Gli elementi trasponibili a livello molecolare

Gli elementi trasponibili sono stati identificati per la prima volta a livello molecolare sotto forma di inserzioni spontanee negli operoni batterici. Le inserzioni di questo tipo impediscono la trascrizione e/o traduzione del gene in cui si è verificato, I trasposoni più semplici si chiamano sequenze di inserzione (IS), seguito dal numero che identifica il tipo. Gli elementi IS sono unità autonome, ciascuna delle quali codifica soltanto per le proteine necessarie a promuovere la propria trasposizione. Essi sono generalmente grandi 1-2 kb e contengono un ORF che codifica per la trasposasi, un enzima che fa effettuare la trasposizione ed è comune a tutti gli elementi trasponibili.  Ciascun elemento IS ha una sequenza diversa, ma nella loro organizzazione esistono caratteristiche comuni. Un elemento IS termina con brevi ripetizioni terminali invertite (IR) e di solito le due copie della ripetizione sono strettamente correlate ma non identiche. Quando un elemento IS subisce una trasposizione, una sequenza del DNA nel sito dell'inserzione viene duplicata e la natura della duplicazione è rilevata dal confronto della sequenza del sito bersaglio prima o dopo che si è verificata un'inserzione. Le IS riconoscono. una sequenza bersaglio (target sequence) che è una sequenza casuale dove si inserirà l'elemento trasponibile. Altri trasposoni portano marcatori di resistenza ai farmaci (o altri) oltre alle funzioni che riguardano la trasposizione. Questi trasposoni sono chiamati con la sigla Tn seguita da un numero. Questa classe di trasposoni più grandi sono chiamati elementi compositi, perché una regione centrale che porta i marcatori di resistenza è fiancheggiata su entrambi i lati da “bracci” (R e L, destro e sinistro) che consistono di elementi IS.
L'inserzione del trasposone in un nuovo sito consiste nella produzione di tagli sfalsati nel DNA bersaglio, nell'unione del trasposone all'estremità sporgenti a singolo filamento e nel riempimento delle interruzioni. La generazione e il riempimento delle estremità sfalsate spiega la creazione delle ripetizioni dirette di DNA bersaglio al sito di inserzione. Possiamo distinguere due tipi diversi di meccanismi utilizzati da un trasposone per spostarsi: (1) nella trasposizione replicativa, l'elemento è duplicato durante la reazione, così che l'entità che viene trasportata è una copia dell'elemento originale. Una copia resta nel sito di origine, mentre l'altra si inserisce nel nuovo sito e la trasposizione è quindi accompagnata da un aumento del numero delle copie del trasposone. La trasposizione replicativa comporta due tipi di attività enzimatiche: una trasposasi che agisce sulle estremità del trasposone originale e una revolvasi che agisce sulle copie duplicate. Quindi nella trasposizione replicativa, schematizzando, viene prima effettuato un taglio sui due filamenti del DNA donatore solo al 3' e viene effettuato un taglio sfalsato sulla molecola del ricevente (5' e 3'). L'estremità 3' del complesso di trasferimento del filamento sono usate come primer per la replicazione, generando una struttura chiamata cointegrato, che rappresenta una fusione delle due molecole originali. Il cointegrato ha due copie del trasposone. Successivamente una ricombinazione omologa fra le due copie del trasposone rilascia due repliconi singoli, ciascuno dei quali possiede una copia del trasposone. Uno dei repliconi è il replicone donatore originale, mentre l'altro è un replicone bersaglio che ha acquisito un trasposone fiancheggiato da brevi ripetizioni. La reazione di ricombinazione si chiama risoluzione e l'attività enzimatica responsabile è detta resolvasi. (2) Nella trasposizione conservativa, invece, l'elemento è escisso dal sito donatore e viene inserito in un sito bersaglio da una serie di eventi in cui vengono conservati tutti i legami nucleotidici. Gli elementi che usano questo meccanismo sono grandi e possono mediare il trasferimento non solo dell'elemento stesso ma anche di DNA donatore da un batterio all'altro. Quindi schematizzando, nella trasposizione conservativa  viene inizialmente effettuato un taglio sui due filamenti del DNA donatore sia al 5' che al 3' e contemporaneamente si ha un taglio sfalsato sulla molecola ricevente (5' e 3'). a questo punto il trasposone viene perso dalla molecola donatrice e si traspone su quella ricevente. La DNA polimerasi I aggiunge le basi mancanti sulla molecola del ricevente laddove è avvenuto il taglio sfalsato e si generano quindi delle brevi sequenze (5-8 bp) altamente ripetute all'estremità del trasposone.
Anche alcuni virus usano il meccanismo di trasposizione come il fago Mu, infatti appena il suo DNA entra nella cellula si integra con un meccanismo di trasposizione semplice. Un esempio di trasposizione replicativa può essere fatto per i trasposoni della famiglia TnA che usano solo questo meccanismo per trasporsi. Quest'ultimi sono piuttosto grandi e non sono trasposoni compositi ma sono composti da unità indipendenti che portano i geni per la trasposizione  oltre che a caratteristiche come la resistenza ai farmaci. La famiglia TnA comprende parecchi trasposoni correlati, di cui Tn3 e Tn1000. I due stadi della trasposizione mediata da TnA sono eseguiti come sempre dalla trasposasi e dalla revolvasi tradotte dai geni tnpA e tnpR. É rilevante notare che la revolvasi TnpR si lega a tre siti che hanno un omologia di sequenza. Il sito I comprende la regione definita geneticamente come sito res e in sua assenza la reazione di risoluzione non può procedere, ma la risoluzione richiede anche legami ai siti II e III, in quanto la reazione procede soltanto a fatica se uno di questi siti è deleto. Il sito I è sovrapposto al punto di inizio della trascrizione di tnpA, mentre il sito II è sovrapposto al punto di inizio della trascrizione di tnpR. Un importante elemento trasponibile composito è, invece, Tn10, un trasposone composito in cui l'elemento IS10R rappresenta il modulo attivo e vi sono due promotori vicini al confine esterno. Il promotore PIN che è responsabile della trascrizione di IS10R, mentre il promotore POUT fa procedere la trascrizione verso il DNA fiancheggiante adiacente, che in genere termina all'interno del trasposone, ma occasionalmente continua nel DNA dell'ospite ed è talvolta responsabile dell'attivazione di geni batterici adiacenti. Il fenomeno “dell'inibizione da copie multiple” rileva che l'espressione del gene per la trasposasi IS10R è regolata, se questo non fosse la cellula andrebbe a morte visto che i trasposoni si inserirebbero tra geni fondamentali. La trasposizione di un elemento Tn10 sul cromosoma batterico si riduce quando vengono introdotte compie addizionali di IS10R tramite un plasmide multicopia. L'inibizione richiede il promotore POUT ed è esercitata a livello della traduzione. La base di questo effetto si trova nella sovrapposizione delle regioni terminali 5' dei trascritti prodotti a partire da PIN e POUT. L'RNA OUT è trascritto di 69 basi e si trova ad un livello più di 100 volte superiore a quello dell'RNA IN per due ragioni: POUT è un promotore molto più forte di PIN e l'RNA OUT è più stabile dell'RNA IN.