Isekeskne DNA: definitsioon, tunnused ja mõju genoomile

Selfish DNA on termin DNA järjestuste kohta, millel on kaks erinevat omadust:

• DNA järjestus levib, moodustades genoomis täiendavaid koopiaid ja
• see ei aita konkreetselt kaasa oma peremeesorganismi paljunemisvõime saavutamisele. (Sellel võib olla märkimisväärne negatiivne mõju või mitte.)

Kontseptsiooni ajalooline taust on seotud Richard Dawkinsi 1976. aasta raamatuga "Isekas geen", kus esitati mõttekäik, et geenid võivad "ringi mängida" kui iseseisvad replikatsioonüksused. 1980. aastal laiendati ja arutati ideed artiklites ajakirjas Nature. Üks nendest artiklitest sõnastas mõtte nii:

Loodusliku valiku teooria üldisemas sõnastuses käsitleb konkurentsi paljunevate üksuste vahel. See näitab, et sellises konkurentsis suureneb efektiivsemate replikaatorite arv nende vähemtõhusate konkurentide arvelt. Piisava aja möödudes jäävad ellu ainult kõige tõhusamad replikaatorid.

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

Mida mõeldakse "isekesksuse" all?

Isekeskne DNA toimib nagu replikatsioonüksus: ta suudab end kopeerida ja levitada organismi genoomis, kasutades sageli peremeesraku replikatsiooni‑ või transpositsioonimehhanisme. Samal ajal ei pruugi see element anda selget kasu peremehe paljunemisvõimele või muule sobivusele — mõnikord on mõju kahjulik, mõnikord neutraalne ja harva kasulik. Piir geneetiliselt funktsionaalse ja isekas DNA vahel ei ole jäik: osa elementidest võib ühel ajal olla peamiselt iseenda levitamise vahend, kuid järgnevas evolutsioonis muutuda kasulikuks või omandada regulatoorseid rolle.

Tüüpilised näited ja mehhanismid

• Transposons ja retrotransposons — DNA-sektsioonid, mis liiguvad ühest genoomi kohast teise (nt "hüppavad geenid"). Retrotransposonid kopeeritakse RNA vahendusel tagasi DNAks, transposonid võivad liikuda otseselt DNA kujul. Inimestel tuntud näited on LINE-1 ja Alu elemendid.
• Satelliidid ja tandem‑kordused — lühikeste järjestuste kordused, mis võivad genoomi pinseldada ja laieneda määramatute koopiate kaudu.
• B‑kromosoomid — lisakromosoomid, mis esinevad mõnel liigil ja võivad paljuneda sõltumatult põhikromosoomidest.
• Meiootilised ajamid (meiotic drive) — alleelid või kromosoomid, mis moonutavad gametogeneesi nii, et ise kanduvad järglasse sagedamini kui seaduspärane 50%.
• Vertikaalne ja horisontaalne ülekandmine — mõned elementid levivad liigi sees ja vahel ka liigiüleselt (nt teatud transposoonid ja viiruse‑laadsed elemendid).

Mõjud genoomile ja organismile

Isekeskne DNA mõjutab genoomi mitmel viisil:

• Genoomi suuruse suurenemine (osaliselt selgitab see C‑value paradoksi, kus genoomisuurus ei korreleeru rangelt organismi keerukusega).
• Mutatsioonide ja kromosomaalsete rearrangeeringute sageduse tõus — elementide sissetungid või liikumised võivad disruptiivselt lõigata geene või põhjustada duplikatsioone ja deletsioonid.
• Regulatoorsete võrgustike ümberkujundamine — paljud geenide regulatoorsed elemendid (enhancerid, promootoriosad) on evolutsiooni käigus saadud transposoonidest; elementide koondumine võib anda uusi geeniekspressiooni mustreid.
• Allikana uutele geenidele — mõnikord ümberehitatakse isekas element hosti funktsiooniks (domestikatsioon), näiteks immuunsüsteemi ja geneetikarekombinatsiooni molekulaarsete komponentide osas on kirjeldatud transposoonijärelkajasid.
• Populatsioonigenetilised efektid — isekate elementide levik ja säilimine sõltub tasakaalust nende replikatsiooni efektiivsuse ja peremehe organismi selektiivse survetega.

Kuidas eristada isekat DNA‑d funktsioonilisest DNA‑st?

Piir pole alati selge, kuid mõningad lähenemised on:

• Võrdlev genoomika: säilimine paljude liikide vahel viitab funktsionaalsusele; kiirelt muutuvad ja hoopis korduvad elemendid on sagedamini isekad.
• Populatsioonianalüüs: levimismustrid ja selektsiooni signaalid (negatiivne või positiivne selektsioon) annavad vihjeid.
• Funktsionaalsed eksperimendid: elementide eemaldamine või muteerimine ja peremehe fenotüübi jälgimine.
• Transkriptsiooni ja epigeneetika andmed: mõned elementid on tugevalt ekspresseeritud või on tähistatud epigeneetiliste märgistega, mis viitab võimalikule rollile.

Seos viiruste ja teiste mobiilsete elementidega

Mõned viirused ja viirusetaolised elemendid jagavad omadusi isekas DNA‑ga — näiteks retroviirused ja LTR‑retrotransposonid kasutavad sarnaseid replikatsioonimehhanisme. Sellest tulenevalt on mõnikord raske selgelt eristada, kas tegu on viiruse infektsiooniga või genoomisisese mobiilse elemendiga.

Praktiline tähtsus ja lõpumõtted

Isekeskne DNA ei ole pelgalt "prügi": kuigi paljud elemendid võivad olla neutraalsed või kahjulikud, on need samal ajal oluline jõud genoomi uuenemises ja evolutsioonis. Transposoonide ja muude korduste uurimine aitab mõista genoomi struktuuri, haigusi (nt mõnede pärilike haiguste tekkes rolli mängivad uued elementide insertioonid) ning evolutsioonilisi protsesse, mis on loonud tänapäevased geenide regulatsioonivõrgud.

Kokkuvõttes: isekeskne DNA on genoomi osa, mis levib ja paljuneb oma huvides — tihti neutraalselt või kahjulikult peremeesorganismile — ja selle uurimine valgustab nii mutatsiooni-, selektsiooni‑ kui ka genoomiorganisatsiooni protsesse.

Küsimused ja vastused

K: Mis on "Selfish DNA"?

K: Kes pakkus esimesena välja idee isekas DNA kohta?

K: Kuidas Orgel ja Crick seda kontseptsiooni laiendasid?

K: Kuidas replitseerub normaalne geneetiliselt funktsionaalne DNA?

K: Millised on mõned sarnasused isepäise DNA ja viiruste vahel?

K: Kas on selge piir isekas DNA ja geneetiliselt funktsionaalse DNA vahel?

K: Mida avastati mittekodeeriva DNA uurimisel?

Otsing