Per la trasposizione sono attivi 2 MECCANISMI Meccanismi della trasposizione batterica per la trasposizione sono necessari gli elementi ripetuti invertititi intatti alle estremità degli elementi (IR) Deve essere presente l’enzima TRASPOSASI Per la trasposizione sono attivi 2 MECCANISMI 1. CONSERVATIVO : l’elemento è “TAGLIATO” dal sito originale e si inserisce in un nuovo sito (es. Tn5 -> elementi della classe I) 2. REPLICATIVO : l’elemento è replicato ed 1 copia rimane nel sito originale, la nuova copia si integra in un nuovo sito (es. Tn3 ->elementi della classe II)

Elementi trasponibili negli eucarioti Gli ELEMENTI TRASPONIBILI esistono in tutti i tipi di cellule. Quelli del lievito, della Drosophila e del mais sono stati studiati in dettaglio, come pure i retrovirus che si trovano nei mammiferi ad essi analoghi. Gli ELEMENTI TRASPONIBILI si possono muovere usando intermedi ad RNA (RETROTRASPOSONI) oppure intermedi a DNA (come nei batteri) Alcuni elementi trasponibili possono essere usati come strumenti per il clonaggio e la manipolazione dei geni (es. gli elementi P di Drosophila possono essere usati per il trasferimento di geni nella linea germinale di un moscerino; un altro esempio è dato dal T-DNA dei plasmidi Ti usato per introdurre geni clonati in piante).

Elementi trasponibili in Drosophila melanogaster In Drosophila sono presenti circa 30 differenti famiglie di elementi trasponibili, ognuna presente con molte copie per genoma; costituiscono più del 20-25% del genoma di Drosophila. Se si considerano anche le sequenze ripetute si arriva al 35% di tutto il genoma Rubin e Young identificarono una classe di elementi di questo tipo che chiamarono “copia ” “ copia ” è una famiglia di elementi presenti in più di 30 copie in differenti posizioni nel genoma di Drosophila Alcune famiglie di elementi trasponibili sono simili a copia e quindi si definiscono “ copia-like ”

Struttura dell’elemento copia Elemento copia completo (5000 bp) DTR (direct repeat) 267 bp DTR (direct repeat) 267 bp IR (17bp) IR (17bp) IR (17bp) IR (17bp) Le INVERTED REPEAT (IR) sono una caratteristica peculiare di ogni tipo di elemento La mutazione wapricot in Drosophila è dovuta all’inserimento di un elemento copia nel gene white Circa la metà delle mutazioni spontanee in Drosophila sono causate da TE (Transposable Element)

La principale causa di mutazione spontanea è l’inserzione di elementi trasponibili Molte mutazioni spontanee del gene white di Drosophila derivano dall’inserimento di elementi trasponibili come copia, Doc, pogo, roo ecc. nella sequenza del gene Gene white wch pogo (in Doc) w1 Doc wbfroo whd copia wa copia wsp roo w12 P Esone 1 2 3 4 5 Direzione della trascrizione

Esistono diverse categorie di elementi trasponibili Diversi tipi di elementi trasponibili in Drosophila Esistono diverse categorie di elementi trasponibili Elementi che traspongono con intermedi ad RNA denominati: retrotrasposoni e/o retroposoni LTR (con lunghi terminali ripetuti) copia, aurora,mdg3,mdg 4 ed altri NON-LTR (senza terminali ripetuti) doc , I, G, F ed altri Elementi che traspongono con intermedi a DNA (metodo “cut and paste”) ->P, Bari-1, Mariner, TC1 ed altri

Elementi trasponibili nei Mammiferi I cromosomi dei Mammiferi hanno una quota variabile tra il 25-40% di TRASPOSONI che si sono accumulati nel corso dell’EVOLUZIONE La maggior parte dei TRASPOSONI dei Mammiferi usa una trasposizione mediata da RNA (Retrotrasposoni) Sono di due tipi : LTR (copia-like) e NON-LTR che rappresenta la classe più numerosa nei Mammiferi Molti elementi sono correlati ai RETROVIRUS I retrovirus sono virus a singolo filamento di RNA Il loro meccanismo di replicazione prevede che l’RNA sia copiato in DNA dalla TRASCRITTASI INVERSA e, dopo la formazione di DNA a doppio filamento, si integrano nel genoma dell’ospite e si chiamano provirus

Retrotrasposoni virali di specie diverse a confronto retrovirus gag pol int env Ty912 (lievito) gag int env pol copia (Drosophila) gag int env pol

Struttura di classi differenti di elementi trasponibili nei Mammiferi Gli elementi della classe I (RETROPOSONI) traspongono mediante un intermedio a RNA che viene retrotrascritto mediante la REVERSE TRASCRITTASI prima di essere integrato in una nuova posizione nel genoma. Negli elementi LTR gag codifica una proteina simile a quella dei capsidi e pol codifica una “poliproteina” che ha attività di: proteasi, reverse trascrittasi, RNAsiH e integrasi Elementi della classe I RETROTRASPOSONI di tipo LTR o copia-like gag pol 5’ LTR 3’ LTR RETROTRASPOSONI di tipo Non-LTR LINE SINE (Long Interspersed NON-LTR Element) (Short Interspersed NON-LTR Element) ORF 1 ORF 2 AAAAAAA AAAAAA pol III Elementi della classe II TRASPOSONI a DNA

Struttura di classi differenti di elementi trasponibili nei Mammiferi Gli elementi della classe I (RETROPOSONI) traspongono mediante un intermedio a RNA che viene retrotrascritto mediante la REVERSE TRASCRITTASI prima di essere integrato in una nuova posizione nel genoma. Negli elementi LTR gag codifica una proteina simile a quella dei capsidi e pol codifica una “poliproteina” che ha attività di: proteasi, reverse trascrittasi, RNAsiH e integrasi Elementi della classe I RETROTRASPOSONI di tipo LTR o copia-like gag pol 5’ LTR 3’ LTR RETROTRASPOSONI di tipo Non-LTR Gli elementi NON-LTR sono i LINE e SINE. Gli elementi LINE (i più abbondanti), hanno un promotore per la polimerasi II e codificano per due ORF (una con capacità di legame all’RNA e l’altra con attività di endonucleasi e reverse trascrittasi). Sono AUTONOMI (L1,L2,L3). Nel genoma umano sono presenti molte copie tronche di questi elementi, soprattutto di L1. LINE (Long Interspersed NON-LTR Element) ORF 1 ORF 2 AAAAAAA SINE (Short Interspersed NON-LTR Element) Gli elementi SINE hanno un promotore per la polimerasi III, e non codificano proteine ma dipendono dall’attività dei LINE, sono quindi NON AUTONOMI. Un classico esempio di SINE sono le sequenze Alu (circa 300 bp). Ne sono presenti fino a 500000 copie nel genoma umano (11%). Sono ripetizioni specifiche dei Primati, pur se altri Mammiferi hanno sequenze simili. Un altro tipo di retrotrasposone NON-AUTONOMO, che usa l’apparato di L1 per trasporsi nel genoma è “SVA”: un elemento ripetuto composito (SINE+VNTR+ALU) pol III AAAAAA Elementi della classe II TRASPOSONI a DNA

Struttura di classi differenti di elementi trasponibili nei Mammiferi Gli elementi della classe I (RETROPOSONI) traspongono mediante un intermedio a RNA che viene retrotrascritto mediante la REVERSE TRASCRITTASI prima di essere integrato in una nuova posizione nel genoma. Negli elementi LTR gag codifica una proteina simile a quella dei capsidi e pol codifica una “poliproteina” che ha attività di: proteasi, reverse trascrittasi, RNAsiH e integrasi. Elementi della classe I RETROTRASPOSONI di tipo LTR o copia-like gag pol 5’ LTR 3’ LTR Gli elementi NON-LTR sono i LINE e SINE. Gli elementi LINE (i più abbondanti), hanno un promotore per la polimerasi II e codificano per due ORF (una con capacità di legame all’RNA e l’altra con attività di endonucleasi e reverse trascrittasi). Sono AUTONOMI (L1,L2,L3). Sono presenti molte copie tronche soprattutto di L1. RETROTRASPOSONI di tipo Non-LTR LINE (Long Interspersed NON-LTR Element) ORF 1 ORF 2 AAAAAAA Gli elementi SINE hanno un promotore per la polimerasi III, e non codificano proteine ma dipendono dall’attività dei LINE, NON AUTONOMI. Un classico esempio di SINE sono le sequenze Alu (circa 300 bp). Ne sono presenti fino a 500000 copie nel genoma umano (11%). Sono ripetizioni specifiche dei Primati, pur se altri Mammiferi hanno sequenze simili. Un altro tipo di retrotrasposone NON-AUTONOMO, che usa l’apparato di L1 per trasporsi nel genoma è “SVA”: un elemento ripetuto composito (SINE+VNTR+ALU) SINE (Short Interspersed NON-LTR Element) pol III AAAAAA Elementi della classe II TRASPOSONI a DNA Gli elementi della classe II (TRASPOSONI) traspongono mediante un intermedio a DNA ed una TRASPOSASI e si muovono con un meccanismo di “ taglia e incolla”

Retrotrasposoni virali dei Mammiferi Ripetizione diretta lunga 5-10 bp LTR Sequenza codificante per proteine 5,8 kb Trasposone LTR “copia-like” Trasposoni retrovirali NON-LTR sono: SINE (Short Interspersed Non-LTR Element) LINE (Long Interspersed Non-LTR Element)

Elementi trasponibili che si trovano nel gene umano (HGO) Il gene HGO, codifica per l’omogentisato 1,2 -diossigeneasi, la cui mancanza determina l’ALCAPTONURIA 10 kb 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ESONI Sequenze SINE Sequenze LINE NON-LTR Sequenze Alu (ripetizioni di 300 bp) LTR

Ruolo degli elementi trasponibili Elementi trasponibili specifici sono localizzati, in alcune specie, a livello dei centromeri (grano, riso, ecc.) In alcune specie i centromeri sono costituiti da ripetizioni che possono essersi originate da riarrangiamenti di elementi trasponibili come le sequenze alfoidi nei centromeri umani, ma anche ripetizioni in Arabidopsis, Drosophila, balena ecc. In Drosophila i telomeri sono costituiti da elementi trasponibili (TART, HetA e TAHRE) Het A è un elemento NON AUTONOMO di 6083 bp, è localizzato solo nell’eterocromatina TAHRE (Telomeric Autonomous HetA-Related Element) è un elemento autonomo di 10463 bp - TART è un elemento AUTONOMO di 10654 bp

Gli elementi trasponibili sono finemente regolati Gli elementi trasponibili sono finemente regolati. Nel corso dell’evoluzione si sono evoluti dei meccanismi di SILENZIAMENTO di questi trasposoni. Se questi meccanismi di silenziamento non funzionano ci possono essere effetti anche gravi nell’organismo! RNA interferenza