Celebrando o Dia do DNA com elementos transponíveis

A descoberta da estrutura de dupla hélice do DNA por Watson, Crick e Franklin em 1953 lançou as bases para entender a base molecular da hereditariedade. Na mesma década, Barbara McClintock sugeriu que os genes no genoma do milho poderiam ser controlados através de mutações instáveis ​​que aparentemente se moviam dentro e entre cromossomos, e nomeou essas unidades controlando elementos¹. Inicialmente demitido, essa visão mudou nas décadas de 1960 e 1970, quando elementos móveis e repetições de DNA intercaladas começaram a ser encontradas em bactérias e outros organismos. Na década de 1970, Britten e Davidson propuseram que esses elementos pudessem influenciar a expressão gênica e remodelar redes reguladoras de genes^2,3. No entanto, as repetições geralmente foram esquecidas e denominadas como “DNA de lixo” (primeiro cunhado por Ohno⁴). À medida que surgiram discrepâncias entre o tamanho do genoma e a complexidade organisma, a pesquisa sugeriu que os genomas continham mais DNA do que o necessário para codificar o conjunto completo de proteínas⁵. Agora é amplamente aceito que o TES contribui massivamente para a variação do tamanho do genoma. Variando de meras porcentagens do genoma, os TEs ocupam facilmente mais de 50% do DNA de muitos genomas eucarióticos⁶até um surpreendente 90% no peixe -pulmão⁷.

Nos anos 80, a idéia de Tes como “genes egoístas” ganhou tração, graças a Doolittle & Sapienza⁸e Orgel & Crick⁹. Juntamente com a premissa de “DNA lixo”, essas hipóteses consideram que a presença de TEs se deve apenas à sua natureza egoísta. Essa perspectiva, juntamente com as limitações tecnológicas desencorajou a exploração mais profunda das funções de TE por muitos anos¹⁰. A maré começou a se virar no início dos anos 2000, com o rascunho do genoma humano revelando que quase metade do nosso genoma consiste em sequências de TE, a maioria delas remanescentes de eventos de transposição antigos¹¹. Os resultados do projeto de codificação¹²juntamente com o desenvolvimento de genômica funcional e bioinformática¹³finalmente permitiu que o campo compreendesse funções potenciais. O TES pode conter todas as seqüências de codificação e regulamentação necessárias para produzir suas máquinas transposicionais, incluindo sequências de promotores, locais de ligação ao fator de transcrição, splicing e websites poli (a), juntamente com os quadros funcionais de leitura aberta^14–16. A presença de tais seqüências, mesmo em cópias deterioradas, está envolvida recorrente na modulação das vias do hospedeiro, em alguns casos, efetivamente reestruturando redes reguladoras de genes^17,18. No entanto, embora agora seja inegável que muitas seqüências derivadas de TE desempenham um papel benéfico na biologia do hospedeiro, é importante lembrar que a maioria das novas inserções de TE observadas são neutras ou ligeiramente deletinas¹⁹.

Além dos efeitos no nível da espécie, finalmente estamos aproveitando a importância da tensão ou mesmo as inserções de TE específicas individuais. Por exemplo, as famílias ativas de TE em humanos podem ser responsáveis ​​por mais de ~ 2000 variantes estruturais por indivíduo^20,21. A magnitude da variação particular person provocada pelo TES, juntamente com suas sequências regulatórias intrínsecas e, portanto, o potencial de domesticação é tremendo. Hoje, o campo se transfer para reconhecer polimorfismos de TE entre populações e dentro das populações, mas também dentro de um indivíduo, com novas inserções de TE somáticas e potencialmente relacionadas à idade^22–24. Finalmente, hoje reconhecemos que o relacionamento TE com seus anfitriões varia de parasitário a domesticado^25,26.

Referências

1.mcclintock, B. Organização cromossômica e expressão genica. Symp Symp de Spring Chilly Quant Biol 16, 13–47 (1951).
2.Britten, RJ & Davidson, EH sequências de DNA repetitivas e não repetitivas e uma especulação sobre as origens da novidade evolutiva. A revisão trimestral de Biology 46, 111-138 (1971).
3.Britten, RJ & Davidson, Regulação do gene EH para células superiores: uma teoria. Science 165, 349-357 (1969).
4.Ohno, S. Tanta DNA “lixo” em nosso genoma. Brookhaven Symp Biol 23, 366-370 (1972).
5.Gregory, TR O enigma do valor C em plantas e animais: uma revisão de paralelos e um apelo à parceria. Anais de Botânica 95, 133-146 (2005).
6.WELLS, JN & FESCHOTTE, C. Um guia de campo para elementos transponíveis eucarióticos. Annu Rev Genet 54, 539-561 (2020).
7.Meyer, A. et al. O genoma gigante do peixe -pulmão elucida a conquista da terra pelos vertebrados. Natureza 1–6 (2021).
8.Doolittle, WF & Sapienza, C. Genes egoístas, o paradigma do fenótipo e a evolução do genoma. Nature 284, 601-603 (1980).
9.orgel, Le & Crick, DNA egoísta do FHC: o parasita ultimate. Nature 284, 604-607 (1980).
10.FesChotte, C. Elementos transpositáveis: o legado de McClintock revisitado. Nat Rev Genet 24, 797-800 (2023).
11.Lander, Es et al. Sequenciamento inicial e análise do genoma humano. Nature 409, 860-921 (2001).
12.Dunham, I. et al. Uma enciclopédia integrada de elementos de DNA no genoma humano. Nature 489, 57-74 (2012).
13.Bourque, G. Elementos transpositáveis ​​na regulação de genes e na evolução dos genomas de vertebrados. Curr Opin Genet Dev 19, 607-612 (2009).
14.Chuong, EB, Elde, NC & Feschotte, C. Atividades regulatórias de elementos transponíveis: de conflitos a benefícios. Nat Rev Genet 18, 71-86 (2017).
15.Rebollo, R., Romanish, MT & Mager, elementos transpositáveis ​​DL: uma fonte abundante e pure de sequências regulatórias para genes hospedeiros. Annu. Rev. Genet. 46, 21-42 (2012).
16.Bourque, G. et al. Dez coisas que você deve saber sobre elementos transponíveis. Genome Biol 19, 199 (2018).
17.Chuong, EB, Elde, NC & Feschotte, C. Evolução regulatória da imunidade inata através da cooptação de retrovírus endógenos. Science 351, 1083-1087 (2016).
18.Sundaram, V. & Wysocka, J. Elementos transpositáveis ​​como uma fonte potente de diversas sequências reguladoras cis em genomas de mamíferos. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 375, 20190347 (2020).
19.Arkhipova, IR usando abordagens bioinformáticas e filogenéticas para classificar elementos transponíveis e entender suas complexas histórias evolutivas. DNA móvel 8, 19 (2017).
20.Sudmant, Ph et al. Um mapa integrado de variação estrutural em 2.504 genomas humanos. Nature 526, 75-81 (2015).
21.Groza, C., Chen, X., Wheeler, TJ, Bourque, G. & Goubert, C. Uma estrutura unificada para analisar polimorfismos de inserção de elementos transponíveis usando genomas de gráficos. Nat Commun 15, 8915 (2024).
22.le Breton, A., Bettencourt, MP & Gendrel, A.-V. Navegando pelo cérebro e no envelhecimento: explorando o impacto de elementos transponíveis da saúde para a doença. Frente. Cell dev. Biol. 12, (2024).
23.Copley, Ke & Shorter, J. Elementos repetitivos no envelhecimento e neurodegeneração. Tendências em Genética 39, 381-400 (2023).
24.Mosaddeghi, P., Farahmandnejad, M. & Zarshenas, MM o papel dos elementos transponíveis no envelhecimento e no câncer. Biogerontologia 24, 479-491 (2023).
25.Cosby, RL, Chang, N.-C. & Feschotte, C. Interações hospedeiro -tradução: conflito, cooperação e cooperação. Genes dev. 33, 1098-1116 (2019).
26.Chang, N.-C., Rovira, Q., Wells, J., Feschotte, C. & Vaquerrizas, JM elementos transponíveis de peixe-zebra-zebra mostram diversificação extensa em idade, distribuição genômica e expressão de desenvolvimento. Genoma res. 32, 1408-1423 (2022).