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トランスポザーゼは、トランスポゾンの末端に結合し、転位として知られるプロセスにおいて、典型的にはカットアンドペースト機構または複製機構によって、ゲノムの別の部分へのその移動を触媒することができる酵素のクラスのいずれかである。「トランスポザーゼ」という言葉は、 Tn3トランスポゾンの転位に必要な酵素をクローン化した人々によって最初に造られた。[1]トランスポゾンの存在は、トウモロコシの遺伝を研究していたバーバラ・マクリントックによって1940年代後半に仮説が立てられたが、転位の実際の分子的根拠は後のグループによって説明された。マクリントックは、染色体のいくつかのセグメントが異なる遺伝子座の間またはある染色体から別の染色体へとジャンプして位置を変えることを発見した。これらのトランスポゾン（色をコードする）の位置変更により、色素の他の遺伝子が発現できるようになった。[2]トウモロコシの転位は色の変化を引き起こす。しかし、細菌などの他の生物では、抗生物質耐性を引き起こす可能性があります。[2]転座は、種内で遺伝的多様性を生み出し、変化する生活条件への適応性を生み出す上でも重要です。[3]
トランスポザーゼはEC番号EC 2.7.7に分類されています。トランスポザーゼをコードする遺伝子はほとんどの生物のゲノムに広く存在し、最も豊富な遺伝子として知られています。[4]人類の進化の過程で、トランスポゾンの転位などの方法により、ヒトゲノムの40%が移動してきました。[2]
トランスポザーゼTn5
| トランスポザーゼTn5二量体化ドメイン | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 tn5 トランスポザーゼ: 20 塩基対外側末端 2 mn 複合体 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ダイマー_Tnp_Tn5 | ||||||||
| パム | PF02281 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| SCOP2 | 1b7e / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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トランスポザーゼ（Tnp）Tn5は、レトロウイルスインテグラーゼを含むタンパク質のRNaseスーパーファミリーのメンバーです。Tn5は、シェワネラ菌と大腸菌に見られます。[5]トランスポゾンは、カナマイシンやその他のアミノグリコシド系抗生物質に対する抗生物質耐性をコードします。[3] [6]
Tn5 およびその他のトランスポザーゼは、特に不活性である。DNA 転位イベントは本質的に変異原性であるため、宿主で致命的な変異を引き起こし、その結果として転移要素が除去されるリスクを減らすために、トランスポザーゼの低活性が必要である。Tn5 がそれほど反応性がない理由の 1 つは、N 末端と C 末端が互いに比較的近接して位置し、互いを阻害する傾向があるためである。これは、トランスポザーゼの過活性形態をもたらすいくつかの変異の特性評価によって解明された。そのような変異の 1 つである L372P は、Tn5 トランスポザーゼのアミノ酸 372 の変異である。このアミノ酸は通常、α ヘリックスの中央にあるロイシン残基である。このロイシンがプロリン残基に置き換えられると、α ヘリックスが壊れ、C 末端ドメインに構造変化が導入され、タンパク質のより高い活性を促進するのに十分 N 末端ドメインから分離される。[3]トランスポゾンの転位には、トランスポゾン、トランスポザーゼ酵素、およびトランスポゾンの挿入のための標的DNAの3つの部分だけが必要な場合が多い。[3]これは、トランスポゾンの移動にカットアンドペーストメカニズムを使用するTn5の場合である。[3]
Tn5 および他のほとんどのトランスポザーゼには、トランスポゾンの移動を触媒する活性部位である DDE モチーフが含まれています。アスパラギン酸 97、アスパラギン酸 188、およびグルタミン酸 326 が活性部位を構成し、酸性残基の 3 つで構成されています。[7] DDE モチーフは、触媒反応に重要な 2 価金属イオン (ほとんどの場合、マグネシウムとマンガン) を配位すると言われています。[7]トランスポザーゼは非常に不活性であるため、DDE 領域が変異してトランスポザーゼが過活性になり、トランスポゾンの移動を触媒します。[7]グルタミン酸はアスパラギン酸に変換され、2 つのアスパラギン酸はグルタミン酸に変換されます。[7]この変異により、Tn5 の研究が可能になりますが、その結果、触媒プロセスのいくつかのステップが失われます。[3]
トランスポゾンの移動を触媒するステップはいくつかあり、Tnp 結合、シナプシス (シナプス複合体の形成)、切断、標的捕捉、鎖転移などがある。その後、トランスポザーゼは DNA 鎖に結合し、DNA のトランスポゾン末端にクランプを作成し、活性部位に挿入する。トランスポザーゼがトランスポゾンに結合すると、2 つのトランスポザーゼがトランスポゾンとシス/トランス関係で結合したシナプス複合体を生成する。[3]
切断では、マグネシウムイオンが水分子から酸素を活性化し、それらを求核攻撃にさらします。[6]これにより、水分子が両端の 3' 鎖に切り込みを入れ、ヘアピン形成を作り出し、トランスポゾンをドナー DNA から分離します。[3]次に、トランスポザーゼがトランスポゾンを適切な場所に移動します。ターゲットの捕捉についてはあまりわかっていませんが、まだ決定されていない配列の偏りがあります。[3]ターゲットの捕捉後、トランスポザーゼは 9 塩基対離れたターゲット DNA を攻撃し、トランスポゾンをターゲット DNA に組み込みます。[3]
前述のように、DDEの変異により、プロセスのいくつかのステップが失われます。たとえば、この実験をin vitroで実行すると、SDS熱処理によりトランスポザーゼが変性します。しかし、 in vivoでトランスポザーゼに何が起こるかはまだ不明です。[3]
トランスポザーゼTn5の研究は、 HIV -1や他のレトロウイルス性疾患との類似性から、一般的に重要です。Tn5を研究することで、他のトランスポザーゼとその活性についても多くのことが発見できます。[3]
Tn5は、2010年にゲノムシーケンシングに利用され、Tn5を使用してシーケンシングアダプターを追加し、単一の酵素反応でDNAを断片化することで、[8]従来の次世代シーケンシングライブラリの準備に比べて時間と入力要件を削減しました。 Tn5ベースの戦略は、ライブラリの準備プロトコルを大幅に簡素化でき、明らかなカバレッジバイアスなしで、多数の細菌分離株の直接コロニーPCRに組み込むことさえできます。[8]主な欠点は、酵素断片化や機械的断片化と比較して断片化サイズの制御が少なく、GC含有量が高くなる傾向があることです。[8]このライブラリ準備方法は、ATAC-seq技術でも使用されています。
眠れる森の美女トランスポザーゼ
スリーピングビューティー（SB）トランスポザーゼは、スリーピングビューティートランスポゾンシステムを駆動するリコンビナーゼです。[9] SBトランスポザーゼはDD[E/D]トランスポザーゼファミリーに属し、さらにRNase H、RuvCホリデイリゾルバーゼ、RAGタンパク質、レトロウイルスインテグラーゼを含むポリヌクレオチドトランスフェラーゼの大規模なスーパーファミリーに属します。[10] [11] SBシステムは主に脊椎動物の遺伝子導入に使用され、[12]遺伝子治療、[13] [14]および遺伝子発見を含みます。[15] [16] 設計されたSB100Xは、高レベルのトランスポゾン統合を指示する酵素です。[17] [18]
Tn7トランスポゾン
Tn7トランスポゾンは、大腸菌（E. coli ）などの多くの原核生物に見られる可動性遺伝要素であり、細菌の染色体および天然のプラスミド内のDNA配列として初めて発見され、抗生物質のトリメトプリムおよびストレプトマイシンに対する耐性をコードしていました。[19] [20]特に転移要素（トランスポゾン）に分類されるこの配列は、トランスポザーゼと呼ばれる自己コード化されたリコンビナーゼ酵素を利用して複製およびゲノム内を移動し、突然変異の作成や逆転、ゲノムサイズの変更などの効果をもたらします。Tn7トランスポゾンは、原核生物間での伝播を促進する2つのメカニズムを開発しました。[21]他の多くの細菌トランスポゾンと同様に、Tn7は低頻度で転位し、部位選択性がほとんどまたはまったくない多くの異なる部位に挿入されます。この最初の経路を通じて、Tn7は接合可能なプラスミドに優先的に誘導され、細菌間で複製および分配されます。しかし、Tn7 は細菌染色体の attTn7 と呼ばれる特定の部位に高頻度で転座するという点で独特です。[22]この特定の配列は、多くの細菌株に見られる必須かつ高度に保存された遺伝子です。しかし、Tn7 は遺伝子を認識した後、その下流に転座するため、組み換えは宿主細菌に有害ではなく、宿主を殺さずにトランスポゾンを安全に増殖させることができます。この高度に進化した洗練された標的部位選択経路は、この経路がトランスポゾンと宿主の共存を促進し、Tn7 が細菌の将来の世代にうまく伝達されるように進化したことを示唆しています。[21]
Tn7トランスポゾンは14kbの長さで、5つの酵素をコードしています。[21] DNA配列の末端は、組み換え中にTn7トランスポザーゼが相互作用する2つのセグメントで構成されています。左セグメント（Tn7-L）は150bpの長さで、右配列（Tn7-R）は90bpの長さです。トランスポゾンの両端には、Tn7トランスポザーゼが認識して結合する一連の22bpの結合部位が含まれています。トランスポゾン内には、転位機構を構成するタンパク質をコードする5つの個別の遺伝子があります。さらに、トランスポゾンには、抗生物質耐性をコードする遺伝子のカセットがいくつか含まれたDNAセグメントであるインテグロンが含まれています。[21]
Tn7 トランスポゾンは、TnsA、TnsB、TnsC、TnsD、および TnsE の 5 つのタンパク質をコードします。[21] TnsA と TnsB は相互作用して、Tn7 トランスポザーゼ酵素 TnsAB を形成します。この酵素は、トランスポゾンの DNA 配列の末端を特異的に認識して結合し、各末端に二本鎖 DNA 切断を導入することでトランスポゾンを切除します。切除された配列は、次に別の標的 DNA 部位に挿入されます。他の特徴付けられたトランスポゾンと同様に、Tn7 転位のメカニズムでは、TnsAB トランスポザーゼの TnsA タンパク質によって、ドナー DNA の 3' 末端が切断されます。ただし、Tn7 は、5' 末端から Tn7 トランスポゾンに向かって約 5 bp の 5' 末端付近でも、TnsAB の TnsB タンパク質によって独自に切断されます。トランスポゾンが標的 DNA 部位に挿入された後、3' 末端は標的 DNA に共有結合しますが、5' 末端には 5 bp のギャップがまだ存在します。その結果、これらのギャップを修復すると、標的部位でさらに 5 bp の重複が生じます。TnsC タンパク質は、トランスポザーゼ酵素および標的 DNA と相互作用して、切除および挿入プロセスを促進します。TnsC がトランスポザーゼを活性化する能力は、適切な標的タンパク質である TnsD または TnsE とともに標的 DNA と相互作用することに依存します。TnsD および TnsE タンパク質は、Tn7 の切除および挿入を促進する DNA 結合活性化因子でもある代替標的セレクターです。特定の標的 DNA と相互作用するそれらの能力は、Tn7 の標的部位選択の鍵となります。 TnsA、TnsB、TnsC タンパク質は、このように Tn7 のコア機構を形成します。TnsA と TnsB は相互作用してトランスポザーゼを形成し、TnsC はトランスポザーゼの活性の調節因子として機能し、トランスポザーゼと TnsD および TnsE の間で通信します。TnsE タンパク質が TnsABC コア機構と相互作用すると、Tn7 は挿入を接合可能なプラスミドに優先的に誘導します。TnsD タンパク質が TnsABC と相互作用すると、Tn7 は挿入を細菌染色体の単一の必須かつ高度に保存された部位に優先的に誘導します。この部位 attTn7 は、TnsD によって特異的に認識されます。[21]
参考文献
- ^ Heffron F, McCarthy BJ, Ohtsubo H, Ohtsubo E (1979年12月). 「トランスポゾンTn3のDNA配列解析：Tn3の転位に関与する3つの遺伝子と3つの部位」. Cell . 18 (4): 1153–63. doi :10.1016/0092-8674(79)90228-9. PMID 391406. S2CID 17775137.
- ^ abc Goodsell D (2006 年 12 月). 「トランスポザーゼ」.今月の分子. タンパク質データバンク.
- ^ abcdefghijkl Reznikoff WS (2003年3月). 「DNA転位を理解するためのモデルとしてのTn5」.分子微生物学. 47 (5): 1199–206. doi : 10.1046/j.1365-2958.2003.03382.x . PMID 12603728.
- ^ Aziz, RK, M. Breitbart および RA Edwards (2010)。トランスポザーゼは自然界で最も豊富で、最も遍在する遺伝子です。核酸研究38(13): 4207–4217。Aziz RK、Breitbart M、Edwards RA (2010 年 7 月)。 「トランスポザーゼは自然界で最も豊富で、最も遍在する遺伝子です」。核酸 研究. 38 ( 13): 4207–17。doi :10.1093/nar/gkq140。PMC 2910039。PMID 20215432。
- ^ McDowall J.「トランスポザーゼ」。InterPro。
- ^ ab Lovell S, Goryshin IY, Reznikoff WR, Rayment I (2002年4月). 「Tn5トランスポザーゼシナプス複合体の2金属活性部位結合」. Nature Structural Biology . 9 (4): 278–81. doi :10.1038/nsb778. PMID 11896402. S2CID 9721663.
- ^ abcd Peterson G、Reznikoff W (2003 年1月)。「Tn5トランスポザーゼ活性部位の変異はシナプス複合体におけるドナーバックボーンDNAの位置を示唆する」。The Journal of Biological Chemistry。278 ( 3 ): 1904–9。doi : 10.1074 /jbc.M208968200。PMID 12424243 。
- ^ abc Adey, Andrew (2010年12月). 「高密度in vitro転位によるショットガンフラグメントライブラリの迅速、低入力、低バイアス構築」.ゲノム生物学. 11 (12): R119. doi : 10.1186/gb-2010-11-12-r119 . PMC 3046479. PMID 21143862 .
- ^ Ivics, Z.; Hackett, PB; Plasterk, RA; Izsvak, Z. (1997). 「Sleeping Beautyの分子再構築：魚類由来のTc1様トランスポゾンとヒト細胞におけるその転座」Cell . 91 (4): 501–510. doi : 10.1016/s0092-8674(00)80436-5 . PMID 9390559.
- ^ Craig NL (1995年10月). 「転置反応の統一」. Science . 270 (5234): 253–4. Bibcode :1995Sci...270..253C. doi :10.1126/science.270.5234.253. PMID 7569973. S2CID 29930180.
- ^ Nesmelova IV 、 Hackett PB (2010 年 9 月)。「DDE トランスポザーゼ: 構造の類似性と多様性」。Advanced Drug Delivery Reviews。62 (12): 1187–95。doi :10.1016/j.addr.2010.06.006。PMC 2991504。PMID 20615441。
- ^ Ivics Z、Izsvák Z (2005 年 1 月)。「A whole lotta jumpin' goin' on: new transposon tools for vertebrate functional genomics」。Trends in Genetics。21 ( 1): 8–11。doi : 10.1016 /j.tig.2004.11.008。PMID 15680506 。
- ^ Izsvák Z、Hackett PB、 Cooper LJ、Ivics Z (2010 年 9 月)。「Sleeping Beauty 転座の細胞療法への応用: 成功と課題」。BioEssays。32 ( 9 ) : 756–67。doi : 10.1002 /bies.201000027。PMC 3971908。PMID 20652893。
- ^ Aronovich, EL, McIvor, RS, Hackett, PB (2011). 「The Sleeping Beauty transposon system – A non-viral vector for gene therapy」. Hum. Mol. Genet. (印刷中) Aronovich EL, McIvor RS, Hackett PB (2011 年 4 月). 「The Sleeping Beauty transposon system: a non-viral vector for gene therapy」. Human Molecular Genetics . 20 (R1): R14-20. doi :10.1093/hmg/ddr140. PMC 3095056 . PMID 21459777.
- ^ Carlson CM、Largaespada DA (2005 年 7 月)。「マウスにおける挿入変異: 新たな視点とツール」。Nature Reviews Genetics 6 ( 7) : 568–80。doi :10.1038/nrg1638。PMID 15995698。S2CID 3194633。
- ^ Copeland NG、Jenkins NA (2010年 10 月)。「トランスポゾンを利用したがん遺伝子の発見」。Nature Reviews。がん。10 ( 10 ) : 696–706。doi : 10.1038/nrc2916。PMID 20844553。S2CID 6910577。
- ^ Mátés L、Chuah MK、Belay E、Jerchow B、Manoj N、Acosta-Sanchez A、他 (2009 年 6 月)。「新規の過活動 Sleeping Beauty トランスポザーゼの分子進化により、脊椎動物における堅牢で安定した遺伝子導入が可能に」。Nature Genetics。41 ( 6 ) : 753–61。doi : 10.1038/ng.343。PMID 19412179。S2CID 27373372。
- ^ グラブンジヤ I、イルガン M、マテス L、ビレイ E、マトライ J、ゴーゴル＝デーリング A、川上 K、チェン W、ルイス P、チュア MK、ヴァンデンドリシェ T、イズヴァーク Z、アイヴィックス Z (2010 年 6 月)。 「ヒト細胞における転移因子ベクターシステムの比較分析」。分子療法。18 (6): 1200–9。土井：10.1038/mt.2010.47。PMC 2889740。PMID 20372108。
- ^ Barth PT、Datta N、Hedges RW、Grinter NJ (1976 年 3 月)。「トリメトプリムおよびストレプトマイシン耐性をコードする DNA 配列の R483 から他のレプリコンへの転置」。Journal of Bacteriology。125 ( 3 ) : 800–810。doi :10.1128/JB.125.3.800-810.1976。PMC 236152。PMID 767328 。
- ^ Barth PT、Datta N (1977 年9月)。「Tn7と区別できない2つの天然トランスポゾン」。Journal of General Microbiology。102 (1): 129–134。doi : 10.1099 /00221287-102-1-129。PMID 915473。
- ^ abcdef Peters J、 Craig NL (2001 年 11 月)。「Tn7: 我々が考えていたよりも賢い」。Nature Reviews Molecular Cell Biology。2 ( 11): 806–814。doi :10.1038/35099006。PMID 11715047。S2CID 34733892 。
- ^ Gringauz E、Orle KA、Waddell CS 、 Craig NL (1988 年 6 月)。「トランスポゾン Tn7 による Escherichia coli attTn7 の認識: Tn7 挿入時点での特定の配列要件の欠如」。Journal of Bacteriology。170 ( 6 ): 2832–2840。doi : 10.1128 /jb.170.6.2832-2840.1988。PMC 211210。PMID 2836374 。
