Grzebanie w śmieciach czyli o niekodującym DNA

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.

Pasażer na gapę czyli znowu o Wolbachii

Wymiana DNA między osobnikami różnych gatunków – poziomy transfer genów – zdarza się przede wszystkim wśród bakterii, jednak zdarza się też i w innych częściach drzewa życia. Zanotowano nieliczne przypadki, gdzie transfer nastąpił między eukariontami, np. między różnymi owadami, czy między bakteriami a archeowcami. Teraz mamy dodatkowy przypadek – stabilny poziomy transfer genów z bakterii do wielokomórkowego organizmu eukariotycznego. Wspominałam już o Wolbachia pipientis – to endosymbiotyczna bakteria, która żyje w komórkach bezkręgowców (na obrazku – żółte kropki to Wolbachie w oocycie muchy). Jest ona przekazywana na następne pokolenia tylko przez matki – w cytoplazmie oocytów. Dlatego na różne sposoby “manipuluje” gospodarzem tak, żeby zainfekowanym samicom rodziło się więcej córek, a gospodarz usiłuje się przed nią bronić – nieraz z sukcesami. Okazuje się jednak, że czasami losy Wolbachii toczą się zupełnie inaczej.

Encyklopedia DNA

Genom ludzki odsłania kolejne tajemnice. Projekt ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) ma na celu identyfikację wszystkich funkcjonalnych elementów w ludzkim genomie. W Nature ukazało się sprawozdanie z pierwszej części projektu – badań nad 1% ludzkiego genomu. Zanalizowano 44 fragmenty genomu (ok. 30 Mbp). Połowa z tych miejsc została wybrana, ponieważ już sporo o nich wiadomo, a druga połowa jest losową próbą. Równocześnie Genome Research publikuje inne prace związane z tym projektem. Artykuły są dostępne za darmo, a jako bonus dołączono plakat w pdf, opisujący część wyników.

Co nam daje skoczne DNA?

Nasz genom pełen jest niekodującego DNA. Przez długi czas określano je jako „junk DNA” – śmieci. Mówi się też o samolubnym DNA – pasażerach na gapę – transpozonach i retrotransposonach, które zabrały się w podróż w czasie w naszym genomie. Ale czy rzeczywiście zawsze jadą na gapę?

Wcale nie. Część z nich zaprzęgła się do pracy. W około 1/4 promotorów ludzkich genów występują sekwenje pochodzenia transpozonowego. W przypadku pewnych genów, np. genu Mid1, którego mutacje powodują zespół Opitza, wykazano, że działają jak promotory lub wzmacniacze, często tkankowo specyficznie. Podobnie około 1/4 mRNA ma takie sekwencje w swoich rejonach nieulegających translacji. I też czasem je wykorzystuje.

Feniks z genów

Genom człowieka pełen jest różnych dziwnych sekwencji. Około 10% jego długości to retrotranspozony. Są to „skaczące” po genomie elementy, które podczas wędrówki po chromosomach wykorzystują odwrotną transkrypcję, tj. przepisywanie informacji z RNA na DNA. Spora ich część wygląda podobnie do retrowirusów, które przechowują swoją informację genetyczną na RNA, a podczas replikacji przepisują ją na DNA, które może być wklejone do zaatakowanego genomu gospodarza. Powszechnie uważa się, że retrotranspozony rozpoczęły swoje wędrówki jako prawdziwe retrowirusy, ale w większości coś się popsuło i tak już zostały. Retrotranspozony występują nie tylko u ludzi, można je znaleźć właściwie u wszystkich eukariontów.