Schrott oder Gold: transponierbare Elemente im Humangenom

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Schrott oder Gold: transponierbare Elemente
im Humangenom
Jean-Nicolas Volff
Biozentrum, Universität Würzburg
Die Sequenzierung des Humangenoms hat
gezeigt, dass unser Erbgut mit Millionen
von DNA-Parasiten, die transponierbare
Elemente genannt werden, durchsetzt ist.
Diese beweglichen und rekombinierenden
Sequenzen können durch verschiedene
molekulare Mechanismen unsere Gene
zerstören und dadurch eine Vielzahl genetischer Erkrankungen hervorrufen. Andererseits weisen eine Reihe wichtiger Beobachtungen darauf hin, dass Retroelemente
und andere transponierbare Sequenzen
wichtige Komponenten eukaryotischer
Genome sind. Ihre positiven Auswirkungen
auf Genfunktionen sowie Genomstruktur
und Evolution sind viel umfangreicher als
zunächst angenommen. Besonders wichtig
erscheinen diese Sequenzen als Reservoir
für neue regulatorische und kodierende
Sequenzen, die zu evolutionärer Innovation
führen können. Einige wichtige zelluläre
Funktionen, die zum Beispiel für die Replikation der Chromosomen oder das Immunsystem wichtig sind, werden von Genen
kodiert, die von transponierbaren
Elementen abgeleitet worden sind. Dabei
haben diese oft als „Schrott-DNA“ bezeichneten Sequenzen einen „goldwerten“
Beitrag zur Entwicklung der Säugetiere
und anderer Lebewesen geleistet.
Abb. 1: Autonome Retroelemente bei Wirbeltieren. APE, apurinische/apyrimidinische-ähnliche
Endonuklease; ENV, „envelope“ (Hülle); IN, Integrase; ORF, „open reading frame“; PR, Protease; LTR,
„long terminal repeat“; REL, „restriction enzyme-like“ Endonuklease; RH, Ribonuklease H; RT, reverse
Transkriptase; URI, „UvrC and intron-encoded“ Endonuklease; YR, Tyrosin-Rekombinase.
Etwa 95 % des menschlichen Erbguts besteht aus Sequenzen, die keinerlei bekannte Funktionen besitzen[1]. Ein Großteil dieser Sequenzen sind endogene Retroelemente, die mit drei Millionen Kopien mindestens 40 % des Humangenoms ausmachen. Zum Vergleich: Die Protein-kodierenden Exons aus 20.000–30.000 Genen bilden nur etwa 1,5 % des Erbguts des Menschen (Tab. 1). DNA-Transposons ihrerseits
machen mit ca. 300.000 Kopien etwa 3 % des
Humangenoms aus. Da aber endogene Retroelemente wesentlich wichtiger für die
Struktur und Evolution von Säugergenomen
sind, wird in diesem Artikel nicht auf die
DNA-Transposons eingegangen.
Hauptgruppen von Retroelementen
Der gemeinsame Nenner autonomer Retroelemente ist ein Gen, das für eine reverse
Transkriptase (RT) kodiert (Abb. 1). Die RT
ist das Enzym, das die mRNA in komple-
mentäre DNA (cDNA) umschreibt. Durch
Integration der cDNA ins Genom wird eine
neue Kopie des Elements erzeugt, die ursprüngliche Kopie bleibt dabei erhalten.
Es wird grundsätzlich zwischen Retroelementen mit LTRs („Long Terminal Repeats“) und ohne LTRs unterschieden.
LTRs sind die beiden Sequenzwiederholungen, die sich jeweils am 5’- und 3’-Ende
der LTR-Retrotransposons und Retroviren
befinden. Sie enthalten Sequenzen für die
korrekte Transkription des Elements und
sind für die Integration der cDNA erforderlich. Dazu weisen die meisten LTR-Retroelemente zwei offene Leseraster namens gag
und pol auf. Gag ist ein Kapsid-Strukturprotein. Pol kodiert für ein Polyprotein mit Protease-, RT/Ribonuklease H- und IntegraseBereichen. Retroviren unterscheiden sich
von LTR-Retrotransposons durch die Anwesenheit eines Gens für das Hüllglykoprotein Env (Envelope).
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Tab. 1: Transponierbare Elemente und Protein-kodierende Gene bei Vertebraten: Kopienanzahl und
Genom-Anteil (%).
Mensch
3.100 Mb
Nicht-LTR-Retrotransposons
Maus
2.800 Mb
Ratte
2.750 Mb
Huhn
1.200 Mb
Fugu
400 Mb
868.000
660.000
657.000
205.000
14.000
21 %
19 %
23 %
6%
?
LTR-Retroelemente
443.000
631.000
556.000
12.000
3.000
8%
10 %
9%
1%
?
SINEs
1.558.000
1.498.000
1.360.000
10.000
5.000
13 %
8%
7%
0,1 %
?
DNA-Transposons
Summe transponierbarer Elemente
294.000
112.000
108.000
13.000
8.000
3%
1%
1%
1%
?
3.163.000
2.901.000
2.681.000
240.000
30.000
45 %
38 %
40 %
8%
<5 %
Protein-kodierende Gene
20–30.000
20–30.000
20–30.000
20–23.000
20–30.000
Exons
1,5 %
1,5 %
1,5 %
4%
10–15 %
Die einzigen kodierenden LTR-Elemente im Humangenom sind die humanen endogenen Retroviren (HERV)[2]. Sie sind nach
reverser Transkription der mRNA exogener Retroviren ins Wirtsgenom integriert
worden. Fast alle HERVs sind durch Mutationen inaktiviert worden.
Autonome nicht-LTR-Retrotransposons
bzw. LINEs (Long Interspersed Nuclear
Elements) kodieren für eine RT und entweder eine apurinische/apyrimidinischeähnliche (AP) Endonuklease oder eine Endonuklease, die mit Resktriktionsenzymen
verwandt ist. Eine weitere Hauptgruppe von
Retrotransposons ohne LTRs sind die Penelope-verwandten Elemente, die eine sogennante Uri-Endonuklease kodieren.
Die große Mehrheit der nicht-LTR-Retrotransposons im Humangenom sind LINE1
(L1) Elemente. Sie sind die einzigen autonomen Retrotransposons, die beim Menschen noch aktiv sind. Vollständige L1-Elemente sind etwa 6 Kb groß und kodieren
eine AP-Endonuklease. Die meisten L1Elemente sind, wahrscheinlich als Folge einer fehlerhaften reversen Transkription, am
5’-Ende unvollständig. Aus den über 500.000
Kopien von L1, die im Humangenom vorhanden sind, können nur 80–100 Elemente
autonom retrotransponieren.
Einige Familien nicht-autonomer Retroelemente sind auf die enzymatische Maschinerie der L1-Retrotransposons angewiesen, um sich in Genomen zu vermehren.
Eine wichtige Gruppe solcher Sequenzen
sind die SINEs („Short Interspersed Nuclear Elements“). SINEs sind kurze, vielfach
wiederholte Sequenzen, die von Genen abgeleitet sind, die von der Polymerase III
transkribiert werden (tRNA-, rRNA-, 7SLRNA-Gene). Die meisten dieser Sequenzen
im Humangenom sind die Alu-Elemente.
Das nicht-autonome SVA-Retroelement, das
aus zwei SINE-Sequenzen, besteht, wird
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auch durch L1-Elemente mobilisiert, genauso wie die prozessierten Retrogene, die
durch die reverse Transkription von zellulären Genen entstehen.
Viele Gruppen von Retroelementen, die
bei Vertebraten identifiziert werden konnten, wurden aus dem Genom der Vorfahren
von Säugern und Vögeln eliminiert. Besonders LTR Retrotransposons, Retrotransposons mit Restriktionsenzym-ähnlicher
Endonuklease und Penelope-verwandte
Retroelemente sind beim Menschen nicht
mehr vorhanden[3]. Die evolutionären Mechanismen hinter dieser massiven Eliminierung bleiben unbekannt.
Endogene Retroelemente, Mutationen und
Krankheiten
Endogene Retroelemente können verschiedene Typen von Mutationen hervorrufen
und eine Vielfalt genetischer Erkrankungen
verursachen (Abb. 2, Tab. 2)[4]. Beim Menschen ist schätzungsweise eins von 20 Neugeborenen von einer de novo genomischen
Insertion betroffen. Etwa 0,3 % der spontanen Mutationen beim Menschen sind auf
endogene Retroelemente zurückzuführen.
Die Insertion einer neuen Kopie eines
Retroelements kann zur Zerstörung wichtiger genomischer Sequenzen führen. Zum
Beispiel können solche Ereignisse zur
Unterbrechung der protein-kodierenden Sequenz eines Gens führen. Exonische Insertionen von L1, Alu oder SVA-Retroelementen, die genetische Erkrankungen beim
Menschen hervorgerufen haben, sind in verschiedenen Genen beschrieben worden
(Tab. 1). Die Insertion eines Retroelements
in der Nähe des Promotors eines Gens kann
Abb. 2: Retroelement-vermittelte molekulare Mechanismen, die zur Entstehung genetischer Erkrankungen führen können. Gelbe Kästchen, Exons; Grüne Kästchen, Retroelemente (RTE). (A) Wildtyp-Gen,
(B) Insertion eines Retroelements in einem Exon, (C) Retrotranspositions-assoziierte Deletion an der
Insertionsstelle, (D) Exonierung eines intronischen Retroelementes, die zur Unterbrechung des offenen
Leserasters führen kann, (E) Bildung einer Antisense-RNA aus einem im Retroelement enthaltenden
Promotor, (F) Abbruch der Transkription in einem intronischen Retroelement, (G) Ungleiche homologe
Rekombination zwischen zwei nicht-allelischen Kopien des Retroelementes, die zur Deletion bzw.
Duplikation führen kann, (H) Deletion durch illegitime Rekombination zwischen zwei Retroelementen.
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Tab. 2: Retroelement-vermittelte Mutationen und genetische Erkrankungen beim Menschen (Auswahl).
Erkrankung
Gen(Produkt)
Mutation
Hämophilie A
Faktor VIII
L1-Insertion (Exon)
Hämophilie B
Faktor IX
L1-Insertion (Exon)
Darmkrebs
APC-Tumorsuppressor
L1-Insertion (Exon)
Choroideremie
Rab Escort Protein-1
L1-Insertion (Exon)
X-chromosomale Retinitis Pigmentosa
Retinitis Pigmentosa 2
L1-Insertion (Intron)
Chronische Granulomatose
Cytochrom b245
L1-Insertion (Intron)
Kolorektales Karzinom (HNPCC)
MutS-Homolog 2
Alu-Insertion (Exon)
X-chromosomale Agammaglobulinämie
Bruton-Tyrosinkinase
Alu-Insertion (Exon)
Dent-Krankheit
Chloridkanal CLCN5
Alu-Insertion (Exon)
Brustkrebs
BRCA2-Protein
Alu-Insertion (Exon)
Apert-Syndrom
FGF-Rezeptor 2
Alu-Insertion (Exon)
Acholinesterasemia
Cholinesterase
Alu-Insertion (Exon)
Neurofibromatose Typ 1
Neurofibromatose-1
Alu-Insertion (Intron)
Glycerol-Kinase-Mangel
Glycerol-Kinase
Alu-Insertion (Intron)
Hereditäre Elliptozytose
Alpha-Spectrin
SVA-Insertion (Exon)
X-chromosomale Agammaglobulinämie
Bruton-Tyrosinkinase
SVA-Insertion (Exon)
Rezessive Hypercholesterinämie
Adaptor-Protein ARH
SVA-Insertion (Intron)
Fukuyama kongenitale Muskeldystrophie
Fukutin
SVA-Insertion (3’-UTR)
Glykogenose
Phosphorylase-Kinase PHKB
Deletion, L1/L1 Rekombination
Fanconi-Anämie
Fanconi-Anemia-A
Deletion, Alu/Alu-Rekombination
Lesch-Nyhan-Syndrom
HPR-Transferase
Deletion, Alu/Alu-Rekombination
Li-Fraumeni-Syndrom
TP53-Tumorsuppressor
Deletion, Alu/Alu-Rekombination
Tangier-Krankheit
Transporter ABCA1
Deletion, Alu/Alu-Rekombination
Hereditäres Angioödem
C1-Inhibitor
Deletion, Alu/Alu-Rekombination
Männliche Sterilität
Azoospermia-Region a
Deletion, HERV/HERV-Rekombination
X-gekoppelte Agammaglobulinämie
Bruton-Tyrosinkinase
Duplikation, Alu/Alu-Rekombination
Lesch-Nyhan-Syndrom
HPR-Transferase
Duplikation, Alu/Alu-Rekombination
Pelizaeus-Merzbacher-Syndrom
Myelin-Proteolipid-Protein
Translokation, Alu/Alu-Rekombination
Ahornsirupkrankheit
Dihydrolipoyl-Transacylase
Deletion, Alu/L1-Rekombination
Duchenne Muskeldystrophie
Dystrophin
Deletion, Alu/L1-Rekombination
Kongenitales Katarakt, Neuropathie
Proteinphosphatase FCP1
Alu-Mutation und Exonisierung
auch dessen Expression verändern und zu
Erkrankungen führen. Solche Insertionen
können die Gentranskription entweder aktivieren oder unterdrücken, z. B. durch epigenetische Mechanismen. Die Insertion
kann auch Deletionen, Inversionen und Duplikationen an der Integrationsstelle verursachen. Deletionen, die durch L1-Retrotransposition hervorgerufen werden, können
beträchtlich sein (> 20 Kb).
Auch in Introns können Retroelemente
die Funktion von Genen beeinträchtigen.
Die Rekrutierung intronischer Retroelemente als Exons (Exonisierung) kann zur
Unterbrechung der kodierenden Sequenz
führen. Retroelemente tragen eigene Promotoren, deren Aktivierung zur Synthese einer Antisense-RNA des Gens führen kann,
und sind auch in der Lage, die Transkription
eines Gens abzubrechen[5].
Ungleiche homologe Rekombination
kann zwischen nicht-allelischen Kopien eines Retroelements stattfinden. Solche Rekombinationsereignisse können Deletionen,
interne Duplikationen oder Translokationen
als Folgen haben. Deletionen können auch
durch illegitime Rekombination zwischen
Retroelementen, zum Beispiel zwischen
Alu-Sequenzen und L1-Retrotransposons,
verursacht werden.
Die Aktivierung der Expression von humanen endogenen Retroviren ist mit verschiedenen Erkrankungen in Zusammenhang gebracht worden, wie zum Beispiel
Autoimmunerkrankungen, Krebs oder Schizophrenie. Bei manchen Krebserkrankungen wird das Hüllglykoprotein endogener
Retroviren durch die Tumorzellen exprimiert. Dieses Protein wirkt immunsuppressiv und fördert das Wachstum der Tumoren[6].
Transponierbare Elemente und Gen(om)Evolution
Transponierbare Elemente sind lange als
„selfish“ (egoistisch), „junk“ (Schrott) bzw.
Parasiten des Genoms betrachtet worden[7].
Es gibt nun zunehmend Hinweise darauf,
dass sie eine wichtige Rolle in der Evolution
und der Funktion von Genen und Genomen
spielen[2, 8, 9]. Homologe Rekombination zwischen nicht-allelischen Kopien endogener
Retroviren bzw. Alu-Sequenzen hat durch
die Bildung von großen DNA-Umlagerungen wesentlich zur Evolution des Genoms
von Primaten beigetragen. Genduplikation
kann durch Retrotransposition zellulärer
mRNAs stattfinden, die zur Bildung neuer
funktioneller intronloser Gene führen kann.
Bei Säugetieren sind viele dieser Retrogene
spezifisch im Hoden exprimiert und möglicherweise an der Spermatogenese beteiligt[10]. Retroelemente wie das L1-Retrotransposon sind in der Lage, 3’-flankierende
genomische Sequenzen zu retrotransponieren. Dieser Duplikations-Mechanismus
könnte von großer Bedeutung für die Evolution von Genen sein[2].
Kodierende und regulatorische Sequenzen von transponierbaren Elementen sind
während der Evolution für die Funktion zellulärer Gene rekrutiert worden[11]. Etwa
3,5 % der Gene des Menschen enthalten
Retroelement-abgeleitete Sequenzen in ihren protein-kodierenden Exons[12]. Vollständige Gene aus Retroelementen sind
während der Evolution auch „gezähmt“ worden und erfüllen seitdem neue Funktionen
für die Wirtszellen. Die Telomerase, die die
Replikation der Enden eukaryotischer Chromosomen (Telomere) katalysiert, leitet sich
möglicherweise von der reversen Transkriptase eines Retrotransposons ab[13]. Hüllproteine endogener Retroviren sind am Aufbau
der menschlichen Plazenta beteiligt[14]. Eine Familie von Genen, die möglicherweise
an der Kontrolle von Zellproliferation und
Apoptose beteiligt sind, ist aus gag-Genen
von Retrotransposons entstanden. Einige
dieser Gene unterliegen einer elterlichen
Prägung, die möglicherweise von epigenetischen Abwehrmechanismen gegen Retroelemente abgeleitet ist[15]. Proteine aus endogenen Retroviren können auch vor Infektionen durch exogene Retroviren schützen[16]. Auch DNA-Transposons können als
evolutionäre Quelle für neue Gene fungieren: die RAG1-Rekombinase, die für die
V(D)J-Rekombination notwendig ist, ist
wahrscheinlich aus einem DNA-Transposon
entstanden[17].
Retroelemente spielen auch eine wichtige Rolle in der Strukturgebung und Funktion der Genome. Transponierbare Elemente sind wahrscheinlich wichtige Faktoren für
die Bildung von Heterochromatin sowie für
die epigenetische Regulation von Genen. Es
ist vorgeschlagen worden, dass der Abbruch
der Transkription zellulärer Gene durch intronische L1-Retrotransposons einem generellen Mechanismus der Genregulation entBIOspektrum · 6/05 · 11. Jahrgang
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spricht[5] und dass L1-Retrotransposons als
Auslöser für die Inaktivierung des X-Chromosoms fungieren[18]. Retrotransposons
spielen möglicherweise eine wichtige Rolle
bei der Reprogrammierung des Genoms in
früheren Stadien der Embryogenese bei
Säugern[19] sowie bei der Regulation der
Genexpression nach Hitzeschock[20].
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Korrespondenzadresse:
Dr. Jean-Nicolas Volff
Physiologische Chemie I
Biozentrum
Universität Würzburg
Am Hubland
D-97074 Würzburg
[email protected]
Jean-Nicolas Volff
geboren 1966; Studium
der Biologie in Nancy
(Frankreich); 1994 Promotion am Institut für
Genetik und Mikrobiologie in Nancy;
1994–1996 EMBO-Stipendiat am Institut für
Industrielle Genetik in
Stuttgart; 1996–1997
Arbeitsgruppenleiter am
Robert-Bosch-Krankenhaus in Stuttgart;
1997–2001 Wiss. Assistent und Arbeitsgruppenleiter am Institut für
Physiologische Chemie I
in Würzburg; seit 2001
Biofuture-Nachwuchsgruppenleiter in Würzburg; 2006 Habilitation.