Nekodirajoča DNK: funkcije in vloga v človeškem genomu

Nekodirajoča DNK: razkrijte njene funkcije, regulatorne vloge in pomen v človeškem genomu — od genov za nekodirajoče RNA do centromerov, telomer in evolucijskih sledi.

Nekodirajoča zaporedja DNK so tisti deli DNK organizma, ki ne kodirajo proteinskih zaporedij.

Nekatere nekodirajoče DNK se prepišejo v funkcionalne nekodirajoče molekule RNK (npr. prenosne RNK, ribosomalne RNK in regulatorne RNK), druge pa se ne prepišejo ali pa nastanejo transkripti RNK neznane funkcije. Količina nekodirajoče DNK se med vrstami zelo razlikuje. Na primer, več kot 98 % človeškega genoma je nekodirajoče DNK, medtem ko je v tipičnem bakterijskem genomu le približno 2 % nekodirajoče DNK.

Na začetku velik del nekodirajoče DNK ni imel znane biološke funkcije. Zlasti v tisku je bila znana kot "junk DNA". Vendar je že leta znano, da so številna nekodirajoča zaporedja funkcionalna. Med njimi so geni za funkcionalne molekule RNK in zaporedja DNK, kot so signali za začetek replikacije, centromere in telomere.

Druga nekodirajoča zaporedja imajo verjetne, vendar še neodkrite funkcije. Na to sklepamo na podlagi visoke stopnje podobnosti zaporedij v različnih vrstah DNK.

Projekt Enciklopedija elementov DNK (ENCODE) je septembra 2012 pokazal, da več kot 80 % DNK v človeškem genomu "služi nekemu biokemičnemu namenu". Nekateri drugi znanstveniki so to ugotovitev ostro kritizirali.

Vrste nekodirajoče DNK in njihove funkcije

• Nekodirajoče RNK: sem sodijo prenosne RNK (tRNA), ribosomalne RNK (rRNA), micro RNK (miRNA), piRNA, siRNA in dolge nekodirajoče RNK (lncRNA). Te molekule sodelujejo pri sintezi beljakovin, regulaciji prevajanja, utišanju genov (RNA interference) in urejanju kromatina.
• Regulatorni elementi DNA: promotorji, enhanserji, silenserji in insulatorji vplivajo na količino, čas in mesto prepisovanja genov. Sprememba v teh elementih lahko močno spremeni izražanje genov.
• Strukturni elementi: Centromere in telomere so ključni za stabilnost kromosomov, delitev celic in zaščito koncev kromosomov. Obstajajo tudi signali za začetek replikacije, ki določajo, kje se DNK podvoji.
• Ponavljajoča se zaporedja in mobilni elementi: transpozoni in retrotranspozoni (npr. LINE in SINE elementi) ter satelitski ponavljajoči se odseki zavzemajo velik del evkarionskih genomov. Ti elementi vplivajo na strukturo genoma, lahko povzročajo preskoke in preureditve ter prispevajo k evoluciji genomov.
• Pseudogeni: so zapisi, ki spominjajo na gene, vendar običajno ne kodirajo funkcionalnih beljakovin. Nekateri pa se včasih prepišejo in lahko pridobijo regulatorne vloge.
• Introni in UTR-ji: introni v genih evkariontov ne kodirajo beljakovin, vendar vplivajo na splicing, stabilnost in transport mRNA; 5' in 3' nespremenjeni deli (UTR) mRNA so pomembni za regulacijo prevajanja in stabilnosti transkripta.

Pomen za evolucijo in genomiko

Nekodirajoča DNK pomembno vpliva na evolucijo. Repetitivni in mobilni elementi so vir genetske raznolikosti ter lahko privedejo do novih regulacijskih modulov ali preureditve genov. Hkrati se stopnja ohranjenosti zaporedij med vrstami uporablja kot en izmed kazalcev funkcije: visoko ohranjeni odseki verjetno opravljajo pomembne biološke vloge, čeprav obstajajo tudi funkcionalna območja brez očitne evolucijske konzervacije.

ENCODE in razprava o »funkciji«

Projekt ENCODE je izmeril širok spekter biokemijskih aktivnosti (prepisovanje, vezavo proteinov na DNK, kemične označbe histonov itd.) in ugotovil, da je več kot 80 % človeške DNK povezano z vsaj eno takšno aktivnostjo. Kritiki so opozorili, da biokemična aktivnost ni enaka evolucijski ali biološki funkciji: lahko gre za naključno ali stransko aktivnost brez adaptivne vrednosti. Zato se v znanosti razlikuje med definicijo "funkcije" kot izbrana vloga (selected-effect) in širšo "pripomočno/kausalno" definicijo (causal-role).

Metode za preučevanje nekodirajoče DNK

• Sequencing in comparative genomics (primerjanje zaporedij med vrstami) za iskanje ohranjenih regij.
• RNA-seq in druge tehnike za zaznavanje prevodenih transkriptov (vključno z lncRNA in majhnimi RNK).
• ChIP-seq za kartiranje vezave transkripcijskih faktorjev in histonskih označb.
• ATAC-seq in DNase-seq za prepoznavo odprtih regij kromatina (potencialnih regulatorjev).
• Funkcionalne študije z uporabo CRISPR/Cas, reporter-assays in mutacijskih analiz za dokazovanje povzročilne vloge posameznih elementov.
• Hi-C in sorodne metode za preučevanje tridimenzionalne organizacije kromatina, kar povezuje oddaljene regulacijske elemente z njihovimi tarčami.

Pomen za zdravje in bolezni

Velik delež genetskih variant, povezanih z boleznimi v študijah širjenja genoma (GWAS), leži v nekodirajočih regijah. To kaže, da motnje regulacije genov pogosto prispevajo k bolezenskim stanjem. Nekateri primeri:

• Mutacije v regulatorjih lahko spremenijo izražanje ključnih genov in povzročijo dedne bolezni ali povečajo tveganje za kompleksne bolezni (npr. avtoimunske bolezni, diabetes).
• Ponavljajoči se elementi ali razširitve ponovitev (npr. pri Huntingtonovi bolezni) lahko povzročijo degenerativne motnje.
• Aktivacija transpozonov ali izguba nadzora nad njihovo mobilnostjo je povezana s tumorogenezo in genomskimi nestabilnostmi.
• Upad telomer pri delitvi celic je povezan s staranjem in nekaterimi boleznimi.

Sklep

Nekodirajoča DNK ni zgolj »odpadek«; vključuje širok spekter elementov, od molekul RNK z jasnimi funkcijami do regulatorjev in strukturnih delov kromosomov. Raziskave v zadnjih desetletjih so razkrile pomembne vloge teh zaporedij pri regulaciji genov, strukturi kromatina, evoluciji in bolezni, čeprav ostaja veliko neznank. Razumevanje, kateri deli so resnično funkcionalni in na kakšen način, ostaja osrednja naloga sodobne genomike.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je nekodirajoča DNK?

V: Kolikšna je količina nekodirajoče DNK pri različnih vrstah?

V: Kakšen naj bi bil prvotno namen nekodirajoče DNK?

V: Ali so z nekaterimi vrstami nekodirajoče DNK povezane kakšne funkcije?

V: Ali je mogoče, da imajo nekatere vrste nekodirajoče DNK še neodkrite funkcije?

V: Kaj je projekt ENCODE pokazal o odstotku uporabne/funkcionalne nekodirajoče DNK pri ljudeh?

V: Ali so to ugotovitev sprejeli vsi znanstveniki ali so bili proti temu predlogu kritični?

Išči po črki