Aloa Lamarca Dams

Mòdul de Genòmica i Proteòmica

Màster de Biomedicina

Representació esquemàtica dels diferents components del genoma humà

- Només un 1.5% de tot el genoma codifica a proteïna.

- EL 45% del genoma consisteix en elements transposables.

Durant molt de temps hi ha hagut debats sobre si aquests elements transposables son tan sols una “plaga” que s’inserta al genoma sense cap efecte positiu o negatiu o si per altra banda juguen algun

paper en aquest genoma ……

ELEMENTS TRANSPOSABLES: FUNCIONALS O NO FUNCIONALS???

Creuen que hi han hagut tres etapes en quan a la funcionalitat o no d’aquests elements:

1. Al principi es creia que els elements transposables i altres repeticions jugaven algun paper en la regulació intrínseca de l’expressió de certs gens.

2. Després es va passar a creure que no eren més que paràsits o basura del DNA sense cap impacte fenotípic.

3. Actualment creuen que alguns d’aquests elements transposables s’han usat durant l’evolució per crear noves senyals reguladores en proteïnes codificant i gens codificant de RNA.

En aquest paper creuen:

1. Al principi es consideraven paràsits sense cap funció i sense cap efecte en l’estabilitat de l’expressió genètica.

2. Ara es creu que la presencia d’elements repetitius (sobretot els Alu) tenen una certa influència en el genoma humà sobretot en l’evolució.

Diuen que els elements Alu i altres elements repetitius afecten al genoma en diferents punts:

1. Causant insercions

2. Causant mutacions

3. Provocant recombinació entre elements

4. Alteració en l’expressió de gens

INTRODUCCIÓ

- Qualsevol genoma eucariota conté elements mòbils encara que a proporcions i amb activitats diferents segons el tipus de genoma

- Els elements repetitius constitueixen el 45% del total del genoma humà i es van formar com a causa de la radiació d’animals euterians (placentaris) fa aproximadament 100 milions d’anys.

- Aquests elements proporcionen un registre fòssil de l’evolució del genoma.

- Trobem bàsicament 4 tipus d’elements repetitius en humans:

1. LINEs (Long intersoersed nucleotide element) 20%

2. SINEs (Short interspersed nucleotide elements) 13%

3. LTR (Retrovirus-like elements with long terminal repeats) 8%

4. DNA transposons 2.8%

Retroelements

FRACCIÓ RELATIVA DE DIFERENTS RETROELEMENTS ACTIUS VERSUS EL % DE SUBSTITUCIONS A LA SEQ. CONCENS.

- A més % de substitució més antics son els retroelements.

-Ens dona una idea de la dinàmica d'expansió dels diferents retroelements durant l’evolució del genoma humà.

- Actualment només queden uns pocs LINE’s i SINE’s actius en el genoma.

DISTRIBUCIÓ DELS ELEMENTS TRANSPOSABLES EN EL GENOMA.

En diferents estudis s’ha vist que hi ha regions del genoma més riques en seq repetitives que d’altres.

S’ha vist també que LINEs es troben sobretot en regions riques en AT i en canvi els SINEs es troben sobretot en regions riques en GC.

LINE’s: Estructura i replicació

• LINEs son retroelements autònoms

• Conte un promotor intern per la RNA Pol II i dos ORFs (open reading frames).

• ORF1 codifica per una proteïna de funció desconeguda, i ORF2 codifica per un polipèptid funcional amb activitat RT i EN.

• Té un lloc de Poli(A) a la regió 3’.

• Regió EN en older LINE’s Endonucleasa específica de seqüència.

• Regió EN en younger LINE’s Endonucleasa apurínica/pirimidínica.

1. El LINE un cop transcrit a RNA i gracies a la presencia de la cua poliA es exportat al citoplasma on es tradueix i es forma el complex RNP.

2. Un cop format el complex el LINE ja funcional que conté el polipèptid RT/EN pot entrar al nucli.

3. Dins el nucli inicia un proçés anomenat “Target-primed reverse transcription”, on el component EN talla la diana de DNA per generar un grup OH 3’ que es usat per RT per iniciar la TR del LINE RNA in situ en el cromosoma. Amb aquest proçés s’obté la nova copia de LINE.

Procés de replicació del LINE

SINE’s: Estructura i replicació• SINEs deriven de tRNA, a excepció dels elements ID dels roedors que deriven del RNA BC1 neuronal i també com a excepció els elements Alu que deriven del 7SL RNA.

• 80-500 pb

• Formats per 3 parts: el cap 5’ (tRNA related region), el cos (tRNA unrelated region) i la cua 3’ (AT rich).

• Al llarg de l’evolució han acumulat molts punts de mutació (entre el 5-35% depenent del moment d’aparició). Algunes regions son més conservades que altres (associades al mecanisme de retroposició).

• Solen tenir un % elevat de CpG, i aquestes regions solen ser les que tenen més mutacions.

CAP 5’:

• Conté promotor per la Pol III (resp. De la síntesi de petits RNAs com tRNA, 5srRNA….), pot user tres tipus de promotor.

• Funció: Iniciar la regulació de la transcripció del SINEs i mediar el transport dels SINE’s al citoplasma.

COS:

• 50-200 pb

• Unic per cada família de SINE’s

• La regió 3’ del cos es semblant a la regió 3’ final del LINE. Aquesta regió es important per la TR del SINE RNA.

• Podem trobar també regions CT riques la funció no se sap molt bé.

CUA 3’:

•Regió rica en A i AT.

•La llargada pot variar molt segons la família.

•En la majoria de SINEs la cua acaba en una regió rica en T que és una senyal de terminació de la Pol III.

• Aquesta regió es important per l’estabilitat del RNA i el seu transport entre nucli i citoplasma.

REPLICACIÓ:

Per a la seva replicació el elements transposables no autònoms (SINE’s) necessiten del mecanisme cel·lular i dels elements transposables autònoms (LINE’s).

De SINE RNA en trobem de dos tipus:

1. RNA d’elevat pes molecular al nucli Transcrit per RNA Pol II.

2. RNA de baix pes molecular al nucli i citoplasma Transcrit per RNA Pol III.

Trobem tres tipus de promotor de Pol III en eucariotes

MECANISMES DE REPLICACIÓ:

El genoma actiu del SINE es transcriu per la Pol III cel·lular.

El RNA que se'n obté s’envia al complex de la RT del citoplasma, un cop unit a la RT entra de nou al nucli on sofreix la transcripció reversa.

El SINE resultant s’integra al genoma.

INTRODUCCIÓ ALS ELEMENTS ALU

Els Alu formen part de la família dels SINEs

Els elements Alu son els elements repetitius més abundants en el genoma humà (1 milió de copies 10% del genoma)

Els primers Alu es van formar per la fusió d’una regió 5’ amb una 3’ del gen 7SL RNA.

La seva amplificació en el genoma humà es deguda a mecanismes de retrotransposició usant els mecanismes d’altres elements transposables, es creu que usen el mecanisme del LINEs.

Es creu que aquests elements poden tenir un paper modulant l’expressió de gens a nivell post-transcripcional de tres formes diferents: involucrat en splicing alternatiu, en edició de RNA i regulant la traducció.

o 300 pb. Solen trobar-se en introns, en regions 3’ no traduïdes i regions intergenòmiques.

o Estructura dimèrica formada de dos monòmers no equivalents.

o Regió 3’: Conté una inserció de 31nt regió poliA

o Regió 5’: Conté les caixa A i B del promotor intern de RNA Pol III que son poc funcionals.

o Estan separats per una regió rica en A seguit d’una petita cua Poli A (opcional)

Els elements Alu augmenten en nombre dins del genoma gracies el mecanisme de retrotransposició. Aquest proçés necesita la formació primer de tot de un transcrit de Alu RNA.

El següent pas d’aquest mecanisme un cop obtingut el alu RNA es la inserció en el genoma i la transcripció reversa. El lloc d’inserció sol marcar-lo la endonucleasa L1 a la regió TTAAA consens.

ESTRUCTURA I MECANISME D’INSERCIÓ DELS ALU

Alu J, les més antigues

Alu S

Alu Y, les més joves

Avui dia, tant sols una minoria dels Alu segueixen actius i amplifiquen en el genoma humà.

SUBFAMÍLIES DELS ELEMENTS ALU

Densitat de elements Alu en el cromosoma 21 i 22:

• El cromosoma 22 té una densitat més elevada de gens que el 21.

•El cromosoma 22 té uns 4 cops més seqüències Alu que el cromosoma 21.

• L’Alu més representat en aquests cromosomes es el Alu S

• Aquests resultats corroboren la teoria que A més densitat de gens + presència d’elements Alu

Ref:Deepak Grover et al, 2003. Mol.Biol.Evol

ESTUDI DE LA DENSITAT DE SEQUENCIES ALU SEGONS LA FUNCIONALITAT DEL GEN EN ELS CROMOSOMES 21 I 22.

Classifiquen els gens en 5 funcions:

• Proteïnes Estructurals

• Proteïnes informatives

• Proteïnes del metabolisme

• Proteïnes de senyalització

• Proteïnes de transport.

• Els gens que codifiquen per proteïnes estructurals i proteïnes informatives tenen una densitat ↓ Alu

• Gens involucrats en metabolisme i transport tenen densitat ↑ Alu

Ref:Deepak Grover et al, 2003. Mol.Biol.Evol

CONCLUSIONS:

• La desnitat d’elements Alu és més elevada en cromosomes amb elevat nombre de gens. Això pero no es compleix per a tots els cromosomes, ja que hi ha algunes regions d’alguns cromosomes riques en Alu pero pobres en gens.

• El contingut en GC dels gens innfluèncien també en la distribució d’elements Alu (sobretot els Alu J).

• Estudis recents demostren que la distribució d’elements AluY no es trova tant influenciada per el contingut en GC dels gens.

• Es creu que els Alu no es distribueixen al atzar dins del genoma sinó que la funció del gen és un factor clau en la presència o absència dels Alu.

• Queden encara per fer molts estudis per tal de determinar exactament les possibles funcions d’aquests elements.

Hi ha doncs factors adicionals que governen la distribució dels Alu al genoma, la densitat gènica no´n’és doncs l’unic determinant.

PREGUNTES?

BIBLIOGRAFIA:

1. SINE’s and LINE’s: the art of biting the hand that feeds you. Alan M Weiner, 2002

2. Do Alu repeats drive the evolution of the primate transcriptome? Araxi O Urrutia et al, 2008

3. Alu elements as regulators of gene expression. Julien Hasler et al, 2006

4. Human Alu RNA is modular transacting repressor of mRNA transcription during heat shock. Peter D.Mariner et al, 2008

5. Alu repeats and human genomic diversity. Mark A.Batzer et al, 2002

6. Repetitive sequences environment distinguishes housekeeping genes, C.Daniel Eller et al, 2006

7. Human LINE retrotransposons generate processed pseudogenes. Cécile Esnault et al, 2000

8. Short retroposons in eucaryoti genomes. Dimitri A.Kramerov et al, 2005

9. Regulation of mammalian gene expression by retroelements an non-coding tandem repeats. Nikolai V.Tomilin et al, 2008

10. Initial sequencing and analysis of the human genome. International human genome sequencing consortium, 2001