Mittekodeeriv DNA: määratlus, funktsioonid ja roll genoomis

Mittekodeeriv DNA: selgitus, funktsioonid ja genoomis roll — regulatiivsed RNA-d, tsentromeerid, telomeerid ning miks "rämps" võib olla funktsionaalne ja oluline.

Mittekodeerivad DNA järjestused on organismi DNA osad, mis ei kodeeri valkude aminohapete järjekorda ehk proteiine. See ei tähenda aga, et nende roll genoomis oleks tühine: mittekodeeriv DNA võib osaleda geeni regulatsioonis, kromosoomi struktuuri hoidmisel, rekombinatsioonis ja paljudes muudes bioloogilistes protsessides.

Paljud mittekodeerivad järjestused transkribeeritakse RNA-ks ja toimivad otse RNA-molekulidena. Näited hõlmavad transfeer-RNA (tRNA) ja ribosomaalset RNA-d (rRNA), mis on hädavajalikud valkude sünteesiks, aga ka erinevaid regulatiivseid RNA-sid nagu mikro-RNA-d (miRNA), siRNA-d, snoRNA-d, snRNA-d ja pikad mittetõlkuvad RNA-d (lncRNA), mis mõjutavad geenide väljendumist ja RNA töötlemist. Teatud mittekodeerivad alad ei pruugi transkribeeruda või annavad transkripte, mille funktsioon pole veel teada.

Mittekodeeriva DNA osakaal varieerub liigi järgi väga palju. Näiteks üle 98% inimese genoomist pole proteiine kodeeriv, samas kui tüüpilise bakteri genoomi puhul on mittekodeerivast DNA-st vaid umbes 2%. Eukarüootide genoomid sisaldavad tihti suuri hulki korduvaid elemente, introne ja pikki intergeenilisi alasid, mis laiendavad mittekodeeriva DNA mahu.

Ajalooliselt kutsuti palju neist piirkondadest populaarmeedias "rämps-DNA", sest nende funktsioon tundus puuduvat. Uurimistöö aastakümnete jooksul on aga näidanud, et suur osa neist järjestustest on kas otseselt funktsionaalsed või mõjutavad genoomi käitumist viisil, mis on organismile oluline. Näiteks on funktsionaalsete RNA-molekulide geenid ja DNA struktuurse tähtsusega piirkonnad nagu replikatsiooni algus, tsentromeerid ja telomeerid selgelt funktsionaalsed.

Mittekodeerivate järjestuste hulka kuuluvad peamiselt:

• Struktuurse tähtsusega elemendid: tsentromeerid, telomeerid ja replikatsiooni alguspunktid.
• Regulatoorsed elemendid: promoterid, enhancerid (tugevdajad), silencers (vaigistajad) ja insulaatorid, mis määravad, millal ja kui palju geene ekspresseeritakse.
• Mittekodeerivad RNA-d: nt tRNA, rRNA, regulatiivsed RNA-d (miRNA, siRNA, lncRNA jne), mis juhivad translatsiooni, RNA töötlemist ja geenide regulatsiooni.
• Korduvad ja mobiilsed elemendid: transposoonid, retrotransposoonid (nt LINE-1, SINE, Alu-elemente inimgenoomis), satelliit-DNA, mis mõjutavad genoomi suurust ja evolutsiooni.
• Pseudogeenid: geenijupid, mis on muteerumise tõttu kaotanud võime redigeerida funktsionaalset valku, kuid võivad vahel omada regulatoorset rolli.
• Intronid ja UTR-id: geenisisestes intronites ja 5' või 3' UTR-ides paiknevad järjestused mõjutavad mRNA töötlemist, stabiliseerumist ja translatsiooni efektiivsust.

Mõned mittekodeerivad järjestused on tugevalt evolutsiooniliselt konserveerunud — ehk nende järjestused on eri liikide vahel sarnased — mis viitab funktsionaalsusele. Teiste puhul viitavad funktsionaalsusele biokeemilised kontrollid (nt DNA-lähedane histoonide modifikatsioon, avatud kromatiin, transkriptsiooni faktori sidumiskohad). Funktsiooni kinnitamiseks kasutatakse ka geneetilisi katseid nagu mutatsioonide uurimine, reporter-assay'd ja kaasaegseid CRISPR-põhiseid ekraanimeetodeid.

ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) projekt teatas 2012. aastal, et üle 80% inimgenoomi näitab mingisugust biokeemilist aktiivsust (nt transkriptsioon, kromatiini märgistus, transkriptsioonifaktorite sidumine) ja oletati, et need alad "täidavad biokeemiliselt mõnd eesmärki". See tulemus tekitas palju tähelepanu, aga ka teravat kriitikat: teadlased rõhutasid, et biokeemiline aktiivsus ei pruugi tähendada organismile olulist või evolutsiooniliselt säilinud funktsiooni — funktsiooni tõendamiseks on tihti vaja ka fenotüübilisi ja evolutsioonilisi andmeid.

Uurimismeetodid mittekodeeriva DNA funktsiooni hindamiseks:

• Võrdlev genoomika: järjestuste konserveerumine eri liikide vahel.
• Transkriptsiooni ja kromatiini kaardistamine: RNA-seq, ChIP-seq, ATAC-seq jt.
• Geneetilised perturbatsioonid: siirded, knock‑out/knock‑down eksperimendid ja CRISPR‑põhised ekraanid.
• Biokeemilised katsed: reporterid, valk-RNA/DNA sidumise analüüsid, funktsionaalsed rakukultuuri katsed.

Mittekodeeriv DNA on ka kliiniliselt oluline. Paljud haigustega seotud variandid asuvad mittevalgulistel piirkondadel — näiteks regulatoorsetes elementides või intronides — ning võivad mõjutada geenide ekspressiooni viisil, mis põhjustab haigust. Lisaks võivad mobiilsed transposoonid genoomis aktiveerudes tekitada mutatsioone ja geneetilist ebastabiilsust, mis on seotud teatud vähivormidega.

Kokkuvõttes on mittekodeeriv DNA mitmekesine kogum järjestusi, mille rollid ulatuvad struktuursetest ülesannetest kuni keeruka geeniregulatsioonini. Kuigi osa sellest algselt näis olevat "rämps", on järjestikuline uurimine näidanud, et palju mittekodeerivaid alasid on kas otseselt funktsionaalsed või mõjutavad organismi bioloogilist käitumist. Aga arusaam sellest, mis on tõeliselt funktsionaalne ja mis on biokeemiliselt aktiivne, on endiselt teaduse keskne küsimus ning nõuab kombineeritud lähenemist biokeemiast, genoomikast ja evolutsioonibioloogiast.

Küsimused ja vastused

K: Mis on mittekodeeriv DNA?

K: Kui suur on mittekodeeriva DNA hulk eri liikides?

K: Mis oli algselt mittekodeeriva DNA eesmärk?

K: Kas mõne mittekodeerivaDNA tüübiga on seotud mingi funktsioon?

K: Kas on võimalik, et mõnel mitte-kodeerivaDNA tüübil on veel avastamata funktsioone?

K: Mida näitas ENCODE-projekt kasulikku/funktsionaalset mittekodeerivatDNA protsentuaalselt inimestes?

K: Kas kõik teadlased nõustusid selle järeldusega või oli selle ettepaneku vastu kriitikat?

Otsing