Typy nekódujících sekvencí DNA

Od Dr. Liji Thomas, MDReviewed by Dr. Jennifer Logan, MD, MPH

Genetický plán všech forem života má podobu nukleové kyseliny, přičemž nejběžnější je kyselina deoxyribonukleová (DNA). Tato chemická látka nese ve své struktuře schopnost zakódovat všechny tisíce bílkovin a dalších strukturálních a funkčních prvků potřebných ke stavbě těla organismu i k fungování každého životního procesu.

Obrázek Credits: Jezper / .com

Tyto kódující oblasti neboli geny, které jsou zodpovědné za vlastní výrobu bílkovin, však tvoří jen asi 1,5 % DNA organismu. Zbytek tvoří nekódující DNA, někdy označovaná jako junk DNA.

V současné době je však známo, že junk DNA má mnoho dalších důležitých funkcí, jako je například regulace genové exprese zapínáním nebo vypínáním kódujících sekvencí. Jiné části kontrolují nebo modulují úroveň dekódovaných genů. Zdaleka se tedy nejedná o junk DNA, ale spíše o funkční DNA, ačkoli mnoho jejích funkcí se teprve objevuje.

Existuje několik typů nekódující neboli junk DNA. Některé z nich jsou popsány níže.

Nekódující geny RNA

Některé z nekódujících DNA se přepisují do chemicky příbuzného druhu zvaného RNA, který je skutečným poslem genetického plánu do buňky, nebo z něj vytváří RNA. Mezi tyto molekuly patří transferová RNA, ribozomální RNA a messengerová RNA a všechny se podílejí na tvorbě bílkovin neboli překladu DNA do konečného bílkovinného produktu v buňce. Samy o sobě nejsou bílkovinami a nedávají přímo vzniknout bílkovinám, na rozdíl od genových sekvencí kódujících bílkoviny v DNA. Sekvence DNA kódující tyto molekuly RNA však zjevně nejsou odpadem.

Dalšími příklady jsou RNA interagující s Piwi a mikroRNA. Předpokládá se, že mikroRNA jsou regulátory translační aktivity téměř třetiny všech protein kódujících genů u savců. Jsou zkoumány pro svou pravděpodobně klíčovou roli v progresi některých onemocnění, jako je rakovina a srdeční choroby, a také v imunitní reakci na infekční organismy pronikající do těla.

Další třídou specializovaných RNA jsou dlouhé nekódující RNA, které mají mnoho rolí v genové regulaci, mimo jiné při remodelaci chromatinu, transkripci, posttranskripční regulaci a jako zdroj siRNA.

Regulační elementy a introny

Nekódující DNA se vyskytuje také ve formě cis- a trans-regulačních elementů, které modulují transkripci genů. Nacházejí se buď v intronech, nebo v nepřekládaných oblastech na 5′ nebo 3′ konci genu. Cis a trans odkazují na jejich umístění uvnitř chromozomů, respektive mezi nimi.

Intron je úsek nekódující DNA začleněný do samotné sekvence genu. Introny jsou tedy z definice nekódující DNA a jsou přepisovány do předběžné molekuly messengerové RNA, ale poté jsou odstraněny, aby vznikla zralá forma. Mohou hrát regulační roli při řízení aktivity tRNA a rRNA i segmentů kódujících bílkoviny neboli kodonů. Většina intronů však není funkční.

Všechny geny mají regulační místo zvané promotorová sekvence, což je nekódující úsek DNA, na který se vážou proteiny zapojené do procesu transkripce. Takové promotorové sekvence nedávají vzniknout žádné části konečného proteinu, ale usnadňují transkripci určitého genu a obvykle se nacházejí před kódující oblastí.

Pravděpodobnost, že bude gen transkribován, ovlivňují také promotorové sekvence. Na tyto krátké sekvence se vážou proteiny, které aktivují transkripci. Na druhé straně mohou být přítomny také inhibiční sekvence (silencery), které jsou otevřené pro vazbu inhibičních proteinů, které potlačují nebo snižují pravděpodobnost transkripce. Sekvence silencerů se nacházejí v malé vzdálenosti od genu, který regulují, buď před ním, nebo za ním.

Superenhancery jsou shluky enhancerových sekvencí, které jsou spolu svázány fyzickou nebo funkční asociací a které jsou vázány na regulaci genů, které jsou životně důležité pro identitu buňky, jako jsou transkripční faktory, které určují typ a linii buňky.

Oba typy regulačních prvků mohou být přítomny u některých genů, které vyžadují vysoký stupeň regulace.

Insulátorové sekvence také vážou regulační proteiny, které působí několika způsoby, například tím, že zabraňují působení enhancerů, a tím omezují počet genů v dané sadě, nebo tím, že inhibují strukturální změny DNA, které by mohly potlačit aktivitu příslušného genu. Těmto genům se říká blokátory enhancerů, respektive bariérové izolátory.

Pseudogeny

Dalším typem nekódující DNA je pseudogen, což je sekvence DNA, která se podobá existujícímu genu, ale je nefunkční. Předpokládá se, že jsou výsledkem mutací ve funkčních genech, které brání tvorbě funkčních proteinů nebo inhibují jejich transkripci. Mohly by také vzniknout v důsledku retrotranspozice. Zdá se, že většina z nich je nefunkční.

Některé virové infekce mohou také vést ke vzniku nekódující DNA v důsledku reverzní transkripce. Tento proces popisuje, co se stane, když virus nesoucí RNA, jako je HIV, infikuje buňku. Zkopíruje svou RNA ve formě DNA na hostitelskou DNA, aby mohl přimět hostitelskou buňku provádět různé operace potřebné k replikaci a množení. Tyto virově odvozené sekvence DNA mohou později podléhat mutacím, které vedou k jejich inaktivaci a vytvářejí pseudogeny.

Transpozony

Dalším specializovaným typem nekódující DNA je transpozon, mobilní genetický element, který může měnit své umístění v genomu. Posunutím svého umístění může opravit mutaci nebo ji vyvolat. V obou případech mění velikost genomu buňky. Transponovatelné elementy tvoří hlavní část nekódující DNA. Patří mezi ně LINE, SINE, satelitní DNA a VNTR.

LINE neboli dlouhé interferující elementy jsou mírně repetitivní nekódující oblasti pravděpodobně pocházející z virů. SINE neboli Short INterspersed Elements jsou vysoce repetitivní, nefunkční oblasti, které mohou být výsledkem reverzní transkripce RNA.

Satelitní DNA a telomery

Telomery jsou úseky opakujících se nukleotidů tvořící specializované úseky DNA nacházející se na koncích všech chromozomů. Jsou důležité pro zachování strukturální integrity chromozomu během procesu replikace DNA tím, že zabraňují degradaci konců.

Satelitní DNA je termín používaný pro tandemově se opakující oblasti DNA seskupené v určité oblasti. Tento typ nekódující DNA se nachází v centromerách, životně důležitých strukturách, které spojují členy chromozomového páru během buněčného dělení. Vyskytuje se také ve formě heterochromatinu, hustě zabalené formy DNA, která reguluje aktivitu genů a zároveň zachovává strukturu chromozomů. VNTR neboli Variable Number of Tandem Repeats jsou repetitivní prvky, ale kratší, než jaké lze pozorovat u satelitní DNA.

Zkrátka, je třeba ještě hodně studovat, abychom zjistili, jak a co různé typy nekódující DNA dělají.

Další čtení

• Všechen obsah DNA
• Co je to DNA?
• Vlastnosti DNA
• Chemické modifikace DNA
• Biologické funkce DNA

Napsal

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas je gynekoložka, která v roce 2001 absolvovala studium na Government Medical College, University of Calicut, Kerala. Po ukončení studia vykonávala Liji několik let praxi na plný úvazek jako konzultantka v oboru porodnictví/gynekologie v soukromé nemocnici. Poradila stovkám pacientek, které se potýkaly s problémy souvisejícími s těhotenstvím a neplodností, a měla na starosti více než 2 000 porodů, přičemž se vždy snažila dosáhnout spíše normálního než operativního porodu.

Citace

.