Il DNA spazzatura #LegaNerd

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.

Aree Tematiche
Natura Scienze Select
Tag
Edit
LN Panic Mode - Premi "P" per tornare a Lega Nerd