Егоистична ДНК: определение, механизъм и роля на некодиращата ДНК

"Егоистична ДНК" е термин за последователности от ДНК, които имат две различни свойства:

ДНК последователността се разпространява, като образува допълнителни копия на себе си в рамките на генома; и
не допринася по специфичен начин за репродуктивния успех на своя организъм-гостоприемник. (Може да има или да няма значителни отрицателни ефекти.)

В книгата си "Егоистичният ген" от 1976 г. Ричард Докинс изказва идеята за егоистична ДНК, когато е открита некодиращата ДНК в еукариотните геноми. През 1980 г. две статии в списание Nature разширяват и обсъждат тази концепция. Според една от тези статии:

Теорията за естествения подбор, в по-общата си формулировка, се занимава със съревнованието между репликиращи се единици. Тя показва, че в такава конкуренция по-ефективните репликатори увеличават броя си за сметка на по-малко ефективните си конкуренти. След достатъчно време оцеляват само най-ефективните репликатори.

- L.E. Orgel & F.H.C. Crick, Selfish DNA: the ultimate parasite.

Нормалните генетично функционални ДНК могат да се разглеждат като "репликиращи се същности", които осъществяват своята репликация чрез манипулиране на контролираната от тях клетка. За разлика от тях единиците на егоистичната ДНК могат да използват съществуващите механизми в клетката и да се размножават, без да влияят на физическата годност на организма в други отношения.

Между понятията "егоистична ДНК" и "генетично функционална ДНК" няма рязка граница. Често също така е трудно да се разбере дали дадена единица некодираща ДНК е функционално важна или не; или ако е важна, по какъв начин. Нещо повече, невинаги е лесно да се направи разлика между някои случаи на егоистична ДНК и някои видове вируси.

Какви видове последователности могат да бъдат егоистична ДНК?

Транспозони (подвижни генетични елементи) — включително ретротранспозони и ДНК-транспозони, които се копират или преместват в генома и често образуват множество копия.
Сателитни и повторящи се последователности — големи масиви от кратки повторения, често разположени в теломери, центромери или междугенични области.
Псевдогени — дефункционализирани копия на гени, които вече не кодират функционален протеин, но могат да се размножават чрез ретро-походни механизми или дупликации.
Интронни и променливи междуредови секции, които може да нямат очевидна регулаторна или кодираща функция.

Механизъм на разпространение

Егоистичните последователности се запазват и разпространяват чрез различни механизми:

Копиране чрез ретротранскрипция — някои елементи използват обратна транскриптаза, за да превърнат РНК обратно в ДНК и да вградят копие в ново място.
Преместване чрез "рязане и лепене" — ДНК-транспозони се изрязват и интегрират другаде в генома.
Дупликации на гени и сегменти — големи участъци от хромозоми могат да се дублират по време на репликация или вследствие на рекомбинация.
Репликационни привилегии — някои последователности имат повишена вероятност да бъдат копирани (например чрез формиране на структури, които привличат репликативни ензими).

Еволюционна роля и последици

Егоистичната ДНК може да има различни ефекти върху еволюцията и структурата на геномите:

Увеличава общия обем на генома — наличието на много копия от егоистична ДНК обяснява защо някои организми имат огромни геноми, без това да се дължи на повече кодиращи гени.
Създава генетична вариабилност — чрез дупликации и реаранжирания тези елементи дават материал, от който могат да възникнат нови функции (напр. нови гени или регулаторни елементи).
Може да намалява приспособимостта — при натрупване на вредни вмъквания или стабилни реаранжирания, егоистичните елементи могат да причинят генетични заболявания или да намалят фитнеса.
Участие в структурни функции — някои повторения са важни за образуването на хетерохроматин, стабилността на центромерите и теломерите, дори когато са производни на егоистични елементи.

Функционалност срещу "егоистичност" — съвременен поглед

Дълго време много некодиращи региони бяха наричани "джънк" ДНК. С нарастването на данни от компаративна геномика, епигенетика и функционални експерименти се разбра, че част от некодиращите последователности имат регулаторни, структурни или други важни роли. В същото време ясно са документирани и класове елементи, чиято основна "цел" е собственото им разпространение.

Ключови критерии за разграничение включват:

Еволюционна консервация — запазване на последователността между видовете предполага функционално значение.
Експериментални доказателства — генетични мутации, деактивации или изтривания, които водят до фенотипни ефекти, показват функционалност.
Молекулярни признаци — присъствие на регулаторни мотиви, марки на хроматина или транскрипционна активност може да индикира роля, различна от чисто "егоистична".

Как се открива и изучава егоистичната ДНК?

Модерните методи включват:

Сравнителна геномика — търсене на консервация или бързи промени между видове.
Трансгенни и нокаут експерименти — премахване или промяна на елементи и наблюдение на последиците.
Анализи на транскриптома и епигенома — дали участъкът се транскрибира, има ли модификации на хроматина и т.н.
Биоинформатични подходи — идентифициране на повторения, структурни варианти и мобилни елементи в секвенционни данни.

Медицинско и биотехнологично значение

Някои егоистични елементи са свързани със заболявания — например чрез вмъкване в кодиращи региони или регулатори, което може да доведе до генетични заболявания или до рак. От друга страна, транспозоните и ретроелементите се използват като инструменти в молекулярната биология (напр. за генетична модификация и проследяване на клетки).

Контроверзии и философски аспекти

Дискусиите около термина "егоистична ДНК" отразяват по-широкия дебат за нивата на селекция (ген срещу организъм) и за това как да се дефинира "функция" в геномиката. Някои учени предпочитат строг, еволюционно базиран критерий за функция (консервация и селекция), докато други приемат по-широки дефиниции, включващи регулаторни и структурни роли, открити експериментално.

Кратко обобщение

Егоистичната ДНК обхваща различни видове некодиращи последователности, които се разпространяват в генома предимно в интерес на собственото си възпроизводство. Те могат да имат вредни, неутрални или дори полезни ефекти за организма. Разликата между "егоистична" и "функционална" не винаги е ясна и се уточнява с напредъка в методите за изследване и разбирането на геномната биология.

История на идеята

Идеята, че някои генетични елементи може да не са полезни за организма, не е нова. През 1928 г. руски генетик съобщава за Х хромозома при Drosophila obscura. Той твърди, че полученото в резултат на това съотношение на половете между женските индивиди може да доведе до изчезване на популацията.

През 1941 г. за пръв път е изказано предположението, че може да има конфликт между нормално унаследените ядрени гени от двамата родители и митохондриалните гени от единия родител (жената). Това може да доведе до цитоплазмен мъжки стерилитет при растенията.

По същото време са докладвани и няколко други примера за егоистични генетични елементи. Например един генетик, занимаващ се с царевицата, описва как хромозомни копчета водят до женски мейотичен двигател при царевицата. Мейотичният драйв се проявява, когато едно копие на даден ген се предава на потомството в повече от очакваните 50 % от случаите.

През 1945 г. шведският ботаник и цитогенетик Гунар Остергрен отбелязва как хромозомите могат да се разпространяват в популацията поради собствената си "паразитна" природа. Обсъждайки В-хромозомите при растенията, той пише: "В много случаи тези хромозоми нямат никаква полезна функция за вида, който ги носи, а често водят изключително паразитно съществуване ... Не е задължително [В-хромозомите] да са полезни за растенията. Те трябва да са полезни само за тях самите." - Gunnar Östergren.

След това, в началото на 50-те години на миналия век, Барбара МакКлинток публикува поредица от статии, в които описва съществуването на "транспозибилни елементи". Това са едни от най-успешните егоистични генетични елементи. Откриването на транспозибилните елементи води до присъждането ѝ на Нобелова награда за медицина или физиология през 1983 г.

Въпроси и отговори

В: Какво е "егоистична ДНК"?

О: "Егоистична ДНК" е термин за последователности от ДНК, които имат две свойства: способност да се разпространяват, като образуват повече свои копия в генома, и да не спомагат за репродуктивния успех на своя организъм-гостоприемник.

В: Кой пръв предложи идеята за егоистична ДНК?

О: Ричард Докинс за първи път предлага идеята за егоистична ДНК в книгата си от 1976 г. "Егоистичният ген".

В: Как Оргел и Крик доразвиват тази концепция?

О: Оргел и Крик доразвиват тази концепция в статия, публикувана в Nature през 1980 г., в която обсъждат как работи естественият подбор при репликиращи се единици, които се конкурират помежду си. Те твърдят, че по-ефективните репликатори ще се увеличават за сметка на по-малко ефективните конкуренти с течение на времето.

Въпрос: Как се репликира нормалната генетично функционална ДНК?

О: Нормалната генетично функционална ДНК се репликира, като манипулира клетката, която контролира.

В: Какви са някои прилики между егоистичната ДНК и вирусите?

О: Трудно може да се направи разлика между някои случаи на егоистична ДНК и някои видове вируси поради общите им характеристики, като например способността им да използват съществуващите механизми в клетката, за да се размножават, без да засягат нейната физическа годност.

Въпрос: Има ли ясна граница между егоистичната ДНК и генетично функционалната ДНК?

О: Не, не съществува рязка граница между тези две понятия, тъй като може да е трудно да се определи дали дадена единица некодираща ДНК е функционално важна или не, или ако е важна, по какъв начин влияе върху физическата годност на организма.

Въпрос: Какво беше открито при изследването на некодиращите ДНК?

О: Когато некодиращите ДНК са били изследвани, е установено, че те имат две свойства - могат да се разпространяват, като образуват повече свои копия в генома, но не помагат за репродуктивния успех на организма.