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Lexikon der Biochemie: Transposon

Transposon, transponierbares genetisches Element, ein mobiles genetisches Element, das seine Position innerhalb eines Chromosoms unabhängig verändern und Gene ("springende Gene") tragen kann.

Eine genetische Transposition wurde erstmals von Barbara McClintock in den frühen Fünfziger Jahren als der Prozess erkannt, der für das mehrfarbige Pigmentierungsmuster des Mais verantwortlich ist. Zur damaligen Zeit wurde dieser Bericht weitgehend ignoriert, da er im Gegensatz zum Mendelschen Konzept der festlokalisierten Gene stand. Später wurde herausgefunden, dass eine Reihe von scheinbar zufälligen Mutationen bei E. coli durch die Insertion relativ großer Abschnitte genetischen Materials – die sog. Insertionssequenzen – hervorgerufen werden kann. Mit Hilfe der rekombinanten DNA-Technologie wurde deutlich, dass E.-coli-Insertionssequenzen für Enzyme codieren, die für die Insertion einer identischen Kopie von sich selbst an einem neuen Ort in der DNA verantwortlich sind. Die Transposition schließt demzufolge sowohl Rekombination als auch Replikation ein. Es werden zwei Tochterkopien der Insertionssequenz hergestellt, von denen eine am Elternort bleibt und die andere am Zielort inseriert wird. Eine Insertionssequenz verursacht immer eine Deletion, Umlagerung oder Inversion des Zielgens (d.h. sie bewirkt eine Mutation). Man vermutet, dass koordiniert regulierte Operons durch die T.-vermittelte Umlagerung von ursprünglich weit voneinander getrennten Genen entstanden sind. Es ist auch denkbar, dass Transposition zur Bildung neuer Proteine führen kann, indem vormals unabhängige Gensegmente näher zusammengebracht werden. Da Insertionssequenzen außerdem Initiationssignale für die RNA-Synthese tragen, können sie ruhende Gene aktivieren.

Es konnte gezeigt werden, dass für den reversiblen Übergang zwischen zwei phänotypischen Ausprägungen von Bakterien eine Transpostion verantwortlich ist. Ein besonders gut untersuchter Fall ist die Expression zweier immunologisch unterschiedlicher Flagellinproteine (H1 und H2) in bestimmten Stämmen von Salmonella typhimurium. Jede Zelle exprimiert nur ein Flagellin, jedoch tritt nach ungefähr 1.000 Zellteilungen eine reversible Zustandsänderung (engl. phase variation) ein und der andere Flagellintyp wird synthetisiert. Dies stellt vermutlich ein Mittel dar, der immunologischen Abwehr des Wirts zu entgehen. Die beiden Flagellingene sind auf dem Bakterienchromosom relativ weit voneinander entfernt. H2 ist mit rh1 (dem Repressorgen von H1) verknüpft, so dass die Transcription der H2-rh1-Einheit zur Synthese von H2 und Repression von H1 führt. Die Expression der H2-rh1-Einheit wird durch ein 995-bp-DNA-Segment stromaufwärts zu H2 reguliert. Im 995-bp-Segment wurden folgende drei Bausteine identifiziert: 1) Ein Promotor für H2-rhl1. 2) Das hin-Gen, das für die 190-bp-Hin-DNA-Invertase codiert; dieses Enzym (dessen Sequenz zu 33% zu TnpR homolog ist) vermittelt die Inversion des gesamten 995-bp-Segments. 3) Zwei 26-bp-hix-Orte, die die Begrenzungen des Segments darstellen und dessen Spaltungsstellen enthalten; jeder besteht aus zwei unvollständigen durch 2bp getrennten, 12bp-langen, invertierten Sequenzwiederholungen (engl. inverted repeats). Wenn das 995-bp-Segment so orientiert ist, dass der Promotor stromaufwärts zu H2 liegt (bekannt als Phase-2-Orientierung), werden H2 und rh1 koordiniert exprimiert und die H1-Synthese reprimiert. Wenn das 995-bp-Segment umgekehrt orientiert ist (Phase 1), werden weder H2 noch rh1 exprimiert, da sie von ihrem Promotor getrennt sind, sondern es wird H1 synthetisiert.

Bei Bakterien werden drei Klassen transponierbarer Elemente unterschieden.

1) Ein einfaches T. bzw. eine einfache Insertionssequenz (IS) umfasst im Allgemeinen weniger als 2.000 bp. Sie trägt als einzige genetische Information diejenige, die für die Transposition benötigt wird. Diese schließt auch spezifische, kurze, terminale inverted repeats ein sowie das Gen für die Transposase, die die Termini erkennt und die IS am Zielort inseriert. Eine inserierte IS wird stets von einer repeat-Sequenz der Wirts-DNA flankiert, woraus geschlossen wird, dass die IS an einem versetzten Schnitt inseriert wird, der später aufgefüllt wird. Zielsequenzen sind gewöhnlich 5-9bp lang. Die Länge dieser Zielsequenz (und nicht die tatsächliche Nucleotidsequenz) ist spezifisch bzw. charakteristisch für die IS.

2) Komplexe T. (Tn) sind länger und tragen auch genetisches Material (z.B. funktionale Bakteriengene wie Antibiotikaresistenzgene), die für den Vorgang der Transposition nicht benötigt werden. Beispielsweise enthält Tn3 4.957bp mit invertierten terminalen Wiederholungen von jeweils 38bp. Es codiert außerdem für folgende drei Proteine: a) eine 1.025-Reste-Transposase (TnpA); b) ein 185-Reste-Protein (TnpR), das als Repressor für tnpA und tnpR fungiert und ortsspezifische Rekombination während der Transposition vermittelt; und c) eine β-Lactamase.

3) Zusammengesetzte T. enthalten eine zentrale Region, die von zwei identischen (oder beinahe identischen) IS-ähnlichen Sequenzen flankiert wird. Diese IS-ähnlichen Sequenzen sind entweder gleich oder gegensinnig orientiert und werden ihrerseits von inverted repeats flankiert. Wahrscheinlich entstehen zusammengesetzte T. durch die Kombination eines Abschnitts codierender DNA (bildet die zentrale Region) mit zwei unabhängigen Insertionssequenzen.

Die Basensequenzen eukaryontischer T. zeigen mit denjenigen prokaryontischer T. sehr wenig Ähnlichkeit. Jedoch liegt eine Ähnlichkeit mit Retrovirus-Genomen vor, was die Vermutung nahe legt, dass es sich um degenerierte Retroviren handelt. Eukaryontische T. werden deshalb auch als Retrotransposons bzw. Retroposons bezeichnet (bewegliche DNA-Sequenzen). Die Transposition eines Retroposons läuft in drei Schritten ab. Zuerst wird es in RNA transcribiert. Diese RNA wird durch Reverse Transcriptase transcribiert und die gebildete DNA an einem zufälligen neuen Ort inseriert. [B. McClintock Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 16 (1951) 13-57; B. McClintock Science 266 (1984) 792-800; J.A. Feng et al. Curr. Opin. Struct. Biol. 4 (1994) 60-66]

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