Daniel Nätt, Annika Thorsell, Reactivarea transposonului indusă de stres: un mediator sau un estimator al sarcinii alostatice?, Environmental Epigenetics, Volumul 2, Ediția 3, August 2016, dvw015, https://doi.org/10.1093/eep/dvw015

mediator

Abstract

Transpozonii joacă un rol important în evoluția genomului eucariot. Aceste elemente endogene, asemănătoare virusului, se amplifică adesea în genomul gazdei lor într-un mod specific speciei. Astăzi avem o înțelegere limitată când și cum se întâmplă aceste evenimente de amplificare. Ceea ce știm este că celulele au dezvoltat mai multe linii de apărare pentru a menține aceste elemente potențial invazive sub control, implicând adesea mecanisme epigenetice, cum ar fi metilarea ADN-ului și modificări ale histonelor. Dovezile emergente arată o legătură puternică între activitatea transpozonului și îmbătrânirea și bolile umane, precum și un rol pentru transpozoni în dezvoltarea normală a creierului. Prin urmare, controlul activității transpozonului poate susține echilibrul fin dintre sănătate și boală. În acest articol, investigăm acest echilibru și îl stabilim în raport cu sarcina alostatică, care conceptualizează legătura dintre stres și „uzura” organismului care duce la îmbătrânire și boală. Ipotezăm că reactivarea retrotranspozonului indusă de stres la oameni poate fi utilizată pentru a estima încărcătura alostatică și poate fi un posibil mecanism în care transposonii se amplifică în genomul speciilor.

Introducere

De când conceptul de stres a fost serios exploatat de Hans Selye în anii 1950, acesta a fost contestat. Exemplul clasic al uneia dintre aceste dispute este modul în care corpurile noastre reacționează la o plimbare cu role: vă confruntați cu frici sau triluri, tensiunea arterială crește, ritmul cardiac crește și axa HPA vă eliberează cortizol în fluxul sanguin. Simptome tipice ale unui răspuns la stres, dar a fost aceasta o experiență stresantă? A fost rău pentru tine? Selye a inventat cuvintele eustress și distress, adică pur și simplu stres pozitiv și negativ [1], în încercarea de a rezolva această problemă.

Prezentarea elementului transpozabil

Latura bună: transpozonii și evoluția

Deși anterior au fost adesea descriși drept ADN „junk”, „egoist” sau „parazit”, transposonii sunt astăzi cunoscuți că joacă un rol important în evoluția genelor, nu numai prin contribuția cu material genetic brut, ci și pentru donarea de elemente funcționale precum promotori și potențatori și ca factori mutageni pentru eliminarea genelor, recombinarea omologă și noi izoforme genice și variante de îmbinare [15, 16]; modificări care afectează uneori condiția fizică [8]. În Drosophila, s-a estimat că inserțiile de transpozoni reprezintă aproximativ jumătate din toate mutațiile spontane care induc fenotipul [17].

Lărgind perspectiva, se poate susține că diversitatea elementelor transpozabile marchează cel puțin cantitativ diferențele dintre specii mai bine decât fac gene mult mai conservate genetic. De fapt, între 40-50% din genomul uman provine din retrotranspozoni (mult mai puțini ADN-transpozoni), care pot fi comparați cu cei 1,5% care codifică proteinele [14, 18]. Această abundență este rezultatul unor evenimente de amplificare genomică recente sau în curs de desfășurare, în care anumite tipuri de transpozoni se reactivează în linia germinativă a anumitor clase, familii, specii sau chiar tulpini de specii. Acest lucru este cel mai bine descris cu câteva exemple.

În plus, clasa LINE de retrotranspozoni autonomi este deosebit de interesantă în evoluția mamiferelor, deoarece este foarte activă la majoritatea mamiferelor, dar nu și la lilieci, în care a dispărut [26]. Motivul pentru acest lucru este slab înțeles, dar liliecii sunt, de asemenea, unici din punct de vedere genetic, deoarece sunt singura ordine de mamifere care prezintă transpozoni ADN activi, dintre care unii se găsesc în mod unic la lilieci și insecte (dar nu și la alte mamifere) [27, 28]. Acest lucru dovedește fenomenele uimitoare ale transferului orizontal de gene între filum, poate între un prădător și prada acestuia. La alte vertebrate, s-au observat transferuri genetice similare, cum ar fi retrotransposonul AviRTE între speciile de păsări și nematodii endoparazitari umani patogeni [29] și, în cazul retrotranspozitivului BovB, între diverse grupuri de vertebrate și căpușe care le parazitează [30] .

Exemplele de mai sus ilustrează doar câteva aspecte diferite ale modului în care transpozonii contribuie la evoluția liniei germinale generând diversitate genetică și amplificare în cadrul speciilor și, uneori, transferuri orizontale între specii. În timp ce toate aceste aspecte, atâta timp cât sunt ținute sub un anumit control, par benefice pentru evoluția speciilor, așa cum se va discuta mai jos, există un compromis între evoluția populației și riscul de îmbolnăvire la indivizi.

Latura rea: controlul retrotranspozonilor pentru a evita bolile

Transpozonii „sărind” pot fi, de asemenea, o amenințare pentru celulă. Riscul de a induce modificări genomice dezadaptative, cum ar fi eliminarea unor gene importante sau a regiunilor lor de reglare, sunt inevitabile atunci când transpozonii sunt activi. Se știe că cel puțin 50 de boli umane sunt cauzate imediat de inserțiile retrotranspozonului în regiuni importante ale genomului liniei germinale [15, 31]. Când transpunerea devine prea mare, aceasta duce la instabilitatea genomului, unde integritatea genomului devine compromisă, rezultând un grad mai ridicat de aneuploidie, rearanjări cromozomiale și deteriorarea ADN-ului [32, 33]. Când instabilitatea genomului apare în linia germinativă, aceasta duce adesea la infertilitate [34], dar este observată frecvent și în celulele tumorale somatice [32] sau în liniile celulare derivate din țesutul canceros [35].

Pentru a menține intacte genomele, celulele sănătoase păstrează un control foarte strict asupra expresiei transpozonilor. De fapt, numeroasele căi posibile pentru a menține elementele transpozabile reduse la tăcere pot fi o consecință a riscurilor implicate în pierderea controlului. În primul rând, există mecanisme post-transcripționale care pot inhiba transpunerea fie imediat după transcripție, prin căi legate de micro-ARN [36] sau așa-numitele ARN-interacțiune PIWI (piARN), precum și prin intermediul proteinelor care vizează și reprimă ARN retrotranspozon și/sau sau enzime specifice transpozonului, cum ar fi transcriptaza inversă [37-42]. În al doilea rând, mecanismele de tăcere epigenetică, cum ar fi metilarea ADN-ului, modificările histonice represive și remodelarea cromatinei dependente de ATP, joacă roluri critice în controlul elementelor transpozabile [34]. Pentru a exemplifica modul în care celulele controlează activitatea transpozonului, ne vom concentra pe două mecanisme: [A] proteine ​​deget de zinc asociate cu Küppel (KRAB) (KZNF) și [B] piARN-uri.

Ca și în cazul KZNF-urilor, piARN-urile apar în clustere genomice, dar sunt transcrise de ARN polimeraza II ca o unitate precursor monocatenar [49]. Acești precursori ai sutelor de nucleotide sunt prelucrați și transportați înapoi la nucleu unde devin piARN maturi de 26-31 nucleotide. Similar cu proteinele degetului de zinc KRAB, piRNA-urile sunt utilizate ca ghiduri pentru găsirea secvențelor specifice transpozonului și, prin interacțiunea cu proteinele familiale similare PIWI, cum ar fi MILI, MIWI și MIWI2, pot reduce la tăcere aceste elemente transpozabile [50, 51] prin inducerea ADN-ului metilarea [52] sau mutarea genelor post-transcripționale [53, 54]. Descoperirile inițiale au sugerat că piARN controlează exclusiv elementele transpozabile din linia germinală masculină ca o modalitate de a controla activitatea transposonului în timpul reprogramării epigenetice a liniei germinale, când mutarea epigenetică este aproape complet abolită [55, 56]. Descoperiri mai recente au relevat roluri potențiale și în tipurile de celule somatice, cum ar fi neuronii [57-59].

Latura complicată: transpozonii în bolile somatice și dezvoltarea normală

Transpozonii pot fi nu numai o problemă în linia germinativă sau în tumorile somatice, ci și în alte celule somatice. Un exemplu interesant sunt descoperirile recente în mai multe boli autoimune, cum ar fi sindromul Aicardi-Goutières, lupus chilblain și lupus eritematos sistemic, în care mutațiile genei TREX1 pot provoca afectări ale unui mecanism al sistemului imunitar înnăscut care simte transcripția inversă exogenă, rezultând detectarea falsă a retrotranspozițiilor endogene ca și cum ar fi retrovirusuri exogene [40, 60]. Dacă retrotranspozonii joacă roluri în alte boli autoimune rămân de investigat. Cu toate acestea, aceste boli autoimune ilustrează un compromis interesant în evoluția eucariotă; între capacitatea de a tolera retrotranspoziții endogene și detectarea retrovirusurilor invadatoare.

În timp ce îmbătrânirea poate fi văzută ca o creștere a fragilității cu o creștere generală asociată a riscului de multe boli, există și exemple de boli somatice specifice asociate cu reactivarea retrotranspozonului. De exemplu, s-a arătat recent că numărul copiilor L1 a fost crescut în cortexul prefrontal al pacienților decedați cu schizofrenie, tulburare bipolară și depresie majoră [75]. Acest lucru este deosebit de interesant, deoarece divizarea activă a celulelor precursoare neuronale în regiunile creierului cu niveluri ridicate de plasticitate neuronală (cum ar fi cortexul prefrontal, hipocampul și nucleul caudat) au arătat o activitate mai mare a retrotranspozonilor în comparație cu multe alte țesuturi somatice [76, 77]. Acest lucru a dat naștere ideii că mozaicismul genetic condus de reactivarea retrotranspozonului poate juca un rol în crearea diversității neuronale în aceste regiuni, care poate fi esențială pentru învățare și memorie.

O paralelă poate fi văzută din nou în Drosophila, unde căile mici de ARN care controlează expresia transpozonilor sunt reprimate în neuronii corpului de ciuperci despre care se știe că sunt implicați în învățare și memorie, dar nu și în alte tipuri de celule neuronale, rezultând o expresie crescută a transpozonilor în acest tip. de neuron [78]. Pentru a ne raporta la discuția despre îmbătrânire, aceleași căi sunt reprimate în continuare de mușca îmbătrânită [73]. Acest lucru indică un rol conservat pentru elementele transpozabile în neurodezvoltarea dependentă de vârstă și plasticitatea care pot fi controlate de ARN-uri mici. Noile descoperiri ale piARN funcționale în creierul mamiferelor [57-59] și pierderea silențierii retrotransposonului în tulburările neurodegenerative dependente de vârstă, cum ar fi Alzheimer [79], susține acest lucru, dar adaugă, de asemenea, un alt strat de complexitate rolurilor jucate de retrotransposoni în creierul. Pe de o parte, activitatea elementelor transpozabile este necesară pentru dezvoltarea normală a creierului și, pe de altă parte, prea multă activitate este asociată cu îmbătrânirea și boala.

Reactivarea transposonului indusă de stres

Pentru a rezolva aceste probleme, trebuie să studiem relațiile directe dintre stres și reactivarea retrotransposonului. La plante, această relație a fost clară de când Barbra McClintock și-a descoperit „genele săritoare” la porumb [9, 81], dar la mamifere și, mai precis, la oameni, nu a fost studiată deloc. Abia de curând. Am folosit secvențierea generației următoare pentru a studia modul în care nivelurile cronice crescute de cortizol (măsurate în păr) la copiii sănătoși de 5 ani au afectat metilarea ADN-ului genomului întreg și am constatat că aceasta a dus la o pierdere generală a metilării ADN-ului în retrotranspozițiile celulelor sanguine. [7]. Această constatare este deosebit de importantă, întrucât este prospectiv imparțială. Nu au existat diferențe de vârstă, boală sau chiar stres (măsurate prin expunerea la evenimente grave ale vieții) care ar fi putut afecta rezultatele, doar o asociere între nivelurile crescute cronic de cortizol sistemic, cauzate fie de eustres sau de stres, și de pierderea silențierii epigenetice în retrotranspoziții. Mai mult, regiunile în care copiii cu cortizol ridicat pierduseră metilarea ADN-ului au fost îmbogățiți pentru locul de legare al unui „gatekeeper” KZNF (ZNF263), care indică un posibil mecanism de pierdere [7].

O paralelă interesantă cu stresul acut și cronic se observă în creierul șoarecilor cărora li s-au administrat injecții acute și cronice de droguri de abuz. Atât cocaina, cât și morfina, atunci când sunt administrate cronic la rozătoare, au ca rezultat o pierdere globală a semnelor represive ale histonelor în elementele mobile, uneori urmată de o activitate mai mare a retrotranspunerilor [87-89]. Ca și în cazul expunerii la stres acut, H3K9me3 prezintă o relație opusă puternică după o injecție acută de cocaină [89]. Astfel, în timp ce H3K9me3 sunt sensibile la expunerea permeabilă, alte semne represive de histone, cum ar fi H3K9me2, par să experimenteze întotdeauna o pierdere globală după stres sau expunerea la medicamente, independent de expunerea anterioară.

Datorită complexității temporale în reglarea retrotranspoziției, este esențial ca cercetările viitoare să se concentreze pe consecințele pe termen lung ale stresului prin estimarea numărului de transpuneri reușite după expunerea cronică la constrângeri interne sau externe (de exemplu, stresul de restricție, înfrângerea socială, expunerea la medicamente) . Acest lucru a fost făcut în modele de stres prenatal și postnatal animal care induc simptome asemănătoare schizofreniei la descendenți. Aici, șoarecii însărcinați au fost injectați cu acid polirribinoinosinic-polirbocitidilic sau macacii neonatali au fost expuși cronic la factorul de creștere epidermică, în ambele cazuri rezultând un număr mai mare de copii ale retrotranspozilor L1 cerebrali [75].

Concluzie și direcții viitoare

Un model integrat de (re) activare a retrotranspozonului indus de stres și conceptul de încărcare alostatică. Provocările exogene și endogene cresc sarcina alostatică pe corp, care reprezintă o sarcină alostatică medie experimentată de toate celulele din organism. O consecință a acestui fapt este că nu toate celulele vor experimenta o sarcină alostatică mai mare în urma stresului; unii ar putea chiar să înregistreze o sarcină mai puțin alostatică. Încărcarea alostatică celulară ridicată duce la pierderea silențierii epigenetice în regiunile genomice heterocromatice, care este urmată de (re) activarea retrotranspozonilor. Pierderea controlului retrotranspozițiilor are consecințe diferite și compromisuri în funcție de tipul de celulă. În celulele somatice, poate ajuta un animal individual să genereze diversitate celulară importantă pentru dezvoltarea normală, dar poate provoca, de asemenea, instabilitatea genomului, care poate crește riscul de boli. În celulele germinale, retrotranspunerea (re) activarea poate provoca infertilitate, dar contribuie și la evoluția speciilor prin creșterea diversității genetice. Ipotetic, un mediu provocator ar putea, prin creșterea încărcăturii alostatice, să inducă evenimentele de amplificare a transposonului la nivelul genomului observate în majoritatea eucariotelor, reprezentând astfel un instrument pentru ca o populație/specie să se adapteze la mediul dificil.

Un model integrat de (re) activare a retrotranspozonului indus de stres și conceptul de încărcare alostatică. Provocările exogene și endogene cresc sarcina alostatică pe corp, care reprezintă o sarcină alostatică medie experimentată de toate celulele din organism. O consecință a acestui fapt este că nu toate celulele vor experimenta o sarcină alostatică mai mare după stres; unii ar putea chiar să înregistreze o sarcină mai puțin alostatică. Încărcarea alostatică celulară ridicată duce la pierderea silențierii epigenetice în regiunile genomice heterocromatice, care este urmată de (re) activarea retrotranspozonilor. Pierderea controlului retrotranspozițiilor are consecințe diferite și compromisuri în funcție de tipul de celulă. În celulele somatice, poate ajuta un animal individual să genereze diversitate celulară importantă pentru dezvoltarea normală, dar poate provoca, de asemenea, instabilitatea genomului, care poate crește riscul de boli. În celulele germinale, retrotranspunerea (re) activarea poate provoca infertilitate, dar contribuie și la evoluția speciilor prin creșterea diversității genetice. Ipotetic, un mediu provocator ar putea, prin creșterea încărcării alostatice, să inducă evenimentele de amplificare a transposonului la nivelul genomului observate în majoritatea eucariotelor, reprezentând astfel un instrument pentru o populație/specie de adaptare la mediul dificil.

Declarație privind conflictul de interese. Niciunul nu a declarat.