Il “junk DNA” è inutile? richiesta da @pazqo e ispirata dal post sui DNA origami.
Per poterne discutere, dobbiamo prima rispondere alla domanda:
Che cosa è il “junk DNA”?
Spesso con il termine colorito di “DNA spazzatura” (coniato nel 1972 da Susumu Ohno) è stato indicato il DNA non codificante (non-coding DNA), cioè quello non tradotto in proteina, comprendente le regioni intergeniche (tra i geni) e gli introni (regioni dentro i geni che vengono “tagliate” dall’mRNA durante la maturazione e quindi poi non tradotte).
La mia personale definizione è un po’ diversa.
Io vorrei escludere dal junk DNA tutte le regioni gene-related, quindi anche gli introni, UTR, e regioni regolative upstream e downstream al gene. Secondo questa definizione il DNA spazzatura comprenderebbe circa il 80-90% del genoma umano.
Cosa c’è dunque nel junk DNA?
Come vedete nell’immagine, il junk DNA non è costituito (solo) da sequenze casuali, ma vi si possono riconoscere diverse strutture note.
Possiamo suddividerlo in:
sequenze uniche:
pseudogeni, geni orfani, altro
sequenze ripetute:
ripetizioni in tandem: satelliti, minisatelliti, microsatelliti, telomeri, centromeri, duplicazioni segmentali
ripetizioni intersperse: SINE, LINE, LTR, trasposoni a DNA
Serve a qualcosa? Se sì, a cosa?
Ruolo nell’evoluzione
Essenziale per l’evoluzione è la possibilità di avere tanto DNA su cui testare mutazioni. Alcuni meccanismi evolutivi consistono nel duplicare un gene: una copia rimane stabile portando avanti la sua funzione, l’altra può evolvere modificando la sua funzione e facendo qualcosa di nuovo e, se vantaggioso, verrà mantenuta.
Altro meccanismo è sfruttare virus e trasposoni per “mescolare”, copiare, mutare geni, e il nostro genoma è molto ricco di trasposoni ancora attivi o fossili (hanno perso la capacità di spostarsi), che svolgono la loro silente attività di evoluzione. Data la lentezza della riproduzione umana, le mutazioni di replicazione che occorrono di generazione in generazione sarebbero troppo lente per evolvere l’uomo. I virus e trasposoni accelerano enormemente l’evoluzione, come già studiato ampiamente fin dai batteri. Ad esempio può spostare geni dentro lo stesso genoma o tra individui, oppure inserirsi spegnendo un gene o attivandone uno spento, oppure modificare in qualche modo la regolazione. Accade anche che un virus/trasposone prenda un esone e lo inserisca in un altro gene, la proteina risultante può così acquisire una nuova funzione.
Ho letto poco tempo fa che studiando il genoma neuronale di 2 gemelli omozigoti hanno trovato delle differenze. Una differenza molto sorprendente consisteva nel numero di copie di un trasposone attivo, parecchio diverso nei due gemelli, con possibili conseguenze nei tratti neurologici dei due gemelli.
Anche fenomeni di ricombinazione (crossing over) credo siano favoriti dalla presenza di DNA non-coding.
Ruolo strutturale
Il nostro DNA srotolato è lungo un metro e mezzo. Questo crea dei problemi perché bisogna impaccarlo ma mantenerlo accessibile alla trascrizione e replicazione. Alcune zone devono essere più “srotolate”, altre più impaccate. C’è un complesso e fine controllo della struttura del complesso DNA-proteine (cromatina). Questo controllo si basa su interazioni di alcune proteine con il DNA. Recentemente è stato ipotizzato che il non-coding DNA svolga un importante ruolo nel mantenimento dell’organizzazione strutturale del DNA. Inoltre i centromeri, composti da regioni ripetute svolgono un ruolo fondamentale nei processi di segregazione dei cromosomi in mitosi e meiosi.
Sembra che con il crescere del numero di geni vi sia una crescita più che lineare del DNA non-coding, probabilmente proprio per riuscire a mantenere tutto in ordine sia regolativo che strutturale.
Ruolo di protezione dai danni
Regioni non-coding hanno un importante ruolo anche nel proteggere il DNA da alcuni tipi di danni. I telomeri, regioni non-coding alle estremità dei cromosomi, formano (con alcune proteine) un cappuccio che protegge i cromosomi dalla degradazione o da ricombinazioni errate e aberranti.
Tanto DNA “non funzionale” riduce la probabilità che si verifichino danni ossidativi (rotture dei filamenti, danneggiamenti di basi) in regioni critiche.
Regioni ripetute aiutano in certi meccanismi di riparazione del DNA. Ad esempio: quando si taglia il DNA, un complesso di riparazione prende una estremità e smangia via l’altra finché non trova una corta sequenza identica a quella nell’altra estremità, poi le cuce.
Funzioni regolative
Siamo ben lontani dal disporre di una conoscenza completa di tutti i sistemi di regolazione genica. Probabilmente molte di queste sequenze hanno una funzione regolativa nei confronti di geni vicini. Inoltre recentemente si stanno scoprendo nuovi ncRNA (non-coding RNA). I ncRNA consistono in geni (secondo la mia definizione) il cui prodotto è un RNA che non viene tradotto in proteina, ma che svolge il suo lavoro come RNA. Sappiamo che esistono RNA in grado di catalizzare reazioni chimiche (ribozimi) o di regolare i livelli di altri RNA (siRNA, miRNA, piRNA, snoRNA). In questi anni se ne stanno scoprendo molti di nuovi proprio in queste regioni. E probabilmente troveremo nuovi sistemi regolativi.
Mantenere DNA inutile ha un costo energetico. Se davvero fosse inutile, la pressione selettiva lo avrebbe eliminato. Magari noi non ce ne rendiamo conto (perché agisce sull’evoluzione in tempi geologici, o perché non abbiamo conoscenze approfondite sul ruolo della struttura della cromatina, o perché i sistemi fini di regolazione da RNA non ci sono chiari e sono molto difficili da identificare, o perché il biologo non sa niente di statistica), ma se c’è serve.
Si sta facendo molta ricerca in questa direzione e, nonostante le difficoltà, stiamo lentamente componendo il puzzle.
Quindi la risposta è: NO. Il DNA spazzatura (che abbiamo visto spazzatura non essere) è utile, in parte sappiamo perché, in parte ci stiamo lavorando.
Fonti:
L’”esperto” (lol!), da consultare anche per ulteriori approfondimenti.
Wiki.
Qualche interessante statistica qui.
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Idem! Metti pure il link al tuo articolo che mi ha dato l’ispirazione per la domanda, visto che parlavi mi microstrutture costruite con il DNA
Era quello sul DNA origami? Non mi ricordo più.
Yes, proprio quello
Clostridium: uno degi autori che più stimo nella lega.
giusto un commento sulla funzione dei virus che non è così “finalistica” come traspare da quello che scrivi ma didatticamente è più digeribile da capire
Sì, ovviamente i virus non lo fanno apposta. Per loro è un effetto collaterale quello di spostare o modificare geni umani non loro. Noi traiamo un vantaggio in termini di evoluzione su ere geologiche. Ovviamente sono tutti eventi che hanno probabilità bassissime di accadere, e, quando accadono hanno probabilità infinitamente inferiore di essere utili. Il tutto va visto su grandissimi numeri e su centinaia di migliaia di anni.
FAV !
Credo sia un articolo interessantissimo…purtroppo non ci ho capito un catso!
Mi rendo conto che qui andiamo sul difficile. Io c’ho provato. eheh.
Ripassare biologia molecolare è sempre una cosa buona e giusta!
FAV! E
per “l’esperto”.
@clostridium non delude mai.
FAV come se non ci fosse un domani!
Questa iniziativa del PE ha già cominciato ad avere i suoi ottimi effetti. Complimenti Clostridium!
Lega Nerd: la risposta alle domande che non sapevate avreste voluto chiedere!
Bell’articolo e
Articolo davvero interessante, complimenti! Vorrei solo aggiungere che a mio avviso bisognerebbe citare anche un’altra interessante funzione degli introni e del DNA non codificante in generale, ossia quella dello “Splicing Alternativo”. Lo splicing è quel processo di modificazione del DNA che serve a eliminare le sequenze non codificanti presenti nella forma non ancora matura dell’acido nucleico. La possibilità di rimuovere sequenze non codificanti diverse, e di lunghezza diversa, unita al fatto che la sequenza di DNA va letta a triplette (ossia tre basi azotate alla volta) genera la possibilità di ottenere proteine completamente differenti tra loro a partire da trascritti identici. Per esempio (indicando con delle X una qualsiasi base azotata che si trova nella regione di DNA non codificante) la sequenza CAAXXXXTAGGATTTACAC può diventare:
-> CAA TAG GAT TTA CAC (rimuovendo 4 basi)
-> CAA XTA GGA TTT ACA C.. (rimovendo 3 basi)
questo è un notevole risparmio, perchè possiamo conservare un numero maggiore di informazioni in filmanti di lunghezza uguale (o quantomeno molto simile). È un po’ come scrivere su un disco multi-layer
Detto ciò, complimenti davvero per l’articolo!
Così mi spoileri il prossimo articolo. eheh.
Facci un post sullo splicing alternativo. Tu hai suggerito solo la punta dell’iceberg dello splicing. Ci sono un bel po’ di altri meccanismi da approfondire.
Secondo me gli introni sono parti fondamentali di un gene, quindi nella mia personale definizione, li escludo dal junk DNA. Anche perché, splicing a parte, hanno visto che rimuovendo gli introni da un gene il gene poi non funziona più o funziona male. Inoltre spesso nelle regioni introniche si possono trovare:
sequenze per la regolazione genica del gene;
l’introne tagliato può diventare un ncRNA;
dentro in un grosso introne ci può addirittura essere un altro gene intero!
Non vedo l’ora di leggere il resto.
Rimango connesso ed attendo.
Scusami, non volevo fare spoiler! Solamente quando ho letto il tuo articolo mi è venuto subito in mente lo splicing alternativo perché secondo me è una strategia davvero geniale, e poi certamente come dici tu ci sarebbe davvero molto da dire a riguardo
(sistemato io
)
@clostridium ti promuovo @serch come fedele discepolo per il filone sui post scientifici? il ragazzo promette bene sembra
Anch’io credo che sia una buona idea.
Mi raccomando @serch non deludere le aspettative!
@serch promosso ad autore
Benvenuto @serch
Wow, grazie a tutti! Vedrò di non deludervi e di fare del mio meglio!
LoL! Un discepolo!
Clo, dimmi un po’: Secondo te, per quale meccanismo un elemento trasponibile che finisce all’interno di un introne (senza interferire nelle zone “funzionali”) abbatterebbe la trascrizione del gene in questione? Hai qualche paper?
Definisci zone “funzionali”.
A livello proprio di trascrizione?
si, dall’analisi linserzione non dovrebbe essere situata in zone “calde” tipo il branch site o la parte al 3′ di questo, anche se le dimensioni sono aumentate di due ordini di grandezza. Tuttavia la trascrizione è MOOOLTO ridotta rispetto al wildtype e anche il fenotipo è quello dato dall’assenza/riduzione della trascrizione.
spero di essermi spiegato, ho tipo otto montenegri in corpo
Colgo l’occasione in questo post per fare i complimenti a te, come a pazqo e tutti gli altri che si sbattono qui su
per far si che gli “ignoranti” come me lo siano un po’ meno. Continuate così, vi stimo. 
Bel post!
Decisamente
PE FTW!
piccolo appunto: [url=http://www.wordreference.com/conj/itverbs.aspx?v=cucire]cucisce[/url]!?
url fail…
Bravo, volevo vedere se eravate attenti.
eheh grazie, corretto.