Transponierbare Elemente (TEs) in Eukaryoten

Transponierbare Elemente (TEs) sind nahezu überall in den Arten verbreitet und üben einen tiefgreifenden Einfluss auf Genomstruktur und ArtenentwicklungEs ist jedoch bemerkenswert, dass TEs historisch gesehen relativ wenig Aufmerksamkeit erhalten haben. In den ersten 60 Jahren nach ihrer Entdeckung wurden nur wenige TEs umfassend charakterisiert, hauptsächlich in Modellorganismen und ausgewählten landwirtschaftlichen Pflanzen. Diese Studien beschäftigten sich hauptsächlich mit den phänotypischen Effekten von TEs.

In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte in genomische Sequenzierungstechnologien haben uns die Möglichkeit gegeben, die regulatorischen und transkriptionalen Aktivitäten verschiedener TEs umfassend zu identifizieren, zu vergleichen und zu untersuchen. Dies hat eine detailliertere Erforschung der TEs auf einer feineren Granularität ermöglicht. Eine bemerkenswerte Erkenntnis ist, dass die Mehrheit der TEs in Genomen inaktivierte Transposonreste sind, ähnlich wie schlafende Vulkane, wobei die kumulative Präsenz dieser Relikte die repetitiven Sequenzen in eukaryotischen Genen ausmacht.

Was sind transponierbare Elemente?

Transponierbare Elemente, allgemein als TEs bezeichnet, sind spezialisierte DNA-Sequenzen, die die bemerkenswerte Fähigkeit besitzen, sich autonom innerhalb des Wirtsgenoms zu verlagern. Diese Sequenzen umfassen typischerweise eine Länge von 100 bis 10.000 Basenpaaren. Ähnlich wie Viren weisen TEs eine komplexe und eigennützige Natur auf, indem sie oft Proteine mit vielschichtigen biochemischen Funktionen kodieren oder nicht-kodierende regulatorische Segmente enthalten, die eine entscheidende Rolle im Transpositionsprozess spielen.

Im Kontext von Eukaryoten sind TEs weit verbreitet in der Genome fast alle eukaryotischen Arten, mit nur wenigen Ausnahmen. Bei bestimmten Arten kann der TE-Gehalt einen erheblichen Teil des Genoms ausmachen und potenziell bis zu 85 % erreichen. Bemerkenswerterweise steht das Ausmaß der TEs in einer Art in keinem Zusammenhang mit der Komplexität ihres Genoms. Komplexe mehrzellige Organismen, wie Nadelbäume und Salamander, können beträchtliche Mengen an TEs beherbergen, aber interessanterweise können bestimmte einzellige Organismen wie Trichomonas vaginalis und Ancaliia algerae zeigen ebenfalls erhöhte TE-Werte.

Kategorisierung eukaryotischer TEs

Im Jahr 1989 führte David Finnegan ein erstes Klassifikationsschema für TEs ein, das sie in zwei Hauptklassen unterteilte:

• Klasse I: Retrotransposons
• Klasse II: DNA-Transposons

Klasse-I-Retrotransposons verwenden RNA als Zwischenprodukt, das die Umkehrtranskription von RNA in DNA erleichtert. Dieser Prozess endet mit der Integration der DNA-Kopie in das Genom des Wirts, was oft mit einem "Kopieren-und-Einfügen"-Mechanismus verglichen wird. Im Gegensatz dazu verwenden Klasse-II-Transposons hauptsächlich einen "Schneiden-und-Einfügen"-Mechanismus, der die Transposition ohne die Beteiligung eines RNA-Zwischenprodukts erreicht.

Eine weitere Verfeinerung der TE-Klassifikation ist möglich, wenn die spezifischen Mechanismen der TE-Replikation und -Integration berücksichtigt werden. Diese beiden Hauptklassen können in zahlreiche Unterklassen weiter unterteilt werden, und bei näherer Betrachtung können sie in Superfamilien, Familien usw. kategorisiert werden.

Zusammenfassung der Replikationsmechanismen und Transpositionszwischenprodukte. (Wells et al., 2020)

Ungleichheiten in der Transposonverteilung zwischen Arten

Die Häufigkeit von transponierbaren Elementen (TEs) in Genomen zeigt eine erhebliche Variabilität zwischen verschiedenen Arten. Einige Arten weisen eine Knappheit von TEs in ihren Genomewährend andere von diesen genetischen Elementen reichlich bevölkert sind.

Mehrere Studien haben eine Korrelation zwischen der Häufigkeit von Transposons (TE) und der effektiven Populationsgröße einer Art vorgeschlagen. Eine größere effektive Populationsgröße neigt dazu, die Effizienz der natürlichen Selektion zu erhöhen, wodurch der selektive Druck auf TEs verstärkt wird. Zum Beispiel bleibt der TE-Gehalt in Arten wie Drosophila, die über eine große effektive Populationsgröße verfügen, relativ niedrig. Im Gegensatz dazu weisen Wirbeltiere, die durch kleinere effektive Populationsgrößen gekennzeichnet sind, einen reduzierten selektiven Druck auf TE-Insertationen auf, die sich innerhalb der Population leicht vermehren können. Es ist jedoch erwähnenswert, dass selbst unter Arten mit ähnlichen effektiven Populationsgrößen der TE-Gehalt erheblich variieren kann. Daher reichen Unterschiede in der effektiven Populationsgröße allein nicht aus, um die Variationen in der TE-Verteilung zu erklären.

Darüber hinaus divergiert die Verteilung von TE deutlich je nach Art des TE. Zum Beispiel sind lange terminale Wiederholungselemente (LTRs) in blühenden Pflanzen verbreitet, non-LTRs sind in Säugetieren weit verbreitet, und DNA-Transposons sind in Organismen wie Zebrafischen und Nematoden umfassend verteilt. Daher können Unterschiede in der Häufigkeit dieser Elemente nicht ausschließlich auf Variationen in der effektiven Populationsgröße zurückgeführt werden.

Zusammenfassend ergeben sich die komplexen Dynamiken der TE-Verteilung aus einer Kombination von Faktoren, die über die Größe der effektiven Population hinausgehen und komplexe genetische und ökologische Wechselwirkungen umfassen, die für jede Art spezifisch sind.

Struktur und Taxonomie eukaryotischer TEs. (Wells et al., 2020)

Transposonhäufigkeit und Genomgrößen-Nexus

Transponierbare Elemente (TEs) sind eine allgegenwärtige Präsenz in den Genomen nahezu aller eukaryotischen Arten, mit nur wenigen Ausnahmen, hauptsächlich unter einzelligen Organismen wie Plasmodium, Toxoplasma gondii, Mikrosporidien-EnteroenzephalitisBemerkenswerterweise zeichnen sich die Ausnahmen durch außergewöhnlich kompakte Genome aus, was auf eine potenzielle Korrelation zwischen der Genomgröße und der Häufigkeit von Transposons hindeutet. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass diese Beziehung komplexer ist als eine bloße direkte Proportionalität.

Um diese Komplexität zu veranschaulichen, betrachten Sie den Fall von Anncaliia algeraeein einzelliger Organismus mit einer bescheidenen Genomgröße von 23 Mb, von denen ein erheblicher Anteil von 14 % aus TEs besteht, die 240 TE-Familien umfassen.

In größere Genome, wie das von Salamandern, die Größen von bis zu 120 Gb erreichen können, wird die Vergrößerung hauptsächlich durch die Einbeziehung von LTR-transponierbaren Elementen vorangetrieben. Auch Pflanzengenomen unterliegen einer signifikanten Expansion aufgrund transponierbarer Elemente. Während diese Elemente eine breite Palette von TE-Familien abdecken können, können einzelne TEs eine außergewöhnlich zentrale Rolle spielen. Zum Beispiel erlebte die braune Hydroid, die sich vor etwa 36 Millionen Jahren von der grünen Hydroid abspaltete, einen schnellen Anstieg der Genomgröße von 300 Mb auf 1 Gb, was größtenteils dem CR1 Non-LTR-Transposon zugeschrieben wird.

Ein weiterer Faktor, der die Genomgröße und die Häufigkeit von Transposons beeinflusst, ist die Deletion von nicht essentieller DNA. Salamander weisen beispielsweise größere Genome auf, teilweise aufgrund niedrigerer Raten an DNA-Deletionen. Im Gegensatz dazu wirken in Arten wie Arabidopsis und Reis hohe Raten an Genomdeletion, die durch ektopische Rekombination verursacht werden, dem entgegen. Genom Vergrößerung, die aus Transposition resultiert. Dieses komplexe Gleichgewicht erhält die Stabilität der Genomgröße in Arabidopsis und Reis, und ähnliche Phänomene werden bei Vögeln und Säugetieren beobachtet.

Im Wesentlichen ist das Zusammenspiel zwischen Genomgröße und der Häufigkeit von Transposons vielschichtig, beeinflusst nicht nur durch die Präsenz von Transposons, sondern auch durch die Prozesse der TE-gesteuerten Expansion und DNA-Löschung, die alle die Genome verschiedener Arten auf einzigartige Weise formen.

Vielfalt der transponierbaren Elemente

Transponierbare Elemente (TEs) zeigen eine tiefgreifende Vielfalt in ihrer Verteilung unter den Arten, die über bloße Unterschiede in der Häufigkeit hinausgeht. Das komplexe Zusammenspiel zwischen Wirten und TEs führt oft zur Bildung komplizierter TE-Familienstrukturen, die zur Entstehung erweiterter TE-Subfamilienarten führen, wie am Beispiel der L1-Elemente zu sehen ist. Darüber hinaus können bestimmte transponierbare Elemente, wie Helitrons, neue Subfamilien erzeugen, indem sie Fragmente von Wirts-DNA in ihre Struktur integrieren.

TE-Verteilung in Eukaryoten ist bemerkenswert vielfältig, unabhängig von der Maßstabsgröße. Zum Beispiel beherbergt das Zebrafisch, bekannt für seine unvergleichliche TE-Häufigkeit und -Vielfalt unter den Wirbeltier-Modellorganismen, nahezu 2.000 TE-Familien, die alle Unterkladen abdecken und nahezu alle Superfamilien umfassen. Besonders hervorzuheben ist, dass der Zebrafisch eine besonders hohe Prävalenz von DNA-Transposons aufweist, mit etwa 1.000 verschiedenen DNA-Transposon-Familien, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten entstanden sind, ein ungewöhnliches Merkmal im Bereich der Fischgenome.

Es ist jedoch entscheidend zu erkennen, dass größere Genomgrößen nicht zwangsläufig zu einer größeren TE-Diversität führen. Ein überzeugendes Beispiel dafür findet sich bei der Fichte, einem Nadelbaum mit einer Genomgröße von 20 Gb. Obwohl sie tatsächlich eine beträchtliche Anzahl von TE-Kopien beherbergt, sind diese überwiegend innerhalb der LTR-Superfamilie konzentriert, wobei die Mehrheit dieser Transposons zwischen 5 und 60 Millionen Jahren entstanden ist. Im Gegensatz dazu weisen Arten wie Reis und Mais überwiegend Transposons auf, die jünger als 5 Millionen Jahre sind. Dieser Gegensatz deutet darauf hin, dass im Fall der Fichte, obwohl die TE-Diversität relativ niedrig erscheinen mag, viele der bereits vorhandenen TEs im Genom im Laufe der Zeit allmählich abgenommen haben. Umgekehrt bleibt die TE-Diversität in vielen blühenden Pflanzen trotz ihrer vergleichsweise kleinen Genome hoch. Interessanterweise gibt es eine auffällige negative Korrelation zwischen Genomgröße und TE-Diversität bei terrestrischen Pflanzen.

Im Wesentlichen spiegelt das komplexe Mosaik der TE-Diversität ein dynamisches Zusammenspiel zwischen genetischen Elementen und Wirtgenome, was zu einem Wandteppich genetischer Vielfalt im gesamten eukaryotischen Spektrum führt.

Verteilung der TEs über die Eukaryoten-Phylogenie. (Wells et al., 2020)

Eine eingehende Studie über TEs sollte von Natur aus eine Untersuchung ihrer Transpositionsmechanismen umfassen. Es ist jedoch zunehmend üblich, Untersuchungen auf der Ebene der genomischen Evolution zu beobachten, während die grundlegenden Transpositionsmechanismen der TEs selbst übersehen werden.

TE-Familien weisen erhebliche Variabilität untereinander auf, und ihr Einfluss auf Wirtgenome hat erhebliche Konsequenzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, TEs über ein breiteres Spektrum von Arten zu identifizieren und zu kategorisieren. Gleichzeitig besteht ein wachsender Bedarf an konzentrierter Forschung zu den Transpositionsmechanismen, insbesondere zu den spezialisierteren Transposons wie Helitrons, Mavericks, YR-Elementen und ähnlichen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Bereich der transponierbaren Elemente ein entscheidendes Studienfeld ist, das wertvolle Einblicke in die genetische Evolution bietet. Eine umfassende Untersuchung, die sowohl die Vielfalt der TE-Familien als auch die zugrunde liegenden Transpositionsmechanismen umfasst, ist entscheidend für ein ganzheitliches Verständnis ihrer Rolle bei der Gestaltung von Genomen und der Evolution von Arten.

Referenz:

1. Wells, Jonathan N., und Cédric Feschotte. "Ein Feldführer zu eukaryotischen transponierbaren Elementen." Jahresübersicht der Genetik 54 (2020): 539-561.