Nekodirajuća DNK

Nekodirajuće DNK sekvence, u genomici i srodnim područjima genetike, komponente su DNK organizma koje ne kodiraju proteinske sekvence. Neke od njih se transkribiraju u funkcionalnu RNK molekulu (npr. transfer RNK, ribosomska RNK i regulatorne RNK), se dok druge ne transkribiraju ili kodiraju sekvence u vidu RNK nepoznate funkcije. Količina nekodirajuće DNK uveliko varira među vrstama. Na primjer, više od 98% od ljudskog genoma je nekodirajuća DNK, dok je u toj kategoriji samo oko 2% tipskog bakterijskog genoma.

Utricularia gibba ima 3% nekodirajuće DNK., što je malo za cvjetnice.

U početku, biološka funkcija velikog dijela nekodirajuće DNK je bila nepoznata, pa je ponekad nazivana junk DNK. Kao takva je poznata je već decenijama, sve dok naučnici nisu našli da su mnoge nekodirajuće sekvence funkcionalne, uključujući gene za funkcionalne RNK molekule (vidi gore), predačke sekvence i replikaciju, centromere i telomere.

Frakcija nekodirajuće genomske DNK

Ukupna veličina genoma i zastupljenost nekodirajuće DNK su uglavnom u korelaciji sa kompleksnošću organizma, iako postoje brojni izuzeci. Tako, npr., genom amebe Polychaos dubium (ranije poznate kao Amoeba dubia) sadrži više od 200 puta veću količinu DNK od čovjeka. Genom ribe Takifugu rubripes (koja se naduvava) ima samo jednu osminu ljudskog genoma, mada ima uporediv broj gena. Oko 90% njenog genoma je nekodirajuća DNK, a izgleda da najveći dio razlike u veličini čini nekodirajuća DNK. Velike varijacije u veličini genoma između eukariotskih vrsta su poznate kao enigma C-vrijednosti ili paradoks C-vrijednosti.

Oko 80% nukleotidnih baza u ljudskom genomu može se transkribirati, ali to prepisivanje ne podrazumeva i funkciju.

Funkcije nekodirajuće DNK

Mnoge noncodirajuće sekvence DNK imaju važne biološke funkcije kao što pokazuju istraživanja u oblasti komparativne genomike. Ona pokazuju da su one visoko konzervirane, ponekad u vremenskim skalama mjerenim stotinama miliona godina, što implicira da su ove regije pod jakim uticajem evolucijskih procesa i podložne selekcijskog pritiska pozitivne selekcije.

Na primjer, u genomu ljudske vrste i miševa, koji su se razišli od odstu zajedničkog pretka prije oko 65-75 miliona godina, protein-kodirajuće sekvence DNK čine samo oko 20% konzervirane DNK, a preostalih 80% konzervirane DNK je u nekodirajućim regijama. Mape povezanosti često identificiraju hromosomske regije koje su povezane s bolešću, bez dokaza o prisustvu funkcionalnih varijanti kodirajućih gena u regiji, što ukazuje da bolesti izazivaju genske varijante noncodirajuće DNK. Neke specifične sekvence noncodirauće DNK mogu biti bitne za strukturu hromosoma, funkciju centromera i međusobno prepoznavanje homologa u mejozi.

Prema komparativna studija od preko 300 prokariotskih i više od 30 eukariotskih genoma, izgleda da eukarioti ispoljavaju minimalnu količinu nekodirajuće DNK. Ovaj minimalni iznos se može predvidjeti pomoću modela rasta genetičke regulacijske mreže, što znači da je ustvari neophodan za regulciju nasljednih pojava i procesa. Procjenjuje se da kod ljudi taj minimum iznosi oko 5% ukupnog genoma.

Postoje dokazi da značajan dio (preko 10%) u 32 sisarska genoma može funkcionirati putem formiranja specifične sekundarne konstrukcije RNK. Komparativna proučavanja genoma mogu identificirati kompenzacijske DNK mutacije koje održavaju uparivanje RNK baza, što je posebnost RNK molekula. Više od 80% genomskih regija, koje predstavljaju dokaze evolucije RNK strukture, ne predstavljaju snažnu konzerviranost DNK sekvenci.

Tipovi nekodirajuće DNK

Nekodirajuća RNK

Nekodirajuće RNK molekule su one koje nisu prevedene u proteine. Primjeri takvih RNK uključuju ribosomske RNK, transfer RNK, Piwi-interaktivni RNK i mikroRNK. MikroRNK su odgovorne za kontrolu translacijskih aktivnosti od oko 30% svih gena koji kodiraju sintezu proteina u sisara, a može biti od vitalnog značajna komponenta u progresiji ili liječenju raznih bolesti, uključujući i rak, kardiovaskularne bolesti i imuni odgovor na infekcije.

Cis– i Trans–regulacijski elementi

Cis-regulatorni elementi su sekvence koje kontroliraju transkripciju obližnjeg gena. Mogu se nalaziti u u 5' ili 3' krajevima neprevedenih regija ili u intronima. Trans-regulatorni elementi kontroliraju transkripciju dalekog gena. Promotori olakšavaju transkripciju određenog gena i obično kodiranjem „ uzvodno i nizvodno kodirajuće regije. Ispravljačke sekvence mogu imatii vrlo udaljene efekte na nivou transkripcije gena.

Introni

Introni su nekodirajuće sekcije gena, transkribirane u sekvence prekursorske iRNK u sekvence, ali na kraju se uklanjaju u procrsu prerade RNK (splicing – splajsing) tokom sazrijevanja RNK. Mnogi introni su mobilni genetički elementi.

Studije grupe introna protozoa roda Tetrahymena ukazuju na to da introni mogu biti i „sebični“ genetički elementi, neutralni za domaćina, jer se i sami uklanjaju iz bočnih egzona tokom prerade (splajsinga) RNK i ne ispoljavaju razliku između alela sa i bez introna.

Izgleda da neki od introna imaju značajnu biološku funkciju, eventualno kroz ribozimske funkcije koje mogu regulirati tRNK i rRNK aktivnost, kao i ekspresije gena za kodiranje proteina, evidentirani u domaćinima koji su, u dužem periodu, postali ovisni o takvim intronima. Na primjer, trnL-intron se nalazi u svim zelenim biljkama i čini se da se generacijski nasljeđuju već nekoliko milijardi godina, uključujući i više od milijardu godina u okviru hloroplasta i dodatnih 2-3 milijarde godina prije, u cijanobakterijama – precima hloroplasta.

Pseudogeni

Pseudogeni su DNK sekvence, u vezi sa poznatim genima, koji su izgubili svoju sposobnost kodiranja proteina ili su na neki drugi način više ne ispoljavaju. Proizlaze iz retrotranspozicije ili genomskog dupliranja funkcionalnih gena postajući "genomsk fosili", koji su nefunkcionalni zbog mutacija koje sprečavaju transkripciju gena, kao što je to unutar regije gena promotora ili fatalno mijenjaju transkripciju gena, kao što su preuranjeni stop kodoni ili pomak okvira translacije.

Pseudogeni koje proizilaze iz genomskih ostataka, genomskg dupliranja ili ostataka inaktiviranih gena si beprocesuirani pseudogeni. Dok je Dollo zakon ukazuje na to da je gubitak funkcije pseudogena vjerojatno trajan, „zaleđeni“ geni zapravo mogu zadržati funkciju za nekoliko milijuna godina, a mogu se "reaktivirati" u protein-kodirajuće sekvence i znatan broj pseudogena aktivno se transkribira. Pretpostavlja se da se pseudogeni mogu promijeniti bez evolucijski ograničenje i da, određenoj vrsti, mogu poslužiti kao koristan model održavanja frekvencija različitih spontanih mutacija.

Ponavljajuće sekvence, transposoni i virusni elementi

Transpozoni i retrotranspozoni su mobilni genetički elementi. To su ponovljajuće sekvence, kojie uključuju retrotranspozonsku liniju SINES (kratkih nuklearnih elemenata), kao velikog dijela genomske sekvence u mnogim vrstama. Alu sekvence, klasificirane kao kratki unutrašnji nuklearni elementi, najzastupljeniji su mobilni elemenati u ljudskom genomu. Neki primjeri su pronađene kod SINES-a, gdje kontroliraju transkripciju nekih gena koji kodiraju proteine.

Sekvence endogenih retrovirusa su proizvod obrnute transkripcije retrovirusnog genoma u genomu klicnih ćelija. Mutacije unutar ovih retro-translacijskih sekvenci mogu inaktiviraju virusnni genom.

Preko 8% ljudskog genoma se sastoji od (uglavnom propalih) endogenih retrovirusnih sekvenci, kao dio od preko 42% frakcija koje su prepoznatljivo izvedene iz retrotransposona, a još 3% se mogu kao ostaci DNK transpozona. Za veći dio preostalih pola genoma, koji je još bez objašnjivog porijekla, očekuje se da vode porijeklo od mobilnih elemenata koji su bili aktivni toliko davno (> 200 miliona godina), a koje su slučajne mutacije učinile neprepoznatljivim.

Telomera

Telomere su ponavljajuće regije DNK na kraju hromosoma, koji pružaju zaštitu od hromosomskih poremećaja tokom replikacije DNK.

Također pogledajte

• Kodirajuća DNK
• Genetički kod
• Dokazi evolucije