Gli elementi mobili del genoma mammifero
Il genoma mammifero non è statico, ma si evolve grazie a elementi mobili che cambiano posizione all’interno del genoma. Questi elementi sono importanti per la plasticità del genoma, cioè la capacità di sviluppare nuove funzioni. Gli elementi mobili o trasponibili (TE, transposable elements) sono suddivisi in due classi LTR (long terminal repeat) che derivano da retrovirus e non-LTR (non-long terminal repeat) che non derivano da retrovirus. Nel genoma umano, LINE e SINE sono i più comuni tipi di TE e sono elementi non-LTR.
LINE
Long Interspersed Nuclear Elements (LINE) sono TE autonomi in quanto codificano le proteine responsabili della trasposizione. Esistono tre famiglie principali di elementi LINE:
- LINE-1 (L1) sono elementi attivi, ancora in trasposizione;
- LINE-2 (L2) e LINE-3 (L3) formate da elementi inattivi.
Le copie attive, gli elementi L1, sono in grado di inserirsi da soli in altre posizioni del genoma, cioè vanno incontro a trasposizione. Gli effetti della trasposizione possono essere:
- positivi, se L1 si inserisce in una posizione silenziata non trascritta dove può accumulare mutazioni e ha la possibilità di acquisire nuove funzioni;
- negativi, se L1 si inserisce in punti critici del genoma che possono alterare dei geni causando l’insorgere di patologie.
Per quanto riguarda la caratteristiche, gli elementi LINE sono lunghi circa 6-7 kb e contengono:
- un promotore per l’RNA polimerasi II (RNA pol II);
- due ORF (open reading frame);
- il segnale per la poliadenilazione.
L’ORF1, lunga circa 1kb, codifica per una proteina in grado di legare il proprio RNA e la proteina lega l’RNA trascritto da ORF1. Mentre ORF2, lunga circa 4kb, codifica per un enzima che possiede attività di trascrittasi inversa (RT, reverse trascriptase) e di DNA endonucleasi (EN).
SINE
Gli elementi SINE (Short Interspersed Nuclear Elements) sono elementi non autonomi perchè non si possono trasporre da soli. Nell’uomo sono presenti tre famiglie di SINE:
- Alu (attive), localizzate in regioni trascritte del genoma;
- MIR e MIR3 (inattive), localizzati in regioni del genoma non trascritte.
SINE hanno una lunghezza tra le 0,1 e 0,4 kb e contengono:
- un promotore interno per l’RNA polimerasi III (RNA pol III) rappresentati da boxA e boxB;
- una regione ricca in A all’estremità 3′.
A differenza degli elementi LINE, i SINE non hanno alcuna regione ORF e segnali di poliadenilazione. Gli elementi SINE non codificano per la retrotrascrizione, ma possono essere trasposti utilizzando l’enzima sintetizzata dagli elementi LINE. Di conseguenza è una trasposizione LINE-dipendente e il processo di trasposizione è analogo.
Gli elementi SINE più comuni sono gli elementi Alu, così chiamati perché presentano il sito di riconoscimento dell’enzima di restrizione Alu. Questi elementi sono lunghi circa 300bp e sono fiancheggiati da ripetizioni derivanti dal sito di inserzione.
Trasposizione di LINE e SINE
LINE e SINE hanno un meccanismo di trasposizione di tipo “copia e incolla” (copy and paste) quindi vengono create delle copie di queste sequenze. L’evento di trasposizione si basa sull’attività enzimatica delle proteine codificate da LINE-1. Qui descriviamo la trasposizione di LINE. Per gli elementi SINE il meccanismo è sostanzialmente uguale, ma è la RNA polimerasi III che trascrive le sequenze SINE.
La trasposizione inizia nel nucleo dove l’RNA pol II trascrive tutta la sequenza di LINE, successivamente ORF1 e ORF2 vengono tradotte in proteine nel citoplasma. Queste proteine legano l’RNA trascritto da LINE a formare il complesso mRNA/ORF1/ORF2 che viene importato nel nucleo, dove l’attività endonucleasica di ORF2 taglia un filamento del dsDNA nel punto di inserzione. Il sito di taglio di ORF2 è TTT’A, quindi il sito di integrazione preferenziale è nelle regioni ricche in AT. In sostanza, il taglio crea un’estremità libera al 3′ che funge da innesco per la retrotrascrizione dell’mRNA. Prima viene allungato un filamento, creando un cDNA di LINE; poi viene tagliato il secondo filamento di DNA. Il primo filamento viene saldato e, infine, la DNA polimerasi sintetizza poi la seconda elica di DNA.
Spesso dal processo di trasposizione si formano copie di TE inattive: troncate, con delezioni o inversioni. Le forme sono causate dalla bassa processività dell’enzima di ORF2 che non retrotrascrive completamente l’RNA. Mentre le delezioni e le inversioni possono verificarsi durante la distensione del primo filamento di DNA.
Fonti
- Richardson SR, Doucet AJ, Kopera HC, Moldovan JB, Garcia-Perez JL, Moran JV. The Influence of LINE-1 and SINE Retrotransposons on Mammalian Genomes. Microbiol Spectr. 2015 Apr;3(2):MDNA3-0061-2014. doi: 10.1128/microbiolspec.MDNA3-0061-2014. PMID: 26104698; PMCID: PMC4498412.
- Platt RN 2nd, Vandewege MW, Ray DA. Mammalian transposable elements and their impacts on genome evolution. Chromosome Res. 2018 Mar;26(1-2):25-43. doi: 10.1007/s10577-017-9570-z. Epub 2018 Feb 1. PMID: 29392473; PMCID: PMC5857283.
- Weiner AM. SINEs and LINEs: the art of biting the hand that feeds you. Curr Opin Cell Biol. 2002 Jun;14(3):343-50. doi: 10.1016/s0955-0674(02)00338-1. PMID: 12067657.
Crediti immagini:
- Immagine in evidenza: https://www.ilmessaggero.it/primopiano/sanita/dna_on_line_rete_web-968350.html
- Figura 1: https://en.wikipedia.org/wiki/Long_interspersed_nuclear_element#/media/File:LINE1s_and_SINEs.png
- Figura 2: https://www.researchgate.net/figure/SINEs-LINEs-and-their-retrotransposition-A-Typical-SINEs-contains-A-and-B-box_fig1_236911468
