144 Mar ia Kaczrnarek

Walker. M.L., Herndon, J.G. (2008). Menopause in nonhuman primates. Biolctgt,ofReprodtrct ion 79, s, 398-406,

Ward, E.J., Parsons. K., f lolmes, E.E., Balcomb, K.C., Ford, J.K. (2009). The role ofmenopause and reproductive senescence in a long-lived social mammal. Fron_tiers in Zoology 6, s. 1-10.

Washburn. S.L.(1981). Longevity in primates. W: March, J., McGaugh, LJ. (red.)Aging, biology and behavior New York: Academic Press, s. 11-29.

weiss, K.M.(1981). Evolut ionary perspectives on human aging. w: Amoss. p.T..

Harrell, S. (red.) Other w,a1:s 6f gyswing old. Stanford (CA): Stanford UniversitvPress, s. 25-28.

Wich, S.A., Utami-Atmoko, S.S., Setia, T.M., Ri jksen, H.D,, Schurmann. C.. vanHoof, J., Schaik, C.P. (2004). Life History of Wild Sumatran Orangutans (Ponsoabelii). Jow"nal of Huntctn Evolution 47, s.385-398.

Williams, G.C. ( 195l). Plejotropy, natural selection and the evolution of senescence.Evolu t ion 11, s . 398-41L

Wood, J.W. (1994). Dvnomics of human reproduction: biologt,, biometry, detno,qra-p/zy. New York: Aldine de Gruyter.

Wood, J.W, Weinstein M. (1988). Amodel of age-specif ic fecundabil i ty. Poptr lut ionS tud ies 42 . s .85 - l 13 .

Wood, J.W., O'Connor. K.A., Hohnan, D.J.. Brindle, E., Barsom. S.H.. Grirnes.M.A, (2001). The evolution of menopctuse by antagonistic pleiotroplt. Center forStudies in Demography and Ecology, Seartle (W.A.): Working Papers I -4.

World Health Organization (WHo) (1981). Reseorch on the menopause. wHoTechnical Report Series, No 670. Geneva: World Health Organisation.

World Health Organization (WHO) ( 1996). Research on the menopctltse in the I990s.WHO Technical Reporl Series, No 866. Geneva: World Health Orsanisarron.

POZNANSKIE STUDIA Z F ILOZOFI I NAUKITom 23, nr 2 (2014), Fi lozof iczne i metodologiczne konteksty w badaniach bio logicznych, s. 1 45-166

Wojciech Makafowskilns t i tu te o f B io i n format ics

University of Muenster

lzabela MakatowskaIns ty tu t B io log i i Moleku larne j i B io technolog i iUAM Poznari

TRANSPOZONY I EWOLUCIAGENOMU KREGOWCöW

Ro: u t tt i e n i e :j atr i s k i proc e s öv. b i o I o gic: n.t. c h,rt o s I tt I t t i ej i tt s t u u c i i. . j a.s | : av..s :e ev. o I t r t '.t. i r t e.

K. Lastou'ski

Wigkszo6ö genomöw eukarioty cznych zawiera olbrzymi4 liczbg ele-mentöw o zbli2onej sekwencji nr.rkleotydowej zwanych sekwencjamipowtarzalnymi. Fenomen ten zostal odkryty pöt wieku temu przez wa-ringa i Brittena w badaniach reasocjacyjnych pofragmentowanego DNA(por. waring 1966; Britten 1968). OkazaLo sig. 2e wigkszoSö tych powtö-rzeri pochodzi od tzw. elementöw mobilnych (transpozonöw), choö taczgSö genorlröw waha sig doSö znacznie pornigdzy rö2nymi organizmami.nP.u ssaköw okupujq one okolo 50oÄ genomu (por. Makalowski 2001),l2oÄ genomu u nicienia caenorhabditis elegans (por. c. elegans Sequ-encing Consortittrn 1998), a u niektörych roSlin frakcja ta siEga nawet80% (por. SanMiguel 1996). Nie powinno byö wigc niespodziank4, 2eelementy te majq znaczilcy wplyw na organizacjg i ewolucjg genomugospodarza. Mimo 2e w ostatniej dekadzie nasza wiedza na temat rolitranspozonöw wzrosla diametralnie, ci4gle jestesmy dalecy od petnegozrozumienia delikatnej gry ewolucyjnej, jaka zachodzi pomigdzy geno-

146 Wojciech Makalowski, lzabela Makalowska

mem gospodarza a jego genetycznymi ,,naj e2dIcaml". Poni2ej stararnysig przedstawiö pokrötce stan naszej wiedzy w zakresie roli transpozonöww ewolucji genomöw.

1 . Odkrycie transpozonöw

Elernenty mobilne zostaly odkryte przez Barbarg McClintock podczaseksperymentöw nad kukurydzqprzeprowadzonych ju?w 1944 roku i bylypoczqtkowo nazywane ,,elementami kontrolnymT" ze wzglEdu na fakt,2e wplywaly (kontrolowaly) na aktywnoSö niektörych genöw kukurydzy(por. McClintock 1950). W tym czasie koncepcja genu byla ciqgle gorqcodyskutowana, wigc nie mo2na sig dziwrö, 2e odkrycie transpozonöw bylotrudne do przyjgcia dla wigkszo6ci (le5li nie wszystkich!) genetyköw. Pre-zentacja McClintock podczas sympozjum w Cold Spring Harbor spotkalasrg z ozigbtym przyJgcrem, a jej wyniki byty ignorowane przez dtugie lata(por. Keller 1983). Zawiedziona takim przyjgciem, McClintock zaprzesta-la pnblikacji swoich prac nad systemem kontrolnym po 1965 roku. Dopie-ro odkrycie elementöw insercyjnych (Inserlional Sequences, IS) u bakteriiprzez Shapiro (por. Shapiro 1967), a zwtaszcza polniejsze eksperymentyprzeprowadzone przez grupg Szybalskiego na pocz4tku lat siedemdzte-si4tych przypomnialy o badaniach McClintock i potwierdzlly jej wnioski.Oto, co Waclaw Szybalski napisal w 1972 roku:

U organizmow v,ry2szych zostaly znalezione elementy genetyczne, ktöre s,ydä-jq sig z latwoSci4 przenoszone z jednego miejsca w genomie do drugiego. Takieelementy, identyfikowalne poprzez ich funkcjg kontrolnq, by$ opisane przezMcClintock (1956) u kukurydzy. Mo2liwe jest, 2e mogE one w pewnym sensiebyö analogiczne do obecnie badanych insercji IS (Malamy 1972, s.221).

Wkrötce okazalo sig, 2e transpozony sq nieodl1cznym sktadnikieniwigkszoSci genornöw, a u niektörych z nich zajmtjE wigkszoSö genomu,np. 80% genomu kukurydzy (por. SanMiguel 1996). Genomy krggow-cöw nie s4 wyj4tkiem w tym wzglgdzie i zazwyczaj daje sig wykazaö,2e30-40% genomowego DNA pochodzi od rö2nego rodzaju transpozonöw,a prawdopodobnie znaczEca czg$unikatowego DNA röwnieZ pochodzi od

Transpozony i ewoluc ja genomu krqgowcöw 147

transpozonöw, ktöre w czasie ewolucji ulegly tak dalece id4cym zrnianom(mutacjom). 2e ich podobieflstwo do transpozonöw jest nieobserwowalne(por. Makalowski 2001).Po wielu latach od odkrycia transpozonöw praceBarbary McClintock zostaly docenioneprzez spolecznoSö naukow4, a onasama byla wielokrotnie nagradzana. McClintock otrzymala tytul doktorahonoris caLtsa od 14 uniwersytetöw, a Komitet Noblowskrprzyznal jej Na-grodE Nobla w 1983 ,,za odl<rycie mobilnych elementöw genetycznychr".

Interesujqce,2e w tyrn samym czasie, gdy Szybalski na nowo odkry-wal elementy mobilne, Sozumu Ohno ukul termin Srnieciowe DNA (junkDNA) (por. Brosius 1991; Makalowski 1994), ktöry przez kilka dekadmial wplyw na genomikg. ohno rnial na mySli tzw. sekwencje niekodu-jq", a wla5ciwie sekwencje, ktöre nie kodujE bialek w genolnach, w tyrnwszystkie odcinki genomowe pochodz4ce od transpozonöw. Negatywnyobraz transpozonöw przetrwal przez ponad cztery dekady i dopiero na po-czqtku lat 90. XX wieku niektörzy badacze zaczEli zauwa2aö, jak istotn4rolg w ewolucji genornöw odgrywaj4 te elementy (por. Brosius 1991; Ma-katowski 1994). Co ciekawe, kolo fortuny transpozonöw zato czyto pelenokr?g i obecnie badania transpozonöw skupiaj4 sig migdzy innyn-ri na ichudziale w ewolucji regulacji genöw.

2. Klasyfikacja transpozonöw

Pierwszy system klasyfikacji transpozonör,v zostal zaproponowany przezFinnegana'uv 1989 roku (por. Finnegan 1989). Elementy mobilne zostalypodzielone na dwie kategorie na podstawie sposobu przemieszczania sigw obrgbie genomu (transpozycji): transpozony klasy I-szej lub retropo-zony oraz transpozony klasy Il-giej czyli transpozony DNA. Wsrystkiebadane do tej pory genomy krggowcöw zawierajq wiele ro2nych rodzintranspozonöw. Niedawno zostal zaproponowany ujednolicony systemklasyflkacji transpozonöw, ktöry jest rozwiniqciem koncepcji Finnegana(por. Wicker 2007). Poni2ej ,w zarysie, zaprezentujemy ten system, wpro-wadzajEc pewne poprawki potrzebne dla pelnej prezentacji aktywno6citych elementöw u krggowcöw.

' http:iinobe lprize. orginobelgizes/medicine,,'laureatesi I 9 831

148 Wojciech Makafowski, lzabela Makatowsra

2.1. Transpozony klasy l-szej

Retrotranspozony to elementy mobilne, ktöre powielaj4 sig, uZywaj4c pet-nych kopii swoich transkryptöw. Transkrypty te s4 przepisywane na DNApr4r uzyciu kodowanej przez niektöre z tych elementöw odwrotnej trans-kryptazy, a nastgpnie integrujE sig w nowym rniejscu genomowyrn. Miej-sce integracji zazwyczaj nie jest SciSle okreSlone, aczkolwiek poszczegölneelementy majq pewne preferencje co do miejsca wl1czenia. Do tej porywyodrgbinono pigö rzgdow retrotranspozonöw: retrotranspozony LTR,czyli posiadajqce dlugie powtörzenia na obu kot'rcach (LTR, z ang. LongTerminal Repeats), elementy DIRS (z ang. Dictyostelium Interspersed Re-spetitive Sequences), Penelopy, elementy LINE (z ang. Long INterspersedElements) i elementy SNE (zang. Short INterspersed Elements). Specjalnemiejsce w6röd tych ostatnich zajmtj1 elementy SVA i retro(pseudo)geny.

Retrotranspozony LTR charakteryzujq sig posiadaniem na obu kon-cach tzw. dlugich powt6rzen terminalnych (LTR, z ang. Long TenninalRepeats) i du2ym podobieristwem strukturalnym do retrowirusöw. Taknaprawdg to retropozony LTR mo2na vznaö za uszkodzone retrowirusy,gdyL wiele z mch od aktywnych wirusöw r62ni sig jedynie tym, 2e genbialka otoczki jest nieobecny lub nieaktywny (uszkodzona ramka odczy-tu). Najblizej aktywnych wirusöw stojE endogenne retrowirusy. W geno-mie ludzkim znajduje sig okolo 50 tys. kopii ltidzkiego endogennego re-trowirusa (HERV z ang. Human Endogenoous RetroVirus).

Wszystkie autonomiczne transpozony LTR posiadaj4 wewngtrzny re-jon koduj4cy, ktöry jest oflankowany przez proste powtörzenia koricorve(LfRy) Rejon koduj4cy zawiera zarowno geny strukturalne, jak i koduj4-ce bialka enzymatyczne. Gen gag koduje bialka strukturalne,, ktöre tworzEcz1steczki wiruso-podobne (VLP, z ang. Virus-Like Particle), w ktörychodbywa sig odwrotna transkrypcja transpozonu. Drugi z genow, pol, jesl

odpowiedzialny za aktywnoSö enzymatycznE transpozonu, w tym aktyw-noSö proteolityczn4 odpowiedzialn1 za cigcie polipeptydu Pol, odwrotn4transkryptazg (RT. z ang Reverse Transcriptase), kopiuj4c4 RNA retro-transpozonu na cDNA, oraz aktywnoSö integracyjn4 (Int), powoduj4c4wl1czenie kopii transpozonu w nowe miejsce genomowe. W sklad poli-peptydu Pol wchodzi röwnieZ RNA-za H,, odpowiedzialn a za przel4czaniematrycy podczas odwrotnej transkrypcli (patrz ni2ej).

Transpozony i ewolucja genomu krggowcöw 149

cykl 2yciowy retrotranspozonöw LTR przedstawia sig nastgpujqco.Najpierw RNA transpozonu lest transkrybowane przez polirnerazg IIz promotora znajdujEcego sig w 5'LTR. Po transporcie do cytoplazmymRNA slu2y jako matryca do produkcji bialek transpozonowych. Za-zwyczal dwie cz4steczki RNA transpozonowego sq upakor,vane w jednejstrukturze LVR, gdzte nastgpuje odwrotna transkrypcja i produkcja kopiiDNA o pelnej dlugoSci. odwrotna transkrypcja jest zapocz4tkowana po-przez hybrydyzacjE cz4steczkt tRNA do sekwencji znalduj4cej sig w po-blilu 5' LTR. Powstale w ten sposöb czgsciowe cDNA jest przerniesz-czone do 3'LTR, gdzie odwrotna transkrypcja jest kontynuowana. Drugainicjacja transkrypcji nastgpuje w ci4gr.r polipurynowym, ktöry znajdujesig w pobliZu 3' LTR. cDNA. zapocz4tkowane w ciqgu polipurynowyln,przechodzi kolejny transfer nici, w wyniku ktörego powstaje dwuniciowacz4steczka cDNA. Nastgpnie cz4steczka ta jest transportowana do jqdra,gdzie dochodzi do integracji z genomem gospodarza. Wynikiern tego pro-cesu jest nowa kopia retrotranspozonu LTR, a miejsce integracji zostajezduplikowane, pozostawiaj4c za sob4 Slad w postaci kilkunukleotydowe-go odcinka DNA o dokladnie takiej samej sekwencji (TSD, z ang. targetsite duplication).

Ciekawym zjawiskiem jest to, w jaki sposöb geny gag i pol sE zorga-nizowane ijak ulegaj4 ekspresji. oba geny sq kodowane przez to samomRNA i w niektörych transpozonach oddzielone sE przez zmianq ramkiodczytu lub kodon stopuj4cy. od czasv do czasu sygnaly te s4 ignoro-wane przez rybosom. W cyklu 2yciowym transpozonu potrzeba o wie-le wigcej bialka Gag ni2 Pol ze wzglgdu na koniecznoSö wytrvorzeniastruktury vLP, ktöra sklada sig z wielu bialek Gag. Ignorowanie ,,stopu"lub ,,przeskoczenie" rybosomu na inn4 ramkg odczytu reguluje stosnnektych dwöch bialek i w konsekwencji efektywnoSö replikacji transpozonlr.W niektörych retrotranspozonach sygnaly te nie wystgpuj4 ,leczpojedyn-cza otwarta ramka odczytu (ORF) jest odpowiedzialna za wytworzeniepodwöjnego bialka Gag-Pol. w takim wypadku stosunek bialka Gag doPol jest regulowany poprze z ro2nicowE degradacjE tych biatek.

Mimo 2e geny gag i pol s4 wystarczajqce do transpozycji, niektdrez retropozonöw LTR posiadajE jeszcze dodatkowe ramki odczytu. Naj-bardziej frapuj4ce sE ramki odczytu potencjalnie koduj4ce bialko otoczki(env). Co ciekawe, w kilku przypadkach wykazano,2e transp ozony LTR

150 Wojc iech Makatowsk i , lzabela Makatowska

,,nabyly" gen env od innych wirusöw, a element g)'psy wystgpuj4cy w ge-nomie muszki owocowej stat sig nawet w pelni wirulentny. Jednak niewszystkie transpozony LTR posiadaj4ce gen env-podobny s4 wirulentne.Niemniej, wiele bialek kodowanychprzez env posiada domeny transmem-branowe. Jest calkiem prawdopodobne,2e aktywnoSö wirulentna wyewo-luwowala u retrotranpozonöw ntezalelnie kilka ruzy; niewykluczone te2jest, 2e uzyskaly one w ten sposöb calkiern now4 funkcjg, jak na przykladzdolnoSö przemieszczania sig migdzy komörkami lub tkankami albo poru-szania sig pomigdzy ro2nyrni przedzialami komörkowymi. Röwniez innerejony koduj4ce zostaly zidentyfikowane w obrgbie retrotranspoznöw, jakna przyklad antysensowna ramka odczytu w retrotranspozonach roSlin-nych (RIRE2 ry2u lub Grandel kukurydzy). Funkcja tych ramek odczytr.rnie jest znana. Wiele roSlinnych retranspozonöw wlEczylo do swej struk-tury fragmenty DNA genomowego, w tym fragmenty genöw, np. Bsl ku-kurydzy wlqczyl fragment genu koduj4cego ATPazE.

Opi sane p owyZej retrotranspozony nazyw amy autonom iczny mi, gdy Zsame koduj4 kompletn4 maszynerig potrzebn4 do transpozcji. Jednak2ew wielu genomach wystgpujq röwnieZ retrotranspozony LTR nieposiadajq-ce zdolnoSci kodowania bialek potrzebnych do transp ozycji, tzw. elementynieautonomiczne. Elementy te czgsto zachowaly sekwencje LTR, miejsceprzyl4czania startera i trakt polipurynowy. Elementy te do transpozycjiwykorzystujE maszynerig retrotranspozonöw autonomicznych. Odcinekzawarty pomigdzy powtörzeniami koricowymi mo2e wahaö sig od kilku-dziesigciu (TRIM, ang. terminal-repeat retrotransposons in miniature) dokilku tysigcy par zasad (LARDS, ang. large retrotransposon derivatives).

E,lementy DIRS zamiast genu integrazy posiadaj4 gen rekombtnazytyrozynowej, a ich rniejsce integracji nie ulega zdwojeniu, nie tworz4 siEodcinki TSD. Ich koricöwki przypominaj4 rozdzielone powtörzenia (SDR,ang. short direct repeats) lub odwrdcone powtörzenia. Ta wlasnoSö Swiad-czy o innym ni2 transp ozony LTR mechanizmie integracji w nowym miej -

scu genomu. E,lementy DIRS wystgpuj4 we wszystkich glöwnych liniachfi logenety cznych (por. Cappello 1 985).

Penelopy (PLE) zostaly okryte w genomie Drosophila virilis i,, co cie-kawe, nie udalo sie ich znale2ö w genomach innych pokrewnych muchowocowych (Drosophila). Do tej pory wykazano je w ponad pigödziesig-ciu gatunkach takröZnych linii ewolucyjnych, jak zwierzgta jednokomör-

TransPozoni ewolucja genomu krqgowcöw 151

kowe, grzyby i roSliny. Co ciekawe. ich odwrotna transkryptazabardziejprzypomma telomerazQ ni2 enzym znaleziony w innych transpozonach.Dodatkowo. w ich sekwencji koduj4cej znajduje siq funkcjonalny intron,a niektöre z tych transpozonöw posiadaj4 teZ powtörzenia tenuinalne(LTR) (por. Evgenev 1997).

Elementy LINE (dlugie elementy rozproszone) charakteryzuj4 sigbrakiern odcinköw LTR oraz ogoneln poli-A na koficu 3'. Insercja tychelementöw pozostawia Slad w postaci TSD. 850 tysigcy kopii tych ele-mentöw stanowi ok20oÄ genomu czlowieka. Dla odmiany w genolnie ko-mara Anopheles gamibiae jest ich duzo mniej, bo zajmuj4 zaledwie 3oÄgenomu (por. Biedler 2003). Röwnie2 u roSlin jest ich stosunkowo malo.Funkcjonalny element L1 ssaköw jest wielkoSci ok. 6 kb i posiada promo-tor polirnerazy II oraz dwie otwarte (funkcjonalne) ramki odczytu (ORF).Funkcja pierwszego bialka (kodowan ego przez ORF 1) jest nieznana, choöwiadomo, 2e zawiera ono kilka funkcjonalnych dornen, np. zamek ler.r-cynowy czy palce cynkowe. Drugie bialko rriesie ze sob4 najwa2niejszefunkcje zwiqzane z transpozycjE elementu: domena endonukleazowa na-cina niö DNA w rniejscu integracji. a domena odwrotnej transkryptazyjest odporviedzialna za przepisanie elementu mRNA na DNA, ktöre jestpotem wl1czone w nowe miejsce genomowe. Odwrotna transl<ryptazanie jest bardzo wydajnym enzymem i w wiEkszoSci wypadköw odwrotnatranskrypcja nie jest doprowadzona do kofrca. W konsekwencji wigkszoSökopii L1 w genomie czlowieka jest fragmentaryczna. a ich Srednia dlu-go5ö wynosi zaledwie 900 nt (por. Lander 2001). W genomie czlowiekaodnajdujerny Slady dwöch wymarlych linii elementöw LINE,: L2 i L3. Teelementy nale2q do duZej grupy CRl, przyklady ktörych mo2emy zna-le2ö w wielr.r odleglych liniach filogenetycznych, takich jak owady, rybyi ptaki. Poniewa2 elementy LINE koduj4 cal4 maszynerig potrzebn4 doretropozycj i, nazywamy je elementami autonomicznymi.

E,lementy SINE (krötkie elernenty rozproszone) wyewoluorvaly z ge-nöw RNA, takich jak 7SL, 5S czy IRNA, i nie przekraczaj4dlugoSci 1000nukleotydöw. Podobnie jak ich przodkowie, zazwyczaj s4 transkrybowaneprzez polirnerazE III. Nie kodu14 te2 Zadnych bialek, a wigc nie posia-daj4 wlasnej machiny transpozycyjnej i s4 przez to nazywane elementa-rni nieautonomicznymi. Do namnalania i przemieszczania siE w obrgbiegenomlr,,podkradajE" maszyrrerig L 1 (por. Kajikawa,2002). Najbardziej

152 Wojciech Makalowski, lzabela Makalowska

znanymi przedstawicielami tej grupy elementöw mobilnych s4 elementy

Alu, ktöre wystgpuj4 tylko w genomach ssaköw naczelnych, a w samymgenomie czlowieka jest ich ponad milion. W odrö2nieniu od sekwencji

Alu, elementy MIR majqbardziej rozlegly zasiEg, gdy? mo2na 1e znale2ö

w genomach wszystkich ssaköw, co Swiadczy o ich dawnym pochodzeniu.

Elementy SVA dla odmiany s4 bardzo mlode, gdyL pojawily sig w ge-nomach ssaköw naczelnych zaledwie 25 milionöw lat temu. WyröZniajq

sig te2 onemozaikowym pochodzeniem (powstaly przezfurjg nieznanego

elementu SINE i Alu) oraz tym, 2e s1transkrybowane przezpolimerazg II,a nie IIl, jak wigkszoSö elementöw SINE,.

Retro(pseudo)geny, aczkolwiek formalnie nie s4 elementami mobilny-

mi, warte s4 wymienienia w tym kontek3cie. SQ to produkty odwrotnej

tran s kryp tazy dziaLaj 4c ej na do jr zalym mRNA. P o s i adaj 4 c h arakt ery s tyc z -

ne cechy w postaci ogona poli-A, sekwencji TDS i braku sekwencji promo-

torowych i intronöw (por. Vanin 1985). Zrodlem odwrotnej transkryptazy

u krEgowcöw, podobnie jak to jest w przypadku elementöw SINE,, s4 ak-

tywne elementy L1. Niektöre geny krggowcöw s4 znane ztego,2e produ-

kuj4 mnöstwo retrokopii, np. w genomie czlowieka jest ponad 2000 retro-

kopii genöw bialek rybosomowych (por. Zhang 2002). Ale nie wszystkie

retrokopie musz4 skoriczyÖ na genomowym cmentarzu. U ssaköw okolo

20% genöw nie ma intronöw i prawdopodobnie d:u2a czESö z nich po-

wstala ptzez retropozycjg. Okazalo sig na przykLad, 2e genom czlowieka

zawiera ponad 20 tys. pseudogenöw, z czego ponad 70oÄ powstalo przez

retropozycjg fuor. Torrents 2003). Co ciekawe, wigkszo{ö z nich powstala

calkiem niedawno po rozdzieleniu linii ewolucyjnych gryzoni i ssaköw

naczelnych. Niektore z retrogenöw maj4 za sobqciekaw4 i doSö skompli-

kowan4 przeszloiö ewolucyjnq.Na przyklad retrogen Ä1/F1 38 zast4pllgen rodzicielski u wszystkich ssaköw. Ta retrokopi a zostata zduplikowana

u ssaköw naczelnych, a dalszaewolucja jednej z\rchkopii doprowadzila

do egzaptacji2 fragmentöw dwöch transpozonöw (Alu i L1) oraz introni-

l Egzaptacja to termin wprowadzony przez Goulda i Vrbg dla wyjaSnienia, w jakt

sposöb pewne cechy mog4 byö zaadaptowane do pelnienia nowych funkcji bez wzglqdtt

na ich oryginaln4 funkcjg, w tym jej calkowity brak. Koncepcja ta zostala zastosowana

do poziomu genomowegoprzez Brosiusa i Goulda i riwietnie pasuje w odniesieniu do

transpozonöw, gdy2 sekwencje pochodz4ce od elementdw mobilnych, jeSli juz petnily

zacji czgSci sekwencji koduj4cej. W efekcie powstal nowy funkcjonalny

gen, specyficzny dla ssaköw naczelnych, ktöry posiada dwa warianty spli-

cingowe (por. SzczeSniak 201 1).

2.2. Transpozony klasY l l 'giei

Elementy klasy drugiej przemieszczaj4 sig przy u2yciu mechanizmu !!wy-tnij-i-wklej", insercja danego elementu do genomu jest poprzedzona wy-

cigciem Iego| elementu zorygtnalnego locus. Mimo 2e transpozony DNA

sA obecne w genomach organizrnöw reprezentuj4cych wszystkie linie fi-logenetyczne,tojest ich szczegolnie duzo u bakterii, gdzie sq nazywane

sekwencjami. Na podstawie tego, ile nici DNA zostaje nacigtych podczas

transpozy cy, wyröZniamy dwie podklasy transpozonöw DNA.Klasyczne transpo zony,,wytnij-i-wklej" naleL4 do pierwszej podkla-

sy. Koduj4 one enzym transpozazq, ktora jest odpowiedzialna za prze-mieszczanie sig tych transpozonöw. Proces tenzazwyczaj me prowadzi dozwigkszenia liczby kopii danego elementu. W miejscu insercji powstaj4charakterystyczne dla danego typu transpozonu sekwencje TSD. Transpo-zony te s4 obecnie zgrupowane w dwa rzEdy i dziesigö nadrodzin.

W drugiej podklasie wyro2niamy dwa rzEdy transpozonÖw, ktöre, jakpoprzednie, nie tworzEformy poSredniej w postaci RNA. Jednak2e w prze-ciwiet'rstwie do ,,klasycznych" transpozonöw DNA, ich replikacja zacho-dzibez nacinania podwojnej nici DNA. Helitrony replikuj4 sig, u?ywalqcmechanizmu ,,toczqcego sig kola", a w miejscu integracji nie tworzq sigsekwencje TSD (por. Kapitonov 2001). Helitrony zostaly odkryte w ro-Slinach, ale wystgpuj4 we wszystkich glöwnych liniach filogenetycznych,w tym u ssaköw (por. Pritham 2007). Drugi rz4d transpozonöw tej pod-klasy stanowi4 bardzo dl2e transpozony zwane mawerikami (por. Pritham2007). Maweriki wystgpuj4 u wigkszoSci eukariontow z wyj4tkiem roSlin.Koduj4 one kilka bialek, w tym polimerazg DNA i integrazg. Kapitonovi Jurka wskazali, 2e ich cykl zyciowy sklada sig z wycigcia pojedynczeJnici, ktöra jest replikowanapoza chromosomem, a nastgpnie wl4czona dogenomu w nowym locus (por. Kapitonov 2006).

jak4S funkcjg w akty.wrrych transpozonach. to byla ona daleka od tej, jakq pelni4 oneobecnie w genomie gospodarza. ,

TransPozonY I ewolucja

154 Wojciech Makatowski, lzabela Makatowsra

3. Transpozony jako sifa napqdowa ewolucji

Genomy eukariotyczne sqbardzo zlo2one i dynarniczne. Tylko niewielkaczq6ö genomu koduje informacjg wykorzystywan4 bezpoSrednio do syn-tezy bialek. Pozostala czg{ö genomu, nazywana czEsto, choö nieslusznie,niekoduj4cym DNA , zawiera bardzo waZne elementy reguluj4ce ekspre-sjE genöw oraz geny tzw. strukturalnych RNA. W ostatnim czasie pojawi-lo sig wigcej dowodöw na to, 2e prawie cale genomy ulegaj4 transkrypcji(przepisaniu na RNA) w rö2nych stadiach rozwoju. Co ciekawe znaszegopunktu widzenia, wigkszoSö tego DNA ma swoje 2rod*o w aktywnoScielementöw mobilnych. IloSö DNA pochodz4cego od transpozonöw niema bezpoSredniego przelo2enia na zlo2onoiö danego organizmu. Znamywiele wysoce zorganizowanych organizmöw posiadaj4cych relatywniemale genomy:, np. rzodkiewnik wSröd roSlin czy ryba rozdymka wSrödkrEgowcöw. W ci4gu ostatnich lat, wraz z rozwoJem nowej dyscypliny -

genomiki, coraz wigcej dowiadujemy sig na temat roli tej czgSci genomu,a zwlaszczatego, w jaki sposöb elementy mobilne wplywaj4 na ewolucjggenomöw.

4. Rekombinacje

Rekombinacja homologiczna (RH) jest jednym z fundamentalnych proce-söw biolo grcznych, o czym rlwiadczy fakt,2e wystEpuje on we wszystkichznany ch organ izm ach, zar 6wno prok arioty cznych, j ak i eukari ot y czny ch.Zaprogramowane RH wystgpujq podczas mejozy (chromosomowe cross--over) oraz w czasie naprawy uszkodzonych chromosomöw. W tym dru-grmprzypadku, jeSli naprawa uszkodzonego DNA zachodzi w sposöb pra-widlowy, nie pozostawia po sobie 2adnego 51adu. Niestety, proces naprawyczgsto jest zaburzony przezwystgpowanie wielu kopii bardzo podobnychsekwencji, w6röd ktörych dominuj4 transpozony. W takim przypadku do-

chodzi do rekombinacji pornigdzy dwiema bardzo podobnymi sekwencja-mi pochodzqcymi z röZnych miejsc w genomie, a proces ten nazywanyjest nieallelicznqrekombinacj4 homologiczn4 NARH). W wyniku NARHmo2e dojSö do delecji, duplikacji lub inwersji pewnego (czasem bardzodu2ego) odcinka genomu. O ile insercje elementöw mobilnych czasarni

Transpozony i ewolucja genomu krqgowcöw 155

s4 szkodliwe dla gospodarza, powodul4c choroby genetyczne, o tyle re-aranäacle genomowe stanowi4 wigksze niebezpieczet'rstwo dla genomu,gdyL rekombinacje pornigdzy dwoma odleglyrni elementarni rnog4 dopro-wadziö do utraty funkcji przez kilka genöw naraz. Wyczerpuj4ce badaniaporöwnawcze genomöw ludzkiego i szympansiego wykazaty,2e elementyAlu i L1 s4 czgsto uwiklane w rekombinacje prowadz4ce do delecji (por.Sen 2006; Han 2007; Han 2008). Elementy Alu sq röwnie2 czgst4przy-c7-ynq duplikacji genomowych (por. Bailey 2003).

Ogromna wigkszoSö wiedzy na temat roli elementöw mobilnych w RHpochodzi z badah nad mutacjami powoduj4cymi choroby genetyczne.Niemniej, rekombinacje mogg mieö te2 pozytywny wplyw na ewolu-cjg genomu. Na przyklad, mo2na wykazaö,2e ewolucja rodziny genöwkoduj4cych glikoforynE lr ssaköw naczelnych nast4pila przez szereg re-kombinacji pomigdry elernentami Alu (por. Makalowski 2000). Ostatnioukazalo sig kilka ciekawych artykulöw pokazujEcych, 2e rekombinacjez udzialem transpozonöw odegraly g1öwn4 rolg w ewolucji niektörychgenöw roSlinnych, np. genu .SUl/ odpowiedzialnego zaksztalt owocu po-midora (por. Xiao 2008). Niew4tpliwie. rekombinacje odgrywajE istotnqrolg w rearan2acji i w konsekwencji w ewolucjigenomöw, aczkolwiek ichbezposrednia rola jest tmdna do uchwycenia, a przez to niedoszacowana.

5. Tasowanie genomu

Transpozony wplywaj4 na aran2acje genomöw r6wni e2 w sposöb bardziejbezpoSredni. Po pierwsze. rnaszyna retrotranskrypcyjna samodzielnychtranspozonöw, np. elernentöw Ll, czasami przepisuje na DNA i wstarviado genomu kopie mRNA, doprowadzaj1c w ten sposöb do duplikacji da-nego genu. Wigcej na temat piszemy powyzej. we fragmencie poSwigco-nym retrogenom (por. s. 152-153).

J eszcze c iekawszym efektem ubocznym dzralama retrotranspozonöwjest, po drugie, transdukcja DNA gospodarza. Zlawrsko to polega na tym,2e podczas transkrypcji transpozonll na jego mRNA proces ten nie zo-staje zatrzymany na koncu sekwencji transpozonowej, ale ,,przelatuje"dalej i zatrzymuje sig czasami nawet kilka tysiqcy par zasad za koficemtranspozonu. Zlawisko to jest doSö powszechne dla ludzkiego L1, gdzie

157156 Wojciech Makalowski, lzabela Makalowsra

prawie I0oÄ retropozycJi poci4ga za sobE transdukcje DNA gospodarza(por. Pickeral 2000; Szak 2002). Z ewolucyjnego punktu widzenia, naj-ciekawsze transdukcje to takie, ktöre przemieszczajq funkcjonalne DNAz jednego miejsca genomu na drugie. Niestety, nie udato sig tego pokazaödla elementöw L1, u ktörych transdukcjg odkryto . Bardziej efektywnymikrupierami informacji genetycznej okantj1 sig elementy SVA. Röwnie2te elementy transdukuj4 DNA z czgstoSci4 ok. 10oÄ, ale w odröZnieniu odL1, w prrypadku SVA udalo sig pokazaö, 2e elementy te przy okazji swejretropozycji trzyl<rotnie zduplikowaLy caly gen AMAC podczas ewolucjiczlowiekowatych (por. Xing 2006). PrzykLad ten pokazuje, 2e transduk-cja jest istotnym mechanizmem ewolucyjnyffi, kt6ry zapewnia nie tylkoefektywne tasowanie informacji genetycznej, ale teL powstawanie calychrodzin genowych.

5. Regulacja ekspresji genöw a transpozony

Regulacja ekspresji genöw to jedna znajwalniejszych wlasnoSci wszystkichzywych organizmlw, gdy2pozwalaona na ekspresje tylko tych genöw, ktö-re w danym momencie i miejscu s4 konieczne. Wlasno6ö ta jest szczegolniewidoczna i istotna dla eukariontöw, umo2liwiaj1c zro2nicowanie tkankower r ozdzial fu nkcj i mo lekularnych na poszcze gö lne wyspecj alizowane cz g Sc iciala. Regulacja ekspresji genöw przebiega na wielu poziomach i uwikla-nych w ni4 jest wiele bialek. Bialka te przyl4czajq sig do DNA w poblizugenu i rozpoznaj4 specyficzne sekwencj e Qtrotein binding sites), a trans-pozony s4 czgstymi dostarczycielami tych sekwencji. Miejsca te molnapodzieliö na kilka kategorii, np. sekwencje wzmacntaj1ce transkrypcjg,izo-latory, promotory wlaSciwe czy sekwencje oslabiaj4ce transkrypcjg,, w za-le2noSci od tego, jaki maj4 one wplyw na ekspresjg danego genu.

Od momentu, gdy okazalo sig, 2e dtugie powtörzenia terminalne za-wieraj4 w sobie promotory i sekwencje wzmacniajEce transkrypcjg genöwkodowanych przez transpozony, stalo sig oczywiste, 2e integracja tychelementöw w pobli2u genu gospodarza musi wplyn4ö na ekspresjg tegozgenu. Wydaje sig, 2e znaczna czgSö elementöw regulatorowych w geno-mach eukarioty czny ch pow stala nie p oprz ez mttacje punktowe i stniej 4c e -

go odcinka DNA, leczw wyniku insercji elementu mobilnego i egzaptacjq

TransPozonY i ewolucja enomu krqgowcow

ieso fragmentu. Je(li taki maly fragment transpozonu (czEsto dlugo(ci za-

i.ä*i. t rtt, nukleotydöw) dostanie sig pod silny wplyw selekcji oczysz-

cza1qce1, to po jakims czasie tylko te fragmenty bqdq zakonserwowane'

u po'tottule czgsci transpozonu ulegn4 takim zmianom mutacyjnym, 2e

,o'"potnunie ich pochodzenia na podstawie sekwencji stanie sig niemoz-

üwL. Tak jak wspomniano wy2ej, regulacja ekspresji genöw przebiega na

wielu poziomach i nu ka2dym z nich moZna znaleIÖ przyklady udzialu

transpozonöw w tYch Procesach'Ponad 80% genöw czlowieka zawiera sekwencje transpozonowe w re-

jonach promotorowych (por. Thornburg 2006), a okolo 10% elementöw

,.gntuto.owych potwierdzonych eksperymentalnie znajduje sig w trans-

pozonach (por. Polavarapu 2008). W wigkszoSci odnotowanych do tej

ooo p,,ypudt.öw transpozony s4 donorami alternatywnych promotoröw,

ItOi. *ptywajE na poziom produkowanego RNA lub zmieniaj4 specyfi'cz-

nosö tkankow4 danego transkryptu. Na przyklad insercja elementu LTR

w pobli2u genu CYPiO 1g.n ten koduje aromatazqP450,ktöra jest jednym

, klrr.ro,rych enzymöw w biosyntezie estrogenu) spowodowala powsta-

nie alternatywnego promotora w odleglosci a2 100 kpz powyZej kodonu

startowego (por. van de Lagemaat 2003). Ten transkrypt jest specyficzny

dla ssaköw naczelnych i ograniczony do lozyska. Specyficzna ekspresja

genöw w lo2ysku najpe*triej odgrywa istotn4 ro19 w kontroli poziomu es-

trog.n.r podczas ci42y. co ciekawe, röwniez inne geny posiadaj4 promo-

tory ,,loivskowe" maj4ce swe 2rödlo w sekwencjach transpozonowych:

inuslino-podobny czynnik wzrostu IMSLA (por. Bieche 2003), gen Midl

(por. Landry 2002) czy receptor endotelinowy (por' Medstrand 2001)'

idurtu siE teZ, 2e promotor pochodzqcy od transpozonöw jest jedynym

aktywnym promotorem, ktöry nalwyr a2niej funkcj onalnie zast"Eprl ory gi-

nalny promotor. Tak jest na ptzykhadw przypadku genu HYAL-4, ktörego

promotor jest zlokalizowany w sekwencjach pochodz4cych z elementöw

Ll i Alu (por. van de Lagemaat 2003). Tych kilka ptzykladow pokazu-

je du2y potencjat transpozonöw w tworzeniu nowych promotoröw' wraz

znadchodz4cymtsunamisekwencyjf lYff i ,zwiqzanymZnowymitechno-logiami sekwencjonowania, na pewno wkrötce wyloni siE pelen obraz

udzialu transpozonöw w promocji transkrypcji'

Regulacja trankrypcj r zale1y od wielu czynniköw bialkowych i mo2e

bye mädyfikowana na wiele sposoböw. Czynnikite zazwyczal przyl4czal4

158

sig do specyficznej sekwencji i oddzialuj4 na tworz4cy sig kompleks poli-

merazy RNA, przy czym niektöre z czynniköw wzmacniaj4, a inne osla-

biaja,ekspresjg. W tym pierwsrym przypadku möwimy o wzmacniaczach,

a w drugim o wyciszaczach.Innym sposobem regulacji ekspresji jest blo-kowanie pewnych procesöw wymaganych w aktywacji genöw. I tak, aby

doszlo do utworzenia kompleksu transkrypcyjnego, wpierw rozwinigta

musi byö chromatyna, tak, aby bialka kompleksu mialy dostqp do niciDNA, do ktörej sig przyl4czaj4. Granica pomigdzy aktywn4 a nieaktywnq

chromatyn4 wyznaczajE sekwencj e zwane izolatorami. Izolatory czgsto

blokuj4 fizycznie dzialanie enhanceröw, gdy2 nie pozwalaj1na skuteczne

oddzialywanie pomigdzy czynnikiern bialkowym przylEczonym do se-

kwencji enhancera a kompleksem promotorowym. DzialalnoSö izolacyj-

na transpozonöw MDG4 zoslaLa wykazana w genomie muszki owocowej(por. Girard 1999). Sekwencje transpozonowe sqte2 doSö czqsto znaldy-wane wlaSnie na granicy aktywnej i nieaktywnej chrornatyny w genomach

krggowcöw, bo potencjalnie dzialaj4 jako izolatory (Pande i Makalowski,obserwacj e nieopublikowane).

T.Egzaptacje sekwencii transpozonowych do genöw koduiqcych biafka

Sekwencje transpozonowe mogq byö wykor4rstane w dwojaki sposöb do

utworzenia nowej informacji koduj4cej bialka. Z jednel strony, doSö przy-

padkowe fragmenty transpozonu mog4 utworzyö nowy egzon, modyfiku-j4. * ten sposöb strukturg i funkcjg danego bialka. Z drugiel strony, geny

koduj4ce bialka transpozonu mogq byö ,,przechwycone" przez genolngospodarza i po pewnej modyfikacji przyczyniajq sig do powstania no-

wej funkcji. Tak, na przyklad, powstal system immunologrczny krggow-cöw. Odp owiedL immunol ogiczna swoista (adaptacyjna) wyewoluowalaok. 500 mln lat temu u przodköw Zuchwowcöw. System ten sklada sig

z immunoglobulin (Ig) i receptoröw obecnych na powierzchni limfocytöwT i B. Struktura genöw koduj4cych receptory jest bardzo ciekawa, gdyL

kaildy gen sklada siE ztrzech segmentöw: V J i D. Kaädy segment wystg-puje w genomie w kilkuset kopiach, a jego funkcjonalna wersja powstaje

dopiero w komörkach somatycznych poprzez rekombinacyjne polqczenia

trzech elementöw w jeden funkcjonalny gen. W ten sposöb mo2e powstaö

Transpozony i ewoluc ja genomu krqgowcöw 159

niezliczona hczba ro2nych receptoröw, ktöre w specyfi czny sposöb mogqrozpoznawaö antygeny. Dzigki temu uktad odpornoSciowy krEgowcöwstal siE bardzo precyzyjny. Najciekawszym w tym wszystkim jest fakt,2eenzymy umoZliwiaj4ce rekombinacjg tych segmentöw (RAGl i RAG2)pochodz4 od transpozonöw typu Transib. Jest to jedna z najefektowniej-szych egzaptacjr, gdyL umoZliwila ona powstanie zupelnie nowego syste-mu odpowiedzi immunologicznej (por. Kapitonov 2005).

w ostatnim czasie ukazalo sig wiele artykulöw pokazujEcych. 2e frag-menty transpozonöw maj4 du2y udzial w zwigkszaniu rö2norodno$ci bia-lek gospodarza, potwierdzaj4c hipotezg zaproponowanq przez nas prawiedwadzieScia lat temu (por. Makalowski 1994). Kasety transpozonowe po-chodz4ce praktycznie od wszystkich rodzajöw elementöw s4 znajdywanew genomach reprezentuj4cych wszystkie linie ewolucyjne: od roSlin, dossaköw. O ile wprowadzenie nowego odcinka DNA/RNA w odcinkachniekoduj4cych biatko (UTR. z ang. UnTranslated Region) nie powinnomieö powa2nych konsekwencji funkcjonalnych, o tyle obecnoSö kasetytranspozonowej w odcinku kodtij4cym mo2e doprowadziö do zaburze-nia struktrlry, a w konsekwencji röwnieZ funkcii bialka gospodarza. Abyunikn4ö niepo24danych konsekwencji, a przy okazjr przetestowaö nowywariant bialka, wytworzyly sig dwa mechanizmy (por. Makalowski 2003).W pierwszym przypadku, kaseta transpozoltowa jest ,,testowana" jako al-ternatywny egzon: czgSö doyzalych transkryptöw zawiera nowy egzon,a czgiö zachowuje oryginaln4 strukturg. JeSli nowa fbrma biatka sprawujesiq gorzej niL oryginal lub jeSli nawet jest nieaktywna. to w komörce ist-nieje frakcja mRNA, ktöra steruje produkcjE oryginalnej wersji bialka.W drugim przypadku kaseta transpozonowa zostaje wlEczona do mRNApo duplikacji genu. Röwnie2 w tym przypadku w komörce s4 obecne dwieformy mRNA: oryginalna i zmodyfikowana poprzez obecnoSö kasetytranspozonowej. Te drva mechanizrny pokazuj q wyra2nie zachowawczoSöprocesöw ewolucyjnych. Z jednej strony, innowacyjnoSö jest niezbgdn4czg6ci4 ewolucji, z drugiej zaS, wigkszoSö wspölczesnych cz1steczek jest

lu2bardzo dobrze przystosowana do pelnionej funkcji i tak naprawdg nie-wiele jest do,,poprarvienia". Jak to uj4l Frangois Jacob, ewolucja jest bar-dziej majsterkowiczem nr?in2ynierem (por. Jacob 1977).

160 Wojciech Makafowski, lzabela Makalowsr<a

8. Regulatorowe RNA itranspozony

Jednym z najbardziej spektakularnych odkryö ostatnich lat bylo opisaniesystemu re gulacj i po st-transkryp cyj nej poprze z male cz4ste czki RN A, tzw.microRNA (miRNA). Aczkolwiek odkryte zostaly prawie dwadzieScia lattemu, to ich rola w regulacji translacji zostalarozpoznana dopiero na po-cz1tkt XXI wieku. Aktywne (doj rzale) miRNA s4 bardzo malymr czy-steczkami o dlugoSci zaledwie 22-25 nukleotydöw, choö ich geny i pier-wotne transkrypty mog4 siggaö kilkuset nukleotydöw. Ta mala cz4steczkaprzylEcza sig specyficznie do mRNA na zasadzie komplementacji i alboblokuje translacjg, albo inicjuje degradacjg danego mRNA. Ten systemregulacji ekspresji informacji genetycznej wydaje sig bardzo stary, gdyzjest obecny we wszystkich glöwnych grupach eukariontöw, choö sposöbjego dzialaniar62ni sig trochg u roSlin i zwrerzqt. Inn4 ciekaw4 cechE tegosystemu jest stosunkowo krötki okres ,,Zycia" ewolucyjnego tych genöw.tzn. doSö szybko zanikaj1 one w jednym miejscu genomu, a odradzajqsig w innym (por. Nozawa20l0). Spowodowane jest to zapewne ich nie-wielk4 dtugoSci4 i faktem, 2e ich aktywnoSö polega na komplementacjifragmentu mRNA. W tym aspekcie nie dziwi, 2e zarowno wiele genöwmiRNA, jak i ich miejsca docelowe w mRNA (targets) majq swoje 2rodlow transpozonach. Podobnie jak w przypadku kaset w genach kodujqcychbialka, transpozony z r62nych klas i rodzin s4 dostarczycielami surowegomaterialu, zktlrego wyewoluowywuj4 geny miRNA i ich miejsca docelo-we (por. Mette 2002; Smalheiser 2005; Li2011). Jest to o tyle zrozumiale,ze jeSli jakiS transpozon wskoczy do 3' UTR danego mRNA, to korn-plementarna kopia tego2 transpozonu latwo mo2e staö sig 2r6dlem genumiRNA, o ile fragment danego transpozonu mo2e zwin4ö sig do strukturyszpilki do wlosöw, co jest niezbgdnym warunkiem prawidlowego dojrze-wania pierwotnego transktyptu miRNA. Niedawno pojawila sig nawet hi-poteza,2e system miRNA powstal pocz4tkowo jako mechanizm obronnyprzeciwko inwazji transpozonöw na genom gospodarza, a dopiero potemwyewo luowal j ako wys zukany system po st -transkryp cyj nej re gulacj i e ks -

presji genöw (por. Jordan 2009).

Transpozony I ewolucla genomu Krqgowcow 161

9. Podsumowanie

Przez dtugi czas transpozolly byly uwalane za pasoZyty genomowe przy-

nosz4ce jedynie szkodg. Niernniej, nie po raz pierwszy w historii biolo-gii okazuje sig, 2e sprawa nie jest tak oczywista i transpozony balansujqna granicy pasozytnictwa i symbiozy. Transpozony s4 odpowiedzialne zawiele wydarzen ewolucyjnych, takich jak: duplikacje materialu genetycz-nego, tasowanie genomöw czy wreszcie utworzenie calkowicie no'uvychsystemöw regulacyjnych. Ryzykuj4c personifikacjg procesöw ewolucyj-nych, nale2y stwierdziö, 2e ewolucja jest zbyt ,,ln4dra", aby nie wykorzy-staö bogatego materialu adaptacyjnego. jaki drzemie w setkach, a nieraznawet tysiqcach kopii elementöw mobilnych. Dlatego teZ ukuty przez So-zumu Ohno termin,,Smieciowe DNA" zasluguje na jak najszybsze odsta-wienie do naukowego lamusa, a transpozony powinny byö postrzeganejakowalny element procesöw ewolucyjnych, prowadz4cy do zwiEkszonejadaptabilnoSci molekularnej organizrnöw 2ywych.

Summary

Most genolnes harbor large amounts of transposable elements. These ele-ments have the signiflcant influence on the host genorne. Ever increasedunderstanding of genome biology has changed our view of mobile ele-ments and especially their role in genome evolution. Transposons areinvolved in many evolutionary processes including duplications of thegenetic material, genome shuffling, and rewiring regulatory networks.Coined by Sozumu Ohno term 'Junk DNA" deserves to die and trans-posons should be viewed as an irnportant factors of genome evolution thatincrease molecular adaptability of leaving organisms.

Kevwords: genome. transposons. genome evoh"rtion.

162 Wojciech Makatowski, lzabela Makalowska

[iteratura

Bailey, J.A., Liu, G., Eichler, E.E. (2003). An Alu transposit ion model for the originand expansion of human segmental duplications. Arnerican Journal of'HumanGenetics 73, s. 823-834.

Bieche. I . , Laurent, A., Laurendeau. L, Duret, L., Giovangrandi, y., Frendo. J.L..ol ivi , M., Fausser, J.L., Evain-Briof l , D., Vidaud, M. (2003). placenta-specif ic

INSL4 expression is mediated by a human endogenous retrovirus element. Bio-logt 6.7'ptOroduction 68, s. 1422-1429.

Biedler, J., Tu. Z. (2003). Non-LTR retrotransposons in the African malaria mos-quito, Anopheles gambiae: unprecedented diversity and evidence of recent actr-vity. Molecular Biologl' and Evolution 20, s. 1 8 i l - 1 825.

Brit ten, R.J., Kohne, D.E. (1968). Repeated sequences in DNA. Hundreds ofthousands of copies of DNA sequences have been incorporated into the genomesof higher organisms. Science 16l, s. 529-540.

Brosius, J . (1991). Retroposons-seeds of evolut io n. Science 25r, s. 7 53.C. elegans Sequencing Consort ium (1998). Genome sequence of the nematode

C. elegans: a platform for investigating biolo gy. science 292, s. 201 2-201g.cappello, J., Handelsrnan, K., Lodish, H.F. (1985). Sequence of Dictyostel iurn

DIRS- 1: an apparent retrotransposon with inverted terminal repeats and a1 inter-na l c i rc le junct ion sequence. Cel l 43, s . 105-115.

Evgenev, M.B., Zelentsova, H,, Shostak, N., Kozitsina, M., Barskyi, v., Lanke-nau, D.H., Corces, V.G. (1997). Penelope, a new family of transposable elernentsand its possible role in hybrid dysgenesis in Drosophila virilis. Proceedings o./'the Nationol Academy of Sciences of the United States of Arnerica 94, s. 196--20 t .

Finnegan, D.J. (1989). Eukaryotic transposable elements and genome evolution.Trends in Genetics 5, s. 103-107.

Girard, L., Freel ing, M. (1999), Regulatory changes as a consequence of transposoninsertion. Developmental Genetics 25, s. 291-296.

Han, K., Lee, J., Meyeq T.J., Wang, J., Sen, S.K., Srikanta, D., Liang, p., Batzer.M.A. (2007). Alu recombination-mediated structural delet ions in the chi lrpan-zee genome. Plos Genetics 3, s. 1939-1949.

Han, K.D.. Lee, J.N., Meyer, T.J., Remedios. p., Goodwin, L.. Batzer,M.A. (200s).Ll recombination-associated deletions generate human genomic variation. Pxt-ceedings oJ'the Nationul Academy o.f'sciences of the United States of-Americ'tr105. s . 19366-19371.

Jacob, F. (1977). Evolut ion and Tinkering. science 196, s. 1r61-1166.

Transpozony i ewolucja genomu krqgowcöw 163

Jordan. L. W. Mil ler (2009). Genome Defense Against Transposable Elements andthe Origins of Regulatory RNA. W: Lankenau, D-H.. Volff, J-N. (red.) Tr-ctnspo-

sons and the dvnamic genome. Berl in. Heidelber: Springer-Verlag, s.71-94.

Kajikawa, M., Okada, N. (2002). LINEs mobil ize SINEs in t l ie eel t l rrough a sl iared3 'sequence. Cel l1 l l , s . 433-444.

Kapitonov, V,V., Jurka, J. (2001). Roll ing-circle transposons in eukaryotes. Pr"o-ceedings of' the National Academv o/ Sciences o.l' the L,rnited States of ,1met'i-

cu 98 . s . 8714 -8719 .

Kapitonor' , V.V., Jurka. J. (2005). RAGI core and V(D)J recombination signal se-quences were derived fiom Transib transposons. P/os Biologv 3, s. 998- 1 01 1 .

Kapitonov, V.V., Jurka, J. (2006). Self-synthesizing DNA transposons in eukaryotes.

Proceedings of'the Nationctl Acadenn' o./-Sciences of the ünited States o/'.4met'i-

ca 703. s .4540-4545.

Keller, E.F. (1983), A feel ing.ftn' the orgctni. ;m: the l i fe and v'ork of Burharct

lvlcClintoclr. San Francisco: W.H. Freernan.

Lander, E.S., Linton, L.M.. Bin'en. B., Nusbaum, C.. Zody, M.C., Baldrvin. J., Devon.

K., Dewar. K., Doyle, M., FitzHugh. W.. Funke, R., Gage, D., Haris, K.. Heaford,

A., Howland, J.. Kann, L., Lehoczky,J., LeVine. R., McEwan, P., McKeman, K.,Meldrim, J., Mesirov, J.P., Miranda, C., Morris, W., Naylor, J., Raymond. C..Rosett i . M., Santos. R., Sheridan. A.. Sougnez, C., Stange-Tl iomann. N.. Stota-novic. N., Subramanian. A., Wymafl. D., Rogers. J., Sulston. J.. Ainscough, R..Beck, S., Bentley, D., But-ton, J., Clee, C., Carter, N.. Coulsofl , A., Deadman, R..

Deloukas. P., Dunliam, A., Dunham, I., Durbin, R., French, L., Grafharn, D.. Gre-gory. S., Hubbard. T., Humphray, S., Hunt. A.. Jones. M., Lloyd. C.. McMuray,

A.. Matthews. L., Mercer, S., Milne. S.. Mull ikin. J.C., Mungall , A., Plumb. R..

Ross, M., Shor,vnkeen. R., Sims, S., Waterston, R.H., Wilson, R.K., Hi l l ier. L.W.,

McPherson, J.D., Marra, M.A.. Mardis. E.R., Fulton, L.A.. Chinwalla, A.T.. Pe-

pin, K.H.. Gish, W.R.. Chissoe. S.L., Wendl. M.C., Delehaunty, K.D., Miner' . T.L..

Delehaunty, A.. Kramer. J.B., Cook. L.L.. Fulton" R.S.. Johnson. D.L.. Minx. P.J.,

Cl i f ton, S.W., Hawkins, T., Branscomb. E., Predki, P.. Richardson. P." Wenning,

S., Slezak, T., Doggett, N., Cheng, J.F., Olsen. A., Lucas. S., Elkin, C.. Uber-

bacher, E., Frazier, M., Gibbs. R.A., Muzny, D.M.. Scherer, S.E., Bouck. J.B.,

Sodergren. E.J.. Worley.K.C., Rives. C.M., Gonell , J.H., Metzker. M.L., Naylor,

S.L., Kucherlapati , R.S., Nelson, D.L., Weinstock, G.M., Sakaki, Y.. Fuj iyama,

A., Hattori , M., \ 'ada, T., Toyoda, A., I toh. T., Kawagoe, C., Watanabe. H., Totoki,

Y., Taylor. T., Weissenbach. J., Heilig. R., Saurin. W., Artiguena\,e. F., Brottier.

P., Bruls, T., Pel let ier, E., Robeft, C.. Wincker, P.. Smith, D.R., Doucette-Stamm,

L., Rubenfield, M., Weinstock. K., Lee. H.M., Dubois, J.. Rosenthal, A., Platzer,

164 Wojciech Makatowski, lzabela Makatowska

M., Nyakatura, G., Taudien, S., Rump, A., Yang, H,, Yu, J., Wang, J., Huang, G.,Gu, J., Hood, L., Rowen, L., Madafl, A., Qin, S., Davis, R.W., Federspiel, N.A.,Abola, A.P., Proctor, M.J., Myers, R.M., Schmutz, J., Dickson, M., Grimwood,J., Cox, D.R., Olson, M.V., Kaul, R., Shimizu, N., Kawasaki, K., Minoshima, S,,Evans, G.A., Athanasiou, M., Schultz, R., Roe, B.A., Chen, F., Pan, H., Ram-ser, J., Lehrach, H., Reinhardt, R., McCombie, W.R., de la Bastide, M,, Dedhia.N., Blocker, H., Homischer, K., Nordsiek, G., Agarwala, R., Aravind, L., Bailey,J.A., Bateman, A., Batzoglou, S., Bimey, E., Bork, P., Brown, D.G., Burge, C.B.,Cerutti, L., Chen, H.C., Church, D,, Clamp, M., Copley, R.R., Doerks, T., Eddy.S.R., Eichler, E.E., Furey, T.S., Galagan, J., Gilbert, J.G., Harmon, C., Hayashiza-ki, Y,, Haussler, D., Hermjakob, H., Hokamp, K., Jang, W, Johnson, L.S., Jones,T.A., Kasif, S., Kasprzyk, A., Kennedy, S., Kent, W.J., Kitts, P., Koonin, E.V."Korf, I., Kulp, D., Lancet, D., Lowe, T.M., Mclysaght, A., Mikkelsen, T., Mo-ran, J.V., Mulder, N., Pollara, V.J., Ponting, C.P., Schuler, G., Schultz, J., Slater,G., Smit, A.F., Stupka, E., Szustakowski, J., Thierry-Mieg, D., Thierry-Mieg, J.,Wagner, L,, Wallis, J., Wheeler, R., Williams, A., Wolf, Y.L, Wolfe, K.H., Yang.S.P., Yeh, R.F., Collins, F., Guyer, M.S., Peterson, J., Felsenfeld, A., Wetterstrand.K.A., Patrinos, A., Morgan, M.J., de Jong, P., Catanese, J.J., Osoegawa, K,, Shi-ztya, H., Choi, S., Chen, Y.J. (2001). Initial sequencing and analysis of the humangenome. l{ature 409, s.860-92I.

Landry J.R., Rouhi, A., Medstrand, P., Mager, D.L. (2002). The Opttz syndromegene Midl is transcribed from a human endogenous retroviral promoter. Mole-ctrlar Biologt and Evolution 19, s. 1934-1942.

Li, Y., Li, C.Q., Xia, J., Jin, Y.X. (2011). Domestication of Transposable Elementsinto MicroRNA Genes in Plants. Plos One 6.

Makalowski, W. (2000). Genomic scrap yard: how genomes utilize all that junk.

Gene 259, s. 6I-61.Makalowski, W (2001). The human genome structure and organization. Acta Bio-

chimica Polonica 48, s. 587-598.Makalowski, W (2003). Genomics. Not junk after all. Science 300, s. 1246-11241 .Makalowski, W., Mitchell, G.A., Labuda, D. (1994), Alu sequences in the coding re-

gions of mRNA: a source of protein variability. Trends in Genetics 10, s. 188-193.Malamy, M.H., Fiandt, M., Szybalski, W. (1972), Electron-Microscopy of Polar In-

seftions in Lac Operon of Escherichia-Coli. Molecular & General Genetics ll9,s .207-222.

Malamy, M.H., Fiandt, M., Szybalski, W. (1972). Electron microscopy of polar in-sertions in the lac operon of Escherichia coli. Molecular & General Geneticsl l 9 . s . 2 0 7 - 2 2 2 .

Transpozony i ewolucja genomu krqgowcöw 165

McClintock, B. (1950). The origin and behavior of mutable loci in maize. Pro-

ceedings of the J{ational Academv o.f' Sciences of'the United States of-Americ'ct

36, s . 344-355.

Medstrand. P., Landry, J.R., Mager. D.L. (2001). Long terminal repeats are used as

alternative promoters for the endothelin B receptor and apolipoprotein C-l genes

in humans. Journal o/ Biological Chemistry,276, s. 1896-1903.

Mette, M.F., van der Winden, J., Matzke, M., Matzke, A.J.M. (2002). Short RNAs

can identify new candidate transposable element families in Arabidopsis. Plant

Ph1;sislttr' 130, s' 6-9'

Nozawa, M., Miura, S., Nei, M. (2010). Origins and Evolut ion of MicroRNA Genes

in Drosophila Species . Genome Biologl and Evolut ion 2, s. I 80- I 89.

Pickeral, O.K., Makalowski, W., Boguski, M.S,, Boeke, J.D. (2000). Frequent hu-

man genomic DNA transduction driven by LINE-l retrotransposition. Genome

Research 10, s . 4 l l -415.

Polavarapu, N., Marino-Ramirez, L., Landsman, D., McDonald. J.F.. Jordan, I .K.(2008). Evolutionary rates and patterns for human transcription factor binding

sites derived from repeti t ive DNA. Bntc Genontics 9, s.226.

Pritham, E.J., Feschotte, C. (2007). Massive amplification of rolling-circle trans-

posons in the lineage of the bat Mv-otis lucifugus. Proceedings of the !,lational

Academy ofSciences oJ'the United States of America 104, s. 1895-1900.

SanMiguel, P., Tikhonov, A., Jin, Y.K., Motchoulskaia, N., Zal<harov, D., Melake--Berhan, A., Springeq P.S., Edwards, K.J., Lee, M., Avramova, 2., Bennetzen.

J.L.(1996). Nested retrotransposons in the intergenic regions of the maize ge-

nome. Sc ience 274, s .765-768.

Sen, S.K., Han, K.D., Wang, J.X., Lee, J., Wang, H., Call inan, P.A.. Dyer. M., Cor-

daux, R., Liang, P.. Batzer, M.A. (2006). Human genomic delet ions mediated

by recombination between Alu elemenls. American Journal o.f'Human Genetics

79 , s . 4 l - 53 .

Shapiro, J.A. ( 1967). The structure of the galactose operon o/'E. coli K I 2. Ph.D. The-

sis, Cambridge, England: University of Cambridge.

Smalheiser, N.R., Torvik, V.I. (2005). Mammalian microRNAs derived from geno-

mic repeats. Trend.s in Genetics 21, s. 322-326.

Szak, S.T., Pickeral, O.K., Makalowski, W., Boguski, M.S., Landsman, D., Boeke,

J.D. (2002). Molecular archeology of L1 insert ions in the human genome. Ge-

nome B iolog, 3, research0O52.

Szcze6niak, M.W., Ciomborowska, J.. Nowak, W., Rogozin, I .8., Makalowska, I .

(201 1 ). Primate and rodent specific intron gains and the origin of retrogenes rvith

splice variants. Moleculor Biolog, and Evolution 28, s. 33-38.

166 Wojciech Ma katowski, lzabela Makafowsra

Thornburg, 8.G., Gotea, V., Makalowski, W. (2006). Transposable elements as a si-gnificant source of transcription regulating signals. Gene 365, s. 104- 1 10.

Torrents, D., Suyamä, M., Zdobnov, E., Bork, P. (2003). A genome-wide survey ofhuman pseudogenes. Genome Research 13, s. 2559-2567.

van de Lagemaat, L.N., Landry, J.R., Mager, D.L., Medstrand, P. (2003). Transpo-

sable elements in mammals promote regulatory variation and diversification ofgenes with specialized functions. Trends in Genetics 19, s. 530-536.

Vanin, E.F. (1985). Processed pseudogenes: characterist ics and evolut ion. Annual

Review of Genetics 19, s. 253-272.

Waring, M., Bri t ten, R.J. (1966). Nucleotide Sequence Repeti t ion - a Rapidly Re-associat ing Fraction of Mouse DNA. Science 154, s. 791-794.

Wicker, T., Sabot, F., Hua-Vafl, A., Bennetzen, J.L., Capy, P., Chalhoub, 8., Flavell,

A., Leroy, P., Morgante, M., Panaud, O., Paux, E., SanMiguel, P., Schulman,A.H. (2007). A unified classification system for eukaryotic transposable ele-ments. l{ature Reviews. Genetics 8, s. 973-982.

Xiao, H.. Jiang, N., Schaffner, E., Stockinger, E.J., van der Knaap. E. (2008). A re-

trotransposon-mediated gene duplication underlies morphological variation oftomato fruit . Sciezce 319, s. 1527-1530.

Xing, J., Wang, H., Belancio, V.P., Cordaux, R., Deininger, P.L., Batzer, M.A.(2006). From the cover: eukaryotic transposable elements and genome evolu-

tion special feature: emergence of primate genes by retrotransposon-mediated

sequence transduction. Proceedings o/-the National Academy o.f- Sciences ol'the

United States o.f America 103, s. 17608-11613.

Zhang,Z.,Harcison, P., Gerstein, M. (2002).Identification and analysis of over 2000

ribosomal protein pseudogenes in the human genome. Genome Re.search 12.

s .1466 -1482 .

POZNANSKIE STUDIA Z F ILOZOFI I NAUKI

Iom23, nr 2 (2014),Fl lozof iczne i metodologiczne konteksty w badaniach bio logicznych, s. 167-174

An na Go2dzicka-Jözef ia kI nstytut Biologi i E ksperymental nej

UAM Poznarl

poczATEK zYCh A KLONOWANIE CZLOWIEKA

1. Wprowadzenie

Na pocz4tku 1997 roku Swiat obiegta wiadomoSö o sklonowaniu owcy

Dolly z wykorzystaniern techniki transferu j4der kornÖrkowych (por.

Campbell i inni I99l , s.267). W technice tej jqdro z komörki somatycznejprzeniesione zostaje do pozbawionej j4dra komörki jajowej, stymuluje sigja do podzialu i na etapie blastocysty implantuje do macicy matki zastqp-

czej. Wykazano nastgpnie, 2e w podobny sposöb mozna otrzymaö klony

innych zwierz1t (por. Gurdon 1999, s. 743; I,INESCO 2005). W pa2dzrer-

niku 2001 roku rozpowszechniono kolejn4 wiadornoSö o uzyskanill, meto-

d4 transplantacji j4der komörkowych, zarodka ludzkiego , zloäonego z sze-

Sciu komörek. Dokonano tego w Laboratory Advanced Cell Technology

w Massachusetts. W tym przypadku z ludzkiej kornörki jajou'ej usuniEtoj4dro komörkowe! a na jego miejsce wprowadzono material genetyczlly

z dojrzalej komörki sköry. Komörki takie zaczQly sig dzieliö, kiedy wpro-

wadzono do nich komörki pgcherzykowate (odzywiaj4ce kornörki jajowe

w jajniku). Dodwiadczenia te wzbudzily dyskusjq nad poczqtkiem 2ycia

ludzkiego, ale röwnie? szereg wqtpliwoSci etycznych i prawnych. Wiele

kraj öw wprowad zllo zakaz wykonywan ia j akichko lwiek pröb klonowan i a

czlowieka. jak röwniez doSwiadczeh na zarodkach ludzkich (por. Harris

1999, s. 142; National Academy of Sciences 2002, s. i1, 39, Schenker

2 0 0 8 . s . 2 7 1 ) .