Śmieci DNA - Junk DNA

Historia

Termin „śmieciowe DNA” stał się popularny w latach 60. XX wieku. Według T. Ryana Gregory'ego natura śmieciowego DNA została po raz pierwszy wyraźnie omówiona w 1972 roku przez biologa genomicznego Davida Comingsa, który zastosował ten termin do wszystkich niekodujących DNA. Ta klasyfikacja nie jest dokładnie poprawna, ponieważ brak kodowania oznacza, że ​​region nie koduje białek, podczas gdy śmieciowy DNA oznacza, że ​​region nie jest ani funkcjonalny, ani szkodliwy, ale niektóre śmieciowe DNA mogą nadal wytwarzać śmieciowe białka. Termin został sformalizowany w tym samym roku przez Susumu Ohno, który zauważył, że ładunek mutacji szkodliwych mutacji nakłada górną granicę na liczbę funkcjonalnych loci, których można się spodziewać przy typowym tempie mutacji. Ohno postawił hipotezę, że genomy ssaków nie mogą mieć więcej niż 30 000 loci podlegających selekcji, zanim „koszt” obciążenia mutacyjnego spowoduje nieunikniony spadek przystosowania i ostatecznie wyginięcie. Ta prognoza pozostaje solidna, ponieważ ludzki genom zawiera około (kodujące białka) 20 000 genów. Innym źródłem teorii Ohno była obserwacja, że ​​nawet blisko spokrewnione gatunki mogą mieć bardzo (o rząd wielkości) różne rozmiary genomu, co w 1971 roku nazwano paradoksem wartości C.

Termin „śmieciowy DNA” został zakwestionowany na tej podstawie, że prowokuje silne założenie a priori o całkowitej niefunkcjonalności, a niektórzy zalecają zamiast tego używanie bardziej neutralnej terminologii, takiej jak „niekodujący DNA”. Jednak „śmieciowy DNA” pozostaje znacznikiem dla części sekwencji genomu, dla których nie zidentyfikowano żadnej dostrzegalnej funkcji i które w analizie porównawczej genomiki nie pojawiają się bez ograniczeń funkcjonalnych, co sugeruje, że sama sekwencja nie zapewnia żadnej przewagi adaptacyjnej. Jednak ta mieszanka śmieciowego i niekodującego jest nieprawidłowa, ponieważ śmieciowy DNA to wszystkie regiony DNA, które nie są ani funkcjonalne, ani szkodliwe, podczas gdy niekodujący DNA to wszystkie regiony DNA, które nie kodują białka.

Od końca lat 70. stało się jasne, że większość niekodującego DNA w dużych genomach ma swoje źródło w egoistycznej amplifikacji elementów transpozycyjnych, o czym W. Ford Doolittle i Carmen Sapienza w 1980 r. napisali w czasopiśmie Nature: „Kiedy a biorąc pod uwagę, że DNA lub klasa DNA o nieudowodnionej funkcji fenotypowej może wyewoluować strategię (taką jak transpozycja), która zapewnia jego przetrwanie genomowe, nie jest konieczne żadne inne wyjaśnienie jego istnienia. Można oczekiwać, że ilość śmieciowego DNA będzie zależeć od szybkości amplifikacji tych elementów i szybkości utraty niefunkcjonalnego DNA. W tym samym wydaniu Nature, Leslie Orgel i Francis Crick napisali, że śmieciowe DNA ma „małą specyficzność i nie daje organizmowi selektywnej korzyści”. Termin ten występuje głównie w nauce popularnonaukowej oraz potocznie w publikacjach naukowych i sugeruje się, że jego konotacje mogły opóźnić zainteresowanie biologicznymi funkcjami niekodującego DNA.

Niektóre dowody wskazują, że niektóre sekwencje „śmieciowego DNA” są źródłem (przyszłej) funkcjonalnej aktywności w ewolucji poprzez eksaptację pierwotnie samolubnego lub niefunkcjonalnego DNA.

Klasyfikacja

Genom dzieli się na części funkcjonalne i niefunkcjonalne, ponieważ są one produktem naturalnych procesów ewolucyjnych, w których funkcję definiuje się jako funkcję wybranego efektu. segmenty genomowe, które są funkcjonalne i potrzebne, ale których sekwencje mają niewielkie znaczenie, takie jak przerywniki, wypełniacze i zabezpieczenia przed przesunięciem ramki. w tej kategorii, w której niefunkcjonalne DNA nie jest wybierane za lub przeciw, inną kategoryzacją śmieciowego DNA jest „śmieciowe DNA”, które odnoszą się do sekwencji, które istnieją w genomie, mimo że są aktywnie selekcjonowane. To rozróżnienie zostało zasugerowane przez Brennera:

„Kilka lat temu zauważyłem, że na świecie istnieją dwa rodzaje śmieci i że większość języków ma różne słowa, które je odróżniają. Są śmieci, które trzymamy, czyli śmieci, i śmieci, które wyrzucamy, czyli śmieci. Nadmiar DNA w naszych genomach jest śmieciem, ponieważ jest nieszkodliwy i bezużyteczny, a procesy molekularne generujące dodatkowe DNA wyprzedzają tych, którzy się go pozbywają. Gdyby dodatkowy DNA stał się niekorzystny, stałby się przedmiotem selekcji, tak jak śmieci, które zajmują zbyt dużo miejsca lub zaczynają pachnieć, są natychmiast zamieniane w śmieci przez żonę, ten wspaniały darwinowski instrument”.

Każda z czterech opisanych powyżej kategorii funkcjonalnych może być przepisana i przetłumaczona, przepisana, ale nie przetłumaczona lub nie przepisana. dlatego mogą istnieć śmieciowe DNA, śmieciowe RNA i śmieciowe białka.

Zmiany w funkcji

Śmieciowe DNA może zmienić swoją klasyfikację funkcjonalną poprzez ewolucję. Taki przykład można znaleźć w tym, że śmieciowe DNA stają się śmieciowym DNA, jeśli zwiększa się efektywna wielkość populacji; i odwrotnie, jeśli zmniejszy się efektywna wielkość populacji. Śmieciowe DNA pochodzące z dosłownego DNA byłoby pseudogenem, podczas gdy niektóre choroby są spowodowane albo zmianą z funkcjonalnego DNA na śmieciowy DNA, albo ze śmieciowego DNA na śmieciowy DNA. Śmieciowe DNA może również stać się śmieciowym DNA, które zostało ukute przez Kolata . jako „dna zombie”