Nekodējošā DNS: definīcija, funkcijas un nozīme cilvēka genomā

Uzzini, kas ir nekodējošā DNS, tās funkcijas un nozīme cilvēka genomā — no funkcionālām RNS līdz telomērām, regulācijai un jaunākajiem atklājumiem.

Nekodējošās DNS sekvences ir tās organisma DNS daļas, kas nekodē olbaltumvielu sekvences. Šajā kategorijā ietilpst gan starp gēniem esošās starpsekvences (interģeniskās vietas), gan ģenē iekšā esošie introni, kā arī dažādas regulējošas un strukturālas sekvences. Lai gan olbaltumvielu kodējošie eksoni veido tikai nelielu daļu no vairuma eikariotu genomiem, nekodējošā DNS ietver plašu un funkcionāli daudzveidīgu elementu spektru.

Dažas nekodējošās DNS tiek pārrakstītas funkcionālās nekodējošās RNS molekulās (piemēram, pārneses RNS, ribosomālās RNS un regulējošās RNS), bet citas netiek pārrakstītas vai rada RNS transkripcijas ar nezināmu funkciju. Starp funkcionālajām nekodējošajām RNS ietilpst:

• miRNA un siRNA — īsas regulējošas RNS, kas ietekmē gēnu ekspresiju pēc transkripcijas;
• lncRNA (garas nekodējošas RNS) — daudzas no tām regulē hromatīna stāvokli, gēnu atslēgšanu vai aktivizāciju;
• snRNA un snoRNA — iesaistītas RNS apstrādē un modifikācijās;
• pārneses (tRNA) un ribosomālās (rRNA) RNS — būtiskas proteīnu sintēzei.

Nekodējošās DNS daudzums dažādās sugās ir ļoti atšķirīgs. Piemēram, vairāk nekā 98 % no cilvēka genoma ir nekodējošā DNS, taču baktēriju genomos kodējošo sekvenču blīvums parasti ir daudz lielāks — dažām baktērijām nekodējošā DNS var būt vien niecīgs (dažos gadījumos ap ~2 % ļoti kompaktos genomos), turpretī citās sugās nekodējošo sekvenču daļa var būt ievērojami lielāka. Šī daudzveidība skaidro, kāpēc genoma lielums un kartējums ne vienmēr korelē ar organismu sarežģītību.

Galvenās funkcijas un elementu tipi

Nekodējošās DNS nav “viendabīgs” kopums — tajā ietilpst dažādi elementu tipi, kas iesaistīti gan strukturālās, gan regulējošās, gan evolūcijas procesā. Galvenie tipi un to funkcijas:

• Regulējošas sekvences: promotori, enhanceri, silenceri un insulatori, kas kontrolē, kad, kur un cik daudz gēni tiek izteikti;
• Transkripcijas un replikācijas signāli: replikācijas sākuma vietas, transkripcijas sākuma un beigu signāli;
• Strukturālas vienības: centromēri (pārošanās un segregācijas vietas dalīšanās laikā) un telomēri (hromosomu gali, kas aizsargā genomu);
• Atkārtoti elementi un pārvietojamās vienības: transpozoni, LINEs, SINEs (piem., Alu elementu ģimenes cilvēkiem), kas veicina genoma dinamiku un var radīt jaunas regulējošas vietas;
• Pseidoģēni: inaktivēti vai degradēti gēnu kopijas, kas dažkārt iegūst jaunas funkcijas vai ietekmē gēnu regulāciju;
• Introni: gēnu iekšējās nekodējošās daļas, kas var kontrolēt izgriešanas-iestrādes alternatīvo splicing un regulēt gēnu aktivitāti.

Kā nosaka funkcionalitāti?

Funkcijas pierādīšanai izmanto vairākas pieejas, kas papildina viena otru:

• Filogenētiskā saglabātība: ja sekvence ir saglabājusies daudzu sugu evolūcijā, tas norāda uz selektīvu spiedienu un iespējamu funkciju;
• Bioķīmiskā aktivitāte: DNā atklāmas transkribēšanas, DNS atlaiduma (DNase hypersensitivity), histonu modifikāciju vai proteīnu saites vietas — šāda aktivitāte liecina par potenciālu lomu regulācijā;
• Funkcionālie testi: ģenētiskas mutācijas, reporteru testi, CRISPR/Cas9 inaktivācija un citas eksperimentālas metodes, kas parāda fenotipiskas izmaiņas, kad attiecīgā sekvence tiek bojāta;
• Genētiskie dati: eQTL un GWAS rezultāti rāda saistības starp nekodējošām variācijām un gēnu ekspresijas līmeņiem vai slimību riskiem.

ENCODE projekts un “junk DNA” debates

Sākotnēji lielai daļai nekodētās DNS nebija zināmas bioloģiskās funkcijas. Jo īpaši presē to dēvēja par "junk DNA". Tomēr jau gadiem ilgi ir zināms, ka daudzas nekodējošās sekvences ir funkcionālas. To vidū ir funkcionālo RNS molekulu gēni un tādas DNS sekvences kā replikācijas sākuma signāli, centromēri un telomēri.

Citām nekodējošām sekvencēm ir iespējamas, bet vēl neatklātas funkcijas. Par to var spriest no augsto sekvenču līdzības līmeņu novērojumiem dažādu sugu DNS.

2012. gada septembrī DNS elementu enciklopēdijas (ENCODE) projektā tika ierosināts, ka vairāk nekā 80 % DNS cilvēka genomā "kalpo kādam mērķim bioķīmiskā ziņā". Šo secinājumu asi kritizēja daži citi zinātnieki: kritiķi norādīja, ka bioķīmiskā aktivitāte (piem., transkripcija vai proteīnu saites) ne vienmēr liecina par evolūcijas kontekstā nozīmīgu funkciju, jo daļa aktivitātes var būt “bioloģiski troksnis”. Filogenētiskie pētījumi, kas meklē selektīvi saglabātas sekvences, parāda ievērojami mazāku funkcionālo daļu (bieži tiek minēti vairāki procenti līdz desmiti procentu) nekā dažas ENCODE interpretācijas. Diskusija vairākus gadus mudināja precizēt definīciju, kas tiek uzskatīta par “funkciju” genomā — vai tā ir jebkāda bioķīmiska aktivitāte, vai tikai tāda aktivitāte, kurai ir nozīmīga ietekme uz organisma fitnesi.

Nozīme veselībā un evolūcijā

Nekodējošās DNS variants var ietekmēt cilvēka veselību. Liela daļa ģenētisko marķieru, kas saistīti ar dažādām slimībām un fenotipiem GWAS pētījumos, atrodas nekodējošajās reģionos — parasti enhanceros, promotoros vai lncRNA. Mutācijas nekodējošās DNS var mainīt gēnu ekspresiju, izraisīt attīstības traucējumus vai palielināt slimību risku. Tāpēc šīs sekvences ir svarīgas gan pamatbioloģijā, gan klīniskajā ģenētikā.

Nākotnes virzieni

Turpmākie pētījumi fokusēsies uz precīzāku funkciju atšķiršanu — kuras bioķīmiskās aktivitātes ir bioloģiski nozīmīgas un kuras ir “troksnis” —, kā arī uz sarežģīto regulējošo tīklu kartēšanu dažādos audos un attīstības stadijās. Jaunas tehnoloģijas (vienšūnu sekvenēšana, sintētiskā bioloģija, mērķēta ģenoma rediģēšana) ļaus detalizētāk izpētīt, kā nekodējošās DNS sekvences ietekmē fenotipus un evolūciju, kā arī atvieglos to izmantošanu medicīniskajā diagnostikā un terapijā.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir nekodēta DNS?

J: Kāds ir nekodējošās DNS daudzums dažādās sugās?

J: Kāds sākotnēji tika uzskatīts nekodētās DNS mērķis?

J: Vai ir kādas funkcijas, kas saistītas ar dažiem nekodētās DNS veidiem?

J: Vai ir iespējams, ka dažiem nekodējošāsDNS tipiem ir vēl neatklātas funkcijas?

J: Ko ENCODE projekts liecina par noderīgas/funkcionālas nekodējošas DNS procentuālo daudzumu cilvēkos?

J: Vai šim secinājumam piekrita visi zinātnieki, vai arī pret šo ieteikumu tika izteikta kritika?

Meklēt pēc burta