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レトロトランスポゾン（クラスI転移因子とも呼ばれる）は、逆転写によって転写されたRNAをDNAに変換することで宿主ゲノム内を移動する可動性因子である。[ 1 ]したがって、転移にRNA中間体を利用し、転移ドナー部位を変化させない点で、クラスII転移因子、すなわちDNAトランスポゾンとは異なる。[ 2 ]
逆転写により、レトロトランスポゾンは急速に増幅し、トウモロコシ（49～78%）[ 3 ]やヒト（42%）[ 4 ]などの真核生物ゲノムに豊富に存在するようになる。レトロトランスポゾンは真核生物にのみ存在するが、例えば、不連続な逆転写酵素を介した染色体外組換えなど、 HIVなどのレトロウイルスと共通の特徴を持っている。[ 5 ] [ 6 ]
レトロトランスポゾンには、ロングターミナルリピート（LTR）と非ロングターミナルリピート（非LTR）の2つの主要なタイプがあります。レトロトランスポゾンは、配列と転移方法に基づいて分類されます。 [ 7 ]トウモロコシゲノムのレトロトランスポゾンのほとんどはLTRですが、ヒトではほとんどが非LTRです。
LTRレトロトランスポゾンは、配列の5'末端と3'末端の両方に存在する長い末端反復配列（LTR）を特徴としています。これらのLTRには、これらの転移因子（TE）のプロモーターが含まれており、TEの組み込みに不可欠であり、長さは100塩基対強から1,000塩基対以上まで様々です。平均すると、LTRレトロトランスポゾンは数千塩基対に及び、既知の最大の例では30キロベース（kb）に達します。
LTRは非常に機能的な配列であるため、LTRレトロトランスポゾンと非LTRレトロトランスポゾンでは、逆転写および組み込みのメカニズムが大きく異なります。非LTRレトロトランスポゾンは、ターゲットプライミング逆転写（TPRT）プロセスを使用します。このプロセスでは、TEのRNAがレトロトランスポゾンのインテグラーゼの切断部位に運ばれ、そこで逆転写されます。一方、LTRレトロトランスポゾンは、2回のテンプレートスイッチングと、二本鎖DNAとLTRに結合したインテグラーゼ二量体からなるプレインテグレーション複合体（PIC）の形成を利用して、細胞質内で逆転写を行います。この複合体はその後核内へ移動し、新しいゲノム上の場所に組み込まれます。
LTRレトロトランスポゾンは通常、 gagタンパク質とpolタンパク質をコードしており、これらは単一のオープンリーディングフレーム（ORF）に統合されている場合もあれば、別々のORFに分かれている場合もある。レトロウイルスと同様に、gagタンパク質はカプシドの組み立てと、トランスポゾンのRNAおよび関連タンパク質のパッケージングに不可欠である。polタンパク質は逆転写に必要であり、PR（プロテアーゼ）、RT（逆転写酵素）、RH（RNase H ）、INT（インテグラーゼ）といった重要なドメインを含む。さらに、一部のLTRレトロトランスポゾンは、組み立てられたカプシドに組み込まれ、細胞表面への付着を促進するエンベロープ（ env ）タンパク質のORFを持っている。
内在性レトロウイルスは、ウイルス病原性効果を持たないレトロウイルスであり、レトロトランスポゾンのように次世代に受け継がれる遺伝情報を細胞に挿入することによって宿主ゲノムに内在化している。 [ 8 ] このため、レトロウイルスとレトロトランスポゾンの特徴を共有している。レトロウイルスDNAが宿主ゲノムに組み込まれると、真核生物ゲノムに影響を与える内在性レトロウイルスに進化する。非常に多くの内在性レトロウイルスが真核生物ゲノムに挿入されているため、ウイルスと宿主の相互作用と進化および疾患におけるレトロトランスポゾンの役割の間の生物学についての洞察が得られる。多くのレトロトランスポゾンは、宿主ゲノムを認識して融合するという特性など、内在性レトロウイルスの特徴を共有している。しかし、レトロウイルスとレトロトランスポゾンの間には、env遺伝子によって示される重要な違いがある。レトロウイルスで同じ機能を果たす遺伝子と似ているが、env遺伝子は、その遺伝子がレトロウイルス性かレトロトランスポゾン性かを判断するために用いられる。レトロウイルス性遺伝子であれば、レトロトランスポゾンからレトロウイルスへと進化する可能性がある。両者はpol遺伝子の配列順序が異なる。Env遺伝子はLTRレトロトランスポゾン型Ty1-copia（Pseudoviridae）、Ty3-gypsy（Metaviridae）、BEL/Paoに見られる。[ 9 ] [ 8 ]これらは、宿主細胞への侵入に必要なレトロウイルスエンベロープ上の糖タンパク質をコードしている。レトロウイルスは細胞間を移動できるが、LTRレトロトランスポゾンは同じ細胞のゲノム内にしか移動できない。[ 10 ]多くの脊椎動物遺伝子はレトロウイルスとLTRレトロトランスポゾンから形成された。1つの内因性レトロウイルスまたはLTRレトロトランスポゾンは、異なる種で同じ機能とゲノム上の位置を持ち、進化における役割を示唆している。[ 11 ]
LTRレトロトランスポゾンと同様に、非LTRレトロトランスポゾンには逆転写酵素、RNA結合タンパク質、ヌクレアーゼ、そして時にはリボヌクレアーゼHドメイン[ 12 ]の遺伝子が含まれていますが、長い末端反復配列がありません。RNA結合タンパク質はRNA転移中間体に結合し、ヌクレアーゼは核酸中のヌクレオチド間のホスホジエステル結合を切断する酵素です。LTRの代わりに、非LTRレトロトランスポゾンには短い反復配列があり、 LTRレトロトランスポゾンに見られる直接反復配列（単に1つの塩基配列が繰り返されているだけ）とは別に、隣り合う塩基の順序が逆になっている場合があります。
これらはレトロトランスポゾンではあるものの、LTRレトロトランスポゾンのようにRNA転移中間体を用いた逆転写を行うことはできません。レトロトランスポゾンの2つの主要構成要素は依然として必要ですが、化学反応への組み込み方が異なります。これは、LTRレトロトランスポゾンとは異なり、非LTRレトロトランスポゾンにはtRNAに結合する配列が含まれていないためです。
これらは主に、長鎖散在反復配列（LINE）と短鎖散在反復配列（SINE）の2種類に分類されます。SINE-R、可変数タンデムリピート（VNTR）、およびAlu（SVA）配列は、LINEとSINEの両方に類似点があり、Alu配列を含み、同じ反復配列が異なる数だけ存在するため、この2つの例外となります。SVA配列はLINE配列より短く、SINE配列より長くなっています。
歴史的には「ジャンクDNA」と見なされてきたが、研究によると、LINEとSINEは場合によっては新しい遺伝子に組み込まれて新しい機能を形成したことがある。[ 13 ]
LINEが転写されると、転写産物にはRNAポリメラーゼIIプロモーターが含まれており、LINEが挿入された場所にコピーされることが保証されます。RNAポリメラーゼIIは、遺伝子をmRNA転写産物に転写する酵素です。LINE転写産物の末端には、転写の最後に付加される塩基であるアデニンが多数含まれています[ 14 ]。これにより、LINE転写産物は分解されません。この転写産物はRNA転移中間体です。
RNA転移中間体は核から細胞質へと移動し、翻訳される。これによりLINEの2つのコード領域が生成され、それが転写元のRNAに再び結合する。その後、LINE RNAは核へと戻り、真核生物のゲノムに組み込まれる。
LINEは、真核生物ゲノムのAT塩基が豊富な領域に挿入されます。AT領域では、LINEはヌクレアーゼを用いて真核生物の二本鎖DNAの一方の鎖を切断します。LINE転写産物中のアデニンに富む配列は、切断された鎖と塩基対を形成し、ヒドロキシル基によってLINEが挿入される位置を示します。逆転写酵素はこれらのヒドロキシル基を認識し、DNAが切断された箇所にLINEレトロトランスポゾンを合成します。LTRレトロトランスポゾンと同様に、この新たに挿入されたLINEは真核生物ゲノム情報を含んでいるため、他のゲノム領域に容易にコピー＆ペーストできます。この情報配列は、LTRレトロトランスポゾンの情報配列よりも長く、多様性に富んでいます。
ほとんどのLINEコピーは、逆転写がDNA合成が完了する前に停止するため、開始部分の長さが可変です。場合によっては、これによりRNAポリメラーゼIIプロモーターが失われ、LINEがそれ以上転移できなくなります。[ 15 ]
LINE-1 (L1) レトロトランスポゾンはヒトゲノムの大部分を占め、ゲノムあたり推定 500,000 コピー存在します。ヒト LINE1 をコードする遺伝子は通常、PIWI タンパク質と DNA メチルトランスフェラーゼ酵素によって行われる、DNA に結合するメチル基によって転写が阻害されます。L1 レトロトランスポジションは、遺伝子の内部または近傍に挿入されることで転写される遺伝子の性質を破壊し、ひいてはヒトの疾患につながる可能性があります。LINE1 は、場合によってはのみレトロトランスポジションを起こし、異なる染色体構造を形成して、個体間の遺伝的差異に寄与します。[ 17 ]ヒトゲノムプロジェクトの参照ゲノムには 80～100 個の活性 L1 が存在すると推定されており、これらの活性 L1 内のさらに少数の L1 が頻繁にレトロトランスポジションを起こします。L1 の挿入は、癌関連遺伝子である癌遺伝子を活性化し、腫瘍抑制遺伝子を減少させることで、腫瘍形成と関連付けられています。
ヒトLINE1には、遺伝子産物がコードされる2つの領域が含まれています。最初のコード領域には、タンパク質間相互作用に関与するロイシンジッパータンパク質と核酸の末端に結合するタンパク質が含まれています。2番目のコード領域には、プリン/ピリミジンヌクレアーゼ、逆転写酵素、およびアミノ酸システインとヒスチジンに富むタンパク質があります。ヒトLINE1の末端は、他のレトロトランスポゾンと同様に、アデニンに富んでいます。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
ヒトL1はヒトゲノム内で活発にレトロトランスポジションを起こします。最近の研究では、特に大腸上皮細胞において、1,708件の体細胞L1レトロトランスポジションイベントが確認されました。これらのイベントは初期胚発生から発生し、レトロトランスポジション率は大腸腫瘍形成中に大幅に増加します。[ 21 ]
SINEはLINEよりもはるかに短い（300bp）。[ 22 ] SINEは、遺伝子をmRNA転写産物に転写する酵素であるRNAポリメラーゼIIによって転写される遺伝子と、遺伝子をリボソームRNA、tRNA、その他の小さなRNA分子に転写する酵素であるRNAポリメラーゼIIIの開始配列と類似性を共有している。[ 23 ]哺乳類のMIRエレメントなどのSINEは、LINEと同様に、開始時にtRNA遺伝子を持ち、終了時にアデニンに富んでいる。
SINE は機能的な逆転写酵素タンパク質をコードしておらず、他の可動性トランスポゾン、特にLINEに依存している。[ 24 ] SINE は LINE 転移成分を利用するが、LINE 結合タンパク質は LINE RNA への結合を好む。SINE は SINE 転写産物をコードできないため、それ自体では転移できない。通常、tRNA と LINE 由来の部分から構成される。tRNA 部分には RNA ポリメラーゼ III プロモーターが含まれており、これは RNA ポリメラーゼ II と同じ種類の酵素である。これにより、LINE コピーが RNA に転写され、さらに転移されることが保証される。LINE 成分が残ることで、LINE 結合タンパク質は SINE の LINE 部分を認識できる。
Aluは霊長類で最も一般的なSINEです。長さは約350塩基対で、タンパク質をコードせず、制限酵素AluIによって認識されます（そのためこの名前が付けられました）。その分布は、一部の遺伝性疾患や癌において重要である可能性があります。Alu RNAのコピーと貼り付けには、Aluのアデニンに富む末端と、シグナルに結合した残りの配列が必要です。シグナルに結合したAluは、リボソームと結合することができます。LINE RNAは、Aluと同じリボソームに結合します。同じリボソームに結合することで、SINEのAluはLINEと相互作用することができます。AluエレメントとLINEの同時翻訳により、SINEのコピーと貼り付けが可能になります。
SVAエレメントは、ヒトではSINEやLINEよりも低いレベルで存在します。SVAとAluエレメントの開始部分は類似しており、その後に反復配列が続き、内在性レトロウイルスに似た末端部分があります。LINEはSVAエレメントを挟む部位に結合して転移させます。SVAは類人猿ゲノムの中で最も新しいトランスポゾンの1つであり、ヒト集団では最も活性が高く多型性を示すものの1つです。SVAはAluエレメント、可変数タンデムリピート（VNTR）、およびLTR断片の融合によって作られました。[ 25 ]
レトロトランスポゾンは、親の配偶子から次の世代に受け継がれる細胞遺伝子にのみ存在することで、偶然に失われることがないようにしている。しかし、LINEは最終的に神経系に発達するヒト胚細胞に転移することがあり、このLINEレトロトランスポジションが脳機能に影響を与えるかどうかという疑問が生じる。LINEレトロトランスポジションはいくつかの癌の特徴でもあるが、レトロトランスポジション自体が癌を引き起こすのか、それとも単なる症状なのかは不明である。制御されないレトロトランスポジションは宿主生物とレトロトランスポゾン自体の両方にとって有害であるため、制御されなければならない。レトロトランスポゾンはRNA干渉によって制御される。RNA干渉はさまざまな短い非コードRNAによって行われる。短い非コードRNAはタンパク質アルゴノートと相互作用してレトロトランスポゾン転写産物を分解し、DNAヒストン構造を変化させて転写を減少させる。
LTRレトロトランスポゾンは、非LTRレトロトランスポゾンよりも後に出現したと考えられており、おそらく祖先の非LTRレトロトランスポゾンがDNAトランスポゾンからインテグラーゼを獲得したことに由来する。レトロウイルスは、LTRレトロトランスポゾンの力を利用して他のウイルスから関連遺伝子を取り込むことで、ウイルスエンベロープに新たな特性を獲得した。
レトロトランスポゾンは、そのレトロトランスポジション機構により急速に増殖し、ヒトゲノムの40%を占める。LINE1、Alu、SVAエレメントの挿入率はそれぞれ1/200～1/20、1/20、1/900である。LINE1の挿入率は過去3500万年の間に大きく変動しており、ゲノム進化の転換点を示している。
特に、トウモロコシゲノム中の多数の100キロベース領域は、レトロトランスポゾンの存在または非存在によって多様性を示している。しかし、トウモロコシは他の植物と比べて遺伝的に特異な性質を持つため、他の植物におけるレトロトランスポジションを予測するために利用することはできない。
レトロトランスポゾンによって引き起こされる変異には以下のようなものがある。