Transponable elements: the jumping genes of our genome

In the same way that grasshoppers are jumping and moving through the field, there is a type of genes that jump through our genome and change its position. Our genome is not static, so read on to know everything about these kinds of genes.

THE DISCOVERY OF TRANSPONABLE ELEMENTS

Barbara McClintock discovered transposable elements, or also called mobile genetic elements because of their ability to move around the genome. The “jumping genes,” as this American geneticist christened them, changed the knowledge about genetics so far, since at first the scientific community did not believe in the idea that a DNA sequence could move on its own.

She had a special relationship with corn, a plant domesticated by man for 10,000 years and has become one of the three most cultivated cereals in the world. In addition, it is one of the most important staple foods since from it many derived products are made, such as flours and oils. Its great industrial value has made it have been studied in depth and its genome has been sequenced.

McClintock began studying the DNA of corn and observed that there were a number of genetic sequences that, without knowing how, changed position within the genome. Somehow, these sequences turned on or off the expression of other corn genes and this was observed with the naked eye; the grains of a corn cob could be of different colours (Figure 1), even within the same grain there were areas of various colours. Then McClintock sought the answer of how this was possible if the genes responsible for colour were inherited from the parents. The result was the discovery of the transposable elements, which led her to win the Nobel Prize in Medicine in 1983.

Figure 1. (A) P gene gives a purple grain. (B) A transponable element is inserted in the middle of the P gen and the grain has no pigmentation. (C) Corn cob wit some grains with P gene intact and others with P gene interrupted by a mobile genetic element. (Source: Porque biotecnología, adaptation)

EFFECTS OF THE CHANGE OF POSITION

When the transposable elements jump and change position they produce a loss of bases when leaving the place where they rested. This loss of some bases does not have “much” importance. But if the transposable element is inserted into a gene, there is an addition of a large number of bases that will cause the loose of gene’s function. For this reason, mobile genetic elements produce mutations because by jumping and changing their location, they alter the DNA sequence and prevent genes from encoding proteins through the genetic code. However, when they jump again, the gene regains its functionality and expresses itself as if nothing had happened.

Often, these jumping genes are considered parasites, because the cell cannot get rid of them. Although they can also bring benefits to the cell, such as transporting advantageous genes. The best known example is not found in humans, but in bacteria and their resistance to antibiotics such as penicillin, discovered by Alexander Fleming. The spread of antibiotic resistance is due to genes that encode enzymes that inactivate them, and that are located in mobile genetic elements. It is usually related to the horizontal transfer of genes, in which they can move from one cell to another as if they were bees that go from flower to flower. When this happens, the transposable element is introduced into a new cell and inserted into the genome of this new cell. That is when it will be faithfully transmitted to its progeny through the normal process of DNA replication and cell division.

TYPES OF TRANSPONABLE ELEMENTS

It is estimated that in the human genome there are 44% transposable elements, which can amount to 66% taking into account repeated fragments and short sequences derived from them. The consequence is that we have more than 1000 genes regulated, directly or indirectly, by sequences from transposable elements.

So far, two types of transposable elements are known: class I transposable elements or retrotransposons and class II transposable elements or DNA transposons. They are classified according to whether they require reverse transcription to jump and transpose or not.

Reverse transcription is similar to the transcription process, but with the difference that it occurs in reverse. That is, if in the classical transcription process a single strand of RNA is obtained from a double strand of DNA, in reverse transcription of an RNA molecule a DNA molecule is obtained. This is common in viruses such as HIV virus (AIDS) or hepatitis virus, but also in some class I transposable elements. These are very abundant and represent 90% of the transposable elements of our genome.

Instead, the others are class II transposable elements or DNA transposons. These are the elements that McClintock discovered in corn, with a 10% representation in our genome and responsible for the spread of antibiotic resistance in bacterial strains.

It should be noted that DNA transposons never use intermediaries, but are autonomous. They jump from one place of the genome to another by themselves, without any help. The mechanism they use is called “cut and paste” and is similar to the cut and paste we use on the computer. The DNA transposon cuts the DNA sequence that has end and look for another place to settle. Then there it also cuts the DNA sequence and is “hooked” (Figure 2).

Figure 2. Mechanism of cutting and pasting (Source: SITN: science in the news)

It is currently known that the activity of transposable elements is a source of evolutionary innovation due to the generation of mutations, which could have been key both in the development of organisms and in different evolutionary phenomena such as speciation; the process by which a population of a given species gives rise to another or other species.

The vast majority of these mutations are deleterious to organisms, but some of them will lead to adaptive improvement and tend to spread throughout the population. We could put our hand in the fire and we probably wouldn’t burn to ensure that much of the variability that life shows around us originally comes from the displacement of mobile genetic elements or transposable elements.

(Main picture: ABC Canada)

Elementos transponibles: los genes saltarines de nuestro genoma

De la misma manera que los saltamontes van saltando y moviéndose por el campo, existen un tipo de genes que saltan por nuestro genoma y cambian de posición. Nuestro genoma no es estático, así que sigue leyendo para saberlo todo sobre este tipo de genes.

SU DESCUBRIMIENTO

Barbara McClintock fue la descubridora de los elementos transponibles o también llamados elementos genéticos móviles por su capacidad de moverse por el genoma. Los “genes saltarines”, tal y como los bautizó esta genetista americana, cambiaron el conocimiento que se tenía sobre la genética hasta el momento, ya que al principio no se creía en la idea de que una secuencia de ADN se pudiera desplazar por sí sola.

McClintock tenía una relación especial con el maíz, una planta domesticada por el hombre desde hace 10.000 años y que se ha convertido en uno de los tres cereales más cultivados del mundo. Además, es uno de los alimentos básicos más importantes ya que a partir de él se hacen muchos productos derivados, como harinas y aceites. Su gran valor industrial ha hecho que sea haya estudiado en profundidad y se haya secuenciado su genoma.

McClintock empezó a estudiar el ADN del maíz y observó que había una serie de secuencias genéticas que, sin saber cómo, cambiaban de posición dentro del genoma. De alguna manera, estas secuencias encendían o apagaban la expresión de otros genes del maíz y esto se observaba a simple vista; los granos de una mazorca de maíz podían ser de diferentes colores (Figura 1), incluso dentro del mismo grano había zonas de varios colores. Entonces McClintock buscó la respuesta de cómo era esto posible si los genes responsables del color se heredaban de los progenitores. El resultado fue el descubrimiento de los elementos transponibles, que le llevaron a ganar el premio Nobel de Medicina en el 1983.

Figura 1. (A) El gen P da un grano de color púrpura. (B) Un elemento transponible se inserta en medio del gen P y el grano no tiene pigmentación. (C) Mazorca de maíz con algunos granos con el gen P intacto y otros con el gen P interrumpido por un elemento genético móvil (Fuente: Porque biotecnología, adaptación)

EFECTOS DE SU CAMBIO DE POSICIÓN

Cuando los elementos transponibles saltan y cambian de posición producen una pérdida de bases al abandonar el lugar donde reposan. Esta pérdida de algunas bases no tiene “mucha” importancia. Pero si el elemento transponible se inserta en el interior de un gen se produce una adición de una gran cantidad de bases que harán que el gen pierda su función. Por esta razón, los elementos genéticos móviles producen mutaciones porque al saltar y cambiar su localización, alteran la secuencia del ADN e impiden que los genes puedan codificar proteínas mediante el código genético. Sin embargo, cuando vuelven a saltar el gen recupera su funcionalidad y vuelve a expresarse como si nada hubiera pasado.

A menudo, estos genes saltarines son considerados parásitos, ya que la célula no puede deshacerse de ellos. Aunque también pueden aportarle beneficios, como transportar genes ventajosos. El ejemplo que nos resultará más conocido no se encuentra en humanos, sino en las bacterias y su resistencia a los antibióticos como la penicilina, descubierta por Alexander Fleming. La propagación de la resistencia a antibióticos se debe a genes que codifican enzimas que los inactivan, y que se encuentran situadas en los elementos genéticos móviles. Habitualmente se relaciona con la transferencia horizontal de genes, en que se pueden desplazar de una célula a otra como si fueran abejas que van de flor en flor. Cuando esto sucede, el elemento transponible se introduce en una nueva célula y se inserta en el genoma de esta nueva célula. Es entonces cuando será fielmente transmitido a su progenie a través del proceso normal de replicación del ADN y de división celular.

TIPOS DE ELEMENTOS TRANSPONIBLES

Se calcula que en el genoma humano hay un 44% de elementos transponibles, que puede ascender hasta el 66% teniendo en cuenta fragmentos repetidos y secuencias cortas derivadas de ellos. La consecuencia es que tenemos más de 1000 genes regulados, directa o indirectamente, por secuencias procedentes de elementos transponibles.

Hasta el momento se conocen dos tipos de elementos transponibles: los elementos transponibles de clase I o retrotransposones y los elementos transponibles de clase II o transposones de ADN. Se clasifican según si requieren transcripción inversa para saltar y transponerse o no.

La transcripción inversa es similar al proceso de transcripción, pero con la diferencia de que se produce en sentido inverso. Es decir, si en el proceso clásico de transcripción se obtiene una cadena simple de ARN a partir de una doble cadena de ADN, en la transcripción inversa de una molécula de ARN se obtiene una molécula de ADN. Esto es común en virus como el virus del VIH (sida) o el de la hepatitis, pero también en algunos elementos transponibles de clase I. Éstos son muy abundantes y representan el 90% de los elementos transponibles de nuestro genoma.

En cambio, los otros son los elementos transponibles de clase II o transposones de ADN. Se trata de los elementos que descubrió McClintock en el maíz, con una representación del 10% en nuestro genoma y responsables de la diseminación de la resistencia a antibióticos en cepas bacterianas.

Cabe destacar que los transposones de ADN nunca utilizan intermediarios, sino que son autónomos. Saltan de un lugar del genoma a otro por sí mismos, sin ningún tipo de ayuda. El mecanismo que utilizan se llama “cortar y pegar” y es similar al Ctrl+C y Ctrl+V que usamos en el ordenador. El transposón de ADN corta la secuencia de ADN que tiene a extremo y extremo y busca otro sitio donde aposentarse. Entonces allí también corta la secuencia de ADN y se “engancha” (Figura 2).

Figura 2. Mecanismo de corta y pega del transposón de ADN (Fuente: SITN: Science in the news)

Actualmente se sabe que la actividad de los elementos transponibles es una fuente de innovación evolutiva debido a la generación de mutaciones, que podría haber sido clave tanto en el desarrollo de los organismos como en distintos fenómenos evolutivos como la especiación; el proceso mediante el cual una población de una determinada especie da lugar a otra u otras especies.

La inmensa mayoría de estas mutaciones es deletérea para los organismos, pero algunas de ellas darán lugar a una mejora adaptativa y tenderán a propagarse por la población. Podríamos poner la mano en el fuego y probablemente no nos quemaríamos asegurando que gran parte de la variabilidad que muestra la vida a nuestro alrededor proviene originalmente del desplazamiento de los elementos genéticos móviles o elementos transponibles.

(Foto portada: ABC Canada)