۳۴ بازدید

آخرین به‌روزرسانی: ۲۱ اسفند ۱۴۰۲

زمان مطالعه: ۸ دقیقه

DNA موجودات زنده از توالی‌های متفاوتی تشکیل شده است. بعضی از این توالی‌ها ژن‌هایی هستند که پروتئین‌ها و RNAهای سلولی را کد می‌کنند و بعضی از آن‌ها توالی‌های ساختاری هستند. بعضی از توالی‌های ساختاری DNA ثابت هستند و بعضی از آن‌ها بین بخش‌های مختلف ژنوم جابه‌جا می‌شوند. به توالی‌های متحرک DNA در سلول‌های یوکاریوتی و پروکاریوتی ترانسپوزون گفته می‌شود. در ادامه توضیح می‌دهیم مکانیسم انتقال ترانسپوزون چیست.

بعضی از ترانسپوزون‌ها قبل از انتقال به محل جدید به RNA تبدیل می‌شوند و بعضی دیگر مستقیم به‌شکل DNA به محل جدید منتقل می‌شوند. تنها ژنی که در این ناحیه از DNA کد می‌شود، آنزیمی است که در انتقال نقش دارد. در این مطلب از مجله فرادرس توضیح می‌دهیم ترانسپوزون چیست و انواع و مکانیسم‌های انتقال آن را بررسی می‌کنیم.

ترانسپوزون چیست؟

ترانسپوزون‌ها قطعاتی از DNA هستند که بین بخش‌های مختلف ژنوم یک سلول جابه‌جا می‌شود. این عناصر در سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی وجود دارد. ترانسپوزون دارای ژن آنزیمی است که به انتقال آن کمک می‌کند. جایگاه شروع همانندسازی در ترانسپوزون‌ها وجود ندارد. به همین دلیل برای انتقال و جدا شدن از کروموزوم مستقل از سایر بخش‌های ژنوم اما برای همانندسازی وابسته به سایر بخش‌های کروموزوم یا پلاسمید است. بعضی از ترانسپوزون‌ها در نواحی کدکننده ژن قرار دارند اما بیشتر آن‌ها در توالی‌های غیرکننده ازجمله سانترومر و تلومر قرار دارند. این قطعات معمولا از توالی‌های تمراری پشت‌سرهم تشکیل می‌شوند. انتقال ترانسپوزون‌ها بین بخش‌های مختلف ژنوم ممکن است منجر به ایجاد جهش یا نوترکیبی DNA شود. در ادامه این مطلب انواع ترانسپوزون در یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها را به همراه نقش آن‌ها توضیح می‌دهیم.

انواع ترانسپوزون چیست؟

حداقل ۴۴٪ ژنوم انسان و بیش از ۸۰٪ ژنوم گیاهان را ترانسپوزون‌ها تشکیل می‌دهند. بخش‌های دیگر ژنوم از توالی‌های کدکننده و ساختاری غیرمتحرک تشکیل شده است. توالی‌های کدکننده DNA بروز صفات را تعیین می‌کنند اما ترانسپوزون‌ها و توالی‌های ساختاری می‌توانند عملکرد بخش‌های کدکننده را تغییر دهند. ژنتیک موضوع بسیار گسترده‌ای است که ترانسپوزون‌ها بخش کوچکی از آن را به خود اختصاص داده‌اند. اگر می‌خواهید اطلاعات جامع‌تری در مورد ساختار ژنوم و انواع ترانسپوزون‌ها داشته باشید، مشاهده فیلم‌های آموزشی فرادرس که در مورد این موضوع تهیه شده است به شما پیشنهاد می‌شود.

ترانسپوزون‌های یوکاریوتی به دو دسته اصلی کلاس I یا رتروترانسپوزون و کلاس I یا DNA ترانسپوزون تقسیم می‌شوند. در ادامه ابتدا رتروترانسپوزون را توضیح می‌دهیم و سپس DNA ترانسپوزون‌ها و ترانسپوزون‌های پروکاریوتی را بررسی می‌کنیم.

رتروترانسپوزون چیست؟

اگر در بخش‌های قبلی این مطلب از مجله فرادرس ما را همراهی کرده باشید، متوجه شدید که ترانسپوزون چیست. در این بخش قصد داریم یکی از انواع ترانسپوزون را توضیح دهیم. رتروترانسپوزون‌ها عناصری هستند که برای انتقال به آنزیم رونوشت‌بردار معکوس نیاز دارند. مکانیسم انتقال این ترانسپوزون‌ها شبیه انتقال ماده ژنتیکی رتروویروس‌ها است. برای انتقال این عناصر، ابتدا از DNA یک نسخه RNA رونویسی می‌شود. سپس آنزیم رونوشت‌بردار معکوس یک نسخه DNA از RNA تهیه می‌کند و این نسخه در محل جدیدی از ژنوم قرار می‌گیرد. این عناصر به دو گروه LTR و غیر LTR تقسیم می‌شود.

عناصر LTR

عناصر LTR از یک ناحیه مرکزی کدکننده ژن و توالی‌های بلند تکراری در دو انتها (Long Terminal Repeats | LTR) تشکیل می‌شود. توالی‌های تکراری انتهایی توالی‌های چند صد جفت بازی و هم‌جهت هستند. در ناحیه کدکننده این عناصر ژن‌های gag و pol وجود دارد. ژن gag پروتئین ساختاری شبه ویروسی کد می‌کند که رونوشت‌برداری معکوس داخل آن انجام می‌شود. ژن pol آنزیم‌های پروتئاز، رونوشت‌بردار معکوس و اینتگراز را کد می‌کند. برای انتقال این عناصر ابتدا RNA پلیمراز II از پروموتری که در ناحیه $$5^prime LTR$$ قرار دارد، یک نسخه mRNA رونویسی می‌کند. این mRNA در سیتوپلاسم به پروتئین‌های شبیه ویروسی و آنزیم‌های مکانیسم انتقال ترجمه می‌شود.

ذرات شبه ویروسی در سیتوپلاسم تشکیل می‌شود. در هر ذره شبیه ویروسی معمولا دو RNA قرار می‌گیرد. پرایمر مرحله اول رونوشت‌برداری معکوس، tRNA ای است که با ناحیه $$5^prime LTR$$ جفت می‌شود. در ادامه cDNA تشکیل شده از ناحیه $$5^prime LTR$$ به ناحیه $$3^prime LTR$$ منتقل می‌شود و رونوشت‌برداری ادامه می‌یابد. در نهایت cDNA دو رشته‌ای از RNA تولید می شود. cDNA پس از انتقال به هسته وارد بخش جدیدی از ژنوم می‌شود.

عنصر Ty رتروترانسپوزون LTR در ژنوم مخمر است. در این توالی از ۵٫۹ kbp باز، دو انتهای تکراری ۳۴۰ جفت‌بازی وجود دارد. در بیشتر شاخه‌های مخمر حدود ۳۵ نسخه از Ty1 وجود دارد که از ژن‌های TyA و TyB تشکیل شده است. TyA پروتئین‌های ساختاری و TyB پروتئین‌های آنزیمی (رنوشت‌برداز معکوس و اینتگراز) را کد می‌کند. cDNA با مکانیسم مشابه سایر رتروترانسپوزون‌های LTR تولید و به بخش جدید ژنوم منتقل می‌شود.

عناصر غیر LTR

توالی بلند تکراری دو انتها در عناصر غیر LTR وجود ندارد. اما انتهای $$3^prime$$ این عناصر با توالی نوکلئوتیدهای A پایان می‌یابد. در این عناصر یک یا دو چارجوب خوانش باز (ORF) وجود دارد که آنزیم‌های لازم برای رونوشت‌برداری معکوس و ادغام ترانسپوزون در محل جدید را کد می‌کند. عناصر هسته‌ای پراکنده بلند (Long Interspersed Nuclear Elements | LINEs) و کوتاه (Short Interspersed Nuclear Elements | SINEs) رتروترانسپوزون‌های غیر LTR در ژنوم انسان هستند. L1 و L2 و L3 سه عنصر هسته‌ای پراکنده بلند در ژنوم انسان هستند. L1 فعال و L2 و L3 غیرفعال هستند. L1 حدود ۶kb است و از یک پروموتر داخلی و دو ORF تشکیل شده است. آنزیم RNA پلیمراز II پروموتر این قطعه از DNA را شناسایی می‌کند. ORF1 پروتئین‌های اتصالی به نوکلئیک‌اسید و ORF2 آنزیم‌های رونوشت‌بردار معکوس و اندونوکلئاز را کد می‌کند. برای یادگیری بیشتر در مورد توالی‌های LINEs و SINEs می‌توانید فیلم آموزشی زیست شناسی مولکولی پیشرفته فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

در ژنوم انسان بین ۳ تا ۵ هزار نسخه از L1 وجود دارد. برای انتقال این عناصر ابتدا mRNA از رونویسی و ترجمه می‌شود. در مرحله بعد RNA همراه پروتئین‌ها به هسته برمی‌گردد و آنزیم رونوشت‌بردار معکوس cDNA دورشته‌ای را تولید می‌کند. در آخر آنزیم نوکلئاز در DNA میزبان برش ایجاد می‌کند و LINEs در محل جدید ژنوم قرار می‌گیرد. SINEs توالی‌هایی با کمتر از ۴۰۰ جفت باز هستند که ORF ندارند و آنزیم‌های لازم برای تولید cDNA و انتقال را کد نمی‌کنند. به همین دلیل برای انتقال به LINEs وابسته هستند. Alu و MIR و Ther2/MIR3 عناصر SINEs در ژنوم انسان هستند. Au فعال و MIR و Ther2/MIR3 غیرفعال هستند.

DNA ترانسپوزون چیست؟

DNA ترانسپوزون‌ها برای انتقال بین دو بخش ژنوم به حدواسط RNA نیاز ندارند. این عناصر از توالی کدکننده آنزیم تراسپوزاز و توالی‌های معکوس انتهایی (برای مثال $$5^prime TAATGCGTC$$ در یک انتها و $$3^prime ATTTACGCAG$$ در انتهای دیگر) تشکیل شده است. تراسپوزاز آنزیمی است که فعالیت نوکلئازی و لیگازی دارد. برای انتقال DNA ترانسپوزون، ترانسپوزاز به توالی‌های معکوس انتهایی متصل می‌شود و در DNA خمیدگی ایجاد می‌کند که دو انتهای ترانسپوزون را کنار هم قرار دهد. در ادامه ترانسپوزاز در هر رشته DNA یک برش ایجاد می‌کند. در انتقال بعضی از ترانسپوزازها برش دوم به‌وسیله آنزیم‌های ایجاد می‌شود و در بعضی از ترانسپوزون‌ها انتهای OH آزاد به رشته مقابل جمله می‌کند و در رشته دوم برش ایجاد می‌شود.

در مرحله بعد انتهای OH آزاد ترانسپوزونی که هنوز به ترانسپوزاز متصل است به پیوندی فسفودی‌استری بین نوکلئوتیدهای DNA میزبان در دو نقطه حمله می‌کند و در DNA برش ایجاد می‌شود. فاصله بین برش‌های ایجاد شده بین ۲ تا ۹ جفت باز است. پس از ادغام ترانسپوزون با DNA هدف، سیستم ترمیم سلول جای خالی ایجاد شده در توالی نوکلئوتیدی را پر می‌کند. به علاوه جای خالی ترانسپوزون در DNA میزبان با استفاده از مکانیسم‌های نوترکیبی همولوگ یا اتصال انتهای غیرهمولوگ ترمیم می‌شود.

این روش مکانیسم اصلی انتقال DNA ترانسپوزون‌ها است. اما بعضی از این عناصر با مکانیسم دیگری منتقل می‌شوند. در مکانیسم دوم نسخه همانندسازی شده از DNA ترانسپوزون به محل جدیدی در ژنوم منتقل می‌شود. در مرحله اول این مکانیسم ترانسپوزاز به توالی‌های معکوس انتهایی متصل می‌شود و با ایجاد خمیدگی دو انتهای ترانسپوزون را به هم نزدیک می‌کند. در مرحله بعدی ترانسپوزاز انتهای $$3^prime$$ ترانسپوزون در دو رشته DNA را برش می‌دهد. در مرحله بعد انتهای OH آزاد پیوند فسفودی‌استر بین نوکلئوتیدهای دو رشته DNA هدف را می‌شکند. در این حالت ترانسپوزون هنوز به ترانسپوزاز متصل است و انتهای $$5^prime$$ آن از DNA اولیه جدا نشده است. برای آشنایی بیشتر با «نوکلئوتیدها» می‌توانید مطلب مرتبط با آن یعنی «نوکلئوتیدچیست» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

در مرحله بعد آنزیم‌های همانندسازی از OH انتهای $$3^prime$$ مولکول DNA هدف استفاده کرده که دو رشته DNA را همانندسازی می‌کنند. در مرحله آخر قطعات کروموزومی جابه‌جا شده به‌وسیله یکی از مکانیسم‌های نوترکیبی به حالت اول خود برمی‌گردد. در بخش بعدی مطلب ترانسپوزون چیست، ترانسپوزون‌های پروکاریوتی را بررسی می‌کنیم.

ترانسپوزون های پروکاریوتی چیست؟

ژنوم باکتر‌ی‌ها از سلول‌های یوکاریوتی ساده‌تر است. اما مثل ژنوم یوکاریوت‌ها از توالی‌های کدکننده ژن، توالی‌های ساختاری ثابت و ترانسپوزون‌ها تشکیل شده است. اگر به مطالعه بیشتر در مورد ژنتیک باکتری‌ها علاقه دارید، می‌توانید فیلم‌های آموزشی میکروبیولوژی، میکروبیولوژی پزشکی و  مبانی علم ژنتیک فرادرس که لینک آن در ادامه آمده است را مشاهده کنید. در بخشی از این فیلم‌های آموزشی فرادرس، ژنتیک باکتری‌ها به‌طور کامل آموزش داده شده است.

توالی‌های القاحی یا «اینسرشن» (Insertion Sequences)، ترانسپوزون‌های مرکب و ترانسپوزون‌های ساده، قطعات DNA متحرک باکتری‌ها هستند. توالی‌های القاحی ساده‌ترین عناصر متحرک باکتری‌ها هستند که بین بخش‌های مختلف کروموزوم یا پلاسمید منتقل می‌شوند. توالی‌های القاحی باکتری‌ها از یک ژن تشکیل شده است که آنزیم ترانسپوزاز را کد می‌کند. توالی‌های الحاقی متنوعی در باکتری‌ها وجود دارد که طول آن‌ها حدود ۱۰۰۰ جفت باز است. در دو انتهای این عناصر توالی‌های معکوس ۹ تا ۴۰ جفت‌بازی وجود دارد. انتقال این عناصر شبیه DNA ترانسپوزون‌های یوکاریوتی است.

برای انتقال ابتدا ژن تراسپوزاز رونویسی و ترجمه می‌شود. در مرحله بعد آنزیم ترانسپوزاز به انتهای معکوس توالی القاحی متصل می‌شود و در DNA کروموزومی یا پلاسمید برش ایجاد می‌کند. در ادامه توالی القاحی از DNA اولیه جدا می‌شود. آنزیم ترانسپوزاز به کمک توالی‌های معکوس انتهایی جایگاه اتصال در DNA جدید را شناسایی و در رشته‌های DNA برش‌هایی با انتهای تک‌رشته‌ای ایجاد می‌کند. در نهایت توالی القاحی با DNA هدف ادغام می‌شود و سیستم ترمیمی سلول جایگاه خالی ایجاد شده را ترمیم می‌کند.

ترانسپوزن‌های پروکاریوتی بزرگ‌تر از توالی‌های الحاقی هستند و و ژن‌های بیشتری دارند. ترانسپوزون‌های مرکب از یک قطعه DNA تشکیل شده است که بین دو توالی القاحی قرار دارد. در نتیجه چهار توالی معکوس در این ترانسپوزون‌ها وجود دارد. در ترانسپوزون‌های مرکب علاوه بر ژن ترانسپوزاز یک ژن مقاومت به آنتی‌بیوتیک وجود دارد. Tn10 یکی از ترانسپوزون‌های مرکب باکتریایی با ۹٫۳ kbp است که ۱٫۴ kbp دو انتهای آن توالی‌های الحاقی است. در توالی ترانسپوزون‌های ساده علاوه بر ژن ترانسپوزاز چند ژن دیگر و در دو انتهای آن توالی تکراری معکوس ۳۰ تا ۴۰ جفت‌بازی وجود دارد. Tn3 یکی از ترانسوپوزون‌های ساده باکتری با ۵ kbp است که سه ژن بتالاکتاماز، ترانسپوزاز و «ریزولواز» (Resolvase) در آن وجود دارد. آنزیم بتالاکتاماز در مقاومت به پنی‌سیلین نقش دارد و آنزیم‌های دو ژن دیگر در رونویسی و نوترکیبی شرکت می‌کنند.

سوالات متداول

در این بخش از مطلب مجله فرادرس به تعدادی از سوالات پیرامون ترانسپوزون چیست پاسخ می‌دهیم.

نقش ترانسپوزون ها در سلول

در بخش‌های قبلی این مطلب متوجه شدیم که ترانسپوزون چیست و انواع آن کدام است. در این بخش به توضیح نقش ترانسپوزون در سلول می‌پردازیم. نقش ترانسپوزون‌ها در سلول‌های مختلف بستگی به جایگاه ورود آن‌ها به ژن هدف دارد. جابه‌جایی این قطعات در بخش‌های مختلف ژنوم ممکن است منجر به ایجاد جهش نقطه‌ای، تغییر بیان ژن‌ها یا بازآرایی کروموزومی شود. به علاوه افزایش تعداد قطعات DNA اندازه ژنوم را افزایش می‌دهد. بسیاری از عناصر متحرک سلولی به‌وسیله متیلاسیون DNA، تشکیل هتروکروماتین، جایگزینی هیستون‌ها و پردازش mRNA غیرفعال می‌شود. به این وسیله احتمال ایجاد جهش به‌وسیله این عناصر کاهش می‌یابد.

کاربرد ترانسپوزون ها در آزمایشگاه

از ترانسپوزون‌ها می‌توان برای بررسی جهش، تولید جانوران ترانس‌ژن و انتقال ژن استفاده می‌شود. در بخش‌های قبلی مطلب ترانسپوزون چیست توضیح دادیم که ترانسپوزون‌ها عناصر جهش‌زا هستند. از این ویژگی ترانسپوزون‌ها در آزمایشگاه برای بررسی مفید (به‌دست آوردن عملکرد جدید) یا مضر بودن (از دست دادن عملکرد) جهش استفاده می‌شود. در این آزمایش‌ها توالی نشانگر است. پس از از انتقال ترانسپوزون به اورگانیسم هدف و ورود آن به DNA، ژنوم میزبان استخراج و به‌وسیله توالی‌یابی نسل جدید آنالیز می‌شود.

جانوران ترانس‌ژن معمولا از اضافه شدن قطعه‌ای از DNA به تخم لقاح‌یافته تولید می‌شوند. در این روش DNA انتقالی به‌وطر تصادفی وارد DNA سلول تخم می‌شود. اما ترانسپوزون‌ها وارد جایگاه مشخصی از ژنوم سلول تخم می‌شوند. از ترانسپوزون‌ها می‌توان به جای وکتورهای ویروسی در انتقال ژن استفاده کرد. با این عناصر می‌توان توالی نوکلئوتیدی بزرگتری را به DNA هدف منتقل کرد. به علاوه احتمال اینکگه ترانسپوزون‌ها سیستم ایمنی میزبان را فعال کنند، بسیار کمتر از وکتورهای ویروسی است.