דביר נתנאלי

מבוא לביולוגיה מולקולרית

חלק א' –  Genes 462-464

מנגנוני חדירה של דנ"א נייד

 

טרנספוזיציה

 

הקדמה (סיכום כללי של עמ' 457-461, עם תוספות ממקורות אחרים)

 

גנומים מתפתחים ע"י רכישת רצפים חדשים ממקורות חיצוניים וע"י סידור מחדש של רצפים קיימים. רצפים חדשים מועברים בין גנומים של יצורים שונים בזכות היכולת של ווקטורים לשאת מידע גנטי בין הגנומים.

העברת חומר גנטי מתבצעת ע"י קוניוגציה (העברת פלסמידים בין 2 חיידקים דרך צינוריות קטנות), וע"י טרנסדוקציה (העברת דנ"א לתא המודבק ע"י הוירוס). בשני המקרים פלסימידים ווירוסים עשויים להעביר רצפי דנ"א מתא המקור ממנו הגיעו אל תא היעד בנוסף לגנים העצמיים שלהם (הרפליקון שלהם). העברת דנ"א ישירה בחיידקים מתבצעת ע"י טרנספורמציה (העברת מולקולות דנ"א מתאים שהתפרקו). באואוקריוטיים, תיתכן העברת דנ"א דרך רנ"א ע"י וירוסים (בעיקר רטרווירוסים) כחלק ממעגל החיים של הוירוס.

 

סידור מחדש של הגנום מתבצע ע"י תהליכים תוך-גנומיים כגון רקומבינציה בצורות שונות, ומוטציות החלות תוך כדי תהליך שכפול הדנ"א.

 

גורם חשוב נוסף ביצירת מגוון גנטי הוא ה-טרנספוזונים (Transposable elements, Transposons). אלו הם יחידות בדידות של רצפים שהינן ניידות בתוך הגנום.

הטרנספוזונים מזיזים את עצמם (לפעמים בתוספת רצפים אחרים) ישירות בתוך הדנ"א ללא תלות ברצפים מהם יצאו וברצפים אליהם הם נכנסים.

 

אנחנו נתמקד בקבוצת הטרנספוזומים הקיימים כרצפי דנ"א שמקודדים לחלבונים אשר ביכולתם לבצע מניפולציות בדנ"א המאפשרות את הזזת הטרנספוזומים בגנום.

(קיימת קבוצה נוספת של טרנספוזומים שעקרון פעולתם מבוסס על שעתוק הפוך מרנ"א לדנ"א, והם קשורים לרטרווירוסים).

 

טרנספוזומים הקיימים כרצפי דנ"א קיימים בפרוקריוטיים ובאאוקריוטיים, והם מקודדים בעצמם את האנזים שיאפשר את הזזתם בגנום, למרות שבמקרים רבים פעולתם תהיה תלויה גם באנזימים בסיסיים אחרים של התא כגון דנ"א פולימראז או דנ"א גיראז.

 

סבורים שלטרנספוזומים היה תפקיד מכריע ביצירת הדנ"א המנוון בגנום (Junk DNA) היות והם קופצים ממקום למקום (לפעמים מעתיקים את עצמם, לפעמים דופקים גנים אחרים), ובכך אומנם מגדילים את הגנום, אבל גם מאפשרים שינויים גנטיים שעשויים להעניק יתרון סביבתי.

 

האתר בגנום ממנו נלקח הרצף בתהליך הטרנספוזיציה נקרא Donor site (אתר המקור) והאתר שלתוכו מוכנס הרצף נקרא  Recipient site (אתר היעד).

 

הטרנספוזומים גורמים לסידור מחדש של הגנום ישירות או בעקיפין בדרכים הבאות:

1.      תהליך הטרנספוזיציה בעצמו (הכולל העברת מקטעי דנ"א בתוך הגנום) עשוי להביא למחיקה, להפיכה או להזזה של רצף מהמיקום המקורי למיקום חדש. הדבר עשוי להשפיע על גם על הרצף באתר המקור וגם על הרצף באתר היעד (פתאום מנחיתים לו רצף שהגיע ממקום אחר).

2.      טרנספוזומים משמשים כתשתית לרקומבינציה תאית כ-"איזורים ניידים של הומולוגיות" היות ושני רצפים זהים שלהם יכולים לשמש כקצוות של רקומבינציה הדדית. כתוצאה מכך יתכנו מחיקות, היפוך, הכנסה או העברה של רצפים.

 

IS=Insertion Sequence

הטרנספוזומים הראשונים התגלו בחיידקים כהכנסות ספונטניות של רצפים זרים לתוך אופרון. במקרים רבים הכנסות אלו של רצף זר לתוך אופרון מתפקד דפקו את האופרון.

 

הסוג הפשוט ביותר של טרנספוזום הוא טרנספוזום הכנסה (Insertion Sequence).

יחידות ה-IS הן אוטונומיות וכל אחת מהן מקודדת את החלבון הנחוץ לבצע את העברתה בגנום. היחידות השונות נבדלות ברצף שלהן, אך לכולן יש בשני קצוותיהן Inverted Terminal Repeats – שני רצפים דומים בתוכנם (לא תמיד זהים) והפוכים בכיוונם.

 

כאשר יחידת IS מבצעת טרנספוזיציה, מבוצעת הכפלה של רצף דנ"א קצר באתר היעד.

בציור למטה[1], טרנספוזום עם 2 רצפים הפוכים זה לזה בקצוות שלו (123456789 ו-987654321) מוכנס לתוך אתר יעד. לאחר ההכנסה, בשני הקצוות של הטרנספוזום יופיע הרצף ATGCA שבעבר הופיע רק פעם אחת.

 

 

תבנית זו ברצף דנ"א תהווה טביעת אצבעות להתרחשות טרנספוזיציה.

תדירות התרחשות טרנספוזיציה משתנה בין סוגי סוגי טרנספוזומים שונים, כאשר הסיכוי להתרחשות טרנספוזיציה באתר ספציפי דומה לסיכוי להתרחשות מוטציה ספונטנית.

 

Composite Transposons

טרנספוזונים מורכבים עשויים להכיל גן לעמידות או סמן אחר בנוסף לקוד הגנטי האחראי לקידוד מנגנון הטרנספוזיציה. טרנספוזומים אלו מסומנים Tn. קבוצה גדולה של טרנספוזומים מורכבים קרויה Composite Transposoms ובה כל טרנספוזום בנוי מגן סמן המוקף משני צדדיו ביחידות הכנסה כמופיע באיור להלן.

 

עמ' 462- טרנספוזיציה עשויה להתרחש במנגנון הכפלתי ובמנגנון לא הכפלתי

תהליך ההכנסה של טרנספוזון לתוך אתר חדש כולל ביצוע חיתוך שני הגדילים באתר המטרה (נוצרים מעין קצוות דביקים), שילוב רצף הטרנספוזון בחור שנוצר, והשלמת המקטעים של הקצוות הדביקים (מה שגורם להכפלת רצף אתר המטרה). ראה ציור (עמ' 462 בספר [2]Genes).

גודל הרצף מאתר המטרה שיוכפל ב-Direct Repeat נקבע לפי גודל האנזים שחותך אותו.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ישנם שלושה סוגי טרנספוזיציות:

1.      טרנספוזיציה הכפלתית (Replicative) – במקרה זה יחידת הטרנספוזיציה מוכפלת במהלך הריאקציה, והרצף המוכנס לאתר המטרה הוא העתק של הרצף המקורי. הטרנספוזון מועתק במהלך תנועתו. במקרה גדל מספר העותקים של הטרנספוזום המועתק ולפיכך הגדלה של הגנום. טרנספוזיציה הכפלתית כוללת 2 סוגי פעילות אנזימתית: אנזימי transposas שפועלים על הטרנספוזון המקורי, ואנזימי resolvase שפועלים על העותקים המשוכפלים.

2.      טרנספוזיציה לא הכפלתית (Nonreplicative) – במקרה זה מתנתק רצף הטרנספוזון מאתר התורם ועובר לאתר המטרה כשהוא משאיר אחריו פער בדנ"א. גורל האתר התורם (הפעור) ממנו עזב הטרנזפוזון תלוי בפעילותם של אנזימי התיקון של התא. בחלק מהמקרים מעורב במנגון זה רק האנזים transposas שמנתק את הרצף ממקומו המקורי, ובמקרים אחרים המנגנון מתבסס על קשרים בין רצפי הדנ"א של אתר המקור עם אתר המטרה.

 

3.      טרנספוזיציה לא הכפלתית שמרנית (Conservative)  -  גם זוהי ריאקציה שאינה הכפלתית (הטרנספוזון מתנתק מהאתר התורם), אך במקרה זה הוא עושה זו ע"י סדרה של צעדים כך שבסופו של דבר לא נוצר פער באתר התורם ממנו יצא הטרנספוזון (הטרנספוזון יוצא נוקלאוטיד אחרי נוקלאוטיד כך שנשמרים הקשרים בין הנוקלאוטידים באתר היציאה). בד"כ יחידות טרנספוזון גדולות ינקטו בשיטת תזוזה זו.

טרנספוזונים מסוימים יכולים לנקוט ביותר מגישה אחת. בכל סוגי הטרנספוזיציה מעורבת אותה ריאקציה כימית בסיסית במהלכה לרצף המנותק יש קצוות OH-'3  חופשיים שתוקפים את הדנ"א שנפתח באתר המטרה.

במקרים מסוימים אתר המטרה נבחר שרירותית, ובמקרים אחרים לפי רצפי קונצנזוס או לפי טופולוגית הדנ"א.

סידור מחדש של הדנ"א באתר המטרה לאחר הטרנספוזיציה

טרנספוזיציה עשויה להעתיק רצף דנ"א מסוים בצורה ישרה (Direct Repeat) או הפוכה (Inverted Repeat) למיקום הסמוך לרצף המקורי. התוצאות של רקומבינציה בין שני מקטעים אלו תלויות בכיווניות הרצף השני ביחס לרצף הראשון:

כאשר שני העותקים של הטרנספוזון הסמוכים זה לזה (אך לא צמודים) הם זהים זה לזה (באותה הכיווניות – Direct Repeat), נוצרת לולאה המאפשרת זיווג בסיסים בין שני המקטעים, וכתוצאה מרקומבינציה משתחרר המקטע שבין שני העותקים[3]. מקרה זה יותר נדיר, ובדרך כלל פגיעה בביטוי גנים בעקבות טרנספוזיציה מקורה בטרנספוזיציה עצמה ולא ברקומבינציה בין עותקים סמוכים שהתרחשה לאחר מכן.

 

 

 

 

כאשר שני העותקים של הטרנספוזון הסמוכים זה לזה (אך לא צמודים) הם הפוכים זה לזה, רקומבינציה עשויה להפוך את כיווניות המקטע שבין שני העותקים[4].

טרנספוזון אינו יכול להוציא את עצמו לאחר כניסתו לאתר המטרה אך חיתוך של טרנספוזון יכול להתרחש ע"י אנזימים חיידקיים שיזהו רצפים הומולוגיים בתוך רצף הטרנספוזון ועשויים לחתוך מקטעים ממנו. רק הוצאה מדוייקת של של הטרנספוזון ביחד עם עותק אחד של רצף המטרה שהוכפל עשוי להחזיר את תיפקודו של הגן שנפגע בעקבות הטרנספוזיציה (כי בעצם הסרנו את כל המקטע שהוכנס בתהליך הטרנספוזיציה ופגע בגן).

3בהצלחה !