Tipi di sequenze di DNA non codificanti

Dal dottor Liji Thomas, MDReviewed by Dr. Jennifer Logan, MD, MPH

Il modello genetico per tutte le forme di vita è sotto forma di acido nucleico, il più comune è l’acido desossiribonucleico (DNA). Questa sostanza chimica porta all’interno della sua struttura la capacità di codificare tutte le migliaia di proteine e altri elementi strutturali e funzionali necessari per costruire il corpo dell’organismo così come per operare ogni processo vitale.

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Tuttavia, queste regioni codificanti o geni che sono responsabili dell’effettiva produzione di proteine costituiscono solo l’1,5% circa del DNA di un organismo. Il resto è composto da DNA non codificante, a volte indicato come DNA spazzatura.

Tuttavia, il DNA spazzatura è ora noto per avere molte altre funzioni essenziali, come la regolazione dell’espressione genica attivando o disattivando le sequenze codificanti. Altre porzioni controllano o modulano il livello dei geni che vengono decodificati. Così, lungi dall’essere DNA spazzatura, questo è meglio chiamato DNA funzionante, anche se molte delle sue funzioni sono ancora in fase di scoperta.

Ci sono diversi tipi di DNA non codificante o spazzatura. Alcuni di questi sono descritti di seguito.

Geni RNA non codificanti

Alcuni del DNA non codificante sono trascritti in, o formano, una specie chimicamente correlata chiamata RNA, che è il vero messaggero del blueprint genetico alla cellula. Queste molecole includono l’RNA di trasferimento, l’RNA ribosomiale e l’RNA messaggero, e sono tutte coinvolte nella produzione di proteine, o nella traduzione del DNA nel prodotto proteico finale, all’interno della cellula. Essi stessi non sono proteine e non danno direttamente origine alle proteine, a differenza delle sequenze di geni codificanti le proteine all’interno del DNA. Tuttavia, le sequenze di DNA che codificano queste molecole di RNA non sono ovviamente spazzatura.

Altri esempi includono il Piwi-interacting RNA e i microRNA. Si pensa che i microRNA siano i regolatori dell’attività traslazionale di quasi un terzo di tutti i geni codificanti proteine nei mammiferi. Sono oggetto di studio per i loro ruoli forse cruciali nella progressione di alcune malattie come il cancro e le malattie cardiache, così come nella risposta immunitaria agli organismi infettivi che entrano nel corpo.

Un’altra classe di RNA specializzato è l’RNA lungo non codificante che ha molteplici ruoli nella regolazione genica, anche durante il rimodellamento della cromatina, la trascrizione, la regolazione post-trascrizionale e come fonte di siRNA.

Elementi regolatori e introni

Il DNA non codificante si trova anche sotto forma di elementi cis- e trans-regolatori che modulano la trascrizione genica. Si trovano all’interno degli introni o nelle regioni non tradotte alle estremità 5′ o 3′ del gene. Cis e trans si riferiscono alla loro posizione all’interno e tra i cromosomi, rispettivamente.

Un introne è un tratto di DNA non codificante incorporato nella sequenza del gene stesso. Gli introni sono quindi DNA non codificante per definizione, e vengono trascritti nella molecola preliminare di RNA messaggero, ma vengono poi rimossi per dare origine alla forma matura. Possono svolgere ruoli di regolazione nel controllo dell’attività del tRNA e dell’rRNA e dei segmenti codificanti le proteine, o codoni. Tuttavia, la maggior parte degli introni non sono funzionali.

Tutti i geni hanno un sito regolatore chiamato sequenza promotrice che è un segmento di DNA non codificante che è legato da proteine coinvolte nel processo di trascrizione. Tali sequenze promotrici non danno origine ad alcuna parte della proteina finale, ma facilitano la trascrizione di un particolare gene e si trovano solitamente a monte della regione codificante.

Anche le sequenze promotrici influenzano la probabilità che un gene venga trascritto. Le proteine che attivano la trascrizione si legano a queste brevi sequenze. D’altra parte, possono anche essere presenti sequenze inibitorie (silenziatori) che sono aperte al legame di proteine inibitorie che reprimono o riducono le possibilità di trascrizione. Le sequenze silenziatrici si trovano a poca distanza dal gene che regolano, prima o dopo di esso.

I super-enhancer sono gruppi di sequenze enhancer legati tra loro da un’associazione fisica o funzionale, e che sono legati alla regolazione di geni che sono vitali per l’identità della cellula, come i fattori di trascrizione che determinano il tipo e il lineage della cellula.

Entrambi i tipi di elementi regolatori possono essere presenti in alcuni geni che richiedono un alto grado di regolazione.

Le sequenze isolanti legano anche proteine regolatrici che agiscono in diversi modi, come impedendo l’azione degli enhancer e quindi limitando il numero di geni in quel set, o inibendo i cambiamenti strutturali del DNA che potrebbero reprimere l’attività del gene interessato. Questi sono chiamati rispettivamente bloccatori di enhancer e isolatori di barriera.

Pseudogeni

Un altro tipo di DNA non codificante è lo pseudogene, che è una sequenza di DNA che assomiglia a un gene esistente ma non è funzionale. Si pensa che questi siano il risultato di mutazioni in geni funzionali che impediscono la formazione di proteine funzionali o inibiscono la loro trascrizione. Potrebbero anche sorgere come risultato di una retro-trasposizione. La maggior parte sembra essere non funzionale.

Alcune infezioni virali possono anche risultare in DNA non codificante come risultato della trascrizione inversa. Questo processo descrive ciò che accade quando un virus portatore di RNA come l’HIV infetta una cellula. Copia il suo RNA sotto forma di DNA sul DNA dell’ospite in modo che possa far eseguire alla cellula ospite le varie operazioni necessarie per replicarsi e proliferare. Queste sequenze di DNA derivate dal virus possono subire mutazioni in seguito, che portano alla loro inattivazione, formando pseudogeni.

Transposoni

Un altro tipo specializzato di DNA non codificante è il trasposone, un elemento genetico mobile che può cambiare la sua posizione nel genoma. Spostando la sua posizione, può correggere una mutazione o indurne una. In entrambi i casi, cambia la dimensione del genoma della cellula. Gli elementi trasponibili costituiscono la maggior parte del DNA non codificante. Questi includono LINEs, SINEs, DNA satellite, e VNTRs.

LINEs, o Long INterspersed Elements, sono moderatamente ripetitivi, regioni non codificanti probabilmente derivate da virus. Le SINE, o Short INterspersed Elements, sono regioni altamente ripetitive e non funzionali che possono essere il risultato della trascrizione inversa dell’RNA.

DNA satellite e telomeri

I telomeri sono segmenti di nucleotidi ripetuti che formano segmenti di DNA specializzati che si trovano alle estremità di tutti i cromosomi. Sono importanti per preservare l’integrità strutturale del cromosoma durante il processo di replicazione del DNA, evitando che le estremità vengano degradate.

DNA satellite è un termine usato per regioni di DNA ripetitive in tandem raggruppate in un’area. Questo tipo di DNA non codificante si trova nei centromeri, le strutture vitali che collegano i membri di una coppia di cromosomi durante la divisione cellulare. È anche presente sotto forma di eterocromatina, una forma densamente imballata di DNA che regola l’attività dei geni e conserva la struttura dei cromosomi. I VNTR o Variable Number of Tandem Repeats sono elementi ripetitivi ma più corti di quelli visti con il DNA satellite.

In breve, è necessaria una grande quantità di studi per scoprire di più su come e cosa fanno i diversi tipi di DNA non codificante.

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Scritto da

Dr. Liji Thomas

Il dottor Liji Thomas è un OB-GYN, che si è laureato presso il Government Medical College, Università di Calicut, Kerala, nel 2001. Liji ha praticato come consulente a tempo pieno in ostetricia/ginecologia in un ospedale privato per alcuni anni dopo la sua laurea. Ha assistito centinaia di pazienti con problemi legati alla gravidanza e all’infertilità, e si è occupata di oltre 2.000 parti, cercando sempre di ottenere un parto normale piuttosto che operativo.

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