نقش ترانسپوزون‌ها در پروکاریوت‌ها
(قسمت سوم)
وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)، محمد عرفانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)
در بخش‌های گذشته در خصوص ساختار فیزیکی ترانسپوزون‌ها و نحوه جابجائی مطالبی ارائه گردید، در این قسمت پایانی انواع ترانسپوزون‌ها و نتایج انتقال آنها موردبحث قرار می‌گیرد.
انواع ترانسپوزون‌ها:
عناصر قابل انتقال در باکتری‌ها عمدتاً به سه دسته تقسيم می‌شوند:
1) توالی‌های الحاقی يا ([1]IS)
2) ترانسپوزون‌هاي مرکب
3) ترانسپوزون‌هاي غيرمرکب
1– توالی‌های افزوني يا IS:
ساده‌ترین عناصر قابل انتقال هستند و يک عنصر IS توالي کوچکي از DNA است با طولي حدود 750 تا 2000 جفت باز که تنها ژن‌های مربوط به آنزیم‌های موردنیاز براي جابجايي خود را دارند و در دو انتهاي خود داراي توالی‌های نوکلئوتيدي يکسان يا بسيار مشابه در جهت معکوس هستند که به تکرارهاي وارونه معروفند (شکل 1).
تکرارهاي وارونه معمولاً در حدود 15 تا 20 جفت باز دارند و در ميان عناصر IS متغير هستند؛ به اين معني که خصوصيات تکرارهاي وارونه براي هر نوع IS مختص به خود آن است. بين تکرارهاي وارونه ژني است که آنزيمي به نام ترانسپوزاز را کد می‌کند، اين آنزیم براي جابجایی و سازمان‌دهی دقيق انتهاي IS موردنیاز است. هر نوع عنصر با دادن پيشوند IS و سپس آوردن يک عدد، نام‌گذاری می‌شود. به نظر می‌رسد که عناصر IS انگل‌های مولکولي سلول‌های باکتريايي باشند.
جابجایی (ترانسپوزيشن) عنصر IS رخدادي بسيار نادر است که در يک سلول از 107 – 105 سلول هر نسل، با توجه به نوع IS به وقوع می‌پیوندد. سرعت‌های بالاي جابجایی احتمالاً منجر به سرعت جهش بسيار بالایي در سلول ميزبان می‌شود. در سرعت بسيار پايين جابجایی، بيشتر سلول‌های ميزبان زنده می‌مانند و IS را تکثير می‌دهند. با وجود اين که بسياري از جابجایی‌ها، ژن‌های ضروري را غيرفعال کرده و سلول ميزبان و عناصر IS آن را می‌کشند، اما سلول‌های ديگر ميزبان زنده می‌مانند. چون عناصر IS تقريباً به‌طور تصادفي وارد جایگاه‌های ژنوم می‌شوند و برخي از آنها در نواحي غيرضروري ژنوم قرار می‌گیرند، درنتیجه تعداد عناصر IS در سلول افزايش می‌یابد.
عناصر IS قابليت جايگيري در پلاسميدها و فاژها را دارند و می‌توانند همراه آنها به سلول‌های ديگر بروند. هنگام چنين رويدادي عناصر IS می‌توانند به کروموزوم‌های سلول‌های غيرآلوده‌کننده وارد شوند. ژن‌های آنها به‌طور مستقيم با تسريع و تنظيم جابجایی آنها مرتبط است. وقتي قطعات ژنومی IS در وسط يک ژن ظاهر شوند، سکانس کدکننده را مختل و بيان ژن را غيرفعال می‌نمایند.
بسته به اندازه و در برخي موارد حضور سیگنال‌های رونويسي و ترجمه، توالی‌های IS می‌توانند بيان ژن‌های ديگر را در همان اپرون مسدود کنند، خصوصاً اگر آن ژن‌ها در پایین‌دست در اپرون قرار داشته باشند.
2– ترانسپوزون‌هاي مرکب (Composite Transposon):
علاوه بر عناصر IS، باکتری‌ها داراي عناصر ژنتيکي متحرک پیچیده‌تری هستند که از عناصر IS بزرگ‌تر بوده و علاوه بر ژن‌های لازم براي جابجایی، حاوي يک يا چند ژن رمزکنندة پروتئین (ژن مقاومت به آنتی‌بیوتیک، تولید توکسین و سایر فاکتورهای ویرولانس) هستند. اين عناصر که ترانسپوزون‌هاي باکتريايي نام دارند داراي ژن مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک هستند که توسط دو عنصر IS شبیه به هم احاطه شده‌اند (شکل 1). ورود ترانسپوزون به پلاسميد يا DNA باکتريايي به دليل ايجاد مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک به‌راحتی قابل‌تشخیص است. از این دسته می‌توان به Tn5 (مقاومت به کانامایسین) و Th10 (مقاومت به Tet) اشاره کرد.
ترانسپوزون‌ها کارکردهاي گوناگوني در ژنوم باکتريايي دارند؛ آنها می‌توانند به سلول‌ها، پلاسميدها و ژنوم‌هاي ويروسي وارد شوند. در سلول‌ها قادرند به‌عنوان موتاژني که تنها يک ژن سلولي را متأثر می‌سازد، عمل کنند.
با وجود نادر بودن پديده ترانسپوزيشن به دليل اکتساب خاصيت مقاومت به آنتی‌بیوتیک، سلول‌های جهش‌یافته به‌راحتی تشخيص داده می‌شوند. اعتقاد بر اين است که ترانسپوزون‌هاي مرکب زماني شکل می‌گیرند که دو عنصر IS با يک قطعة مرکزي شامل يک يا چند ژن با هم همراه می‌شوند. اگر يک عنصر IS همانندسازي کند و تنها اندازة يک يا دو ژن پایین‌دست محل قبلي روي کروموزوم منتقل شود، اين همراهي می‌تواند شکل گيرد.
نام ترانسپوزون‌هاي مرکب با پيشوند Tn آغاز می‌شود. ترانسپوزيشن هم ممکن است در انتهاي داخلي و هم انتهاي خارجي رخ دهد. ترانسپوزيشن انتهاي خارجي از دو سکانس Inverted Repeat(IR) که از هم دورند استفاده می‌کند که در اين صورت DNA بين دو IS نيز جابجا می‌شود.
ترانسپوزيشن انتهاي داخلي از دو سکانس IS نزديک به هم اما عناصر IS متفاوت استفاده می‌کند که می‌تواند منجر به تشکيل يک ترانسپوزون مرکب جديد گردد.
نتايج جست‌وخیز سکانس‌های مرکب:
فاکتورهاي R (پلاسميدهاي شامل ژن‌های مقاومت بسيار) توسط قطعات IS چیده شده‌اند. ترانسپوزيشن انتهاي داخلي (Inside – end) می‌تواند منجر به حذف‌شدگی يا وارونه‌شدگي DNA بين جايگاه اوليه ترانسپوزون و جايگاه نهايي (مقصد) آن شوند. بسته به این‌که چطور به DNA هدف می‌چسبند، حذف‌شدگی يا وارونه‌شدگي رخ می‌دهد. متقاطع شدن انتهاي داخلي منجر به وارونگي می‌شود. اگر تقاطع ندهند حاصل آن حذف شدن است.
3– ترانسپوزون‌هاي غيرمرکب:
این نوع ترانسپوزون‌ها توالی الحاقی را در انتهای خود ندارند، ولی همانند قطعات IS داراي سکانس‌های IR در هر انتهای خود هستند، هم‌چنین مانند ترانسپوزون‌هاي مرکب دارای ژن‌های مارکر قابل تشخيص می‌باشند. از این دسته می‌توان به TnA اشاره کرد (شکل 1).
شکل 1: انواع مختلف ترانسپوزون در باکتری‌ها
مکانيسم ترانسپوزيشن
چندين مکانيسم مختلف ترانسپوزيشن به‌وسیله عوامل يوکاريوتي و پروکاریوتی قابل‌انتقال به کار می‌رود. در اشریشیاکلی ما می‌توانیم مدل‌های ترانسپوزيشن Replicative و حفاظت‌شده (غيرهمانندساز) یا Conservative transposition را تشخيص دهيم.
در مدل Replicative کپي چند تا از عوامل قابل‌انتقال، در جريان ترانسپوزيشن ايجاد می‌شود. نتيجه ترانسپوزيشن ظاهر شدن يک کپي در مکان جديد و باقي ماندن يک کپي در مکان قديمي است. در مسیر حفاظت‌شده هيچ همانندسازی رخ نمی‌دهد، اما به‌جای آن عنصر از کروموزوم يا پلاسميد خارج شده و وارد مکان جديدي می‌شود.
مدل Replicative
ترانسپوزازهاي کدشونده توسط ترانسپوزون شکست‌هایی را در انتهاي ترانسپوزون ايجاد می‌کنند. شکست‌های دورشته‌ای در DNA هدف ايجاد می‌شوند. انتهاي ‘3 ترانسپوزون به انتهاي ‘5، DNA هدف بسته می‌شود، سپس همانندسازی در هر دو جهت روي ترانسپوزون‌ها با استفاده از انتهاي ‘3 DNA هدف به‌عنوان پرايمر به پيش می‌رود. بعد از همانندسازی ترانسپوزون، انتهاي ‘3 جديد به‌وسیله بسته شدن به انتهاي ‘5 آزاد باقيمانده DNA دهنده به هم متصل می‌شوند. ترکيب دایره‌ای حاصل ترکيب دو قطعه دایره‌ای است که يک Cointegrate ناميده می‌شود و نشان می‌دهد که DNA دهنده و هدف به‌وسیله دو کپي از ترانسپوزون جدا شده‌اند (شکل 2). Cointegrate به‌وسیله نوترکيبي بين Resolution site روي دو کپي ترانسپوزون از یکدیگر جدا می‌شوند. این جدا شدن به‌وسیله يک رفع‌کننده که به‌وسیله ترانسپوزون‌ها کد می‌شود، کاتاليز می‌گردد. اين نـاحيـه تفکیک‌پذیری داخلي (IRS) Internal resolution site ناميده می‌شود.
شکل 2: نحوه ترانسپوزیشن Replicative
نقش ترانسپوزون‌ها در تکامل پلاسميدها:
پلاسميدها می‌توانند حاوي محل‌های هدف براي ترانسپوزون‌هاي متعدد و متفاوتي باشند، بنابراين ترانسپوزون‌ها غالباً بين پلاسميدها حرکت می‌کنند. حقيقت نگران‌کننده اين است که بسياري از ترانسپوزون‌ها داراي ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی هستند؛ ازاین‌رو هم‌زمان با تغيير مکان آنها از يک پلاسميد به ديگري، ژن‌های مقاومت نيز به پلاسميد هدف وارد می‌شود و يک پلاسميد مقاومتي را به وجود می‌آورند.
پلاسميدهاي مقاوم به چند دارو می‌توانند از تجمع ترانسپوزون‌ها در يک پلاسميد به وجود آيند. بسياري از پلاسميدهاي R در طول هم‌يوغي قادر به انتقال از يک سلول به سلول‌های ديگر هستند که ژن‌های مقاومت را در ميان جمعيت منتشر می‌کنند. درنهايت، از آنجا که ترانسپوزون‌ها نيز بين پلاسميدها و کروموزوم‌ها جابجا می‌شوند، ژن‌های مقاومت به دارو می‌توانند بين اين دو مولکول مبادله شوند و سبب انتشار بيشتر مقاومت به آنتی‌بیوتیک گردند.
برخي از ترانسپوزون‌ها ژن‌های انتقال را حمل می‌کنند و می‌توانند از طريق فرآيند هم‌يوغي بين باکتری‌ها جابجا شوند که ترانسپوزون هاي هم‌يوغي نام دارند مثل Tn916 در انتروکوکوس فکاليس. اگرچه Tn916 نمی‌تواند به‌طور مستقل همانندسازی کند، ولي می‌تواند خود را از انتروکوکوس فکاليس به سلول‌های پذيرندة متعددي انتقال داده و به درون کروموزوم‌های آنها وارد شود. ازآنجاکه اين ترانسپوزون ژن مقاومت به تتراسايکلين را حمل می‌کند، هم‌يوغي مقاومت دارويي را نيز منتشر می‌نماید.
[1] Insertion Sequences
نقش ترانسپوزون‌ها در پروکاریوت‌ها (1)
نقش ترانسپوزون‌ها در پروکاریوت‌ها (2)
برای دانلود فایل pdf بر روی لینک زیر کلیک کنید
ورود / ثبت نام