Некодираща ДНК: дефиниция, функции и значение в човешкия геном

Некодиращите ДНК последователности са тези части от ДНК на организма, които не кодират протеинови последователности.

Някои от некодиращите ДНК се транскрибират във функционални некодиращи РНК молекули (напр. трансферна РНК, рибозомна РНК и регулаторни РНК), докато други не се транскрибират или водят до РНК транскрипти с неизвестна функция. Количеството на некодиращата ДНК варира значително при различните видове. Например над 98 % от човешкия геном е некодираща ДНК, докато само около 2 % от типичния бактериален геном е некодираща ДНК.

Първоначално голяма част от некодиращата ДНК не е имала известна биологична функция. Тя беше известна като "junk DNA", особено в пресата. От години обаче е известно, че много некодиращи последователности са функционални. Те включват гени за функционални РНК молекули и ДНК последователности, като например сигнали за "начало на репликацията", центромери и теломери.

Други некодиращи последователности имат вероятни, но все още неоткрити функции. За това се съди по високите нива на сходство на последователностите, наблюдавани при различните видове ДНК.

През септември 2012 г. проектът "Енциклопедия на ДНК елементите" (Encyclopedia of DNA Elements - ENCODE) изказа предположение, че над 80% от ДНК в човешкия геном "изпълнява някаква цел от биохимична гледна точка". Това заключение беше силно критикувано от някои други учени.

Какви видове некодираща ДНК има?

• Интрони и интергенни региони — участъци между и вътре в гени, които не кодират аминокиселинни последователности, но могат да регулират експресията и сплайсинга.
• Регулаторни елементи — промотори, енхансери, сайленсери и буфери, които управляват кога и къде даден ген да се активира.
• Репетитивни елементи — транспозони, LINE и SINE елементи (напр. Alu при човека), сателитна ДНК — често съставляват голяма част от генома и влияят на структурата и еволюцията му.
• Нoncoding RNA гени — гени за tRNA, rRNA, microRNA, siRNA, piRNA, snoRNA и дълги некодиращи РНК (lncRNA), които имат различни регулаторни и структурни роли.
• Структурни елементи — като центромери и теломери, важни за делене на клетките и стабилността на хромозомите.

Функции и биологично значение

Некодиращата ДНК изпълнява много важни функции, включително:

• Регулация на генната експресия — енхансери и промотори управляват нивата, времето и мястото на транскрипция.
• Производство на функционални РНК — некодиращите РНК участват в превода, модификация на РНК, регулиране на транскрипцията и стабилността на молекулите.
• Поддържане на хроматиновата структура — някои последователности определят как хроматинът се опакова, което влияе върху достъпността на гените.
• Репликация и деление на клетките — последователности, необходими за иницииране на репликацията и правилното разпределение на хромозомите.
• Еволюционен ресурс — неутралните или слабо селектирани региони могат да служат като място за възникване на нови функции чрез мутации и реорганизации.

Научни методи за изследване

За да се определи кои некодиращи участъци са функционални, учените използват различни техники:

• Компаративна геномика — търсене на консервирани региони между видове като индикатор за важна функция.
• RNA-seq — открива транскрибирани некодиращи РНК.
• ChIP-seq, DNase-seq, ATAC-seq — картографират белези на регулаторни елементи и достъпността на хроматина.
• Функционални екрани с CRISPR/Cas — деактивиране или модифициране на некодиращи региони за проверка на ефекта върху клетъчната физиология.
• Проекти като ENCODE, които комбинират множество данни за биохимичните активности в генома.

Контроверсии: "junk DNA" и ENCODE

Терминът "junk DNA" беше популярен в миналото и внушаваше, че големи части от генома са безполезни. Резултатите от проекта ENCODE показаха, че много участъци имат биохимична активност, като се стигна до оценка, че над 80% от човешката ДНК изпълнява "някаква" биохимична роля. Критиците обаче подчертават, че биохимичната активност не означава непременно еволюционно значима или физиологично важна функция. В оценката на функционалността често се прави разлика между:

• Биохимична активност — експериментално наблюдаема транскрипция или белег на свързване на протеин.
• Еволюционна/физиологична функция — доказателство, че даден участък е поддържан от естествен подбор и има въздействие върху организма.

Медицинско значение

Много генетични варианти, свързани с болести (например открити чрез GWAS), попадат в некодиращи региони. Промени в енхансери, промотори, сплайс сайтове или в дълги некодиращи РНК могат да нарушат регулацията на гени и да предизвикат заболявания. Поради това разбирането на некодиращата ДНК е важно за диагностика, прогноза и развитие на терапевтични подходи.

Геномен размер и еволюция

Количеството некодираща ДНК варира широко между организмите — това е част от т.нар. C-стойностна парадокс (C-value paradox). Някои организми имат огромни геноми, богати на повтори и некодиращи последователности, без това да корелира пряко с усложнеността на организма. Тази вариабилност се дължи на баланс между тяхното навлизане (напр. чрез транспозони) и механизми за премахване или компресиране на излишна ДНК.

Заключение

Некодиращата ДНК не е просто "боклук" — тя съдържа разнообразни елементи с ключови регулаторни и структурни роли. Въпреки това, не всички наблюдавани биохимични сигнали по подразбиране означават биологична функция на ниво организъм. Комбинацията от компаративни, функционални и биохимични изследвания продължава да разкрива кои некодиращи региони са жизненоважни и как влияят върху здравето, болестите и еволюцията.

Въпроси и отговори

В: Какво е некодираща ДНК?

В: Какво е количеството на некодиращата ДНК при различните видове?

В: Какво е било първоначалното мнение за предназначението на некодиращата ДНК?

В: Има ли някакви функции, свързани с някои видове некодираща ДНК?

В: Възможно ли е някои видове некодиращаДНК да имат все още неоткрити функции?

В: Какво показва проектът ENCODE за процента на полезната/функционалната некодираща ДНК при хората?

Въпрос: Прието ли е това заключение от всички учени или е имало критики срещу това предложение?

Търсене по буква