Το 98% του DNA μας είναι πραγματικά σκουπίδι;

Το Το "άχρηστο" DNA αναφέρεται σε μη κωδικοποιητικά τμήματα DNA. Στην πραγματικότητα είναι μια εσφαλμένη ονομασία, καθώς αυτό το «άχρηστο» DNA έχει βρεθεί ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) είναι το ελιξίριο της ζωής. Είναι σαν ένα εγχειρίδιο οδηγιών για την παραγωγή πρωτεΐνης. Η γλώσσα αυτού του εγχειριδίου αποτελείται από μόνο 4 γράμματα:A, G, T και C. Αυτές είναι οι 4 νουκλεοτιδικές βάσεις:αδενίνη (A), θυμίνη (T), γουανίνη (G) και κυτοσίνη (C). Συνδυασμοί αυτών των 4 γραμμάτων, ή ζευγών βάσεων, στον μακρύ κλώνο DNA, συνθέτουν γονίδια. Τα γονίδια είναι μικρά τμήματα DNA που κωδικοποιούν τις πληροφορίες που απαιτούνται για την παραγωγή πρωτεΐνης μέσω της διαδικασίας της μεταγραφής. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη και την επιβίωση ενός οργανισμού.

Ο κλώνος του DNA τυλίγεται για να σχηματίσει ένα χρωμόσωμα. (Φωτογραφία :Ody_Stocker/Shutterstock)

Πίσω στο 1990, πολλά εργαστήρια ένωσαν τις δυνάμεις τους για να αποκωδικοποιήσουν τις οδηγίες που συνέθεταν το ανθρώπινο DNA. Αυτή η συνεργασία έγινε γνωστή ως Human Genome Project (HGP). Με την ολοκλήρωσή του, τον Απρίλιο του 2003 ανακαλύψαμε επιτέλους το σχέδιο της φύσης για την κατασκευή ενός ανθρώπου!

Χρονοδιάγραμμα του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος (Φωτογραφία :Εθνικό Ινστιτούτο Ερευνών Ανθρώπινου Γονιδιώματος/Wikimedia Commons)

Ως αποτέλεσμα του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος, οι επιστήμονες μπόρεσαν τελικά να βάλουν το DNA μας σε αριθμούς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ανθρώπινα κύτταρα αποτελούνται από 3 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων γενετικού υλικού που συμπυκνώνονται σε 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων. Κάθε ένα από τα 20.000 έως 25.000 γονίδιά μας, που αντιπροσωπεύει περίπου 100 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων, είναι υπεύθυνο για την κωδικοποίηση μιας ποικιλίας πρωτεϊνών που η καθεμία εξυπηρετεί έναν μοναδικό σκοπό. Αυτό είναι ένα άθλιο 1-2% του όλου γονιδίωμα που κωδικοποιεί πρωτεΐνες.

Το υπόλοιπο 98-99% δεν κωδικοποιούσε καμία πρωτεΐνη και εύστοχα ονομάστηκε μη κωδικοποιητικό DNA. Δεδομένου ότι η παραγωγή πρωτεϊνών θεωρήθηκε ότι είναι ο πρωταρχικός ρόλος του DNA, αυτό το κύριο κομμάτι DNA αναφέρεται επίσης ως «άχρηστο» DNA. Ωστόσο, γιατί το DNA - το βιβλίο συνταγών της ζωής - να έχει τόσες πολλές σελίδες γεμάτες ασυναρτησίες;

Άχρηστα ή Undiscovered;

Το να φτιάξεις μια πρωτεΐνη δεν είναι τόσο απλό όσο να ακολουθήσεις μια συνταγή από ένα βιβλίο μαγειρικής. Οι πρωτεΐνες σχηματίζονται όταν το DNA υφίσταται μια διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή. Αυτό απαιτείται, καθώς τα ένζυμα που παράγουν πρωτεΐνες δεν μπορούν να διαβάσουν το DNA. Οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο DNA αντιγράφονται σε ένα νέο μόριο που ονομάζεται αγγελιοφόρο RNA (mRNA). Όπως το DNA, το mRNA έχει επίσης 4 νουκλεοτιδικές βάσεις, αλλά η θυμίνη (Τ) αντικαθίσταται από ουρακίλη (U). Μια άλλη διαφορά είναι ότι το mRNA είναι ένα μονόκλωνο μόριο.

DNA και RNA (Photo Credit :ShadeDesign/Shutterstock)

Κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, το mRNA τεμαχίζεται και επανενώνεται. Αυτό είναι γνωστό ως μάτισμα RNA. Αυτό γίνεται επειδή τμήματα του γονιδίου δεν έχουν «νόημα πρωτεΐνης». αυτά ονομάζονται εσώνια. Κατά το μάτισμα RNA, αυτά τα κομμάτια κόβονται και απορρίπτονται. Θα μπορούσατε να πείτε ότι αυτά τα κομμάτια χάνονται στη μεταγραφή!

Μηχανισμός ματίσματος mRNA (Φωτογραφία :Udayadaithya M V)/Shutterstock)

Αυτά τα απορριπτόμενα μη κωδικοποιητικά τμήματα μπέρδεψαν τους επιστήμονες για δεκαετίες. Τα ιντρόνια ήταν μπερδεμένες ανοησίες μεταξύ των γονιδίων. Χωρίς προφανή σκοπό, πολλοί επιστήμονες θεώρησαν ότι δεν είχε αξία. Το 1972, ο Susumu Ohno, ένας γενετιστής, επινόησε τον όρο «άχρηστο DNA» για να εξηγήσει συναρπαστικά αυτή τη σπατάλη DNA. Κατά καιρούς ονομαζόταν και «εγωιστικό DNA», καθώς φαινόταν να υπάρχει αποκλειστικά για τον εαυτό του, χωρίς να συνεισφέρει τίποτα στην επιβίωση του οργανισμού.

Το Κεντρικό Δόγμα της Γονιδιακής Έκφρασης (Photo Credit :udaix/Shutterstock)

Ωστόσο, αρκετοί επιστήμονες πίστευαν ότι αυτά τα μεγάλα κομμάτια DNA δεν πρέπει να χαρακτηρίζονται τόσο βιαστικά ως «άχρηστα». Εάν διαβάζετε αυτό το άρθρο και γνωρίζατε μόνο δέκα λέξεις της αγγλικής γλώσσας, θα νομίζατε ότι όλα σε αυτό το άρθρο εκτός από αυτές τις δέκα λέξεις ήταν ανοησίες; Με τον ίδιο τρόπο, οι επιστήμονες πίστευαν ότι η λειτουργία αυτού του λεγόμενου «άχρηστου» DNA δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμη.

Ποια είναι η λειτουργία του "άχρηστου" DNA;

Οι ερευνητές αποφάσισαν να συγκρίνουν το ανθρώπινο γονιδίωμα με την τεράστια βάση δεδομένων γονιδιωμάτων άλλων ζώων. Αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως συγκριτική γονιδιωματική. Σοκαρίστηκαν όταν διαπίστωσαν ότι ορισμένα από τα τμήματα του ανεπιθύμητου DNA παρέμειναν αμετάβλητα, ακόμη και για χιλιάδες χρόνια. Τα διατηρημένα τμήματα έδειξαν ότι το μη κωδικοποιητικό DNA ήταν ουσιαστικό κατά κάποιο τρόπο για την επιβίωση ενός οργανισμού. Ως εκ τούτου, «επιλέχθηκε θετικά» μέσω της εξέλιξης επειδή μια μετάλλαξη σε αυτό το τμήμα μπορεί να έχει αποδειχθεί επιζήμια.

Για παράδειγμα, περίπου 65 με 75 εκατομμύρια χρόνια πριν, τα ποντίκια και οι άνθρωποι αποκλίνονταν από έναν κοινό πρόγονο. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι από όλο το διατηρημένο DNA, μόνο το 20% του κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Η πλειοψηφία του διατηρημένου DNA βρέθηκε στην πραγματικότητα σε μη κωδικοποιητικά τμήματα του γονιδιώματος.

Ωστόσο, το τελευταίο καρφί στο φέρετρο της «αχρηστίας» του junk DNA ήρθε με την Encyclopedia Of DNA Elements ή ENCODE. Το ENCODE, το οποίο ξεκίνησε το 2003 μετά την ολοκλήρωση του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος, ήταν μια τεράστια προσπάθεια πολλαπλών εργαστηρίων που χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Έρευνας Ανθρώπινου Γονιδιώματος (NHGRI). Όπου το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος προσπάθησε να ερμηνεύσει το σχέδιο της ανθρώπινης ύπαρξης, το ENCODE προσπάθησε να καταλάβει ποια τμήματα αυτών των σχεδίων έκαναν πραγματικά κάτι χρήσιμο.

Ενώ το HGP χρησιμοποιούσε αλληλουχία DNA για να αποκρυπτογραφήσει το ανθρώπινο γονιδίωμα, το έργο ENCODE εξέτασε άλλα στοιχεία, όπως το RNA, μέσω της αλληλουχίας RNA και την αναγνώριση περιοχών DNA που μπορεί να μετασχηματιστούν επιφανειακά από χημικές ουσίες ή από πρωτεΐνες που συνδέονται με αυτό. Το έργο πρότεινε ότι η χημική δραστηριότητα ενός δεδομένου τμήματος DNA μπορεί να παρέχει υποδείξεις για την πιθανή λειτουργία του.

Θυμηθείτε ότι τα γονίδια φέρουν τις πληροφορίες που απαιτούνται για την παραγωγή πρωτεϊνών, οι οποίες τελικά εκτελούν κυτταρικές λειτουργίες. Η ποσότητα πρωτεΐνης που τελικά παράγει ένα συγκεκριμένο γονίδιο, αν υπάρχει, υπαγορεύεται από την γονιδιακή του έκφραση. Η γονιδιακή έκφραση είναι η ικανότητα χρήσης των κωδικοποιημένων πληροφοριών στο γονίδιο για να κατευθύνει τη συναρμολόγηση πρωτεΐνης.

Ορισμένες πρωτεΐνες, παράγοντες μεταγραφής ή χημικές ουσίες προσκολλώνται στο DNA και αλλάζουν πότε και πώς εκφράζονται τα γονίδια. Τα μέρη του «άχρηστου» DNA έχουν βρεθεί ότι περιέχουν μέρη του DNA που ρυθμίζουν γονίδια που αποφασίζουν πότε και πώς ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται τα γονίδια. Λειτουργούν επίσης ως θέσεις για την προσάρτηση παραγόντων μεταγραφής, οι οποίοι μπορούν να ρυθμίσουν τη μεταγραφή. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ρυθμιστικών στοιχείων που αποτελούν μέρος του μη κωδικοποιητικού DNA, όπως:

• Προαγωγοί:Εάν ένα γονίδιο είναι ένας λαμπτήρας, τότε η αλληλουχία προαγωγέα είναι ο διακόπτης του. Οι προαγωγείς παρέχουν μια θέση δέσμευσης για τις πρωτεΐνες που απαιτούνται για την έναρξη της διαδικασίας μεταγραφής. Μπορούν είτε να ενεργοποιήσουν είτε να απενεργοποιήσουν τον μηχανισμό μεταγραφής. Τα γονίδια δεν μπορούν να παράγουν πρωτεΐνες χωρίς προαγωγέα. Βρίσκονται ακριβώς πριν από την κωδικοποιητική αλληλουχία γονιδίου.

Ο Μηχανισμός Δράσης ενός Προωθητή

• Ενισχυτές:Πρωτεΐνες που βοηθούν στην ενεργοποίηση της μεταγραφής συνδέονται με αλληλουχίες ενισχυτών. Η λειτουργία των ενισχυτών είναι σαν αυτή του καταλύτη σε μια χημική αντίδραση. Η μεταγραφή μπορεί ακόμα να συμβεί απουσία μιας αλληλουχίας ενισχυτή, αλλά είναι πολύ πιο αποτελεσματική παρουσία της. Αυτοί οι ενισχυτές μπορούν να βρεθούν σε οποιοδήποτε άκρο της γενετικής αλληλουχίας ή επίσης μακριά.

Ο μηχανισμός δράσης ενός ενισχυτή

• Σιγαστήρες:Σε αντίθεση με τους ενισχυτές, οι σιγαστήρες επιτρέπουν στις πρωτεΐνες που καταστέλλουν τη μεταγραφή να συνδέονται με αυτές. Αποτρέπουν την υπερέκφραση ενός γονιδίου, η οποία θα είχε ως αποτέλεσμα την περίσσεια πρωτεϊνών. Μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικές αποστάσεις από γενετικές αλληλουχίες, παρόμοια με τους ενισχυτές.

Ο μηχανισμός δράσης ενός σιγαστήρα

Μαζί, οι ενισχυτές και οι σιγαστήρες λειτουργούν σαν ο ρυθμιστής ενός ανεμιστήρα. Αντί να ελέγχουν την ταχύτητα ενός ανεμιστήρα, ελέγχουν το επίπεδο γονιδιακής έκφρασης. Η σύνδεση των πρωτεϊνών με ενισχυτές είναι σαν να γυρνάς το κουμπί σε πλήρη ταχύτητα, ενώ η σύνδεση με σιγαστήρες σταματά τον «ανεμιστήρα».

Αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα των «λειτουργιών» του μη κωδικοποιητικού DNA. Λοιπόν, είναι ένα μη κωδικοποιητικό DNA μια λειτουργική ακολουθία DNA;

Μια «λειτουργική» αλληλουχία DNA είναι αυτή που μπορεί να ελέγξει την έκφραση γονιδίου, δηλαδή την ποσότητα πρωτεΐνης που παράγεται από μια συγκεκριμένη γονιδιακή αλληλουχία. Αυτή η διαφοροποίηση στη σύνθεση πρωτεΐνης είναι που κάνει κάθε τύπο κυττάρου μοναδικό. Επομένως, καθώς κάθε κύτταρο αποτελείται από το ίδιο γονιδίωμα και DNA, είναι τα επίπεδα γονιδιακής έκφρασης που αποφασίζουν εάν ένα κύτταρο είναι κύτταρο δέρματος, κύτταρο ανοσοποιητικού, νευρώνας κ.λπ.

Η κοινοπραξία ENCODE πραγματοποίησε αυτές τις τεχνικές σε μια ποικιλία τύπων κυττάρων για να ληφθεί υπόψη η εγγενής μεταβλητότητα. Έτσι, σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό του «λειτουργικού», το «άχρηστο» DNA παίζει σίγουρα ρόλο στον επηρεασμό της γονιδιακής έκφρασης. Τα αποτελέσματα του έργου ENCODE αποκάλυψαν πόσο λίγα γνωρίζαμε για το μυστηριώδες μη κωδικοποιητικό τμήμα του γονιδιώματος.

Το 2012, οι προσπάθειες της κοινοπραξίας ENCODE αποκάλυψαν ότι πάνω από το 80% των γονιδιωματικών βάσεων παρουσίαζαν βιοχημική δραστηριότητα. Ως εκ τούτου, υπήρχε σίγουρα μια βιολογική λειτουργία για πολύ περισσότερο από το 1% του DNA μας που αποτελεί τα γονίδια. Το έργο αποκάλυψε μια αξιοσημείωτη συλλογή από προηγουμένως άγνωστα σήματα και διακόπτες ενσωματωμένους σαν τατουάζ σε όλο το μήκος του ανθρώπινου DNA.

Συμπέρασμα

Δεδομένου ότι η κοινοπραξία ENCODE δημοσίευσε τα αποτελέσματά της, οι επιστήμονες έχουν συσχετίσει μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες DNA με διαφορετικές βιολογικές διεργασίες και ανθρώπινες ασθένειες. Οι ερευνητές υποθέτουν ότι αυτές οι αλληλουχίες αποτελούν τη βάση της ανάπτυξης των αντίθετων αντίχειρών μας, καθώς και της μήτρας! Μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Oncogene έδειξε επίσης ότι ένα μη κωδικοποιητικό τμήμα του DNA ρυθμίζει την έκφραση γονιδίων, επηρεάζοντας τελικά τον κίνδυνο καρκίνου του προστάτη και του μαστού. Ως εκ τούτου, η αποκάλυψη της πλήρους λειτουργίας του λεγόμενου junk DNA έχει γίνει ένα εντατικό πεδίο έρευνας.

Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η έννοια του «λειτουργικού» του ENCODE συζητείται έντονα. Πολλοί επιστήμονες λένε ότι τα αποτελέσματα του έργου ENCODE είναι παραπλανητικά και υπερεκτιμημένα. Δηλώνουν ότι μια πρωτεΐνη που απλώς δεσμεύεται στο DNA ή υφίσταται μια χημική αλλαγή δεν εγγυάται ότι η αλληλουχία έχει σημαντικό ρόλο. Στο σώμα, πολλά συμβάντα δέσμευσης DNA-πρωτεΐνης είναι συχνά τυχαία και ασήμαντα, δημιουργώντας μια σκιά αμφιβολίας για τα αποτελέσματα που δημοσιεύονται από την κοινοπραξία.

Έχοντας υπόψη αυτές τις δικαιολογημένες επικρίσεις, θα χρειαστούν πολλές περισσότερες ερευνητικές μελέτες για να ποσοτικοποιηθούν οι λειτουργικές δυνατότητες του μη κωδικοποιητικού DNA. Ωστόσο, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το «άχρηστο» DNA δεν είναι πραγματικά σκουπίδια!