Elementos Transponíveis (ETs) em Eucarióticos

Elementos Transponíveis (ETs) são virtualmente ubíquos entre espécies e exercem uma profunda influência sobre estrutura do genoma e evolução das espéciesNo entanto, é notável que os TEs historicamente receberam uma atenção relativamente limitada. Nos primeiros 60 anos após a sua descoberta, apenas alguns TEs foram extensivamente caracterizados, principalmente em organismos modelo e em algumas culturas agrícolas selecionadas. Estes estudos centraram-se principalmente nos efeitos fenotípicos dos TEs.

Na última década, os avanços em tecnologias de sequenciação genómica têm-nos proporcionado a capacidade de identificar, comparar e aprofundar as atividades regulatórias e transcricionais de vários TEs de forma abrangente. Isso permitiu uma exploração mais intrincada dos TEs com um nível de detalhe mais fino. Uma revelação notável foi que a maioria dos TEs dentro dos genomas são remanescentes de transposões inativadas, semelhantes a vulcões dormentes, com a presença cumulativa desses relicários constituindo as sequências repetitivas encontradas em genes eucarióticos.

O que são elementos transponíveis?

Elementos transponíveis, comumente referidos como TEs, são sequências de DNA especializadas que possuem a notável capacidade de se relocalizar autonomamente dentro do genoma do hospedeiro. Estas sequências normalmente variam entre 100 a 10.000 pares de bases em comprimento. Tal como os vírus, os TEs exibem uma natureza complexa e auto-serviente, frequentemente codificando proteínas com funções bioquímicas multifacetadas ou abrigando segmentos regulatórios não codificantes que desempenham um papel crucial no processo de transposição.

No contexto dos eucariotos, os TEs são prevalentes em genomas quase todas as espécies eucarióticas, com apenas algumas exceções. Em certas espécies, o conteúdo de elementos transponíveis (ETs) pode representar uma parte substancial do genoma, podendo atingir até 85%. Notavelmente, a extensão dos ETs numa espécie não está relacionada à complexidade do seu genoma. Organismos multicelulares complexos, como coníferas e salamandras, podem abrigar quantidades substanciais de ETs, mas, curiosamente, certos organismos unicelulares como Trichomonas vaginalis e Ancaliia algerae também exibem níveis elevados de TE.

Categorização de TEs Eucarióticos

Em 1989, David Finnegan introduziu um esquema de classificação inicial para TEs, dividindo-os em duas classes principais:

• Classe I: Retrotransposões
• Classe II: Transposões de DNA

Os retrotransposões da Classe I utilizam RNA como intermediário, facilitando a transcrição reversa de RNA em DNA. Este processo culmina na integração da cópia de DNA no genoma do hospedeiro, frequentemente comparado a um mecanismo de "copiar e colar". Em contraste, os transposões da Classe II empregam principalmente um mecanismo de "cortar e colar", realizando a transposição sem a participação de um intermediário de RNA.

Um refinamento adicional da classificação de TE é possível, tendo em conta os mecanismos específicos de replicação e integração dos TE. Estas duas classes principais podem ser subdivididas em várias subclasses e, após um exame mais aprofundado, podem ser categorizadas em superfamílias, famílias, e assim por diante.

Resumo dos mecanismos de replicação e intermediários de transposição. (Wells et al., 2020)

Disparidades na Distribuição de Transposões entre Espécies

A prevalência de elementos transponíveis (ETs) nos genomas apresenta uma variabilidade significativa entre diferentes espécies. Algumas espécies têm uma escassez de ETs nos seus genomas, enquanto outros estão abundantemente povoados por estes elementos genéticos.

Vários estudos propuseram uma correlação entre a abundância de elementos transponíveis (ETs) e o tamanho efetivo da população de uma espécie. Um maior tamanho efetivo da população tende a aumentar a eficiência da seleção natural, intensificando assim a pressão seletiva sobre os ETs. Por exemplo, em espécies como a Drosophila, que possuem um tamanho efetivo da população considerável, o conteúdo de ETs permanece relativamente baixo. Em contraste, os vertebrados, caracterizados por tamanhos efetivos de população menores, exibem uma pressão seletiva reduzida sobre as inserções de ETs, que podem proliferar facilmente dentro da população. No entanto, vale a pena notar que mesmo entre espécies com tamanhos efetivos de população semelhantes, o conteúdo de ETs pode diferir significativamente. Portanto, diferenças no tamanho efetivo da população por si só não são suficientes para elucidar as variações na distribuição de ETs.

Além disso, a distribuição de elementos transponíveis (TE) diverge marcadamente com base no tipo de TE. Por exemplo, os elementos de repetição terminal longa (LTRs) são prevalentes em plantas com flores, os elementos não LTR são comuns em mamíferos, e os transposões de DNA estão amplamente distribuídos em organismos como peixes-zebra e nematóides. Assim, as disparidades na prevalência desses elementos não podem ser atribuídas apenas a variações nos tamanhos efetivos das populações.

Em resumo, a dinâmica intrincada da distribuição de TE resulta de uma combinação de fatores que vão além do tamanho da população efetiva, abrangendo interações genéticas e ecológicas complexas específicas de cada espécie.

Estrutura e taxonomia de TEs eucarióticos. (Wells et al., 2020)

Nexo entre a Abundância de Transposões e o Tamanho do Genoma

Os elementos transponíveis (ETs) são uma presença ubíqua nos genomas de quase todas as espécies eucarióticas, com apenas um punhado de exceções, principalmente entre organismos unicelulares, como Plasmodium, Toxoplasma gondii, Microsporidose enteroencefálicaNotavelmente, as exceções são caracterizadas por genomas excepcionalmente compactos, sugerindo uma possível correlação entre o tamanho do genoma e a abundância de elementos transponíveis. No entanto, é essencial reconhecer que esta relação é mais intrincada do que uma mera proporcionalidade direta.

Para ilustrar esta complexidade, considere o caso de Anncaliia algeraeum organismo unicelular com um tamanho genómico modesto de 23 Mb, do qual uma substancial percentagem de 14% é composta por elementos transponíveis (ETs), abrangendo 240 famílias de ETs.

Dentro genomas maiores, como o dos salamandras, que podem atingir tamanhos de até 120 Gb, o aumento é principalmente impulsionado pela incorporação de elementos transponíveis LTR. Os genomas das plantas também sofrem uma expansão significativa devido a elementos transponíveis. Embora estes elementos possam abranger uma ampla gama de famílias de TE, TEs individuais podem desempenhar um papel extraordinariamente crucial. Por exemplo, o hidróide castanho, que divergiu do hidróide verde há aproximadamente 36 milhões de anos, experimentou um rápido aumento do tamanho do genoma de 300 Mb para 1 Gb, atribuído em grande parte ao transposão CR1 não-LTR.

Outro fator que influencia o tamanho do genoma e a abundância de elementos transponíveis é a deleção de DNA não essencial. As salamandras, por exemplo, apresentam genomas maiores em parte devido a taxas de deleção de DNA mais baixas. Em contraste, em espécies como Arabidopsis e arroz, altas taxas de deleção do genoma, impulsionadas pela recombinação ectópica, contrabalançam o genoma aumento resultante da transposição. Este equilíbrio intricado sustenta a estabilidade do tamanho do genoma em Arabidopsis e arroz, e fenómenos análogos são observados em aves e mamíferos.

Em essência, a interação entre o tamanho do genoma e a abundância de elementos transponíveis é multifacetada, influenciada não apenas pela presença de elementos transponíveis, mas também pelos processos de expansão impulsionada por elementos transponíveis e pela deleção de DNA, todos os quais moldam os genomas de várias espécies de maneiras únicas.

Diversidade de Elementos Transponíveis

Os elementos transponíveis (ETs) exibem uma diversidade profunda na sua distribuição entre espécies, estendendo-se além de meras diferenças em abundância. A complexa interação entre hospedeiros e ETs resulta frequentemente na formação de estruturas familiares de ETs intrincadas, dando origem a espécies de subfamílias de ETs expandidas, como exemplificado pelos elementos L1. Além disso, certos elementos transponíveis, como os Helitrons, podem gerar novas subfamílias ao incorporar fragmentos de DNA do hospedeiro na sua composição.

A distribuição de elementos transponíveis (ET) em eucariotos é notavelmente diversificada, independentemente da escala de medição. Por exemplo, o peixe-zebra, conhecido pela sua abundância e diversidade incomparáveis de ET entre os organismos modelo vertebrados, abriga quase 2.000 famílias de ET que abrangem todos os subclados e englobam quase todas as superfamílias. Notavelmente, o peixe-zebra apresenta uma prevalência particularmente alta de transposões de DNA, com aproximadamente 1.000 famílias distintas de transposões de DNA que surgiram em diferentes momentos, uma característica incomum no âmbito de genomas de peixes.

No entanto, é crucial reconhecer que tamanhos de genoma maiores não se traduzem, por si só, em maior diversidade de elementos transponíveis (ETs). Uma ilustração convincente disto pode ser encontrada no abeto, uma gimnosperma com um tamanho de genoma de 20 Gb. Embora realmente possua um número substancial de cópias de ETs, estes estão predominantemente concentrados dentro da superfamília LTR, com a maioria destes transposões surgindo entre 5 e 60 milhões de anos atrás. Em contraste, espécies como o arroz e o milho apresentam predominantemente transposões mais jovens do que 5 milhões de anos. Este contraste sugere que, no caso do abeto, embora a diversidade de ETs possa parecer relativamente baixa, muitos dos ETs pré-existentes no genoma diminuíram gradualmente ao longo do tempo. Por outro lado, em muitas plantas com flores, a diversidade de ETs permanece alta, apesar dos seus genomas comparativamente pequenos. Curiosamente, há uma correlação negativa notável entre o tamanho do genoma e a diversidade de ETs em plantas terrestres.

Na essência, o intrincado mosaico da diversidade de TE reflete uma interação dinâmica entre elementos genéticos e genomas hospedeirosresultando numa tapeçaria de diversidade genómica em todo o espectro eucariota.

Distribuição de TEs através da filogenia eucariótica. (Wells et al., 2020)

Um estudo aprofundado dos elementos transponíveis (ETs) deve, por natureza, incluir uma análise dos seus mecanismos de transposição. No entanto, é cada vez mais comum observar investigações ao nível da evolução genómica, enquanto se negligenciam os mecanismos de transposição fundamentais dos próprios ETs.

As famílias TE exibem uma variabilidade substancial entre si, e o seu impacto em genomas hospedeiros é de significativa consequência. Portanto, um foco imperativo é identificar e categorizar os TEs numa gama mais ampla de espécies. Simultaneamente, há uma necessidade crescente de investigação concentrada nos mecanismos de transposição, particularmente aqueles de transposões mais especializados, como Helitrons, Mavericks, elementos YR e semelhantes.

Em resumo, o domínio dos Elementos Transponíveis é uma área de estudo fundamental que oferece valiosos insights sobre a evolução genética. A exploração abrangente, que abrange tanto a diversidade das famílias de ETs como os mecanismos subjacentes à transposição, é crucial para uma compreensão holística do seu papel na formação dos genomas e na condução da evolução das espécies.

Referência:

1. Wells, Jonathan N., e Cédric Feschotte. "Um guia de campo para elementos transponíveis eucariotos." Revisão Anual de Genética 54 (2020): 539-561.