Worldlex Wiki Les éléments transposables ( ET ), également appelés transposons , gènes sauteurs ou éléments génétiques mobiles , sont des séquences d'ADN capables de changer de position, ou de se déplacer , au sein d'un génome. Les ET ont été identifiés pour la première fois grâce à des études génétiques sur le maïs par Barbara McClintock , une découverte qui lui a valu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1983. On trouve des ET dans la plupart des espèces, à tous les niveaux du vivant. Il existe actuellement deux classifications d'ET : les ET de classe I et les ET de classe II. Les ET de classe I, ou rétrotransposons , fonctionnent généralement par transcription inverse, ce qui leur permet de s'insérer dans une autre région du génome. Les ET de classe II, ou transposons d'ADN , codent pour la transposase (et parfois d'autres protéines), une protéine nécessaire à leur insertion, leur excision ou d'autres fonctions.
Barbara McClintock remonte à plusieurs décennies, lors de ses premières études au Cold Spring Harbor Laboratory (CSH) de New York. Elle y a identifié des ET chez le maïs ( Zea mays ) au cours d'expériences sur des plantes présentant des cassures chromosomiques.Durant l'hiver 1944-1945, McClintock sema des grains de maïs issus d'autofécondation, c'est-à-dire dont le style (ou soie ) avait reçu le pollen de sa propre anthère . Ces grains provenaient d'une longue lignée de plantes ayant subi une autofécondation, ce qui avait entraîné la rupture des bras chromosomiques à l'extrémité de leur neuvième chromosome. Au fur et à mesure de la croissance des plantes, McClintock observa des motifs de coloration inhabituels sur les feuilles ; par exemple, une feuille présentait deux taches albinos de taille presque identique, côte à côte. McClintock émit l'hypothèse que, lors de la division cellulaire, certaines cellules perdaient du matériel génétique, tandis que d'autres en récupéraient. Cependant, en comparant les chromosomes de la génération actuelle de plantes avec ceux de la génération parentale, elle constata que certaines parties des chromosomes avaient changé de position. Ceci réfutait la théorie génétique courante de l'époque, selon laquelle les gènes étaient fixes à leur position sur un chromosome. McClintock découvrit que les gènes pouvaient non seulement se déplacer, mais aussi être activés ou désactivés en fonction de certaines conditions environnementales ou au cours des différentes étapes du développement cellulaire. Elle montra également que ces mutations génétiques étaient réversibles.
En 1950, McClintock publia ses résultats dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS), dans un article intitulé « Origine et comportement des loci mutables chez le maïs » . Lors du symposium de Cold Spring Harbor de 1951, où elle présenta ses résultats pour la première fois, son intervention fut accueillie par un silence total . Ses travaux furent largement ignorés jusqu'à la fin des années 1960-1970, lorsque la présence d'éléments transposables (ET) chez les eucaryotes fut redécouverte après leur découverte chez les bactéries
McClintock a reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1983 pour sa découverte des TE, plus de trente ans après ses recherches initiales.
Classification
Classe I : Rétrotransposons
Malgré les effets négatifs potentiels de l'auto-insertion des rétrotransposons dans des séquences d'ADN essentielles, pouvant rendre inutilisables des gènes importants, ces derniers sont indispensables au maintien de l'intégrité de l'ADN ribosomique (ADNr) des différentes espèces au fil des générations, prévenant ainsi la stérilité. Le rétrotransposon R2 de la drosophile induit des cassures double brin par activité endonucléase lors de sa réplication au sein de son ADNr cible, permettant la recombinaison homologue entre chromatides sœurs pour réparer ces cassures. Les chromatides résultantes, chacune contenant une quantité différente d'ADNr, sont marquées et ségrégées de manière différentielle lors de la division asymétrique des progéniteurs en cellules souches filles, qui reçoivent les chromatides les plus riches en ADNr, et en précurseurs de cellules germinales.
Actuellement, les rétrotransposons sont généralement regroupés en deux grandes catégories :
- Rétrotransposons avec de longues répétitions terminales (LTR), qui codent pour une transcriptase inverse similaire aux rétrovirus ;
- Rétrotransposons sans longues séquences terminales répétées (Non-LTR), contenant des éléments nucléaires intercalés longs (LINE, LINE-1 ou L1) ou des éléments nucléaires intercalés courts (SINE).
Les longs clusters nucléaires dispersés codent pour la transcriptase inverse et sont transcrits par l'ARN polymérase II . Les SINE, quant à eux, ne codent pas pour la transcriptase inverse et sont transcrits par l'ARN polymérase III .
Classe II : transposons d'ADN
Le mécanisme de transposition par découpage-collage des éléments transposables de classe II ne fait pas intervenir d'ARN intermédiaire . Ces transpositions sont catalysées par plusieurs enzymes transposases . Certaines transposases se lient de manière non spécifique à n'importe quel site cible de l'ADN, tandis que d'autres se lient à des séquences cibles spécifiques. La transposase effectue une coupure décalée au niveau du site cible, générant des extrémités cohésives , excise le transposon d'ADN et le ligate dans le site cible. Une ADN polymérase comble les brèches résultant des extrémités cohésives et une ADN ligase referme le squelette sucre-phosphate. Il en résulte une duplication du site cible, et les sites d'insertion des transposons d'ADN peuvent être identifiés par de courtes répétitions directes (une coupure décalée dans l'ADN cible comblée par l'ADN polymérase) suivies de répétitions inversées (importantes pour l' excision de l'élément transposable par la transposase).
Les éléments transposables (ET) de type « copier-coller » peuvent être dupliqués si leur transposition a lieu pendant la phase S du cycle cellulaire , lorsqu'un site donneur a déjà été répliqué mais qu'un site cible ne l'a pas encore été. De telles duplications au niveau du site cible peuvent entraîner une duplication de gène , qui joue un rôle important dans l'évolution génomique .
Tous les transposons d'ADN ne se transposent pas par le mécanisme de couper-coller. Dans certains cas, une transposition réplicative est observée, au cours de laquelle un « transposon complexe » se réplique vers un nouveau site cible (par exemple, l'hélitron ).
Les TE de classe II représentent moins de 2 % du génome humain, ce qui fait des autres transposons de classe I.
Autonomes et non autonomes
Maladies et autres effets négatifs
Évolution
Les éléments transposables (ET) sont présents chez presque toutes les formes de vie, et la communauté scientifique continue d'explorer leur évolution et leur impact sur l'évolution du génome. On ignore si les ET proviennent du dernier ancêtre commun universel , s'ils sont apparus indépendamment à plusieurs reprises, ou s'ils sont apparus une seule fois puis se sont répandus à d'autres règnes par transfert horizontal de gènes . Une activité excessive des ET pouvant endommager les exons , de nombreux organismes ont acquis des mécanismes pour inhiber cette activité. Les bactéries peuvent subir des taux élevés de délétion de gènes dans le cadre d'un mécanisme d'élimination des ET et des virus de leur génome, tandis que les organismes eucaryotes utilisent généralement l'interférence ARN pour inhiber l'activité des ET. Néanmoins, certains ET génèrent de grandes familles souvent associées à des événements de spéciation . L'évolution désactive fréquemment les transposons d'ADN, les laissant sous forme d'introns (séquences géniques inactives). Chez les vertébrés, la quasi-totalité des plus de 100 000 transposons d'ADN par génome possèdent des gènes codant pour des polypeptides transposases inactifs
Le système de transposons de la Belle au Bois Dormant
Le premier transposon synthétique conçu pour être utilisé dans les cellules de vertébrés (y compris humaines), le système de transposon Sleeping Beauty , est un transposon de type Tc1/mariner. Ses versions inactives (« fossiles ») sont largement répandues dans le génome des salmonidés et une version fonctionnelle a été créée par comparaison de ces versions. Les transposons humains de type Tc1 sont divisés en deux sous-familles : Hsmar1 et Hsmar2. Bien que les deux types soient inactifs, une copie de Hsmar1 présente dans le gène SETMAR est soumise à la sélection car elle permet la liaison à l’ADN de la protéine de modification des histones. De nombreux autres gènes humains dérivent également de transposons. Hsmar2 a été reconstruit à plusieurs reprises à partir des séquences fossiles.
Avantages sélectifs
Les éléments transposables (ET) peuvent influencer les réseaux de régulation génique et ainsi présenter des avantages évolutifs. Les séquences répétées dispersées sont créées par transposition ; puisqu’elles peuvent inhiber la conversion génique , elles protègent les nouvelles séquences géniques contre l’écrasement par des séquences similaires et facilitent ainsi le développement de nouveaux gènes. Les ET pourraient également avoir été cooptés par le système immunitaire des vertébrés comme moyen de production de diversité d’anticorps. Le système de recombinaison V(D)J fonctionne selon un mécanisme similaire à celui de certains ET. Les ET servent également à générer des séquences répétitives capables de former de l’ARNdb, lequel sert de substrat à l’action d’ ADAR dans l’édition de l’ARN.
Les éléments transposables (ET) peuvent contenir de nombreux types de gènes, notamment ceux conférant une résistance aux antibiotiques et la capacité de se transposer à des plasmides conjugatifs. Certains ET contiennent également des intégrons , des éléments génétiques capables de capturer et d'exprimer des gènes provenant d'autres sources. Ces intégrons contiennent l'intégrase , qui peut intégrer des cassettes de gènes . Plus de 40 gènes de résistance aux antibiotiques, ainsi que des gènes de virulence, ont été identifiés sur ces cassettes.brassage d'exons . Le brassage de deux exons non apparentés peut créer un nouveau produit génique ou, plus probablement, un intron.
Certains éléments transposables (ET) non autonomes présents chez les plantes peuvent capturer de l'ADN codant à partir de gènes et le redistribuer dans le génome. Ce processus peut dupliquer des gènes dans le génome (un phénomène appelé transduplication) et contribuer à la génération de nouveaux gènes par remaniement d'exons.
Moteur évolutif des TE
Il existe une hypothèse selon laquelle les éléments transposables (ET) pourraient constituer une source facilement exploitable par la cellule pour réguler l'expression des gènes. Des recherches ont montré que de nombreux modes de coévolution des ET, ainsi que certains facteurs de transcription ciblant les éléments génomiques et la chromatine associés aux ET, évoluent à partir de séquences d'ET. Le plus souvent, ces modes particuliers ne suivent pas le modèle simple des ET et de la régulation de l'expression des gènes hôtes.
Sujets divers
Une hypothèse suggère qu'une centaine de séquences apparentées à LINE1 seulement sont actives, bien qu'elles représentent 17 % du génome humain. Dans les cellules humaines, l'inhibition de l'expression des séquences LINE1 est déclenchée par un mécanisme d'interférence ARN (ARNi). De façon surprenante, les séquences d'ARNi proviennent de la région 5′ non traduite (UTR) de LINE1, une longue séquence terminale répétitive. L'UTR 5′ de LINE1, qui code pour le promoteur sens de la transcription de LINE1, coderait également pour le promoteur antisens du microARN (miARN) servant de substrat à la production de petits ARN interférents (siARN). L'inhibition du mécanisme d'inhibition par ARNi dans cette région a montré une augmentation de la transcription de LINE1.
Défense et maladie
Si les organismes sont principalement composés d'éléments transposables (ET), on pourrait supposer que les maladies causées par des ET mal positionnés sont très fréquentes. Cependant, dans la plupart des cas, les ET sont inactivés par des mécanismes épigénétiques tels que la méthylation de l'ADN , le remodelage de la chromatine et les piARN, de sorte que peu ou pas d'effets phénotypiques ni de mouvements d'ET ne se produisent – comme c'est le cas pour certains ET de plantes sauvages. Certaines plantes mutées présentent des défauts au niveau des enzymes liées à la méthylation (méthyltransférases), ce qui entraîne la transcription des ET et, par conséquent, une modification du phénotype. consensus pour chaque famille de séquences, et 3) la classification de ces séquences répétées. Il existe trois groupes d'algorithmes pour la première étape. Le premier groupe, appelé approche k-mer , utilise un k-mer comme unité de longueur k. Cette approche consiste à analyser le génome à la recherche de k-mers surreprésentés, c'est-à-dire des k-mers qui apparaissent plus fréquemment que ne le laisserait supposer la probabilité. La longueur k est déterminée par le type de transposon recherché. L'approche k-mer tolère également les mésappariements, dont le nombre est déterminé par l'analyste. Certains programmes utilisant l'approche k-mer prennent le k-mer comme base et étendent les deux extrémités de chaque k-mer répété jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de similarité entre elles, indiquant ainsi les extrémités des répétitions. Un autre groupe d'algorithmes emploie une méthode appelée autocomparaison de séquences. Les programmes d'autocomparaison de séquences utilisent des bases de données telles qu'AB-BLAST pour réaliser un alignement initial . Ces programmes, en identifiant des groupes d'éléments se chevauchant partiellement, sont utiles pour la détection de transposons très divergents ou de transposons dont seule une petite région a été copiée dans d'autres parties du génome . Un autre groupe d'algorithmes repose sur l'approche de la périodicité. Ces algorithmes effectuent une transformation de Fourier sur les données de séquence, identifiant les périodicités (régions répétées périodiquement) et exploitant les pics du spectre résultant pour trouver des éléments répétitifs candidats. Cette méthode est particulièrement performante pour les répétitions en tandem, mais peut également être utilisée pour les répétitions dispersées. Cependant, sa lenteur la rend peu adaptée à l'analyse à l'échelle du génome
La deuxième étape de l'identification de novo des séquences répétées consiste à établir une séquence consensus pour chaque famille. Cette séquence consensus est créée à partir des répétitions qui composent une famille d'éléments transposables (TE). Une paire de bases dans un consensus est celle qui apparaît le plus fréquemment dans les séquences comparées pour l'établir. Par exemple, dans une famille de 50 répétitions où 42 possèdent une paire de bases T à la même position, la séquence consensus comportera également un T à cette position, car cette paire de bases est représentative de la famille dans son ensemble à cet endroit précis et correspond très probablement à la paire de bases présente chez l'ancêtre commun de la famille à cette position. Une fois la séquence consensus établie pour chaque famille, il est possible de procéder à des analyses plus poussées, telles que la classification des TE et le masquage du génome, afin de quantifier la quantité totale de TE dans le génome.
TE adaptatifs
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