Arten von nichtcodierenden DNA-Sequenzen

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

Der genetische Bauplan für alle Lebensformen liegt in Form von Nukleinsäure vor, wobei die häufigste die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist. Diese Chemikalie trägt in ihrer Struktur die Fähigkeit, alle Tausende von Proteinen und andere strukturelle und funktionelle Elemente zu kodieren, die für den Aufbau des Körpers eines Organismus sowie für alle Lebensprozesse erforderlich sind.

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Diese kodierenden Regionen oder Gene, die für die eigentliche Produktion von Proteinen verantwortlich sind, machen jedoch nur etwa 1,5 % der DNA eines Organismus aus. Der Rest besteht aus nicht codierender DNA, die manchmal auch als Junk-DNA bezeichnet wird.

Es ist jedoch bekannt, dass Junk-DNA viele andere wichtige Funktionen hat, wie z. B. die Regulierung der Genexpression durch das Ein- oder Ausschalten der codierenden Sequenzen. Andere Teile kontrollieren oder modulieren die Menge der Gene, die entschlüsselt werden. Es handelt sich also keineswegs um Junk-DNA, sondern um funktionierende DNA, obwohl viele ihrer Funktionen noch entdeckt werden.

Es gibt verschiedene Arten von nicht codierender oder Junk-DNA. Einige davon werden im Folgenden beschrieben.

Nicht-kodierende RNA-Gene

Ein Teil der nicht-kodierenden DNA wird in eine chemisch verwandte Spezies namens RNA umgeschrieben oder bildet diese, die der eigentliche Bote des genetischen Bauplans für die Zelle ist. Zu diesen Molekülen gehören die Transfer-RNA, die ribosomale RNA und die Boten-RNA, die alle an der Produktion von Proteinen oder der Übersetzung der DNA in das Protein-Endprodukt innerhalb der Zelle beteiligt sind. Sie sind selbst keine Proteine und lassen keine Proteine entstehen, im Gegensatz zu den proteinkodierenden Gensequenzen in der DNA. Die DNA-Sequenzen, die für diese RNA-Moleküle kodieren, sind jedoch offensichtlich kein Müll.

Weitere Beispiele sind die Piwi-interagierende RNA und microRNA. Man nimmt an, dass microRNAs die Translationsaktivität von fast einem Drittel aller proteinkodierenden Gene bei Säugetieren regulieren. Sie werden auf ihre möglicherweise entscheidende Rolle beim Fortschreiten bestimmter Krankheiten wie Krebs und Herzerkrankungen sowie bei der Immunantwort auf infektiöse Organismen, die in den Körper eindringen, untersucht.

Eine weitere Klasse spezialisierter RNA ist die lange nicht-kodierende RNA, die bei der Genregulierung eine Vielzahl von Funktionen hat, u. a. beim Chromatinumbau, bei der Transkription, bei der posttranskriptionalen Regulierung und als Quelle von siRNAs.

Regulatorische Elemente und Introns

Nicht-kodierende DNA findet sich auch in Form von cis- und trans-regulatorischen Elementen, die die Gentranskription modulieren. Sie befinden sich entweder innerhalb von Introns oder in den untranslatierten Regionen an den 5′- oder 3′-Enden des Gens. Cis und trans beziehen sich auf ihre Lage innerhalb bzw. zwischen den Chromosomen.

Ein Intron ist ein Abschnitt nicht codierender DNA, der in die Gensequenz selbst eingebaut ist. Introns sind also per Definition nicht codierende DNA und werden in das vorläufige Boten-RNA-Molekül transkribiert, dann aber entfernt, um die reife Form zu bilden. Sie können eine regulierende Rolle bei der Kontrolle der Aktivität von tRNA und rRNA sowie der proteinkodierenden Abschnitte oder Codons spielen. Die meisten Introns sind jedoch nicht funktionell.

Alle Gene haben eine regulatorische Stelle, die als Promotorsequenz bezeichnet wird und ein nicht codierendes DNA-Segment ist, das von Proteinen gebunden wird, die am Transkriptionsprozess beteiligt sind. Solche Promotorsequenzen bilden keinen Teil des endgültigen Proteins, sondern erleichtern die Transkription eines bestimmten Gens und befinden sich in der Regel stromaufwärts der kodierenden Region.

Enhancer-Sequenzen beeinflussen ebenfalls die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gen transkribiert wird. Proteine, die die Transkription aktivieren, binden an diese kurzen Sequenzen. Andererseits können auch hemmende Sequenzen (Silencer) vorhanden sein, die offen für die Bindung durch hemmende Proteine sind, die die Transkription unterdrücken oder reduzieren. Silencer-Sequenzen befinden sich in geringem Abstand zu dem Gen, das sie regulieren, entweder vor oder nach ihm.

Super-Enhancer sind Cluster von Enhancer-Sequenzen, die durch physikalische oder funktionelle Assoziation miteinander verbunden sind und die an die Regulierung von Genen gebunden sind, die für die Identität der Zelle lebenswichtig sind, wie die Transkriptionsfaktoren, die den Typ und die Abstammung der Zelle bestimmen.

Beide Arten von Regulierungselementen können in einigen Genen vorhanden sein, die ein hohes Maß an Regulierung benötigen.

Insulatorsequenzen binden auch Regulierungsproteine, die auf verschiedene Weise wirken, z. B. indem sie die Wirkung von Enhancern verhindern und so die Anzahl der Gene in diesem Satz einschränken oder indem sie strukturelle DNA-Veränderungen hemmen, die die Aktivität des betreffenden Gens unterdrücken könnten. Diese werden als Enhancer-Blocker bzw. Barriere-Isolatoren bezeichnet.

Pseudogene

Eine weitere Art von nicht-kodierender DNA ist das Pseudogen, eine DNA-Sequenz, die einem bestehenden Gen ähnelt, aber nicht funktionsfähig ist. Man nimmt an, dass sie das Ergebnis von Mutationen in funktionellen Genen sind, die die Bildung funktioneller Proteine verhindern oder ihre Transkription hemmen. Sie könnten auch als Ergebnis einer Retrotransposition entstehen. Die meisten scheinen nicht funktionsfähig zu sein.

Einige Virusinfektionen können auch zu nichtcodierender DNA als Ergebnis der reversen Transkription führen. Dieser Prozess beschreibt, was passiert, wenn ein RNA-tragendes Virus wie HIV eine Zelle infiziert. Es kopiert seine RNA in Form von DNA auf die Wirts-DNA, damit es die Wirtszelle dazu bringen kann, die verschiedenen Vorgänge auszuführen, die zur Replikation und Vermehrung erforderlich sind. Diese vom Virus abgeleiteten DNA-Sequenzen können später Mutationen erfahren, die zu ihrer Inaktivierung führen und Pseudogene bilden.

Transposons

Ein weiterer spezialisierter Typ nicht codierender DNA ist das Transposon, ein mobiles genetisches Element, das seine Position im Genom verändern kann. Durch die Verlagerung seines Standorts kann es eine Mutation korrigieren oder eine Mutation hervorrufen. In jedem Fall verändert es die Größe des Zellgenoms. Transponierbare Elemente machen den größten Teil der nicht codierenden DNA aus. Dazu gehören LINEs, SINEs, Satelliten-DNA und VNTRs.

LINEs, oder Long INterspersed Elements, sind mäßig repetitive, nicht codierende Regionen, die möglicherweise von Viren stammen. SINEs oder Short INterspersed Elements sind sich stark wiederholende, nicht funktionale Regionen, die möglicherweise das Ergebnis der reversen Transkription von RNA sind.

Satelliten-DNA und Telomere

Telomere sind Abschnitte mit sich wiederholenden Nukleotiden, die spezielle DNA-Segmente bilden, die sich an den Enden aller Chromosomen befinden. Sie sind wichtig, um die strukturelle Integrität des Chromosoms während des Prozesses der DNA-Replikation zu bewahren, indem sie verhindern, dass die Enden abgebaut werden.

Satelliten-DNA ist ein Begriff, der für sich tandemartig wiederholende DNA-Regionen verwendet wird, die in einem Gebiet zusammengefasst sind. Diese Art von nicht codierender DNA findet sich in den Zentromeren, den lebenswichtigen Strukturen, die die Mitglieder eines Chromosomenpaares während der Zellteilung miteinander verbinden. Sie kommt auch in Form von Heterochromatin vor, einer dicht gepackten Form von DNA, die sowohl die Genaktivität reguliert als auch die Chromosomenstruktur bewahrt. VNTRs oder Variable Number of Tandem Repeats sind sich wiederholende Elemente, die jedoch kürzer sind als bei der Satelliten-DNA.

Kurz gesagt, es sind noch viele Studien erforderlich, um mehr darüber herauszufinden, wie und was die verschiedenen Arten von nicht codierender DNA tun.

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Geschrieben von

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas ist Gynäkologin und studierte 2001 am Government Medical College der Universität von Calicut, Kerala. Nach ihrem Abschluss praktizierte Liji einige Jahre lang als Vollzeit-Beraterin für Geburtshilfe/Gynäkologie in einem privaten Krankenhaus. Sie hat Hunderte von Patientinnen beraten, die mit Schwangerschaftsproblemen und Unfruchtbarkeit zu kämpfen hatten, und über 2 000 Entbindungen betreut, wobei sie stets bestrebt war, eine normale Entbindung anstelle einer operativen zu erreichen.

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