EVOLUTIONBY TRANSPORSITION
Makalah Disusun untuk Memenuhi Tugas Matakuliah Evolusi Molekuler yang dibina oleh Prof. Dr. Agr. H. Mohamad Amin, M. Si.
Oleh: Delvi Adri Kholishotul Fuadah Najah Sholehah
150341805870 150341806623 150341806183
Kelas C/ Biologi
The Learning University
UNIVERSITAS NEGERI MALANG PROGRAM PASCASARJANA PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGI APRIL 2016 BAB I PENDAHULUAN 0
A. Latar Belakang
B. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, dapat dirumuskan masalah sebagai berikut: 1. 2. 3. 4.
Bagaimana transposisi dan retroposisi dalam evolusi? Apa saja elemen transposabel? Bagaimana efek genetik dan evolusi dari transposisi? Bagaimana transfer gene horizontal?
C. Tujuan Tujuan dari penulisan makalah ini adalah: 1. 2. 3. 4.
Mendeskripsikan transposisi dan retroposisi dalam evolusi. Mendeskripsikan elemen transposabel. Mendeskripsikan efek genetik dan evolusi dari transposisi. Mendeskripsikantransfer gene horizontal.
1
BAB II PEMBAHASAN Evolusi dengan Transposisi Genom yang digunakan untuk dianggap sebagai entitas yang agak statis di mana gen dapat ditugaskan untuk lokus. Dengan demikian, gen seharusnya mempertahankan lokasi yang tepat selama jangka waktu evolusi. Gambar statis genom mulai runtuh di tahun 1940-an, ketika Barbara McClintock menemukan bahwa unsur genetik tertentu pada jagung dapat "melompat" dari satu lokasi genom yang lain, kadang-kadang mengubah struktural ekspresi gen. Studinya menunjukkan bahwa gen yang terkait dengan perkembangan pigmen warna dalam kernel jagung bisa diaktifkan atau dinonaktifkan pada waktu normal dengan aksi "elemen pengendali" tertentu yang tampaknya memiliki kemampuan untuk berpindah dari satu kromosom ke yang lain. Gambar statis yang kaku, bagaimanapun, adalah begitu mendarah daging dalam pemikiran ilmiah bahwa waktu hampir 40 tahun untuk pentingnya penemuan mani McClintock untuk dihargai. Saat ini kita mengenal bahwa organisasi struktural genom jauh lebih baik daripada yang diperkirakan sebelumnya. Dalam bab ini kita menggambarkan berbagai unsur genetik transposabel yang memfasilitasi pergerakan materi genetik dari satu lokasi genom yang lain, ke satu genom yang lain, dan dari satu organisme ke organisme lain, dan kami membahas kemungkinan dampak unsur-unsur tersebut mungkin telah di proses evolusi. Transposisi dan Retroposisi Transposisi didefinisikan sebagai gerakan materi genetik dari satu lokasi kromosom, situs donor, situs target yang lain. Urutan DNA yang memiliki kemampuan intrinsik untuk mengubah lokasi genom mereka disebut unsur bergerak (mobile element) atau unsur berpindah (transposableelements). Ada dua jenis transposisi, 2
dibedakan oleh apakah unsur transposabel direplikasi atau tidak. pada transposisi konservatif, unsur itu sendiri bergerak dari satu situs ke situs lainnya (Gambar 7.1a). Apa yang terjadi pada situs donor tidak jelas?. Donor suicide model mengusulkan bahwa untai ujung DNA donor tidak bergabung satu sama lain dan bahwa molekul sisa hancur. Namun, hilangnya DNA donor dari garis keturunan sel dihindari jika sel berisi duplikat dari urutan donor. Dalam hal ini, meskipun satu salinan dikonsumsi, yang lain bertahan, dan keturunan yang dihasilkan akan berisi satu elemen di situs asli dan yang kedua di lokasi baru (Berg et al 1984;. Weiner et al 1986.). Jika transposisi konservatif terjadi terutama menurut model ini, maka tidak akan berbeda dari transposisi replikatif (lihat di bawah). Model alternatif cut and paste mengusulkan bahwa istirahat untai ganda yang diikat oleh sistem perbaikan inang. Pada transposisi replikatif, elemen transposabel disalin, dan satu salinan tetap di situs asli sedangkan sisipan lainnya sendiri di sebuah situs baru (Gambar 7.1b). Dengan demikian, transposisi replikatif ditandai dengan peningkatan jumlah salinan dari elemen transposabel. Beberapa unsur berpindah menggunakan hanya satu jenis transposisi; orang lain menggunakan kedua konservatif dan jalur replikatif. Sebuah substitusi nukleotida tunggal kadang-kadang cukup untuk beralih mode transposisi dari konservatif ke replikatif (misalnya, Mei dan Craig 1996).
3
Dalam jenis transposisi di atas, informasi genetik yang dibawa oleh DNA. Namun, informasi genetik juga dapat dialihkan melalui RNA. Dalam mode transposisi ini, DNA ditranskripsi menjadi RNA, yang kemudian reverse transcription menjadi cDNA (Gambar 7.1c). Untuk membedakan antara DNA dan RNA mode-mediated, yang terakhir telah disebut retroposisi. Kedua transposisi dan retroposisi ditemukan pada organisme eukariotik dan prokariotik (lihat Weiner et al 1986;. Temin 1989). Berbeda dengan transposisi DNA-mediated, retroposisi selalu dari jenis replikatif, karena itu adalah salinan reverse transcription dari elemen, bukan elemen itu sendiri, yang dialihkan. Ketika elemen transposabel dimasukkan ke dalam genom inang, segmen kecil dari DNA inang (biasanya 4-12 bp) diduplikasi di 4
penyisipan situs (Gambar 7.1). Hal ini terjadi karena situs target untai ganda dibelah dalam cara terhuyung sebelum penyisipan elemen transposabel. Sisi-sisi untai tunggal kemudian diperbaiki, dan dua mengulangi langsung di orientationare sama dibuat di kedua sisi elemen transposabel terintegrasi. pengulangan adalah keunggulan dari transposisi dan retroposisi. ELEMENT-ELEMEN TRANSPOSABEL Menurut mode transposisi mereka dan jumlah dan jenis gen yang dikandungnya, unsur berpindah dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis: urutan penyisipan, transposon, dan retroelements. Urutan Penyisipan Urutan penyisipan adalah unsur berpindah sederhana. Mereka tidak membawa informasi genetik kecuali bahwa yang diperlukan untuk transposisi. urutan penyisipan biasanya panjang 700-2,500 bp dan telah ditemukan pada bakteri, bakteriofag, plasmid, dan tanaman. Barbara McClintock Original "mengendalikan elemen adalah, pada kenyataannya, urutan penyisipan) Urutan penyisipan bakteri ditandai dengan awalan IS diikuti dengan jumlah jenis. Struktur satu urutan penyisipan seperti, IS1 dari bakteri usus Escherichia coli dan Shigella dysinteria, secara skematis diperlihatkan pada Gambar 7.2a. IS1 adalah panjang sekitar 770 nukleotida, termasuk dua terbalik, mengulangi terminal nonidentical dari setiap 23 bp. Ini berisi dua fase terluar reading frames, Insa dan InSb, dari mana protein tunggal diproduksi oleh frameshifting translasi dari adenines. N-terminal bagian dari protein yang dikode oleh INSA merupakan inhibitor transposisi; bagian C-terminal adalah transposase, enzim yang mengkatalisis penyisipan unsur transposabel ke situs penyisipan (Sekino et al. 1995). Kasus yang lebih khusus diilustrasikan oleh IS50 panjang 1.500-bp dari Enterobacteria, yang menghasilkan dua transkrip tumpang tindih yang diterjemahkan dalam reading frame yang sama. Satu molekul 5
mRNA diterjemahkan ke dalam transposase, yang lain menjadi protein represor yang mengatur tingkat transposisi. Ada banyak jenis urutan penyisipan di E. coli, dan genom paling strain diisolasi dari alam mengandung berbagai jumlah masing-masing (Sawyer et al. 1987).
GAMBAR 7.2Skema representasi dari empat unsur berpindah pada bakteri. Hitam segitiga menunjukkan mengulangi terbalik. (A) urut Penyisipan IS1 dari Escherichia coli berisi dua out-of-fase reading frame diapit oleh dua pengulangan terminal terbalik sempurna. (B) Kompleks transposon Tn9 dari E. coli berisi dua salinan dari IS1 mengapit gen kucing, yang mengkode protein memberikan tahanan kloramfenikol. (C) Transposon TN3 dari E. coli, yang memberikan perlawanan streptomycin, berisi tiga gen, dua di antaranya (tnpR dan bla) ditranskripsi pada satu untai, dan yang ketiga (tnpa) di sisi lain. TN3 diapit oleh dua mengulangi terbalik sempurna, panjang 38 bp. (D) Transposon Tn554 dari Staphylococcus aureus kekurangan mengulangi terminal dan berisi tujuh gen penyandi protein diidentifikasi dan open reading frame (ORF). Tiga gen mengkodekan transposases (tnpa, tnpB, dan tnpO), dan ditranskripsi sebagai satu unit. The spc dan Erma gen menganugerahkan spectinomycin dan resistance eritromisin, masing-masing. The spc gen, yang mengkodekan methylase Sadenosyl metionin tergantung, serta peptida L dan peptidagen I, ditranskripsi pada untai yang berbeda dari gen lain. ORF berlimpah ditranskrip dan diterjemahkan, namun fungsinya tidak diketahui. Kotak abu-abu tidak mengandung open reading frame.(Sumber Graur & Li, 2000).
Transposon Transposon adalah unsur bergerak (mobile elements), biasanya panjang sekitar 2,500-7,000 bp, yang ada sebagian besar sebagai kelomok dari repetitive sekuen tersebar dalam genom. Transposon dibedakan dari urutan penyisipan dengan juga membawa disebut 6
gen eksogen, yaitu, gen yang mengkode fungsi selain yang terkait dengan transposisi. (Perhatikan bahwa nomenklatur yang kacau dalam literatur, dan istilah "transposon" kadang-kadang digunakan untuk menunjukkan setiap elemen transposabel, termasuk urutan penyisipan, retrotransposon, dll) Di bakteri, transposon ditandai oleh Tn awalan diikuti dengan jumlah jenis . Transposon pada bakteri sering membawa gen yang memberikan resistensi antibiotik (misalnya, Tn554), resistensi logam berat (misalnya, Tn2l), atau tahan panas (misalnya, Tn1681) pada operator mereka. Plasmid, yang otonom mereplikasi molekul ekstrakromosomal berbeda dari genom bakteri, dapat membawa transposon tersebut dari sel ke sel, dan sebagai akibatnya, resistensi dapat dengan cepat menyebar ke seluruh populasi bakteri terkena seperti faktor lingkungan. Beberapa bakteriofag (virus bakteri) sebenarnya transposon atau mentranspose bakteriofag. Misalnya, bakteriofag Mu (singkatan mutator) adalah transposon yang sangat besar (-38.000 bp) yang mengkodekan tidak hanya enzim yang mengatur transposisi, tetapi juga sejumlah besar protein struktural yang diperlukan untuk membangun kemasan virion. Beberapa transposon bakteri yang kompleks (atau komposit) transposon, dinamakan begitu karena dua lengkap, urutan penyisipan independen transposabel baik orientasi sayap satu atau lebih gen eksogen (Gambar 7.2b). Menariknya, di transposon kompleks, tidak hanya bisa seluruh transposon bergerak sebagai unit, tapi salah satu atau kedua dari urutan mengapit dapat merefleksikan secara independen. Karena fungsi transposisi dikodekan dengan urutan penyisipan, transposon kompleks biasanya tidak mengandung gen transposase tambahan. transposon kompleks dapat berupa simetris atau asimetris. Simetris transposon kompleks berisi urutan penyisipan yang sama di kedua sisi (Gambar 7.2b). Asimetris transposon kompleks berisi urutan penyisipan yang 7
berbeda. Misalnya, Tn1547 dari Enterococcus faecalis, yang memberikan resistensi vankomisin, diapit oleh elemen IS16 di satu sisi dan unsur IS256 di sisi lain. Beberapa transposon bakteri tidak mengandung urutan penyisipan, dan kadang-kadang disebut transposon yang sederhana. transposon sederhana juga datang dalam dua varietas, simetris dan asimetris. Mereka diapit oleh urutan berulang singkat simetris (Gambar 7.2c); mereka yang tidak asimetris (Gambar 7.2d). Transposon Hypercomposite terdiri dari dua atau lebih transposon. Misalnya, Tn5253 di Streptococcus pneumoniae menyampaikan resistensi terhadap kedua tetrasiklin dan kloramfenikol karena terbuat dari dua transposon (Tn5251 dan Tn5252), masing-masing membawa satu set gen ketahanan. Daerah coding dari beberapa transposon pada hewan (misalnya, unsur P di Drosophila) terganggu oleh intron spliceosomal. Dalam transposon bakteri (misalnya, Tn5397 di bakteri Clostridium difficile), intron diri splicing telah ditemukan (Mullany et al. 1996). splicing alternatif (Bab 6) juga telah terdeteksi di unsur berpindah. Bahkan, dalam kasus elemen P di Drosophila, mekanisme splicing alternatif ditemukan untuk mengatur transposisi (lihat halaman 354). Banyak jenis transposisi tersebar luas di genom hewan, tumbuhan, dan jamur. D. melanogaster, misalnya, berisi beberapa salinan dari 50-100 berbagai jenis transposon (Rubin 1983). Taksonomi, perkembangan, dan target spesifisitas transposisi Beberapa unsur bergerak dapat merefleksikan diri dalam semua sel; lain sangat spesifik. Misalnya, unsur THC dalam nematoda Caenorhabditis elegans dan elemen P di D. melanogaster biasanyabergerak hanya dalam sel germinal. Pada jagung, transposisi dari banyak unsur ditemukan diatur oleh tahap perkembangan tuan rumah. Dari sudut pandang evolusi, waktu 8
perkembangan transposisi sangat penting, karena mempengaruhi penyebaran unsur transposabel untuk generasi mendatang. Salah satu contoh yang bersangkutan melibatkan unsur berpindah LINE-1 (LI) pada mamalia. Branciforte dan Martin (1994) menemukan bahwa unsur-unsur ini sangat aktif selama dua tahap meiosis (leptotene dan zygotene), di mana pecah DNA untai terjadi. Ini menawarkan kesempatan bagi unsur berpindah untuk memasukkan diri ke dalam situs-situs baru. Lokasi genom dari situs target untuk transposisi sangat variabel antara elemen transposable yang berbeda. Beberapa elemen menunjukkan preferensi eksklusif untuk lokasi genom tertentu. Misalnya, IS4 menggabungkan sendiri persis dan selalu pada titik yang sama dalam operon galaktosidase dari E. coli, dan dengan demikian setiap bakteri dapat berisi hanya satu salinan dari IS4 (Klaer et al. 1981). Lainnya, seperti bakteriofag Mu, dapat merefleksikan diri mereka secara acak ke hampir semua lokasi genom. Banyak elemen transposabel menunjukkan derajat menengah preferensi genom. Misalnya, 40% dari semua transposon TnlO di E. coli ditemukan pada gen lacZ, yang merupakan sebagian kecil menit dari genom inang. Beberapa unsur berpindah menunjukkan afinitas yang lebih tinggi untuk jenis tertentu dari komposisi nukleotida. Misalnya, IS1 nikmat situs penyisipan AT-kaya (Devos et al. 1979), dan IS630 menunjukkan afinitas khusus untuk 5'-CTAG-3 'urutan (Tenzen dan Ohtsubo 1991). preferensi kromosom juga telah ditemukan. Misalnya, unsur TRIM di Drosophila miranda menunjukkan preferensi untuk kromosom Y, sedangkan elemen D. melanogaster P lebih memilih situs target pada kromosom homolog yang di mana situs donor berada (Golic 1994; Tower dan Kurapati 1994). Salah satu bias yang paling aneh di transposisi ditemukan di DIRS-1 elemen transposabel di jamur lendir Dictyostelium discoideum, yang istimewa menyisipkan dirinya menjadi lain DIRS-1 urutan (Cappello et al. 1984). D. discoideum mengandung, rata-rata, 9
sekitar 40 eksemplar utuh dari DIRS-1 dan 200-300 DIRS-1 fragmen. Diri afinitas dari DIRS-1 mungkin menjadi alasan bagi keberadaan begitu banyak yang rusak DIRS-1 fragmen dalam genom jamur lendir. Akhirnya, beberapa unsur berpindah diketahui spesiesspesifik, sementara yang lain relatif independen kekhususan inang. Dalam kasus elemen pelaut transposabel, dapat mempertahankan transposisi efisien dalam banyak spesies yang berbeda, bahkan jika spesies milik kerajaan taksonomi yang berbeda (Gueiros-Filho dan Beverley 1997). Bergerak dengan mudah dari spesies ke spesies melalui transfer gen horizontal (lihat halaman 359). Otonomi transposisi Urutan penyisipan dan transposon adalah unsur bergerak otonom dalam arti bahwa mereka mengandung gen untuk transposase yang diperlukan dalam proses transposisi. Beberapa unsur berpindah bebas otonom, yaitu, mereka tidak menyandikan transposase, dan mobile berdasarkan kemampuan mereka untuk menggunakan transposases dari unsur bergerak otonom. Sebagai contoh, omous Ac (Activator) elemen auton- pada jagung dapat merefleksikan tanpa memandang latar belakang genetik. Sebaliknya, non-otonom Ds (Pemisahan) unsur yang tidak dapat merefleksikan kecuali satu atau lebih salinan Ac juga hadir dalam genom jagung. (Unsur bergerak Non-otonom yang menggunakan proses retroposisi akan dibahas kemudian dalam bab ini.) Beberapa elemen non-otonom yang berasal dari unsur-unsur otonom melalui penghapusan segmen internal. Seperti elemen telah kehilangan kemampuan mereka untuk menghasilkan transposase, tapi mempertahankan kemampuan untuk menanggapi enzim. Atau, elemen non-otonom dapat dibuat ketika, melalui mutasi, dua urutan genom pendek pada jarak dekat satu sama lain menjadi cukup mirip dengan reseptor transposase (mengulangi biasanya pendek terbalik), sehingga pemberian mobilitas pada urutan di antara 10
mereka . Ds tipe-2 elemen menunjukkan kesamaan urutan luas untuk elemen Ac, dan karenanya dapat dianggap sebagai berasal (atau rusak) elemen Ac. Ds tipe-1 elemen, di sisi lain, tidak memiliki kesamaan urutan discernable ke Ac, dan mungkin telah diturunkan dari urutan genom acak yang terjadi berada di antara dua ulangan terbalik tepat. RETROELEMENTS Retroelements adalah DNA atau RNA urutan yang mengandung gen untuk enzim reverse transcriptase, yang mengkatalisis sintesis molekul DNA dari template RNA. Molekul DNA yang dihasilkan disebut komplementer DNA (cDNA). Tidak semua retroelements memiliki kemampuan intrinsik untuk merefleksikan. Oleh karena itu, tidak semua retroelements adalah unsur berpindah. Mereka retroelements yang merefleksikan melakukannya dengan proses retroposisi. Ada kelas yang berbeda dari retroelements, dan pada Tabel 7.1 kita mengadopsi klasifikasi berdasarkan Temin (1989).
Retrovirus Retrovirus adalah virus RNA yang mirip dengan struktur transposon. Meskipun mereka adalah yang paling kompleks dari semua retroelements, kita bahas terlebih dahulu karena konsepnya dari retroposisi berasal penemuan siklus hidup retrovirus (Gambar 7.3).
11
Setelah partikel retroviral, yang disebut virion, menyerang sel inang, RNA genom-nya reverse-transcription menjadi cDNA virus. DNA ini dapat mengintegrasikan ke dalam genom inang dan menjadi provirus a. Selanjutnya, DNA provirus ditranskripsi menjadi RNA, yang dapat melayani baik sebagai mRNA untuk sintesis protein virus dan genom sebagai virus yang dapat dikemas menjadi menular partikel virion. Setelah virion terbentuk, siklus dapat mulai lagi. Retrovirus memiliki setidaknya tiga protein-coding gen: gag, pol, dan env (Gambar 7.4a). gen ini mengkodekan beberapa protein internal, beberapa enzim (termasuk reverse transcriptase), dan protein amplop, masing-masing. Banyak retrovirus memiliki gen tambahan. HIV (virus AIDS), misalnya, memiliki setidaknya enam gen tambahan. Daerah pengkode retrovirus diapit oleh mengulangi terminal lama (ltrs). The ltrs berisi promotor untuk transkripsi (dalam tahap provirus), untuk transkripsi terbalik (dalam tahap virus), serta penambah dan sinyal polyadenylation. Retroposons dan retrotransposon Retroposons dan retrotransposon adalah elemen transposable yang tidak membangun partikel virion: mereka tidak memiliki gen env, dan sebagainya, tidak seperti retrovirus, tidak bisa secara independen mengangkut diri mereka di sel. Mereka dibedakan dari satu sama lain dengan tidak adanya atau kehadiran ltrs terminal, masing-masing (Tabel 7.1). GAMBAR 7.3 siklus hidup retrovirus. virion menempel pada reseptor pada permukaan sel. Dua salinan dari RNA genom yang disuntikkan ke dalam sitoplasma, di mana mereka ditranskripsi balik oleh enzim reverse transcriptase. CDNA menembus inti dan dapat menjadi terintegrasi dalam genom
12
sel inang. Provirus terintegrasi ditranskripsi menjadi mRNA yang berfungsi baik RNA genomik dan sebagai mRNA untuk sintesis protein virus. RNA genomik dan protein virus struktural dan enzimatik merakit menjadi virion partikel menular baru menjadi tunas dari membran sel.(Sumber Graur & Li, 2000).
Perhatikan bahwa beberapa penulis menggunakan istilah nonLTR retrotransposon dan retrotransposon LTR untuk retroposons dan retrotransposon, masing-masing). Unsur-unsur Ty dalam ragi dan unsur-unsur copia di Drosophila mewakili retrotransposon khas; mengandung ltrs di kedua ujungnya dan panjang kerangka openreading tunggal dengan wilayah kesamaan dengan gen pol retrovirus (Gambar 7.4b).
GAMBAR 7.4 perbandingan Sstruktural retroelements transposabel. Open reading frame dipisahkan oleh kodon terminasi ditampilkan sebagai kotak pada tingkat yang berbeda di bawah diagram DNA. mengulangi terminal lama yang diwakili oleh anak panah di dalam kotak. (A) A retrovirus konsensus yang hanya berisi gen gag, pot, dan env. (B) A copia retrotransposon dari Drosophila melanogaster. (C) An I-faktor retroposon dari D. melanogaster. domain diidentifikasi ditandai dengan
13
kotak yang solid. NC, protein nukleokapsid; PR, protease aspartat; RT, reverse transcriptase; RH, RNase H; IN, integrase. Dimodifikasi dari Eickbush (1994). (Sumber Graur & Li, 2000).
Unsur G3a dan faktor I di D. melanogaster adalah retroposons khas (Gambar 7.4c). Retroposons ini mengandung dua open reading frame (ORFs). ORF-2 di G3a terdiri dari tujuh ekson dipisahkan oleh urutan intervensi sangat pendek (intron). Beberapa kelompok dari urutan berulang panjang diselingi, misalnya, unsur Li yang muncul ribuan kali dalam genom manusia (Bab 8), juga retroposons. Struktur konsensus LI memiliki poli (A) ekor di satu ujung dan berisi dua frame terbuka membaca besar, ORF-1 dan ORF-2, dengan sekitar 375 dan 1300 kodon, masing-masing. ORF-2 berisi urutan asam amino motif karakteristik transcriptases terbalik. Beberapa protein kelompok II diri splicing intron encode milik keluarga reverse transcriptase. Karena aktivitas reverse transcriptase mereka, ini kelompok II intron bagian memiliki kemampuan untuk mengubah lokasi genom. Jadi, menurut skema klasifikasi phenetic diadopsi dalam bab ini, mereka harus dipertimbangkan retroposons. Namun, dalam rekonstruksi filogenetik, ini kelompok II intron cluster dengan retrons bakteri dan organel (lihat halaman 335).
14
Retrons Retrons adalah retroelements sederhana (Gambar 7.5). Mereka tidak memiliki satu kemampuan untuk merefleksikan. Retrons telah ditemukan di beberapa genom bakteri (Inouye et al 1989.; Lampson et al. 1989; Inouye dan Inouye 1991), serta di mitokondria dan plastida genom. Retrons muncul sebagai gen tunggal-copy dalam genom banyak bakteri (Beras et al. 1993). portal terbuka-bacaan mereka memiliki kesamaan urutan gen lain untuk reverse transcriptase. Namun, retrons tidak cukai, dan oleh karena itu merupakan bagian integral dari genom. Pada intinya, retrons adalah urutan genom endogen yang menyandikan enzim reverse transcriptase. Retrons tidak memiliki ltrs, dan tidak membangun partikel virion. Menariknya, dengan beberapa pengecualian, semua retrons ambil bagian dalam produksi DNA-RNA hybrid molekul misterius fungsi yang tidak diketahui disebut MULTICOPY DNA untai tunggal (dsDNA). Pararetroviruses Para Retrovirus, seperti virus hepatitis-B (a hepadnavirus) dan virus kembang kol mosaik (caulimovirus a), yang untai ganda atau sebagian untai ganda virus DNA melingkar. Struktur virus hepatitis-B ditunjukkan pada Gambar 7.6. Keunikan pararetroviruses terletak pada modus mereka replikasi. Daripada mereplikasi dua helai seperti pada virus DNA untai ganda lainnya, pararetroviruses menggunakan satu untai untuk mensintesis kedua untai putri. Dengan demikian, salah satu untaian direplikasi sekali dengan cara biasa untuk menghasilkan untai komplementer, dan sekali ditranskripsi menjadi RNA yang selanjutnya reverse-ditranskripsi untuk menghasilkan untai asli.
15
GAMBAR 7.6 Skema representasi dari hepatitis-B pararetrovirus genom sebagian beruntai ganda. Panjang dari minus dan plus helai adalah 3,5 dan 2,1 Kb, masingmasing. Bar mencakup dua helai mengindikasikan urutan motif yang terlibat dalam interaksi interstrand. Empat open reading frame tumpang tindih ditampilkan sebagai busur. domain diidentifikasi ditunjukkan dengan busur padat: RT, reverse transcriptase; RH, RNase H.(Sumber Graur & Li, 2000).
Urutan asam amino yang dikodekan oleh reading frame terpanjang dalam genom pararetrovirus ditemukan homolog ke wilayah N-terminal dari produk gen pol dari retrovirus (Toh et al. 1983). Oleh karena itu, p retrovirus yang mirip dengan retrovirus dalam kemampuan endogen mereka untuk menghasilkan reverse transcriptase, tetapi mereka tampaknya telah kehilangan kemampuan untuk memasukkan diri ke dalam genom inang. Ini mendiskualifikasi mereka sebagai unsur berpindah, meskipun mereka jelas berbagi evolusi yang sama asal dengan retrovirus. Asal Usul Evolusi Retroelements Fakta bahwa transcriptases terbalik dari semua retroelements memiliki beberapa identitas asam amino satu dengan yang lain menunjukkan asal evolusi yang sama. Karena kesederhanaan retrons yang bertentangan dengan kompleksitas retrovirus, dan karena 16
bakteri kuno, Temin (1986, 1989) menyarankan bahwa jalan evolusi pergi dari retrons ke retroposons untuk retrotransposon untuk retrovirus ke pararetroviruses (Gambar 7.7). Harus dicatat bahwa skema evolusi ini sebagian besar ditandai dengan peningkatan progresif dalam struktural kompleksitas dari retroelements. Tentu saja, ada kemungkinan bahwa beberapa retrotransposon kini dan retroposons telah diturunkan dari retrovirus, bukan sebaliknya.
Banyak penulis telah mempelajari hubungan evolusioner antara retroelements (misalnya, Miyata et al 1985;. Doolittle et al 1989;. Xiong dan Eickbush 1988, 1990). Gambar 7.8 menunjukkan filogeni dari retroelements berasal dari urutan reverse transcriptase (Eickbush 1994). Pohon dapat dibagi menjadi dua clades utama. Salah satu clade berisi retrons, sebaliknya transcriptase yang mengandung kelompok II intron, dan kelompok paraphyletic dari retroposons. Cabang kedua berisi retrovirus, caulimovirus dan hepadnaviruses (sebagai dua garis keturunan yang tidak terkait), serta lima garis keturunan paraphyletic dari retrotransposon. Berbagai Satwa paraphyletic dari retroposons
17
dan retrotransposon tampaknya tidak mengkonfirmasi dengan divisi taksonomi mapan untuk organisme tuan rumah dari unsur-unsur. Misalnya, salah satu retroposon keturunan berisi elemen dari organisme yang beragam seperti amfibi, lalat buah, dan jamur lendir. Kami mencatat, bagaimanapun, bahwa pohon didasarkan pada hanya 178 asam amino, sehingga urutan bercabang karenanya harus diperlakukan dengan hati-hati. RETROSEQUENCES Restrosequences (atau retrotranscripts) adalah urutan genom yang telah diturunkan melalui transkripsi balik RNA dan integrasi berikutnya dari cDNA yang dihasilkan ke dalam genom. Namun, retrosequences tidak memiliki kemampuan untuk menghasilkan reverse transcriptase (Tabel 7.1), dan telah diproduksi Melalui penggunaan reverse transcriptase dari retroelement. Template dari yang retrosequence telah diturunkan biasanya transkrip RNA dari gen. Sebuah proses memproduksi retrosequences ditunjukkan pada Gambar 7.9. Jika gen tidak ditranskripsikan dalam sel germline, tetapi hanya dalam sel somatik khusus, penciptaan retrosequence membutuhkan RNA untuk menyeberang hambatan sel dari sel somatik ke sel germline. Hal ini dapat terjadi ketika sebuah molekul 18
RNA menjadi dikemas dalam partikel virion dari retrovirus dan kemudian diangkut ke sel germline mana itu adalah reverseditranskripsi (Linial 1987). Proses ini disebut sebagai retrofection. Retrofectiontampaknya sangat umum di beberapa taksa, seperti mamalia, tetapi tidak pada orang lain. Sejak retrosequences berasal dari urutan RNA, mereka menanggung tanda pengolahan RNA dan karenanya juga disebut sebagai urutan proses (processedsequences). Fitur diagnostik retrosequences meliputi (1) kurangnya intron, (2) batas-batas yang tepat bertepatan dengan ditranskripsikan daerah gen dari mana mereka berasal, (3) membentang dari poli (A) pada ujung 3 ', (4 ) pengulangan langsung pendek pada kedua ujungnya (menunjukkan bahwa transposisi mungkin telah terlibat), (5) berbagai modifikasi posttranscriptional, seperti penambahan atau penghapusan membentang nukleotida pendek, dan (6) posisi kromosom yang berbeda dari lokus gen asli dari mana RNA ditranskrip. Retrogenes Sebuah retrogene atau processed gen adalah retrosequence fungsional yang menghasilkan protein yang identik atau hampir identik dengan yang dihasilkan oleh gen retrogeneyang telah diturunkan. Ada tiga alasan utama mengapa sangat tidak mungkin bahwa urutan ranscribed reverset akan mempertahankan fungsinya. Pertama, proses transkripsi terbalik sangat tidak akurat, dan banyak perbedaan (mutasi) antara template RNA dan cDNA mungkin terjadi. Kedua, kecuali gen diproses telah diturunkan dari gen ditranskripsi oleh RNA polimerase III, biasanya tidak mengandung Urutan peraturan yang diperlukan yang berada di daerah untranscribed, sehingga kemungkinan akan tidak aktif.
19
bahkan jika wilayahnya coding tetap utuh setelah retroposisi. Dua diproses pseudogen metallothionein-I, satu pada manusia dan satu di tikus, muncul untuk mewakili kasus seperti itu (Karin dan Richards 1984;. Andersen et al 1986). Daerah coding mereka utuh, dan dalam kasus pseudogene tikus bahkan urutan peraturan 5 'utuh. Namun demikian, urutan ini tidak ditulis, mungkin karena kurangnya beberapa urutan peraturan atau pembentukan transkrip yang tidak stabil. Ketiga, gen diproses dapat disisipkan pada lokasi genom yang mungkin tidak memadai untuk ekspresi yang tepat. Memang, dalam sebagian besar kasus, urutan proses adalah "mati pada saat kedatangan." Anehnya, fungsional processed gene telah ditemukan, meskipun mereka tampaknya sangat langka. Kinase phosphoglycerate (PGK) multifamily manusia terdiri dari gen yang aktif X-linked, yang diproses pseudogene X-linked, dan gen autosomal tambahan. Gen X-linked berisi 11 ekson dan 10 intron. Its autosomal homolog, pada sebaliknya, tidak biasa dalam bahwa ia tidak memiliki intron dan diapit di 3 'akhirnya dengan sisa-sisa dari poli (A) ekor, yaitu, dua fitur diagnostik dari urutan diproses. Menariknya, gen PGK autosomal tidak hanya mempertahankan reading frame utuh dan kemampuan untuk menuliskan dan 20
menghasilkan polipeptida fungsional, tetapi juga telah mengakuisisi spesifisitas jaringan baru: itu hanya diproduksi di testis pria (McCarrey dan Thomas 1987). Gen kalmodulin otot spesifik dalam ayam juga kekurangan intron dan tampaknya diproduksi oleh peristiwa yang diperantarai oleh reverse transcriptase (Gruskin et al.1987). Hal ini mungkin juga menjadi kasus untuk gen globin kekurangan intron dalam serangga yang termasuk dalam genus Chironomus (Antoine et al. 1987), dan semua kecuali satu dari gen aktin intronless dalam jamur lendir Dictyostelium (Roma dan Firtel 1985). Semiprocessed Retrogenes Sebagian besar mamalia mengandung gen preproinsulin tunggal. Sebaliknya, myomorph hewan pengerat (mirip tikus) mengandung dua. Gen preproinsulin I tikus (dan ortolog di tikus) dapat mewakili sebuah contoh dari semiprocessed retrogenes. Gen mengandung intron 119-bp tunggal di daerah 5' yang tidak ditranslasi. Sebagai perbandingan, ekspersi paralognya, preproinsulin II, berisi penambahan intron 499-bp dalam daerah coding untuk peptida C (Lomedico et al. 1979). Semua gen preproinsulin dari mamalia lain, termasuk hewan pengerat lainnya, mengandung dua intron juga. Selain itu, gen preproinsulin I diapit oleh pengulangan pendek, dan sinyal polyadenylation diikuti oleh daerah poly (A) pendek (Soares et al. 1985). Fitur-fitur ini menunjukkan bahwa gen I preproinsulin telah diturunkan dari sebagian proses preproinsulin II pre-mRNA, dari yang hanya satu intron telah dipotong. Preproinsulin I tampaknya berasal dari transkrip pra-mRNA yang menyimpang yang diinisiasi 500 bp di upsteam dari situs cap normal. Retrogene ini mungkin telah mempertahankan fungsinya diikuti integrasi ke dalam lokasi genom baru yang tepat karena transkrip menyimpang yang mengandung sequence pengaturan 5' biasanya tidak ditranskrip. Retropseudogenes Sebuah retropseudogene atau processed pseudogene adalah retrosequence yang telah kehilangan fungsinya. Ia mengandung segala keunggulan dari retrosequence fungsional tetapi memiliki cacat molekul yang mencegahnya untuk diekspresikan. 21
Perbandingan antara gen fungsional dengan processed pseudogene ditunjukkan pada Gambar 7.10. Banyak processed pseudogen dipotong selama reverse transcription dan retrofection; baik pemotongan 5'maupun 3' sangat umum, dan beberapa retropseudogen yang dipotong pada kedua sisi (Ophir dan Graur 1997). Pemotongan dapat terjadi selama (1) inisiasi transkripsi atau terminasi (upstream atau downstream dari situs normal), (2) pengolahan RNA (misalnya, kesalahan splicing), atau (3) reverse transcription (misalnya, kegagalan enzim untuk memulai dengan benar atau untuk menyelesaikan reverse transcription dari molekul RNA).
GAMBAR 7.10 Perbandingan antara dua ekson pertama dari gen superoksida dismutase Cu / Zn manusia (SOD-i) dan bagian-bagian homolog dari processed pseudogene (V69.1). Titik-titik menunjukkan substitusi; simbol minus menunjukkan penghapusan. Perhatikan ketiadaan intron dan penghentian kodon lebih awal (ditandai dengan tanda bintang). Lihat Tabel 1.2 untuk singkatan asam amino satu huruf. Data dari Danziger et al.(1986). (Sumber Graur & Li, 2000).
Kebanyakan retropseudogen yang berasal dari proses transkrip RNA, meskipun dalam kasus yang jarang terjadi retropseudogen telah ditemukan berasal dari transkrip RNA yang tidak diproses atau semiproses (Weiner et al.1986). Retropseudogenes berasal dari semua jenis transkrip RNA yang dikenal. Namun, sebagian besar retropseudogenes yang berasal dari transkrip RNA polimerase II dan III (yaitu, mRNA, snRNA, tRNA, 7SL RNA, dan 5S rRNA). Hanya sedikit retropseudogen berasal dari transkrip RNA polimerase I yang dikenal (yaitu, 18S, 28S, dan 5.8S rRNA) (misalnya, Wang et al. 1997). Hal ini tidak jelas apakah kelangkaan ini mencerminkan fakta bahwa transkrip RNA polimerase I hanya jarang retrotransposed, atau bahwa urutan proses pseudogen rRNA sulit dibedakan dari paralog fungsional mereka. 22
RNA transfer retropseudogen sangat menarik karena mereka menyediakan salah satu bagian yang paling menarik dari bukti bahwa proses pseudogen memang berasal dari RNA reverse transcription. Semua molekul tRNA inti memiliki urutan CCA di terminal 3' nya (Gambar 7.11). Urutan ini tidak dikodekan oleh gen penentu tRNA, tetapi ditambahkan secara enzimatis setelah transkripsi. Sebaliknya, genom tRNA retropseudogen sering mengandung urutan CCA di ujung 3' nya (Reilly et al. 1982).
GAMBAR 7.11 struktur Semanggi dari molekul tRNA. Urutan CCA pada ujung 3 'ditambahkan posttranscriptionally dalam molekul fungsional, tetapi sering muncul di urutan genom dari retropseudogen tRNA.(Sumber Graur & Li, 2000).
Processed pseudogene telah ditemukan pada hewan, tumbuhan, dan bahkan bakteri dan virus. Namun, meskipun processed pseudogene melimpah pada mamalia, mereka relatif jarang terjadi pada hewan lainnya, termasuk ayam, amfibi, dan Drosophila. Misalnya, mamalia memiliki 20-30 retropseudogen tubulin, sementara ayam dan Drosophila tidak punya, meskipun, seperti mamalia, ayam dan Drosophila memiliki banyak gen α dan β-tubulin. Tidak jelas bagaimana perbedaan mencolok ini terjadi. Satu hipotesis menjelaskan bahwa hal itu disebabkan perbedaan gametogenesis antara mamalia dan hewan lainnya (Weiner et al. 1986). Sementara spermatogenesis sangat mirip antara mamalia, ayam, amfibi, dan Drosophila, oogenesis mamalia berbeda darihewan lain oleh tahap lambrush berkepanjangan yang berlangsung dari lahir sampai ovulasi. Keadaan ini relatif tergantung animasi mungkin dapat bertahan 23
hingga 40 tahun pada manusia, tetapi hanya beberapa bulan di amfibi, kurang dari tiga minggu pada burung, dan hampir tidak ada di Drosophila. Jika hipotesis ini benar, dan retroposisi pada mamalia terjadi terutama di germline perempuan, maka diharapkan bahwa mamalia harus memiliki lebih banyak retrosequences dari hewan lain. Prediksi tambahan berasal dari hipotesis ini adalah bahwa retrosequence harus ditemukan dalam jumlah tinggi pada kromosom X, dalam jumlah sedang pada autosom, dan harus jarang pada kromosom Y, yang tidak dilakukan oleh perempuan. Saat ini, tidak ada data empiris kuantitatif yang dapat digunakan untuk menguji hipotesis ini. Memang, ada beberapa laporan dari retropseudogen pada kromosom Y, tetapi ini terletak di wilayah pseudoautosomal yang berpasangan dengan kromosom X selama meiosis, dan mungkin telah dipindahkan dari kromosom X untuk kromosom Y melalui rekombinasi. Tabel 7.2 menunjukkan daftar processed pseudogene dari manusia dan hewan pengerat yang baik jumlah gen pengkode protein fungsional dan jumlah processed pseudogene diketahui atau telah diperkirakan. Sepanjang retropseudogen polymerase II yang bersangkutan, rata-rata spesies mamalia tampaknya memiliki processed pseudogene lebih dari gen fungsional. Dalam beberapa kasus, jumlah processed pseudogene melebihi jumlah pasangan fungsional oleh tingkat pesanan. Misalnya, dalam genom tikus, sekitar 200 processed pseudogene telah dihasilkan dari sebuah gen tunggal untuk dehidrogenase gliseraldehida-3-fosfat. Kenyataannya, jumlah processed pseudogene bahkan mungkin terabaikan dalam banyak kasus, karena pseudogen tua urutannya mungkin telah menyimpang dari gen fungsional orangtuanyauntuk jangkauan mereka tidak lagi terdeteksi oleh satelit molekuler yang berasal dari homolog fungsionalnya.
(Sumber Graur & Li, 2000).
24
Evolusi Sequence Retropseudogene Di mana-mana reverse transcribtion, genom mamalia secara harfiah dibombardir dengan salinan dari urutan ditranskribsi balik. Sebagian besar salinan ini telah nonfungsional dari saat mereka diintegrasikan ke dalam genom. Selain itu, urutan tersebut tidak dapat dengan mudah diselamatkan oleh konversi gen, karena mereka sebagian besar berada pada jarak kromosom yang besar dari gen fungsional orangtua (Bab 6). Fenomena lokus fungsional memompa keluar salinan cacat dari dirinya sendiri dan menyebar ke seluruh genom seperti gunung berapi menghasilkan lava, dan proses ini disebut Vesuvian mode of evolution (P. Leder, dikutip dalam Lewin 1981). Dengan menggunakan rumus Li et al. (1981) untuk menghitung waktu non fungsional dari pseudogen (Bab 6), Itoh et al. (Tidak dipublikasikan) menemukan bahwa sebagian besar retropseudogen menjadi nonfungsional, dan karenanya bebas dari semua kendala selektif, segera setelah mereka diintegrasikan sebagai urutan kromosom dalam genom. Karena kurangnya fungsi, pseudogen dipengaruhi oleh dua proses evolusi (Graur et al. 1989b). Yang pertama melibatkan akumulasi cepat mutasi titik. Akumulasi ini akhirnya melenyapkan kesamaan urutan antara pseudogene dan homolog fungsional, yang berkembang jauh lebih lambat. Komposisi nukleotida pseudogene akan sampai menyerupai lingkungan nonfungsional yang lebih dan lebih, akhirnya "blending" ke dalamnya. Proses ini disebut asimilasi komposisi. Proses evolusi kedua ditandai dengan pseudogen menjadi semakin pendek dibandingkan dengan gen fungsional. Panjang pemendekan ini disebabkan oleh kelebihan penghapusan lebih dari sisipan. bagaimanapun roses ini sangat lambat. Diperkirakan bahwa itu akan mengambil sekitar 400 juta tahun untuk processed 25
pseudogene mamalia kehilangan setengah dari panjangnya. Tentu saja, mamalia hanya berusia sekitar 200 juta tahun, sehingga genom mamalia diharapkan mengandung potongan besar dari DNA pseudogen yang sangat kuno. Jelas, pseudogen kuno ini sekarang memiliki kehilangan hampir semua kesamaan dengan gen fungsional dari mana mereka telah diturunkan. Dengan kata lain, processed pseudogene mamalia dibuat pada tingkat yang jauh lebih cepat daripada tingkat di mana mereka dilenyapkan oleh delesi. Oleh karena itu disimpulkan bahwa pemendekan adalah proses yang terlalu lambat untuk mengimbangi peningkatan Vesuvian yang stabil dalam ukuran genom (Graur et al. 1989b). Tingkat kehilangan DNA di Drosophila adalah sekitar 75 kali lebih cepat dari pada di pseudogen mamalia (Petrov dan Hartl 1997). Tingkat tinggi dari kehilangan DNA mengarah pada penghapusan cepat dari DNA yang tidak penting, dan dapat menjelaskan kematian pseudogen pada spesies Drosophila.
LINEs AND SINEs Genom dari semua eukariota multiselular mengandung beberapa jenis urutan berseling berulang (repetitive interspersedsequences) yang sangat tinggi (Bab 8). urutan ini, awalnya terdeteksi sebagai komponen reannealing yang cepat dari DNA genom, telah dibagi menjadi dua kelas utama, disebut sebagai elemen interspersed repetitive yang pendek (SINEs) dan interspersed repetitive yang panjang (LINEs). Lebih dari sepertiga genom manusia diperkirakan terdiri dari sekuens interspersed repetitive. LINEs yang awalnya digambarkan sebagai urutan DNA lebih dari 5 Kb dan hadir dalam 104 salinan atau lebih per genom, sedangkan SINEs didefinisikan sebagai urutan pendek dari 500 bp terjadi di 105 salinan atau lebih dalam genom haploid (Singer 1982).Bagaimanapun setelah studi sequencing, definisi dari SINEs dan LINEs diubah oleh Hutchison et al. (1989). Artinya, menggunakan panjang dan menyalin nomor sebagai fitur diagnostik, LINEs dan SINEs yang didefinisikan kembali sesuai dengan kemampuan mereka atau kurangnya kemampuan untuk memeantarai transposisi mereka sendiri. Panjang LINEs biasanya berkisar dari 3 sampai 7 Kb. Studi DNA sequencing telah menunjukkan bahwa LINEs adalah retroposon atau hasil salinan retroposon. 26
Setiap LINE fungsional berisi open reading frame yang mengkodekan domain sesuai dengan endonuklease dan reverse transcriptase. Domain reverse transcriptase menunjukkan spesifisitas LINE, yaitu, reverse transcriptase dari satu LINE hanya akan mengenali ujung 3' LINE itu, atau urutan yang sama, dan akan jauh lebih efisien dalam mengenali dan kemudian mentranskripsi balik LINEs lain. Pada kenyataannya, LINEs tidak aktif, urutan LINE parsial atau pseudogen berasal dari LINEs aktif. Panjang SINEs biasanya berkisar dari 75-500 bp. Mereka tidak mengkode protein yang diperlukan untuk retroposisi; pada kenyataannya, mereka tidak memiliki open reading frame dari panjang yang signifikan. Dengan demikian, SINEs adalah elemen non-otonom yang harus dibantu dalam proses retroposisi oleh unsur-unsur genetik lainnya. Ada dua jenis yang diketahui dari SINEs: mereka berasal dari 7SL RNA dan yang berasal dari tRNA. Dengan pengecualian dari Alu primata dan keluarga B1hewan pengerat, yang berasal dari 7SL RNA, semua SINEs dilaporkan sampai saat ini, dari sumber yang beragam seperti manusia, ikan, kura-kura, tanaman, nyamuk, dan jamur, yang berasal dari tRNA. SINEs berasal dari 7SL RNA Urutan alu, dinamakan demikian karena mengandung karakteristik situs restriksi untuk endonuklease Alu I, panjang sekitar 300 bp. Mereka membentuk keluarga urutan berulang yang muncul lebih dari satu juta kali dalam genom manusia, merupakan suatu yang luar biasa 10% dari genom. Ullu dan Tschudi (1984) menemukan bahwa urutan Alu sebenarnya turunan processed pseudogene dari gen yang menentukan 7SL RNA, komponen sitoplasma melimpah dari partikel pengenal sinyal yang sangat penting dalam proses penghapusan sinyal peptida dari protein yang disekresikan (Walter dan Blobel 1982). Gen aktif yang sangat dibatasi, dan urutan dilindungi antara organisme yang berbeda seperti manusia, Xenopus, dan Drosophila. Urutan Alu manusia telah diturunkan dari urutan 7SL fungsional oleh serangkaian langkah yang melibatkan duplikasi, dua penghapusan, dan banyak substitusi nukleotida dan indels kecil (Gambar 7.12a). Kebanyakan urutan Alu manusia memiliki struktur dimer. Genom manusia juga berisi nomor di urutan Alu tetrameric, tetapi hanya beberapa elemen Alu monomer telah ditemukan. Sebaliknya, Alu tikus setara, B1, hampir secara eksklusif monomer (Gambar 7.12b). Britten et al. (1988) 27
tanggal munculnya monomer pertama ke waktu sebelum radiasi mamalia, dan duplikasi yang menghasilkan dimer ke waktu setelah garis keturunan primata telah stabil.
GAMBAR 7.12 Asal urutan Alu pada manusia dan primata lainnya (a), dan urutan B1 pada hewan pengerat (b). berbagai daerah di gen 7SL RNA bayangan berbeda untuk menekankan penghapusan dan penyusunan ulang di urutan Alu. (A), berarti A diulang n kali. Perhatikan struktur dimer di (a) dan struktur monomer di (b).(Sumber Graur & Li, 2000).
Jika retropseudogene mempertahankan kemampuan untuk ditranskripsi, proses cascade mungkin terjadi, dimana retropseudogen baru dibuat dari transkrip RNA pseudogen yang ada. Ini disarankan untuk menjadi kasus dalam keluarga Alu (Bains 1986). Sebagai gen 7SL-RNA ditranskripsi oleh RNA polimerase III, yang tidak memerlukan promotor luar daerah transkripsi, dapat dibayangkan bahwa beberapa urutan Alu mungkin telah menahan promotor lengkap dan dapat ditranskrip. Namun, urutan Alu bukan retropseudogen reguler yang langsung berasal dari gen penentu 7SLRNA. Sesuatu yang lain harus terjadi untuk membuat mereka begitu efektif dalam mengalikan sendiri ratusan roduce atas ribuan salinan. Apakah ini "sesuatu yang lain" adalah, pada saat ini misteri elemen Alu memprihatinkan; Namun, kita tahu mengapa SINEs lainnya begitu efisien dalam "pemanfaatan dan berkembang biak", meskipun kekurangan kemampuan transposabel otonom (lihat bagian berikutnya). Willard et al. (1987) dan Britten et al. (1988) mengenali beberapa subfamili urutan Alu. Mereka mengusulkan agasubfamili ini telah berurutan berasal dari hanya tiga atau empat urutan sumber (Gambar 7.13), bukan proses cascade yang disarankan oleh Bains (1986). Asal subfamili baru-baru ini memiliki urutan yang lebih berbeda dari urutan 7SL leluhur dari pada subfamili yang lebih tua. Dengan demikian, sebagian 28
besar urutan Alu telah diturunkan tidak secara langsung dari gen 7SL fungsional, tetapi dari sejumlah kecil sekuens sumber, yang awalnya berasal dari gen 7SL-RNA melalui banyak langkah perubahan. Setiap urutan sumber tersebut disajikan pada satu waktu atau yang lain sebagai sumber utama dari urutan Alu dan digantikan oleh garis keturunan. berturut-turut dari fiksasi tidak terjadi dalam ledakan diskrit tiba-tiba, tapi subfamilies berturut-turut terus hidup berdampingan dalam genom untuk jangka waktu yang lama (lihat juga Quentin 1988).Gelombang
GAMBAR 7.13 Urutan mutasi pada posisi diagnostik (angka Arab) antara subfamili yang berbeda dari urutan Alu. angka Romawi menunjukkan urutan sumber beruntun yang disajikan di berbagai periode sebagai sumber utama dari urutan Alu. Substitusi membedakan setiap subfamili dari satu sebelumnya dilambangkan dengan x. Misalnya, subfamili Alu I berbeda dari 7SL RNA oleh substitusi tunggal pada posisi 68; subfamili II berbeda dari subfamili I oleh substitusi15, termasuk satu di posisi 68 yang sudah diganti satu kali dalam langkah sebelumnya. (Sumber Graur & Li, 2000).
SINEs berasaldari tRNA Seperti disebutkan sebelumnya, sebagian besar SINEs adalah turunan tRNA. Jenis tRNA yang menurunkan SINE adalah molekul tidak masuk akal yang terdiri dari dua bagian, salah satunya adalah daerah terkait tRNA dan lainnya daerah yang tidak terkait tRNA (Gambar 7.14). Yang terakhir pada gilirannya terdiri dari dua wilayah 29
yang berbeda: sebuah daerah 5' yang asalnya masih harus dijelaskan, dan sebuah daerah turunan LINE (Oshima et al 1996.).
GAMBAR 7.14 Struktur dari SINE turunan tRNA. Elemen dapat dibagi menjadi dua bagian: daerah terkait tRNA (kotak abu-abu) dan wilayah tidak terkait tRNA. Daerah terakhir berisi urutan yang tidak diketahui asalnya (kotak padat) dan daerah turunan LINE (kotak beraris). Courtesy of Profesor Norihiro Okada.(Sumber Graur & Li, 2000).
Karena pesatnya laju evolusi SINE, identifikasi spesies tRNA dari daerah yang terkait tRNA dari SINE yang telah diturunkan sangat sulit dalam sebagian besar kasus, dan kesalahan dalam identifikasi berlimpah dalam literatur. Untuk saat ini, hanya empat spesies tRNA yang telah jelas diidentifikasi sebagai asal-usul SINE. Ini adalah: tRNALys yang berasal dari (spesies tRNA yang paling umum digunakan), tRNA Ala, tRNA Arg, dan tRNA Glu (Oshima et al 1993.). Saat ini, kami tidak tahu apakah iya atau tidak jenis tRNA dapat membentuk SINEs. Dimana ada SINE, di sana ada LINE Misteri abadi dalam evolusi molekuler adalah efisiensi yang menakjubkan dengan SINEs, yang dalam diri mereka sendiri tanpa mekanisme replikasi diri, bisa menghasilkan ratusan ribu salinan genom. Penemuan bahwa ujung 3' dari setiap SINE turunan tRNA menunjukkan kesamaan urutan dengan ujung 3' sebuah LINE (Ohshima et al. 1996) memberikan kunci untuk memecahkan misteri ini.
GAMBAR 7.15 deretan ujung 3 'dari urutan konsensus SINEs Bin-1 dan LIE Bin-1 dari ulat sutera Bombyx mori. garis vertikal pendek menunjukkan nukleotida identik dalam dua urutan. Tidak ada kesenjangan yang diperlukan untuk menyelaraskan dua urutan. Garis vertikal yang panjang menunjukkan akhir mendadak dalam kesamaan antara urutan SINE dan LINE. Posisi nomor dalam deretan asli (Okada et al. 1997).(Sumber Graur & Li, 2000).
30
GAMBAR 7.16 reverse transcriptase (oval berbayang) diperlukan untuk retroposisi dari SINE turunan tRNA disediakan oleh partner LINE. transkrip SINE (garis bergelombang) dikenali pada ujung 3' nya (garis berat), dan selanjutnya ditranskripsi balik dan diintegrasikan ke dalam situs target genom. urutan 3' LINE dan SINE yang ditampilkan sebagai kotak bergaris untuk menekankan kesamaan mereka satu sama lain. Kotak kosong di LINE menggambarkan urutan LINE-spesifik. Urutan asal tidak diketahui dalam SINE dan daerah terkait tRNA masing-masing ditampilkan sebagai kotak solid dan kotak abuabu. Courtesy of Profesor Norihiro Okada.(Sumber Graur & Li, 2000).
Gambar 7.15 menunjukkan salah satu contohnya, penyelarasan ujung 3 'dari SINE dan LINE dari ulat sutera Bombyx mori. Sekitar 80 nukleotida pada ujung 3' dari kedua urutan yang sangat mirip, sementara tidak terlihat kesamaan yang diamati upstream dari daerah 3'. Karena daerah ini dikenal untuk diakui oleh LINE mengkode riverse transcriptase, Oshima et al. (1996) mengusulkan bahwa setiap SINE disebarkan dalam genom dengan menggunakan enzim dari LINE yang sesuai (Gambar 7.16). Dalam beberapa kasus, dua atau lebih SINE ditemukan untuk berbagi ekor 3' yang sama sebagai LINE tunggal. Karena setiap reverse transcriptase LINE adalah spesifik untuk LINE di mana gen tinggal, tidak ada kesamaan universal dalam baik panjang atau urutan komposisi antara daerah pengenalan 3' melebihi kesamaan antara pasangan sejenis. Banyak pasangan LINE/SINE telah diidentifikasi dalam taksa yang beragam seperti ruminansia, reptil, ikan salmonid, hiu, ulat, tanaman tembakau, dan jamur (Okada et al. 1997). Model di atas membuat tiga prediksi yang menarik. Pertama, jika ada SINE tRNA yang diturunkan, pasangan LINE harus hadir dalam genom dari organisme yang sama. LINEs mungkin ada pada mereka sendiri; SINEs tidak bisa. Kedua, model memprediksi bahwa setelah pasangan LINE menjadi tidak aktif, pasangan SINE akan kehilangan kemampuannya untuk retrotransposon. Akhirnya, pasangan LINE harus memiliki sejarah evolusi lebih lama, dan karenanya distribusi filogenetik yang lebih 31
luas, dari pasangan SINE nya. Semua prediksi ini telah divalidasi bagi pasangan LINE2 / MIR pada manusia dan beberapa CiLINE2 / AFC di ikan cichlid (Terai et al. 1998). DNA Memerantarai Elemen Transposable dan Fosil Transposable Selain SINE retrotransposed yang telah dibahas sebelumnya,genom mamalia mengandung banyak pengulangan berseling (interspersed repeats) yang telah merubah urutan tanpa bantuan reverse transcriptase. Genom manusia ditemukan mengandung setidaknya 14 keluarga dan lebih dari 100.000 salinan dari transposon simetris sederhana, panjangnya 180-2,500 bp (Smit dan Riggs 1996). Menariknya, banyak elemen transposabel tersebut sangat kuno, dan sering disebut sebagai fosil transposon. Misalnya, anggota Tigger family manusia ditemukan sangat mirip dengan pogo, sebuah transposon DNA di Drosophila, dan pada tingkat lebih rendah untuk lima transposon dari jamur dan nematoda, sebuah temuan yang membuktikan peninggalan kuno dari elemen-elemen ini. Menariknya, transposase dikode oleh anggota Tigger family ditemukan mirip dengan utamanya protein B sentromer mamalia, yang mungkin menunjukkan bahwa komponen penting dari meiosis ini dan mitosis mungkin pada awalnya telah diturunkan dari elemen transposabel. Laju Evolusi SINE Karena jumlah mereka, SINEs awalnya diperkirakan memiliki fungsi biologis. Apakah ada atau tidak kehadiran mereka dalam genom memberikan fungsi akan dibahas pada bagian berikutnya. Namun, dalam hal sekuens evolusi, mereka tampaknya berkembang secepat menggmbarkan pseudogen tak berfungsi lainnya. Salah satu contohnya dapat dilihat pada Tabel 7.3.
Efek Genetik Dan Evolusi dari Transposisi Transposisi dan retroposisi dapat memiliki efek mendalam pada ukuran dan struktur genom. Secara khusus, element transposable telah dianggap contoh DNA 32
egois, yaitu, urutan yang tidak melakukan fungsi atau memberi keuntungan pada tuan rumah, tetapi dapat menyebar dalam genom karena mereka berkembang biak lebih cepat dari urutan genom lain (Doolittle dan Sapienza 1980; Orgel dan Crick 1980). Untuk alasan ini, transposisi dapat sangat meningkatkan ukuran genom, efek kita akan berurusan dengan dalam Bab 8. Di sini kita menyibukkan diri dengan efek element transposable pada evolusi gen dan ekspresi. Pertama, seperti disebutkan di atas, transposon pada bakteri sering membawa gen yang memberikan antibiotik atau lainnya bentuk perlawanan pada operator mereka. Plasmid dapat membawa transposon tersebut dari sel ke sel, baik dalam suatu spesies atau antara spesies bakteri yang berbeda, sehingga resistensi yang dapat dengan cepat menyebar ke seluruh populasi atau ekosistem bakteri seluruh. Dengan demikian, transposon dapat membantu spesies untuk bertahan hidup lingkungan yang merugikan. Kedua, ekspresi gen dapat diubah oleh kehadiran unsur transposabel baik di dalam gen atau berdekatan dengan itu. Dalam kasus yang paling sederhana, penyisipan elemen transposabel ke daerah pengkode gen penyandi protein paling mungkin akan mengubah (atau melenyapkan) frame membaca, dan yang pada gilirannya dapat memiliki efek fenotipik drastis (misalnya, Kazazian et al. 1988 ). Demikian pula, eksisi element transposable mungkin tidak tepat, sehingga penambahan atau penghapusan basis. Salah satu contohnya adalah kepentingan sejarah tertentu karena menyangkut biji kacang polong keriput yang dipelajari oleh Gregor Mendel. Bhattacharyya et al. (1990, 1993) menemukan bahwa varian keriput muncul melalui mutasi pada lokus rugosus oleh penyisipan transposon ke dalam bingkai pembacaan gen yang mengkode enzim pati-bercabang (Gambar 7.17). Karena inaktivasi gen, jumlah total pati dan proporsi amilopektin (bercabang pati) yang sangat berkurang di homozigot, sedangkan jumlah sukrosa meningkat. Peningkatan sukrosa dalam biji menyebabkan penyerapan lebih besar dari air, sehingga meningkatkan ukuran benih. Selama pengeringan benih, bibit ini kehilangan lebih banyak air daripada biji dari tanaman memiliki enzim patibercabang fungsional, menghasilkan kacang keriput. Namun demikian, efek tak terduga dari transposisi pada ekspresi gen. Misalnya, unsur transposabel dapat memuat unsur peraturan, seperti promotor, yang dapat mempengaruhi mode dan laju transkripsi gen di dekatnya. Misalnya, kehadiran urutan penyisipan di wilayah promotor gal operon E. coli hasil dalam operon yang 33
diungkapkan konstitutif, yaitu, regulasi operon terganggu (Shapiro 1983). Contoh lain melibatkan retrovirus. Mengulangi terminal lama retrovirus sering mengandung enhancer kuat, yang sangat mempengaruhi ekspresi gen di dekatnya. Demikian pula, Ty (yang merupakan singkatan dari "transposon ragi") elemen dalam Saccharomyces cerevisiae diketahui meningkatkan ekspresi gen hilir. Ini mungkin bermanfaat dalam beberapa keadaan tertentu, meskipun dalam kebanyakan kasus ketidakseimbangan metabolik yang dihasilkan oleh perubahan tersebut mungkin merugikan. element transposable yang berisi situs donor atau akseptor sambatan dapat mempengaruhi pengolahan transkrip RNA primer bahkan jika elemen telah memasukkan sendiri dalam wilayah noncoding dari gen, seperti intron. Misalnya, unsur MIR ditemukan untuk menentukan lokasi splicing alternatif dalam gen reseptor asetilkolin manusia (Murnane dan Morales 1995). Jelas, penyisipan elemen transposabel atau retrosequence menjadi intron atau Spacer yang selektif netral dalam sebagian besar kasus. Sebagai contoh, ada 13 Alu mengulangi dalam intron gen timidin kinase manusia (Fleminton et al. 1987), namun tidak ada bukti dari efek merusak.
34
Ketiga, banyak element transposable mempromosikan penyusunan ulang genomik kotor. Inversi, translokasi, duplikasi, dan penghapusan besar dan sisipan dapat dimediasi oleh element transposable. Penataan ulang ini dapat berlangsung sebagai akibat langsung dari transposisi (yaitu, dengan memindahkan urutan DNA dari satu lokasi genom yang lain), atau secara tidak langsung jika, sebagai akibat dari transposisi, dua urutan yang sebelumnya memiliki sedikit kesamaan dengan satu sama lain sekarang berbagi elemen transposabel serupa sehingga crossing yang tidak setara lebih dari antara mereka adalah mungkin. Ini terkadang menghasilkan duplikasi gen atau penataan ulang gen menguntungkan. Misalnya, duplikasi seluruh gen hormon pertumbuhan awal dalam evolusi manusia mungkin telah terjadi melalui sebuah peristiwa rekombinasi Alu-Alu (Barsh et al. 1983). Demikian pula, duplikasi yang memunculkan y G dan gen Ay-globin mungkin dihasilkan dari rekombinasi antara dua LI baris dalam leluhur awal simians (Maeda dan Smithies 1986; Fitch et al 1991.). Pada kebanyakan kasus, bagaimanapun, peristiwa semacam itu akan merupakan mutasi yang merusak. Gambar 7.18 menggambarkan bagaimana sebuah crossing yang tidak sama atas acara yang difasilitasi oleh kehadiran beberapa urutan Alu dalam intron mengapit ekson 5 gen pengkodean low-density lipoprotein reseptor, telah menimbulkan gen mutan kurang ekson ini (Hobbs et al. 1986). Gen ini, penghapusan ekson 14 dengan mekanisme yang sama juga telah diamati (Lehrman et al. 1986). Pasien homozigot untuk salah satu dari penghapusan ini memiliki tingkat tinggi kolesterol dalam darah (hiperkolesterolemia). Rekombinasi antara dua elemen Alu juga telah terbukti bertanggung jawab atas penghapusan promotor dan ekson pertama dari gen deaminase adenosin pada pasien dengan defisiensi deaminase adenosin (Markert et al. 1988). Distribusi kromosom dari urutan Alu tidak seragam (Soriano et al. 1983), dan ketidakstabilan genomik telah ditunjukkan untuk semua daerah yang mengandung urutan berulang Alu (Calabretta et al. 1982).
35
Keempat, penyisipan unsur berpindah ke anggota keluarga multigene dapat mengurangi tingkat atau membatasi tingkat konversi gen antara anggota keluarga, sehingga meningkatkan tingkat perbedaan antara gen duplikat (Hess et al 1983;. Schimenti dan Duncan 1984 ). Hal ini bisa terjadi karena proses konversi gen melibatkan pasangan dari DNA homolog (Bab 6), dan wilayah non homolog diciptakan oleh penyisipan tidak merata unsur berpindah mungkin mengurangi frekuensi pasangan tersebut dan akibatnya kesempatan konversi gen antara gen duplikat. Kelima, ada bukti bahwa beberapa unsur berpindah dapat menyebabkan peningkatan tingkat mutasi. Misalnya, strain E. coli yang mengandung unsur transposabel TnlO ditemukan mengalami peningkatan tingkat sisipan (Chao et al. 1983), sedangkan urutan penyisipan IS1 meningkatkan kemungkinan penghapusan di daerah yang berdekatan. Dalam kondisi yang paling, sifat ini akan merusak untuk carrier. Namun, di bawah tekanan lingkungan yang parah adalah mungkin bahwa tingkat tinggi mutasi mungkin menguntungkan karena beberapa mutasi mungkin lebih cocok dengan keadaan baru dan operator mereka akan memiliki kebugaran lebih tinggi daripada non-operator. Keenam, adanya unsur transposabel dapat mengubah sepotong dinyatakan bergerak dari DNA menjadi salah satu ponsel. Misalnya, kehadiran IS 1 elemen pada
36
kedua sisi gen dapat berubah gen menjadi sebuah entitas transposon-seperti kompleks, dan memungkinkan gen untuk merefleksikan ke plasmid, melalui yang dapat ditransfer ke sel lain. Demikian pula, penyebaran sinus dimungkinkan oleh reverse transcriptase dikodekan oleh element transposable (lihat halaman 347). Ketujuh, retrosequences mungkin mempertahankan fungsi mereka atau bahkan memperoleh fungsi novel atau bentuk novel ekspresi ontogenic (lihat halaman 336). Atau, mereka dapat dimasukkan dalam lingkungan ekson fungsional yang tidak terkait dan intron, di mana mereka menjadi bagian dari baru, gen chimeric. Misalnya, diproses alkohol dehidrogenase pseudogene di Drosophila menjadi bagian dari empat ekson protein-coding Jingwei gen baru melalui penggabungan hilir tiga ekson fungsional yang tidak terkait asal * (Long dan Langley 1993). Akhirnya, beberapa urutan di element transposable mungkin memiliki fungsi yang tidak berhubungan dengan transposisi. Misalnya, unsur transposabel mungkin berisi motif urutan yang diakui oleh enzim tertentu. Melalui transposisi replikatif, elemen tersebut dapat menjadi "donor urutan motif." Memang, retrosequences dan retroelements diidentifikasi sebagai donor urutan motif untuk proses biologis seperti posisi nukleosom, metilasi DNA, peningkatan transkripsi dan pembungkaman, polyadenylation signaling, reseptor asam retinoat, dan RNA splicing, stabilitas, dan transportasi (Brosius dan Tiedge 1995; Vansant dan Reynolds 1995). Penggabungan motif tersebut ke dalam genom bahkan dapat menambahkan frame terbuka membaca untuk domain protein novel dalam protein mosaik (Bab 6). Ini adaptasi diduga menunggu untuk digunakan dipanggil exaptations oleh Gould dan Vrba (1982).
37
Hybrid Disgenesis Hybrid disgenesis di Drosophila adalah sindrom sifat genetik yang abnormal berkorelasi yang spontan diinduksi dalam satu jenis hybrid antara strain saling interaktif tertentu, tetapi biasanya tidak di hybrid timbal balik (Sved 1976; Kidwell dan Kidwell 1976). Hybrid disgenesis telah menarik banyak perhatian dari ahli biologi molekuler dan evolusi karena manifestasi utamanya adalah penciptaan penghalang terhadap hibridisasi antara strain atau populasi, yang telah berspekulasi menjadi penyebab spesiasi. Ada beberapa sistem dysgenic pada spesies Drosophila yang berbeda, beberapa disebabkan oleh elemen transposabel tunggal, dan lain-lain, seperti sistem HelenaParisPenelope-Ulysses-Telemac di D. virilis, disebabkan oleh "koalisi" dari element transposable (Vieira et al. 1998 ). Berikut ini kita akan berurusan dengan hanya satu sistem, sistem P-M di D. Melanogaster. Asimetri disgenesis hybrid ditunjukkan pada Gambar 7.19. Ketika laki-laki dari pasangan P ketegangan dengan wanita dari strain M, keturunannya yang dysgenic; di kawin timbal balik, keturunannya normal. Ciri-ciri dysgenic dari sistem PM meliputi
38
(1) kegagalan gonad untuk mengembangkan jika instar pertama terkena suhu di atas 27 ° C, (2) rekombinasi pada laki-laki (suatu kejadian yang tidak wajar di Drosophila, di mana rekombinasi biasanya terbatas betina), (3) pecah kromosom dan penataan ulang, (4) distorsi proporsi transmisi Mendel (termasuk rasio jenis kelamin), dan (5) frekuensi tinggi mutasi yang mematikan dan non-mematikan, sebagian besar karena kromosom nondisjunction atau penyisipan dan eksisi elemen mobile. Penyebab P-M disgenesis adalah keluarga dari element transposable disebut unsur P (Gambar 7.20). Dalam strain P-membawa, ada 30-50 unsur P dalam genom, meskipun banyak dari mereka mengandung penghapusan dan karena itu baik nonotonom atau benar-benar tidak aktif. Mereka didistribusikan di seluruh kromosom, walaupun mungkin ada beberapa preferensi kromosom halus untuk penyisipan P elemen (Kelly et al 1987;. Engels 1989;. Ronsseray et al 1989; Berg dan Spradling 1991;. O'Hare et al 1992). strain M tidak membawa unsur P. Asimetri sistem disgenesis hybrid diduga hasil dari warisan ibu dari P elemen-dikodekan represor dalam sitoplasma keturunan F1 dari P perempuan x M perkawinan laki-laki, dan tidak adanya represor seperti dalam keturunan F1 dari timbal balik P laki-laki x M perkawinan perempuan (Gambar 7.19). sifat dysgenic dianggap karena transposisi tidak terkendali unsur P dalam sel germline yang sitoplasma garis ibu berasal kekurangan represor. Dalam konteks disgenesis hybrid, ada atau tidak adanya represor di sitoplasma mendefinisikan jenis reaksi berikut pembentukan zigot, dan disebut sebagai cytotype tersebut. Di hadapan represor, P elemen transposisi dapat seluruhnya atau sebagian dihambat.
39
Wilayah transposase-coding dalam elemen P terdiri dari empat ekson dipisahkan satu sama lain oleh tiga intron singkat (masing-masing kurang dari 100 bp panjang). Dalam mRNA-sel germline, tiga intron ini dipotong dan transposase fungsional dibuat. Dalam mRNA-sel somatik, intron ketiga dipertahankan, dan sebagai akibatnya protein terpotong diproduksi. protein ini bertindak dipotong sebagai represor, dan karenanya transposisi elemen P tidak terjadi dalam sel germline (Roche et al. 1995).
Pengamatan yang menarik telah dibuat oleh Kidwell (1983) mengenai distribusi strain P-bawa. karakteristik P tidak ditemukan dalam D. melanogaster strain 40
dikumpulkan sebelum tahun 1950, dan koleksi yang dibuat kemudian menunjukkan peningkatan frekuensi dari P dengan penurunan usia (Gambar 7.21). Pengamatan serupa dibuat dengan sistem dysgenic lain, I-R. Dua hipotesis yang diusulkan untuk menjelaskan distribusi elemen P. Engels (1981b) mengusulkan bahwa sebagian besar strain di alam adalah dari jenis P tetapi mereka cenderung kehilangan element transposable di laboratorium. Hipotesis kedua mendalilkan pengenalan baru-baru ini elemen P transposabel ke D. melanogaster populasi diikuti oleh penyebaran cepat mereka dalam sebelumnya populasi M (Kidwell 1979). Ada beberapa alasan mengapa hipotesis terakhir ini disukai dibanding yang pertama. Pertama, P-membawa strain laboratorium yang telah dipantau selama hampir 15 tahun tidak pernah diamati kehilangan karakteristik P mereka. Kedua, tampaknya ada sebuah kemerosotan geografis dalam distribusi strain P, dengan populasi Amerika menunjukkan tanda-tanda sebelumnya membawa unsur P dari Eropa, Afrika, dan strain Timur Tengah, yang pada gilirannya tampaknya memiliki unsur P diperoleh sebelum populasi Australasia. Terakhir, sekarang ada bukti bahwa unsur-unsur P telah baru saja diakuisisi dari spesies Drosophila jauh terkait (lihat halaman 363). Transposisi dan spesiasi Spesiasi atau cladogenesis (yaitu, penciptaan dua atau lebih spesies dari satu orang tua) adalah salah satu proses evolusi yang paling penting. Sayangnya, pada tingkat molekuler, juga salah satu proses paling sedikit dipahami. Kita tahu sedikit sarana yang spesies baru muncul dari yang lama. Apa yang kita tahu adalah bahwa proses spesiasi membutuhkan penciptaan penghalang reproduksi antara dua populasi yang berasal dari spesies yang sama, sehingga mereka tidak bisa lagi kawin silang. Hybrid disgenesis telah berpikir sejenak untuk mewakili tahap awal dalam proses spesiasi, dengan bertindak sebagai mekanisme postmating reproduksi isolasi antara populasi yang berbeda yang berasal dari spesies yang sama (misalnya, Periquet et al. 1989). Memang, sterilitas hibrida yang dihasilkan oleh persilangan antara spesies saudara D. melanogaster dan D. simulans sangat mirip dengan yang disebabkan disgenesis (mis, gonad yang belum sempurna, segregasi distorsi). Ada masalah dengan pandangan ini, namun. Pertama, meskipun hibrida pameran berkurang kebugaran dan oleh karena itu sebagian terisolasi dalam hal reproduksi, transposisi elemen P di germline yang hampir memastikan bahwa sebagian 41
besar kromosom ditransmisikan ke hibrida akan menanggung unsur P, dan cytotype akhirnya akan berubah menjadi P ketik juga. Dengan demikian, memberikan pengurangan kebugaran di hibrida tidak terlalu besar, unsur P akan cepat menyebar melalui seluruh populasi. Memang, pertimbangan teoritis menunjukkan bahwa hibrida harus hampir sepenuhnya steril untuk reproduksi isolasi efektif untuk bertahan. Kedua, unsur P memiliki kemampuan untuk merefleksikan diri horizontal (lihat halaman 363) sebagai agen infeksius dari individu ke individu. Dengan demikian, seluruh penduduk dapat dengan cepat diambil alih oleh P, sehingga disgenesis hybrid kemungkinan akan bertahan untuk waktu yang sangat singkat di alam. Memang, banyak spesies yang termasuk dalam genus Drosophila diketahui di mana semua individu dan semua populasi membawa P atau P-seperti elemen, dan akibatnya disgenesis hybrid tidak terjadi dalam spesies ini. Akhirnya, sejauh yang kita tahu sekarang, disgenesis hybrid dibatasi untuk Drosophila dan mungkin tidak mewakili fenomena universal di alam. Selain itu, bahkan dalam genus Drosophila ada bukti ditemukan keterlibatan unsur bergerak sebagai hambatan untuk aliran gen antara spesies saudara. Sejak penemuan element transposable, banyak mekanisme lain untuk spesiasi oleh transposisi telah diusulkan dalam literatur. Sebagai contoh, telah menyarankan bahwa massa transposisi replikatif elemen yang mengandung urutan peraturan di satu populasi dapat menyebabkan ulang genetik socalled dari genom, dimana banyak gen akan dikenakan modus novel regulasi gen. populasi tersebut jelas akan menjadi reproduktif terisolasi dari populasi yang mempertahankan bentuk lama regulasi gen. Penemuan bahwa beberapa mengulangi Alu mengandung unsur fungsional asam retinoat respon (Vansant dan Reynolds 1995), yang dikenal berfungsi sebagai faktor transkripsi, menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk mengubah ekspresi banyak gen melalui dispersi genom dari element transposable. Saran lain dipanggil mekanisme ketidakcocokan mekanik, juga disebabkan oleh massa transposisi replikatif. Dalam hal ini, diasumsikan bahwa dalam satu populasi element transposable dapat memperluas jumlah mereka sedemikian rupa untuk menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam ukuran kromosom. Organisme hibrida yang mewarisi satu set kromosom besar dari satu orangtua dan satu set kromosom kecil dari yang lain akan mengalami kesulitan dalam kromosom berpasangan selama meiosis, dan kemungkinan besar akan menjadi steril. 42
Sayangnya, dengan pengecualian beberapa spekulasi yang sangat inovatif (misalnya, Cohen dan Shapiro 1980;. Bingham et al 1982; Ginzburg et al 1984;. Ratner dan Vasil'eva 1992; McFadden dan Knowles 1997), tak satu pun dari model spesiasi atas memiliki telah dibuktikan oleh data empiris. Dinamika Evolusi Dari Jumlah Copy Elemen Transposabel Ada dua pandangan yang berlawanan mengenai keberadaan luas dari element transposable dalam populasi alami. Salah satu pandangan menyatakan bahwa element transposable banyak karena mereka memberikan keuntungan selektif pada host mereka (misalnya, Cohen 1976; Tidak pernah dan Saedler 1977; Syvanen 1994). Contoh yang jelas termasuk resistensi terhadap antibiotik pada bakteri. Pandangan lain menyatakan bahwa element transposable adalah parasit intragenomic, atau "DNA egois," dan dengan demikian mereka lebih cenderung merusak daripada menguntungkan. Penyebaran element transposable karena itu dijelaskan oleh kemampuan mereka untuk meniru lebih cepat dari genom inang. Memang, Hickey (1982) telah menunjukkan bahwa tingkat tinggi transposisi dapat mengatasi efek bahkan rezim seleksi pemurni paling ketat terhadap penyebaran element transposable. Berikut ini, kita akan membahas model kedua kuantitatif. Jumlah element transposable dalam genom ditentukan oleh tiga faktor: (1) u, probabilitas bahwa elemen transposabel menghasilkan salinan genom baru dengan transposisi replikatif, (2) v, probabilitas bahwa unsur ini dipotong, dan (3 ) intensitas seleksi terhadap meningkatnya jumlah element transposable dalam genom. Nilai-nilai u dan v telah ditentukan secara eksperimen selama beberapa element transposable pada populasi D. melanogaster. tarif transposisi yang ditemukan bervariasi antara element transposable, tetapi pada rata-rata berada di urutan 10-4 per elemen per generasi (Charlesworth et al. 1992). tarif eksisi sekitar satu urutan besarnya lebih rendah (Charlesworth dan Langley 1989). Akibatnya, dengan tidak adanya seleksi terhadap elemen transposabel, jumlah salinan dalam genom diperkirakan akan meningkat tanpa batas. Jika jumlah element transposable dipertahankan pada asumsi equilibriuman yang mungkin tidak terus dalam alam maka pilihan harus beroperasi terhadap peningkatan jumlah copy. Memang, ada indikasi bahwa kelangsungan hidup menurun sedikit dengan jumlah copy (Simmons dan Gagak 1977). Dalam model deterministik 43
sederhana, kita asumsikan bahwa kebugaran seorang individu, w, menurun dengan jumlah copy, n. Pembenaran untuk asumsi ini adalah bahwa sisipan dari element transposable sering memiliki efek merusak, misalnya, dengan mengubah ekspresi gen yang berdekatan. Dengan meningkatnya jumlah element transposable, probabilitas dari perubahan merusak ekspresi gen meningkat. Hal ini dapat ditunjukkan bahwa selama w menurun dengan n secara monoton, maka terlepas dari hubungan yang tepat antara n dan w, kebugaran rata-rata populasi pada keseimbangan relatif terhadap individu kurang element transposable adalah : W = e -n(u-v) (Charlesworth 1985). Dalam kasus D. melanogaster, ada sekitar 50 keluarga dari transposon, masingmasing muncul dalam genom pada rata-rata 10 kali (Finnegan dan Fawcett 1986). Dengan demikian, n = 500. Sejak v lebih kecil dari u oleh setidaknya satu urutan besarnya, u - v = u = 10-4. Menyelesaikan Persamaan 7.1, kita memperoleh W = 0,95. Penurunan kebugaran s = 1-0,95 = 0,05. Stabilitas keseimbangan yang diberikan oleh Persamaan 7.1 membutuhkan logaritma kebugaran yang menurun lebih curam daripada linear dengan peningkatan n (Charlesworth 1985). Untuk kesederhanaan, namun, jika kita asumsikan linearitas, maka penurunan kebugaran dengan masingmasing transposon tambahan sekitar 0,05 / 500 = 10-4. koefisien pilihan kecil seperti menunjukkan bahwa (1) koefisien seleksi diperlukan untuk mengendalikan jumlah copy tidak perlu besar, dan (2) jumlah salinan element transposable dalam organisme sangat dipengaruhi oleh pergeseran genetik acak. Jika suatu organisme mengandung sejumlah besar element transposable, dan ada kemungkinan bahwa bahkan dalam Drosophila jumlah element transposable sangat melebihi 500 (Rubin 1983; Hey 1989), maka efek dari transposon tunggal pada kebugaran mungkin bahkan lebih kecil dari 10- 4. Karena seleksi lemah, efek dari pergeseran genetik acak penting. Sebuah alternatif untuk seleksi terhadap peningkatan jumlah copy akan menjadi mekanisme transposisi diatur sendiri, yaitu, tingkat transposisi yang menurun dengan jumlah copy atau tingkat eksisi yang meningkat dengan jumlah copy (Charlesworth 1988; Charlesworth dan Langley 1989). Horizontal Gene Transfer 44
Transfer gen horisontal didefinisikan sebagai transfer informasi genetik dari satu genom ke yang lain, khususnya antara dua spesies. Istilah ini telah diciptakan untuk membedakan jenis transfer dari biasa "vertikal" Transfer, di mana generasi orangtua melewati informasi genetik pada progeni. (Ketika gen ditransfer dari satu orang ke orang lain dalam spesies yang sama, proses ini kadang-kadang disebut transfer gen sebagai lateral.) transfer gen horizontal antara bakteri dapat terjadi melalui salah satu dari tiga mekanisme yang mungkin. Mekanisme pertama, transformasi, melibatkan penyerapan DNA bebas dari lingkungan. Mekanisme ini tidak memerlukan kendaraan molekul untuk mengangkut informasi genetik dari satu organisme ke organisme lain. Dua mekanisme lain, konjugasi dan transduksi, memerlukan vektor atau agen infeksius. Konjugasi, yaitu, transfer langsung dari satu organisme ke organisme lain, membutuhkan bantuan plasmid. Transportasi lintas seluler untuk transduksi disediakan oleh bakteriofag, atau virus bakteri. Bakteriofag partikel dapat merangkum urutan DNA dari tuan rumah, dan ketika partikel menempel ke sel lain, DNA yang dapat disuntikkan ke dalamnya, akhirnya menjadi bagian dari genom inang. Ketiga mekanisme yang DNA-dimediasi; tidak ada laporan dari lintas-spesies transfer gen RNA-dimediasi pada bakteri. Transfer gen horizontal dari eukariota untuk bakteri dapat terjadi dengan transformasi. Proses yang sama dalam arah yang berlawanan mungkin membutuhkan konjugasi atau transduksi. Hal ini tidak jelas bagaimana transfer gen horizontal antara eukariota dapat dicapai. Transformasi dan konjugasi yang pasti keluar dari pertanyaan, karena sulit membayangkan bagaimana proses ini bisa mentransfer informasi genetik dalam germline tersebut. Transduksi dibayangkan, meskipun bukti untuk proses tersebut pada eukariota adalah tidak ada. Kemungkinan besar, transfer gen horizontal antara eukariota dicapai melalui retrovirus, yang mampu kedua spesies menggabungkan informasi genetik asing ke dalam genom mereka dan melintasi batasbatas (Benveniste dan Todaro 1976; Bishop 1981). Organisme di mana informasi genetik dari organisme yang berbeda telah dimasukkan sebagai bagian stabil dari genom disebut organisme transgenik. Urutan homologi karena transfer gen horizontal disebut xenology, sebagai lawan paralogi dan orthology, yang karena duplikasi gen dan spesiasi, masing-masing. 45
Satu mungkin dapat mendeteksi peristiwa transfer gen horizontal melalui penemuan diskontinuitas luar biasa dalam distribusi filogenetik gen tertentu. Salah satu contoh penting dari apa yang disebut distribusi tambal sulam ini adalah gen GlnRS di E. coli dan spesies enterobacterial terkait. Sebuah langkah penting dalam sintesis protein adalah aminoacylation tRNA oleh aminoasil-tRNA sintetase, proses dikatalisasi oleh 20 enzim, satu untuk setiap asam amino. Menariknya, pembentukan Gln-tRNA ln dapat dilakukan dengan dua jalur yang berbeda: aminoacylation dari tRNAGLn dengan Gln oleh glutaminyl-tRNA sintetase (dikodekan oleh gen GlnRS), atau transamidation dari Glu dari Glu-tRNAGin yang telah mischarged oleh glutamyltRNA sintetase (dikodekan oleh GluRS). Mantan jalur umum pada eukariota, sedangkan yang kedua adalah luas di kalangan bakteri dan organel, yang Sejalan kurang GInRS. Namun, beberapa spesies enterobacterial terkait erat, termasuk E. coli, lakukan memiliki GlnRS. Seperti diskontinuitas taksonomi mencolok hanya dapat dijelaskan oleh transfer gen horizontal dari eukariota ke nenek moyang enterobacteria ini, kesimpulan sangat didukung oleh beberapa analisis filogenetik (Lamour et al 1994;. Gagnon et al 1996.).
Transfer gen horizontal juga dapat dicurigai bila perbedaan mencolok antara filogeni gen dan filogeni spesies ditemukan, khususnya ketika kesamaan urutan tampaknya mencerminkan kedekatan geografis daripada afinitas filogenetik. Perhatikan, misalnya, pohon filogenetik pada Gambar 7.22a. Mari kita berasumsi bahwa sepotong DNA dipindahkan dari spesies B spesies C setelah divergensi A dari B. Atas dasar urutan perbandingan yang melibatkan gen apapun selain horizontal ditransfer satu, kami berharap untuk dapat merekonstruksi filogenetik yang benar 46
hubungan di antara spesies. Sebaliknya, jika kita menggunakan potongan horizontal ditransfer dari DNA, kita memperoleh pohon yang salah pada Gambar 7.22b. Atas dasar pertimbangan tersebut, Moens et al. (1996) menyatakan bahwa dua transfer gen horizontal terjadi selama globin evolusi pada spesies nonvertebrate, sekali dari nenek moyang dari ciliates (misalnya, Paramecium dan Tetrahymena) dan ganggang hijau (misalnya Chlamydomonas) ke nenek moyang dari cyanobacteria, dan sekali dari leluhur tunas ragi (misalnya, Saccharomyces dan Candida) untuk nenek moyang dari P3 subdivisi (misalnya Vitreoscilla dan Alcaligenes) dan y subdivisi (misalnya, Escherichia dan Klebsiella) dari Proteobacteria. Kami mencatat, bagaimanapun, bahwa banyak faktor selain transfer gen horizontal mungkin bersekongkol untuk menghasilkan perbedaan antara jenis pohon dan pohon gen (Bab 5), dan karena itu bukti tambahan diperlukan untuk menyimpulkan acara pengalihan horisontal. Dua jenis urutan dapat ditransfer secara horizontal: (1) urutan berasal dari element transposable; dan (2) urutan genom. transfer gen horizontal dari urutan genom fungsional adalah jauh lebih jarang daripada element transposable. Transfer Horizontal Virogenes Dari Baboon Ke Kucing Vertebrata genom mengandung banyak sekuens yang homolog dengan retrovirus. urutan tersebut, yang konstituen normal dari DNA nuklir eukariota, disebut urutan retroviral endogeneous atau virogenes. Ada beberapa contoh dari urutan retroviral endogeneous yang ditransfer antara spesies vertebrata (Ulasan di Benveniste 1985). Salah satu contoh seperti melibatkan tipe-C virogene dari baboon (Gambar 7.23). Urutan homolog dengan virogene babon telah terdeteksi dalam DNA sel dari semua monyet Old World. Urutan kesamaan antara mereka berkorelasi erat dengan hubungan filogenetik antara spesies. Dengan demikian, virogene yang telah ada selama setidaknya 30 juta tahun dalam genom primata. Menariknya, enam spesies kucing terkait erat dengan kucing domestik (Felis catus) juga mengandung urutan ini, meskipun hadir dalam tidak terkait yang lebih jauh Felidae, seperti singa, macan tutul, dan cheetah, juga tidak pada karnivora lainnya. Dengan demikian sangat mungkin bahwa urutan ini horizontal ditransfer antara spesies beberapa waktu di masa lalu.
47
Tanggal dan arah transmisi horisontal dapat disimpulkan dari dua jenis data: kesamaan urutan dan informasi paleogeographical. Semua spesies kucing yang berisi virogene babon berasal dari daerah Mediterania, sementara Felidae dari Asia Tenggara, Dunia Baru, dan Afrika kekurangan urutan. Oleh karena itu, transfer harus terjadi setelah radiasi utama dari Felidae dan terbatas pada satu daerah zoogeografis. Kesimpulan ini menunjuk ke sebuah tanggal sekitar 5-10 juta tahun yang lalu untuk horisontal acara transfer gen. Arah transmisi dapat disimpulkan dengan mempertimbangkan distribusi urutan antara primata, di satu sisi, dan kucing, di sisi lain. Karena semua monyet Old World memiliki virogene, sementara hanya beberapa spesies felid memilikinya, itu adalah wajar untuk menganggap bahwa kucing diperoleh urutan dari babun dan bukan sebaliknya. Kesimpulan ini diperkuat dengan mempertimbangkan bahwa virogene pada kucing lebih mirip dengan yang di tiga spesies babun (Papio cynocephalus, P. papio, dan P. hamadryas) dan gelada terkait erat (Theropithecus gelada) daripada yang dari primata lainnya urutan. Oleh karena itu, 48
urutan harus telah ditransfer ke kucing dari nenek moyang Punt dan gelada tak lama setelah perbedaan mereka dari clade mandrillmangabey (Gambar 7.23). Tanggal berasal dari Old World pohon spesies monyet setuju juga dengan tanggal yang berasal dari kucing. Transfer Horisontal Unsur P antara Spesies Drosophila Contoh lain dari transfer gen horizontal melibatkan unsur P di D. melanogaster. Seperti disebutkan sebelumnya, unsur P telah menyebar dengan cepat melalui populasi alami D. melanogaster dalam lima dekade terakhir (lihat halaman 356). Dengan kemungkinan pengecualian dari sedikit dipelajari Drosophila tsacasi, unsur P tidak bisa dideteksi di salah satu dari ratusan spesies kelompok melanogaster terkait erat, seperti D. Mauritania, D. sechellia, D. simulans, dan D. Yakuba (Daniels et al. 1990). Jika demikian, apakah unsur-unsur ini berasal? Interestingly, all species of the distantly related willistoni and saltans groups were found to contain P and P-like elements. Moreover, drosophilid genera such as Scaptomyza, and even nondrosophilid genera such as Lucilia, were also found to contain P-like elements. In particular, the P element from D. willistoni was found to be identical to the one in D. melanogaster with the exception of a single nucleotide substitution, indicating that D. willistoni may have indeed served as the donor species in the horizontal gene transfer of P elements to D. melanogaster. Ada beberapa alasan untuk mencurigai bahwa transfer gen horizontal ini terjadi baru-baru ini. Pertama, dekat identitas antara urutan P dari D. melanogaster dan D. willistoni menunjukkan waktu yang sangat singkat divergence. Kedua, dekat-tidak adanya variabilitas genetik dalam urutan P dari D. melanogaster dari lokasi geografis bahkan sangat jauh menunjukkan bahwa waktu sejak diperkenalkannya unsur P ke D. melanogaster terlalu pendek untuk variabilitas genetik telah terakumulasi. Akhirnya, pola geografis penampilan unsur P di D. melanogaster, dengan populasi di benua Amerika memperolehnya pertama (Gambar 7.21), menunjukkan invasi yang sangat baru-baru ini, mungkin dalam 50 tahun terakhir (Kidwell 1983; Anxolab ~ h ~ re . et al 1988; Gamo et al 1990).
49
Clark et al. (1994) dan Clark dan Kidwell (1997) melakukan analisis filogenetik dari unsur P dari Drosophila dan spesies dipteran lainnya. Pohon-pohon filogenetik yang diperoleh dari analisis ini ditemukan untuk menjadi selaras dengan pohon spesies yang telah diperkirakan dari data molekuler, morfologi, dan paleontologi (Gambar 7.24). Banyak contoh dari transfer gen horizontal harus mendalilkan untuk mengembalikan keselarasan antara dua pohon. Namun, dalam banyak kasus, transfer horisontal pasti cukup kuno, sehingga mereka tidak bisa persis diterjemahkan ke cabang internal yang tertentu di pohon spesies. Selanjutnya, dalam beberapa kasus "tidak mungkin" horisontal peristiwa transfer gen harus diasumsikan. Misalnya, dalam salah satu skenario yang disajikan oleh Clark et al. (1994), transfer diasumsikan telah terjadi antara leluhur semua drosophilds ke nenek moyang Drosophila subobscura dan D. Guanche, yang dalam keadaan bisa hidup berdampingan pada saat yang sama (Gambar 7.24). Clark et al. (1994) dan Clark dan Kidwell (1997) melakukan analisis filogenetik dari unsur P dari Drosophila dan spesies dipteran lainnya. Pohon-pohon 50
filogenetik yang diperoleh dari analisis ini ditemukan untuk menjadi selaras dengan pohon spesies yang telah diperkirakan dari data molekuler, morfologi, dan paleontologi (Gambar 7.24). Banyak contoh dari transfer gen horizontal harus mendalilkan untuk mengembalikan keselarasan antara dua pohon. Namun, dalam banyak kasus, transfer horisontal pasti cukup kuno, sehingga mereka tidak bisa persis diterjemahkan ke cabang internal yang tertentu di pohon spesies. Selanjutnya, dalam beberapa kasus "tidak mungkin" horisontal peristiwa transfer gen harus diasumsikan. Misalnya, dalam salah satu skenario yang disajikan oleh Clark et al. (1994), transfer diasumsikan telah terjadi antara leluhur semua drosophilds ke nenek moyang Drosophila subobscura dan D. Guanche, yang dalam keadaan bisa hidup berdampingan pada saat yang sama (Gambar 7.24). Houck et al. (1991) mengidentifikasi Proctolaelaps tungau semiparasitic regalis sebagai tersangka potensial dalam transfer elemen P dari willistoni ke melanogaster. Meskipun P. regalis tidak tungau paling umum co-terjadi dengan Drosophila, beberapa anatomi, perilaku, dan atribut ekologi (seperti mode bergerak yang cairan-makan pada tahap dewasa lalat) dan tumpang tindih geografis dengan Amerika Utara spesies Drosophila membuat vektor diduga sangat cocok di transfer. Memang, P. regalis memiliki kapasitas untuk memperoleh elemen P dari strain P-tercatat Drosophila. Houck et al. (1991) juga telah menetapkan jumlah minimum kondisi yang harus puas di urutan transfer gen horizontal ini berlangsung. Ini adalah: (1) Dua Drosophila betina dari donor dan spesies penerima harus bertelur di dekat satu sama lain; (2) Telur penerima harus berusia kurang dari 3 jam, yaitu, sebelum tahap 512-sel; (3) The germline dari embrio penerima harus memasukkan salinan lengkap dari DNA P elemen sebelum mendegradasi dalam sitoplasma; dan (4) Embrio penerima harus bertahan cidera oleh tungau. Jika, sebagai sepertinya, setiap peristiwa memiliki probabilitas independen rendah di alam, maka probabilitas perkalian gabungan harus sangat rendah, dan transfer gen horizontal interspesifik elemen P mungkin hanya terjadi sangat jarang. DNA Promiscuous Dari semua organisme, tanaman memiliki sel-sel yang paling kompleks. Setiap sel tumbuhan memiliki tiga sistem genom otonom: nuklir, chloroplastic, dan mitokondria. Kloroplas dan mitokondria berasal dari sel-sel yang hidup bebas yang 51
terkait dengan nenek moyang dari genom nuklir untuk membentuk hubungan endosimbiotik (Bab 5), di mana bagian nuklir menjadi komponen genetik yang dominan. genom organel diduga untuk waktu yang lama telah kehilangan banyak gen asli mereka atau untuk memiliki mereka dipindahkan ke DNA nuklir selama waktu evolusi yang panjang sejak awal hubungan endosimbiotik. Namun, sampai tahun 1980an, bukti transfer tersebut adalah kurang, dan tiga sistem genetik yang dianggap sebagian besar diskrit. Stern dan Lonsdale (1982) mengidentifikasi wilayah 12-Kb dalam mitokondria jagung, menentukan 16S rRNA, tRNA, dan tRNval, yang mirip dalam urutan ke wilayah berulang terbalik dalam genom kloroplas. Selanjutnya, mitokondria jagung juga ditemukan mengandung gen penyandi protein asal chloroplastic, karboksilase-coding gen ribulosa-1,5-bifosfat (Lonsdale et al. 1983). Jenis "tidak menghormati" untuk hambatan genom telah dijuluki DNA promiscuous oleh dua komentator ilmu yang menonjol (Lewin 1982; Ellis 1982). DNA promiscuous memberikan bukti aliran gen antara organel, dan antara organel dan inti. Sampai saat ini, contoh telah ditemukan untuk lima dari enam jenis kemungkinan transfer gen antara genom: kloroplas ke mitokondria, mitokondria untuk kloroplas, mitokondria dengan inti, inti untuk mitokondria, dan kloroplas ke inti (Thorsness dan Weber 1996). Transfer gen dari organel ke inti paling mungkin terjadi oleh replikatif retroposisi (Schuster dan Brennicke 1987). bukti langsung untuk pernyataan ini disediakan oleh gen Rp122 yang mengkodekan kloroplas L22 protein ribosom. Gen Rp122 terletak di genom kloroplas dari semua tanaman dengan pengecualian polongpolongan (Fabaceae), di mana gen Rp122 fungsional dalam genom nuklir. analisis filogenetik menunjukkan bahwa gen Rp122 dipindahkan ke inti dalam nenek moyang dari semua tanaman berbunga setidaknya 100 juta tahun sebelum kerugian dari kloroplas dalam garis keturunan legume (Gantt et al. 1991). BAB III PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan pemaparan di atas, dapat disimpulkan bahwa: 1. Transposisi merupakan gerakan materi genetik dari satu lokasi kromosom, situs donor ke situs target yang lain.
52
2. Elemen transposabel merupakan elemen yang berpindah. Elemen transposabel terdiri dari urutan penyisipan, transpososn, dan retroelemen. 3. Efek genetik dan evolusi dari transposisi antara lain: membantu spesies untuk bertahan hidup pada lingkungan yang merugikan, mengubah ekspresi gen, mendukung penyusunan ulang genomik besar, membatasi tingkat konversi gen antara anggota keluarga sehingga meningkatkan tingkat perbedaan antara duplikat gen, meningkatkan mutasi, mengubah potongan DNA yang tidak bergerak menjadi bergerak, retrosequences dapat mempertahankan fungsi mereka bahkan memperoleh fungsi baru atau bentuk ekspresi ontogenik baru, dan urutan elemen transposabel mungkin memiliki fungsi yang tidak berhubungan dengan transposisi. 4. Transfer gene horizontal merupakan transfer informasi genetik dari satu genom ke yang lain, khususnya antara dua spesies.
B. Saran Penulisan makalah ini masih memiliki kekurangan, sehingga penulis mengharapkan adanya saran dan kritik dari pembaca mengenai penyusunan makalah ini sebagai masukan dan tambahan informasi untuk memperbaiki penyusunan makalah selanjutnya. C.
50
DAFTAR PUSTAKA Graur, D.& Li, W. H. 2000. Fundamental of Molecular Evolution. Sunderland: Sinauer Associates, Inc. .
51
