im Gegensatz zum Retroelement konnen diese Transposons ihren Locus ohne eine RNA Zwischenstufe verandern Transposons werden als eine Form eigennutziger DNA bezeichnet obwohl sie ihrem Trager Vorteile verschaffen konnen Bakterielles Transposon Inhaltsverzeichnis 1 Eigenschaften 2 Entdeckung und Bedeutung 3 Vermehrungsmechanismen 4 Funktionelle Einteilung transponibler Elemente 5 Evolution der Transposons 6 Phasenvariation 7 Gruppen prokaryotischer Transposons 8 Eukaryotische Transposons 8 1 Polintons Mavericks 9 Trivia 10 Siehe auch 11 Literatur 12 Weblinks 13 EinzelnachweiseEigenschaften BearbeitenWenn Transposons autonom sind also ihre Werkzeuge zum Springen selbst mitbringen sind sie oftmals von kurzen Wiederholungssequenzen repeats umgeben die fur die Transposition notwendig sind Die Orientierung dieser Wiederholungssequenzen kann gleichgerichtet sein direct repeat oder gegenlaufig inverted repeat oder IR Die typische Beschaffenheit der Wiederholungssequenzen wird haufig zur Klassifikation von Transposons herangezogen Vollstandige autonome Transposons enthalten ein oder mehrere Gene eines der Gene codiert immer fur eine Transposase Transposons sind begrenzt von einer kleinen 8 40 bp gegenlaufig identischen nicht informativen Nucleotidsequenz inverted repeat diese sind fur die Funktion der Transposase das fur das Springen verantwortliche Enzym zwingend notwendig Des Weiteren sind DNA Transposons auch von 3 13 bp langen gleichgerichteten Wiederholungen direct repeats umgeben Diese gehoren aber zur Wirts DNA und entstehen dadurch dass beim Integrieren ahnlich wie bei einem Restriktionsenzym an beiden Strangen versetzt geschnitten wird dann das Transposon integriert wird und die Einzelstrange durch zelleigene Reparaturenzyme wieder aufgefullt werden Diese direct repeats werden deswegen auch als target site duplications bezeichnet Beim Herausschneiden bleiben diese Duplikationen oft erhalten sodass Fussabdrucke foot prints beim Herausschneiden des DNA Transposons ubrigbleiben die eine Insertion darstellen Teilweise werden auch beide Duplikationen herausgeschnitten sodass es effektiv zu einer Deletion kommt die Duplikationen sind von der Wirts DNA Entdeckung und Bedeutung BearbeitenEntdeckt wurden die Transposons 1948 von der US amerikanischen Botanikerin Barbara McClintock im Mais 1 die fur 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 konnen Durch gentechnisch veranderte Transposons konnen auf diese Weise relativ einfach transgene Fliegen hergestellt werden die fur die Erforschung der Genfunktionen eine wichtige Rolle spielen Transposons konnen aber auch auf Plasmide oder Phagengenome ubertragen werden was zu infektiosen Mutationen fuhren kann So kann die neu eingefugte genetische Information bei Bakterien Resistenz gegen Antibiotika hervorrufen Transposons machen etwa die Halfte des menschlichen Genoms aus 2 Eine gut unterstutzte Theorie geht davon aus dass die Rekombinasen RAG1 und RAG2 die fur die V D J Rekombination bei der Immunglobulin Produktion zustandig sind von Transposasen abstammen womit das Immunsystem der Wirbeltiere von DNA Transposons abstammt DNA Transposons konnen auch auf Plasmide springen und durch die Kointegrate somit Resistenzgene enthalten Es ist somit nicht auszuschliessen dass sie fur die Verbreitung von Resistenzen gegen Antibiotika eine Rolle spielen Rund 45 des menschlichen Genoms bestehen aus transponiblen Elementen die jedoch nur zu einem sehr geringen Anteil zum Springen fahig sind Es gibt auch die Theorie dass die Immunglobuline von Transposons abstammen Insofern ist es strittig ob man Transposons zu Junk DNA zahlen soll Forschungsergebnisse von Eric Lander et al 2007 zeigen jedoch dass Transposons eine durchaus wichtige Funktion haben da sie als kreativer Faktor im Genom wichtige genetische Innovationen rasch im Erbgut verbreiten konnen 3 Andere Lebewesen haben einen anderen Genomanteil an Transposons so sind in D melanogaster nur etwa 15 22 und in Caenorhabditis elegans etwa 12 des Genoms transponible Elemente Bei einigen Pflanzen wie z B Mais konnen jedoch uber 80 des Genoms Transposons sein 4 Die folgende Tabelle gibt eine Ubersicht der Anteile transponibler Elemente an der genomischen DNA Genomgrosse und Anteil transponibler Elemente 5 Spezies Genom masse in Piko gramm Genom grosse in Giga basen paaren 6 Prozentualer Anteil trans ponibler ElementeRana esculenta Frosch 5 6 8 0 5 5 7 8 77Zea mays Mais 5 0 4 9 85Homo sapiens Mensch 3 5 3 4 45Mus musculus Maus 3 4 3 3 40Drosophila melanogaster Taufliege 0 18 0 17 15 22Caenorhabditis elegans Wurm 0 1 0 098 12Saccharomyces cerevisiae Hefe 0 012 0 0117 3 5Escherichia coli Bakterium 0 0046 0 0045 0 3Vermehrungsmechanismen BearbeitenBei DNA Transposons wird zwischen der konservativen Transposition und der replikativen Transposition unterschieden Wahrend bei der konservativen Transposition das Transposon aus der DNA herausgeschnitten und an anderer Stelle wieder eingebaut wird Cut amp Paste wird bei der replikativen Transposition das Transposon nicht herausgeschnitten sondern eine Kopie erstellt die an anderer Stelle eingebaut wird Copy amp 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 codieren bezeichnet man als Miniature Inverted repeat Transposable Elements MITEs Sie konnen sich nicht autonom verbreiten Wie sie sich vermehren oder verschieben ist noch unklar Moglicherweise war das Transposase Gen einmal vorhanden und ist nun defekt oder verloren gegangen Moglicherweise kopieren und verschieben sich MITEs durch Transposaseenzyme die von anderen grosseren Transposons codiert werden und die gleiche Erkennungssequenz besitzen inverted repeats 7 RNA Transposons oder besser Retroelemente springen indem sie in mRNA transkribiert werden die anschliessend in cDNA umgeschrieben durch eine Reverse Transkriptase und wieder integriert werden 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 transponibler Elemente BearbeitenJe nachdem ob das intermediare 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 im engeren Sinne und bei klassischen Retroviren oder nicht Retroposons Evolution der Transposons BearbeitenDie 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 vom Urvorfahr vererbt wurden oder ob sie mehrfach unabhangig voneinander entstanden sind oder moglicherweise einmal entstanden und dann unter den Lebewesen durch horizontalen Gentransfer verbreitet wurden Fur letzteres ergibt eine 2008 erschienene Untersuchung starke Hinweise So finden sich nahezu identische space invader SPIN Gene in so unterschiedlichen Arten wie Mausen und Froschen 8 Obwohl Transposons ihrem Wirt Vorteile verschaffen konnen werden sie generell als eigennutzige DNA Parasiten eingestuft welche in Genomen zellularer Organismen leben Auf diese Art sind sie Viren ahnlich Viren und Transposons haben Ahnlichkeiten in ihrer Genomstruktur und ihren biochemischen Eigenschaften Dies fuhrt zu der Spekulation dass Viren und Transposons einen gemeinsamen Vorfahren haben konnten 9 Siehe Nucleocytoviricota Aussere Systematik Interessanterweise codieren Transposons oft das Enzym Transposase welche eine wichtige Rolle im Vermehrungsmechanismus des Transposons selbst spielt Dies konnte man als virenahnliche Eigenschaft deuten da auch das Genmaterial von Viren eben genau die Genprodukte codiert die zur Weiterverbreitung ebendieses Virengenoms dienen Da eine exzessive Transposonaktivitat das Genom zerstoren kann scheinen viele Organismen Mechanismen entwickelt zu haben welche die Transposition auf ein handhabbares Mass reduzieren Bakterien konnen eine hohe Gendeletionsrate aufweisen als Teil eines Mechanismus welcher Transposons und Viren aus ihrem Genom entfernen soll Hingegen konnten eukaryotische Organismen den RNA Interferenz RNAi Mechanismus entwickelt haben um die Transposonaktivitat einzuschranken In dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans verringern einige Gene die fur RNAi benotigt werden die Transposonaktivitat Phasenvariation BearbeitenIn bestimmten Stammen von Salmonella Typhimurium ist ein Transposon dafur 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 Antikorper erkannt werden ist das fur den Organismus von Vorteil 10 Gruppen prokaryotischer Transposons BearbeitenDas einzige Gen welches in einer Insertionssequenz IS enthalten ist codiert das Enzym Transposase Dieses katalysiert die Bewegung des Transposons von einer Stelle der DNA zu einer anderen Dabei handelt es sich meist um eine konservative Transposition Nur selten wird replikativ transponiert alte Sequenz bleibt erhalten Das Transposase Gen wird dann beidseitig von Inverted Repeats flankiert Die sogenannte Tn3 Familie besitzt neben der Transposase auch eine Resolvase tnpR und enthalt eine sogenannte res Site Transposasen der Tn3 Familie schneiden im Gegensatz zu denen der IS Elemente nicht zwingend an den eigenen IR sondern auch an entfernteren IR der gleichen Familie Dadurch wird ein grosses Stuck Wirts DNA eingeschlossen Kointegrat das durch die Resolvase in der res Site herausgeschnitten wird Die Tn3 Familie transponiert zudem bevorzugt replikativ Auch gehoren einige Phagen wie der Phage Mu Spezies Escherichia Virus Mu wiss Muvirus mu mit Enterobacteria Phage Mu Morphotyp Myovirien zu den DNA transponierbaren Elementen Die Phagen vermehren sich im Stadium als Provirus also im Genom integriert durch Transposition Eukaryotische Transposons BearbeitenEukaryotische Transposons sind nur teilweise ahnlich den prokaryotischen Vertretern Vor allem die Transpositionsmechanismen sind recht unterschiedlich und einige DNA Transposons weisen auch eine Intron Exon Struktur auf Recht bekannt ist das Ac Element an dem Barbara McClintock 1951 beim Mais springende Elemente postulierte und dafur 1983 einen Nobelpreis erhielt In Drosophila melanogaster sind die p Elemente bekannte Vertreter von DNA Transposons Auch in dem parasitaren Rafflesiengewachs Sapria himalayana wurden zahlreiche Transposons und auch Introns gefunden 11 Polintons Mavericks Bearbeiten Polintons auch Mavericks genannt sind grosse DNA Transposons die Gene mit einer Homologie zu viralen Proteinen enthalten und haufig in eukaryotischen Genomen zu finden sind Sie wurden erstmals Mitte der 2000er Jahre entdeckt und sind die grossten und komplexesten bekannten DNA Transposons Bekannte Polintons kodieren fur bis zu 10 einzelne Proteine Sie haben ihren Namen von zwei Schlusselproteinen einer Typ B DNA Polymerase PolB und einer Retrovirus ahnlichen Integrase der Suffix on zeigt an dass es sich um Transposons handelt 12 13 14 15 16 Da sie teilweise Viruskapsid ahnliche Proteine tragen und wegen ihrer Fahigkeit zur Selbstreplikation wurde vermutet dass diese Polintons Virionen bilden konnen und daher als Polintoviren englisch polintoviruses bezeichnet werden sollten 17 Diese Terminologie war jedoch mangels experimenteller Bestatigung zunachst noch nicht allgemein akzeptiert Stand 2015 14 15 Wie sich aber zeigte kodieren die Adintoviridae fur beide Polonton Schlusselproteine die Typ B DNA ploymerase und die Retrovirus ahnliche Integrase Auch bei den Adenoviren Adenoviridae und Bidnaviren Bidnaviridae sowie bei den Virophagen scheinen Polintons am Beginn der evolutionaren Entwicklung gestanden zu haben 18 19 20 Das International Committee on Taxonomy of Viruses ICTV hat daher die beiden Virusklassen Maveriviricetes mit der Familie Lavidaviridae und Polintoviricetes mit der Familie Adintoviridae innerhalb des neuen Phylums Preplasmiviricota eingerichtet um solche Polinton ahnliche Viren englisch polinton like viruses PLVs aufzunehmen Insbesondere gehoren die vom ICTV bisher Stand 1 Juli 2023 bestatigten Virophagen Riesenviren parasitierende Viren zu den Lavidaviridae es gibt aber Hinweise auf Virophagen auch in der weiteren Verwandtschaft dieser Familie Gemeinsames Merkmal ist dass sie alle Polinton ahnlich also PLVs sind Ein Beispiel ist Preplasmiviricota sp Gezel 14T PLV Gezel 14T 21 uber weitere berichteten Christopher M Bellas et al im April 2023 die u a den Gossenkollesee in Tirol untersuchten 22 Sonya A Widen et al berichteten im Juni desselben Jahres uber PLV vermittelten horizontalen Gentransfer HGT bei Eukaryoten insbesondere auch bei Tieren wie dem Fadenwurm Caenorhabditis briggsae und C plicata vermoge eines Proteins aus der Fusogen Familie 23 Trivia BearbeitenEin synthetisches Transposon Sleeping Beauty ist von der International Society for Molecular and Cell Biology and Biotechnology Protocols and Researches ISMCBBPR als Molekul des Jahres 2009 ausgezeichnet worden 24 25 Siehe auch BearbeitenTransposon TaggingLiteratur BearbeitenJ D Boeke V D Corces Transcription and reverse transcription of retrotransposons In Annual Review of Microbiology Band 43 1989 S 403 434 doi 10 1146 annurev mi 43 100189 002155 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 freier Volltext James E Darnell Harvey Lodish David Baltimore Molekulare Zellbiologie de Gruyter Berlin u a 1993 ISBN 3 11 011934 X 4 Auflage Harvey Lodish Molekulare Zellbiologie Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg u a 2001 ISBN 3 8274 1077 0 Benjamin Lewin Molekularbiologie der Gene Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg u a 1998 ISBN 3 8274 0234 4 William S Klug Michael R Cummings Charlotte A Spencer Genetik Bio biologie 8 aktualisierte Auflage Pearson Studium an Imprint von Pearson Education Munchen 2007 ISBN 978 3 8273 7247 5 Weblinks BearbeitenOliver Radtke Das Wandern ist der Gene Lust Springende DNA Sequenzen im Genom BiOkular Ausgabe Nr 15 Fachschaft Biologie an der Heinrich Heine Universitat Dusseldorf Transposons mobile DNA Kimball s Biology Pages 5 Dezember 2011 englisch Einzelnachweise Bearbeiten Barbara McClintock The origin and behavior of mutable loci in maize In Proceedings of the National Academy of Sciences Band 36 Nr 6 1950 S 344 355 doi 10 1073 pnas 36 6 344 Agustin F Fernandez Transposable Elements and Human Diseases Mechanisms and Implication in the Response to Environmental Pollutants In National Library of Medicine 28 Februar 2005 abgerufen am 19 September 2023 englisch Eric Lander u a Genome of the marsupial Monodelphis domestica reveals innovation in non coding sequences In Nature Band 447 10 Mai 2007 S 167 177 Patrick S Schnable Doreen Ware Robert S Fulton Joshua C Stein Fusheng Wei The B73 Maize Genome Complexity Diversity and Dynamics In Science Band 326 Nr 5956 20 November 2009 ISSN 0036 8075 S 1112 1115 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Sommaruga Large scale invasion of unicellular eukaryotic genomes by integrating DNA viruses In PNAS Band 120 Nr 16 10 April 2023 e2300465120 doi 10 1073 pnas 2300465120 Dazu SciTechDaily Built Into the Genome of the Microbes Scientists Uncover Over 30 000 Hidden Viruses Auf scitechdaily com vom 10 Juni 2023 Quelle Universitat Innsbruck Russell McLendon Scientists Have Found 30 000 New Viruses Hiding in The DNA of Microbes Auf sciencealert vom 26 April 2023 Stowaways in the genome Auf sciencedaily com vom 11 April 2021 Quelle Universitat Innsbruck Sonya A Widen Israel Campo Bes Alevtina Koreshova Pinelopi Pliota Daniel Krogull Alejandro Burga Virus like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities In Science Band 380 Nr 6652 30 Juni 2023 doi 10 1126 science ade0705 Dazu Mavericks machen es moglich Ratsel der zwischen Tieren wandernden Gene gelost Auf n tv de vom 29 Juni 2023 Wie Gene von Tierart zu Tierart springen Auf orf at vom 29 Juni 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