Strona główna > biologia, ewolucja, nauka > Grzebanie w śmieciach czyli o niekodującym DNA

Grzebanie w śmieciach czyli o niekodującym DNA

Listopad 15, 2007 Dodaj komentarz Go to comments

Kiedy ponad pięćdziesiąt lat temu naukowcy zaczęli szacować, jak duże są genomy organizmów należących do różnych gatunków, ze zdumieniem odkryli, że są między nimi olbrzymie różnice. Kolejne odkrycia i idee doprowadziły do zaskakującego dla wielu naukowców stwierdzenia, że geny kodujące białka stanowią zaledwie niewielką część genomu eukariontów (u człowieka to około 1,5 – 2%), i że nie ma bezpośredniego związku między wielkością genomu a liczbą genów. Okazało się też, że nie ma wielkiej różnicy w ilości genów kodujących białka między myszą a człowiekiem – te liczby też trochę się zmieniały pod wpływem nowych danych, ale wygląda na to, że – podobnie jak myszy – mamy ok. 20 tys genów. U roślin genów jest nieco więcej – w tej chwili szacuje się, że ryż ma około 41 tys. genów, natomiast Arabidopsis zaledwie 26 tys. Tak czy inaczej geny kodujące białka stanowią niewielką część eukariotycznego genomu, a dodatkowo składają się z kawałków kodujących (egzony) poprzedzielanych kawałkami niekodującymi (intronami; edit: ale czasem i introny coś kodują, dodatkowe info w komentarzu Molekuły). Reszta genomu zawiera liczne geny kodujące RNA (rRNA, miRNA, tRNA, piRNA…), które nie opisują sekwencji białek, a także sekwencje pełniące funkcje regulatorowe – to np. promotory genów, czyli miejsca, do których wiąże się polimeraza RNA, żeby rozpocząć transkrypcję. Poza tym w niekodującym DNA można znaleźć sekwencje repetytywne, centromerowe, telomerowe, elementy ruchome (transpozony i retrotranspozony), a także unieczynnione w wyniku mutacji geny (pseudogeny). Część z nich (telomery, centromery) jest istotna, bo stanowi fragment struktury chromosomów, jednak większość wydaje się nie pełnić żadnej funkcji – stąd mówi się o „śmieciowym DNA” (junk DNA). Nazwę tę zaproponował Susumu Ohno w 1972, sugerując, że ów „nadmiar” DNA w genomach eukariontów może się składać głównie z popsutych kopii genów – czyli tego, co później nazwano pseudogenami. Później okazało się, że nie jest to główna przyczyna gromadzenia się niekodujących sekwencji – większość z nich to efekty pracy ruchomych elementów, które skaczą po genomie zostawiając w nim swoje kopie. Pomysł, że większość naszego genomu nie jest nam potrzebna, nie wszystkim przypadł do gustu – niektórzy uważali, że naturalna selekcja powinna usunąć wszelkie zbędne fragmenty. Jednak kolejni badacze zwracali uwagę na to, że do utrzymania się takich sekwencji w genomie wystarczy, że będą w stanie utrzymać się (i ewentualnie rozmnożyć) nie powodując zbytnich szkód dla organizmu.

Dyskusja na temat tego, jak dużo śmiecia jest w niekodującym DNA, trwa do tej pory. Od czasu do czasu pojawiają się doniesienia o tym, że w śmietniku znaleziono skarb – kawałek DNA, dotąd uważany za niepotrzebny, który jednak coś robi. Przykłady zagonionych do pracy ruchomych elementów DNA opisywałam tu, a przykłady nowych genów z sekwencji niekodujących tu. Jednak większość tego DNA – mimo, że spora część ulega transkrypcji – to niemal na pewno śmieci.

Kilka lat temu w Nature pojawiła się praca, której autorzy chcieli sprawdzić, czy te sekwencje rzeczywiście są potrzebne. Postanowili zatem wyciąć myszom spore fragmenty genomu, w których nie ma żadnych kodujących białka genów – 2 miliony par zasad w jednym miejscu i milion par zasad w drugim. Fragmenty te zawierały ponad 1000 krótkich sekwencji, które są podobne u myszy i człowieka – a takie podobieństwo, utrzymujące się przez miliony lat ewolucji, sugeruje, że te sekwencje są ważne. Tego typu sekwencje zajmują kilka procent naszego genomu. Jednak myszy po wycięciu tych milionów par zasad świetnie sobie radziły. Naukowcy obserwowali je przez pół roku, mierzyli, ważyli, porównywali i nic. Wszystkie wyglądały, jakby niczego im nie brakowało. Badacze przetestowali nawet ekspresję genów znajdujących się w okolicach wyciętych fragmentów, i na 9 badanych genów w 12 różnych tkankach udało im się wreszcie znaleźć dwie niezbyt wielkie różnice. Sprawdzili więc, czy te konserwowane między myszą a człowiekiem sekwencje, które znajdowały się w usuniętych fragmentach, są w stanie wpłynąć na ekspresję genu reporterowego – czyli takiego, którego działalność łatwo zmierzyć – w hodowlach komórek. Okazało się, że tylko jedna coś robi. Jaki z tego wniosek? Choć oczywiście nie można wykluczyć, że istnieją jakieś różnice między myszami z wyciętym fragmentem, a myszami, które go mają, wygląda na to, że te niekodujące sekwencje nie są konieczne do normalnego funkcjonowania. Wspiera to koncepcję, że część DNA organizmów eukariotycznych nie pełni żadnej funkcji.

Nie jest to zresztą jedyna praca tego typu. Niedawno w PLoS Biology pojawił się artykuł, którego autorzy wycięli myszom cztery starannie wybrane krótkie fragmenty niekodującego DNA (od 222 do 751 par zasad). Były to takie kawałki, które u człowieka, myszy i szczura są identyczne – należą do tzw. elementów ultrakonserwowanych, których w ludzkim genomie naliczono prawie 500). Dodatkowo wycięte sekwencje zwiększają ekspresję genów reporterowych w hodowlach komórkowych . I co? I nic. Wszystkie tak poprzycinane myszy żyły, rozmnażały się, i nie miały żadnych problemów. Jedyny wyjątek to dwie myszy ze stu z jedną z tych delecji, które miały tylko po jednej nerce, jednak tak rzadkie występowanie tego fenotypu nie pozwala jednoznacznie stwierdzić, że jest on wynikiem usunięcia ultrakonserwowanego elementu. Podobnie, jak poprzednio autorzy zastrzegają, że być może istnieją jakieś różnice, których nie udało im się wychwycić. Przypuszczają też, że jeśli te wycięte elementy pełnią jakieś funkcje – przecież in vitro potrafią podwyższyć poziom ekspresji genów – to i tak znalazł się inny fragment genomu, który był w stanie je zastąpić. Wiadomo, że może się tak zdarzać, jeśli chodzi o białka – u myszy z usuniętym genem kodującym mioglobinę nie obserwuje się różnic w wydolności, co związane jest z różnymi kompensującymi adaptacjami mięśni szkieletowych.

Obecnie wyniki badań pozwalają na stwierdzenie, że około 5% ludzkiego genomu z pewnością pełni jakieś role, a najwięksi optymiści nie przypuszczają, że funkcjonalna okaże się więcej niż 1/4 naszego DNA. Zresztą wystarczy się rozejrzeć po innych organizmach, żeby uznać, że jest mało prawdopodobne, że całe DNA jest funkcjonalne. T.R. Gregory podał piękny przykład – genomy roślin z rodzaju Allium, do którego należą czosnek i cebula, gdzie jedne są cztery razy większe od innych. Jeśli przyjąć, że całe DNA pełni jakąś funkcję, trzeba wyjaśnić, dlaczego u tak podobnych roślin ilość niekodujących sekwencji może się tak drastycznie różnić.

Istnieje jeszcze jedno spojrzenie na tę sprawę. Otóż wielkość genomu jest skorelowana z wielkością komórek (o czym krótko wspominałam wcześniej). Może więc chodzi o wielkość komórek, a nie o wielkość genomu. Małe genomy częściej pojawiają się u zwierząt charakteryzujących się wysokim tempem metabolizmu. Ptaki mają generalnie mniejsze genomy, niż ssaki. Może więc rozrost genomu jest ograniczony tylko wielkością komórki, a póki nie dojdzie do pewnego punktu, nic go nie powstrzymuje? Jednak jak dotąd pytanie o to, co wpływa na wielkość genomu czy ilość niekodującego DNA, wciąż czeka na odpowiedź.

Kategorie:biologia, ewolucja, nauka Tags:
  1. Listopad 17, 2007 o 2:00 pm

    Pamiętam doniesienia z niedawna, że to niby smieciowe dna pełni jednak jakieś funkcje regulacuyjne. Notabene z faktu, że nie występuje ono u prokariotów, niektórzy wyciągają wnioski, że to właśnie ten „wynalazek” był wstępem do wielokomórkowości (gdzie funkcje regulacyjne są szczególnie istotne). Ale skoro wycięcie nic nie zmienia to dalej niewiele wiadomo – chyba że akurat trafem wycieto sekwencje nieznaczące.🙂

  2. Listopad 17, 2007 o 5:10 pm

    tak, część niekodującego DNA pełni funkcje regulacyjne. choćby ostatnio pojawiła się fajna praca o tym, że 1500 spośród 320 000 sekwencji retrowirusów endogennych w ludzkim genomie ma miejsce wiązania p53, i że mogą one wpływać na regulację ekspresji genów przez to białko, a do tego akurat ten rodzaj sekwencji jest specyficzny dla naczelnych. rzeczywiście są dyskusje na temat tego, jak gromadzenie niekodującego DNA wpływa na „ewoluowalność” eukariontów – taki zbiór sekwencji, z których czasem powstaje coś fajnego (czy gen, czy sekwencja regulatorowa), to świetny materiał dla ewolucji, coś, jak strych pełen gratów, wśród których można znaleźć coś przydatnego. i na pewno jeszcze się okaże, że tych skarbów trochę tam jest. pytanie tylko, ile.
    ale ciągle wygląda na to, że jednak większość to śmieci.

  3. molekuła
    Grudzień 1, 2010 o 6:40 pm

    Introny mogą kodować białka. Białko kodowane przez intron uczestniczy w splicingu. Razem z egzonami koduje maturazę, która należy do endonukleaz i może hydrolizować RNA. Oprócz maturazy przez introny mogą być kodowane jeszcze odwrotne transkryptazy i inne endonukleazy.

  1. No trackbacks yet.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

%d bloggers like this: