Της Μαριτίνας Λάππα,
Το DNA του κυττάρου συνιστά μία δυναμική οντότητα. Δεν πρόκειται απλώς για ένα ακίνητο, στατικό αρχείο πληροφοριών. Αντιθέτως, κρύβει μέσα του αλληλουχίες με αξιοσημείωτη κινητικότητα: τα τρανσποζόνια ή αλλιώς μεταθετά στοιχεία, γνωστά και ως “jumping genes”. Αυτές οι μετακινούμενες μονάδες DNA ανακαλύφθηκαν και μελετήθηκαν για πρώτη φορά στην δεκαετία του 1940 από την επιστήμονα Barbara McClintock, η οποία προσπάθησε να ερμηνεύσει και να αποκωδικοποιήσει γενετικά φαινόμενα, μέσα από πειράματα και μελέτες που πραγματοποίησε, χρησιμοποιώντας το καλαμπόκι.
Τα τρανσποζόνια είναι ειδικές αλληλουχίες DNA που έχουν την δυνατότητα να μετακινούνται σε άλλα σημεία του γονιδιώματος. Εντοπίζονται σε πολλούς, διαφορετικούς οργανισμούς από τους προκαρυωτικούς, τους ευκαρυωτικούς μονοκύτταρους αλλά και πολυκύτταρους οργανισμούς, όπως για παράδειγμα τον άνθρωπο. Ανάλογα με τον μηχανισμό λειτουργίας τους μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κατηγορίες.
- Μεταθετά στοιχεία κατηγορίας I ή ρετρομεταθετόνια: Το χαρακτηριστικό αυτής της ομάδας, είναι ότι για τη μεταφορά τους απαιτείται η μεταγραφή τους. Αφού αυτή πραγματοποιηθεί, το μόριο RNA που προκύπτει αποτελεί καλούπι για την σύνθεση συμπληρωματικού DNA από ειδικά ένζυμα τα οποία καταλύουν τη διαδικασία της αντίστροφης μεταγραφής. Ουσιαστικά πρόκειται για έναν μηχανισμό τύπου “copy-paste”, καθώς το τρανσποζόνιο πρέπει πρώτα να μεταφέρει την πληροφορία του σε ένα μόριο RNA, και μέσω αυτού η πληροφορία να αποτυπωθεί εκ νέου στο DNA και να μεταφερθεί κάπου αλλού.
- Μεταθετά στοιχεία κατηγορίας II ή τρανσποζόνια DNA: Τα στοιχεία αυτής της ομάδας, δεν απαιτούν τη μεταγραφή για την μεταφορά τους. Αντίθετα, μετακινούνται σε μια άλλη θέση στο γονιδίωμα, αφού αποκοπούν από το σημείο που βρίσκονται. Τα τρανσποζόνια DNA συχνά περιέχουν την αλληλουχία που κωδικοποιεί την τρανσποζάση, ένα ένζυμο που συμβάλλει στη μεταφορά τους, αναγνωρίζοντας συγκεκριμένες χαρακτηριστικές τερματικές περιοχές που πλαισιώνουν τα τρανσποζόνια. Ο μηχανισμός αυτός μπορεί να παρομοιαστεί με την λειτουργία “cut-paste” και όχι “copy-paste”.

Τόσο τα μεταθετά στοιχεία της πρώτης κατηγορίας όσο και της δεύτερης, μπορούν να χαρακτηριστούν ως αυτόνομα ή μη αυτόνομα. Τα αυτόνομα τρανσποζόνια, δεν χρειάζονται την συμβολή κάποιου άλλου μεταθετού στοιχείου για να μεταπηδήσουν σε άλλη θέση. Αυτό σημαίνει ότι περιέχουν όλες τις απαραίτητες αλληλουχίες που απαιτούνται για την μεταφορά τους, όπως για παράδειγμα το γονίδιο που κωδικοποιεί την τρανσποζάση. Αντίθετα, για την μετακίνηση ενός μη αυτόνομου τρανσποζονίου, απαιτείται η συμβολή κάποιου άλλου.
Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι υπό φυσιολογικές συνθήκες τα τρανσποζόνια καθίστανται αδρανή, δηλαδή είναι απλώς ανενεργά μέρη του γονιδιώματος, τα οποία όμως μπορεί να ενεργοποιηθούν και να μεταπηδήσουν σε κάποιο άλλο γονιδιακό τμήμα. Η πιο σημαντική παράμετρος που σχετίζεται με τα τρανσποζόνια, αφορά το σημείο που θα βρεθούν μετά την μεταφορά τους. Η δράση τους μπορεί να είναι ανατρεπτική, δημιουργική ή καταστροφική, ανάλογα με το πού και πότε εισχωρούν στο DNA.
Καταρχάς, τα jumping genes, είναι δυνατό να περιλαμβάνουν ρυθμιστικά στοιχεία, τα οποία μπορούν να τροποποιήσουν την έκφραση της γενετικής πληροφορίας. Ανάλογα με το σημείο εισαγωγής, είναι ικανά να ενεργοποιήσουν, να καταστείλουν γονίδια ή να δημιουργήσουν νέα μονοπάτια έκφρασης γονιδίων, ύστερα από συγκεκριμένες τροποποιήσεις στα επιμέρους βήματα της γονιδιακής έκφρασης. Ακόμη και αν τα τρανσποζόνια δεν «κουβαλούν» κάποια εν δυνάμει ρυθμιστική αλληλουχία, είναι ικανά να τροποποιήσουν το γενετικό υλικό με διαφορετικό τρόπο. Αν για παράδειγμα, «προσγειωθούν» σε μη κωδικές περιοχές όπως στις αλληλουχίες που υπάρχουν ακριβώς πριν και μετά το κωδικό πλαίσιο (3’ και 5’ αμετάφραστες περιοχές) ή στο εσωτερικό ενός ιντρονίου (εάν πρόκειται για ευκαρυωτικό κύτταρο), υπάρχουν πιθανότητες να παραλλαχθεί σημαντικά η διαδικασία του ματίσματος ή να επηρεαστεί η σταθερότητα του παραγόμενου μορίου mRNA, γεγονός που μπορεί να έχει καίριο αντίκτυπο στην διαδικασία της πρωτεινοσύνθεσης.
Εκτός από αλλαγές στην γονιδιακή έκφραση, τα μεταθετά στοιχεία μπορούν πολύ εύκολα να οδηγήσουν στην πρόκληση μεταλλάξεων με πιο χαρακτηριστικές τις μεταθέσεις. Εάν εισαχθούν σε κωδικές περιοχές γονιδίων μπορούν να αλλοιώσουν την καθιερωμένη νουκλεοτιδική αλληλουχία, με τελική συνέπεια την παραγωγή ενός πρωτεϊνικού προϊόντος με διαφορετική αμινοξική αλληλουχία και άρα με διαφορετική λειτουργία. Εφόσον τα μεταθετά στοιχεία πολλές φορές έχουν ως αποτέλεσμα την γέννηση μεταλλάξεων, είναι πιθανό να οδηγήσουν στην πρόκληση σοβαρών ασθενειών και παθολογιών όπως ο καρκίνος.
Το κύτταρο για να αποφύγει δυσχερείς συνέπειες που μπορεί να προκύψουν από την ενεργοποίηση και την μετακίνηση των τρανσποζονίων, έχει αναπτύξει μηχανισμούς με τους οποίους επιτηρεί και καταστέλλει την ανεξέλεγκτη δραστηριότητα τους. Οι μηχανισμοί αυτοί μπορεί να περιλαμβάνουν τόσο μεθυλιώσεις στο DNA όσο και τροποποιήσεις των ιστονών. Και οι δύο αυτές διαδικασίες, έχουν ως αποτέλεσμα την αναδιαμόρφωση της χρωματίνης σε μορφή τέτοια ώστε η περιοχή να καθίσταται αδρανής. Εκτός αυτού, το κύτταρο μπορεί και παράγει εξειδικευμένα μικρά μόρια RNA, τα οποία όχι μόνο αλληλεπιδρούν με τα αντίστοιχα μόρια RNA που προέρχονται από τρανσποζόνια, καθιστώντας τα ανενεργά, αλλά και ενισχύουν την διαδικασία της μεθυλίωσης που αναφέρθηκε παραπάνω, η οποία είναι απαραίτητη για την αναδιαμόρφωση της χρωματίνης.

Αξίζει να σημειωθεί ότι τα τρανσποζόνια εφόσον ενεργοποιηθούν δεν οδηγούν πάντοτε σε δυσχερείς συνέπειες. Στην πραγματικότητα, μπορούν να συνεισφέρουν στην γενετική ποικιλομορφία και ενδεχομένως στην εξελικτική καινοτομία. Η ικανότητά τους να μεταπηδούν μέσα στο γονιδίωμα δεν καταλήγει απλώς σε μία μετακίνηση, αλλά συμβάλλει στη δημιουργία εντελώς νέων γονιδιακών λειτουργιών. Η ένθεσή τους κοντά σε γονίδια μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγές στην έκφρασή τους, επιτρέποντας προσαρμοστικές απαντήσεις σε περιβαλλοντικές πιέσεις. Η μετατόπισή τους, λοιπόν, μπορεί να επωφελήσει όχι μόνο τον ίδιο τον οργανισμό, αλλά και το είδος στο οποίο ανήκει μέσα στην εξέλιξη. Έτσι, οι φαινομενικά «απρόβλεπτες» μετακινήσεις τους μπορεί τελικά να λειτουργούν ως μηχανισμοί γενετικής καινοτομίας και διαφοροποίησης, προσφέροντας πλεονεκτήματα που διατηρούνται μέσω φυσικής επιλογής.
Όπως ήδη αναφέρθηκε η Barbara McClinctock υπήρξε πρωτοπόρος στην θεμελίωση της άποψης περί δυναμικής φύσης του γονιδιώματος. Σε μια εποχή που η ίδια η έννοια της γονιδιακής κινητικότητας θεωρούταν σχεδόν αδιανόητη, η McClintock αψήφησε την επιστημονική ορθοδοξία και υποστήριξε μια άκρως ρηξικέλευθη αντίληψη. Η ίδια τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψή της και έγινε η πρώτη γυναίκα που βραβεύθηκε μόνη της σε αυτόν τον τομέα. Η δουλειά της αποκάλυψε έναν άγνωστο και εντυπωσιακό μηχανισμό γενετικής αλλαγής και ταυτόχρονα άνοιξε το δρόμο για μια νέα προσέγγιση της εξέλιξης, της γονιδιακής ποικιλομορφίας και της ίδιας της φύσης της κληρονομικότητας.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Transposons: The Jumping Genes, Nature, διαθέσιμο εδώ
- Transposable Elements and Human Disease. National Center for Biotechnology Information (NCBI), διαθέσιμο εδώ