Кіріспе

Белсенділерді кодтамайтын ДНҚ. Кодталмаған ДНҚ (ncDNA) тізбектері – организмнің ДНҚ-сының белок тізбектерін кодтамайтын құрауы. Кейбір кодталмаған ДНҚ функционалдық кодтамайтын РНК молекулаларына (мысалы, трансфер РНК, микроРНК, пиРНК, рибосомалық РНК және реттеуші РНК) транскрипцияланады. Кодталмаған ДНҚ фракциясының басқа функционалдық аймақтарына гендік экспрессияны бақылайтын реттеуші тізбектер, эшафолдты жалғау аймақтары, ДНҚ репликациясының басталу нүктелері, центромерлер және теломерлер кіреді. Кейбір кодталмаған аймақтар негізінен интрондар, псевдогендер, интергендік ДНҚ және транспозондар мен вирустардың фрагменттері сияқты функционалды емес болып көрінеді. Толыққанды функционалды емес аймақтар "қоқыс ДНҚ" деп аталады.

Кодталмаған геномдық ДНҚ-ның фракциясы

Бактерияларда кодтау аймақтары геномның 88% -ын құрайды. Эукариоттарда кодтаушы ДНҚ мөлшері әдетте геномның өте аз бөлігін құрайды, себебі эукариоттық геномдарда прокариоттарда кездеспейтін үлкен көлемде қайталанатын ДНҚ болады. Адам геномында 1–2% аралығында кодтаушы ДНҚ бар. Нақты саны белгісіз, өйткені функционалды кодтаушы экзондардың саны және адам геномның жалпы көлемі туралы пікір таластар бар. Бұл, адам геномының 98–99% -ы кодталмаған ДНҚ-дан тұрады дегенді білдіреді, және ол кодталмаған гендер мен реттеуші тізбектер сияқты көптеген функционалдық элементтерді қамтиды. Эукариоттардағы геномның көлемі кең ауқымда өзгеруі мүмкін, тіпті жақын туысқан түрлер арасында да. Бұл қызықты байқау бастапқыда C мәні парадоксы деп аталды, мұнда "C" гаплоидты геномның көлемін білдіреді. Парадокс, айырмашылықтардың көп бөлігі гендер санынан емес, қайталанатын ДНҚ-ның кеңеюі мен тарылуынан туындайтыны анықталғаннан кейін шешілді. Кейбір зерттеушілер бұл қайталанатын ДНҚ көбінесе "қалдық ДНҚ" деп болжады. Геном көлемінің өзгеру себептері әлі зерттелуде және бұл мәселе C мәні жұмбағы деп аталады. Бұл гендер саны күрделілік туралы қабылдаулармен сәйкес келмейтініне алып келді, себебі гендер саны салыстырмалы түрде тұрақты болып көрінеді, бұл мәселе G мәні парадоксы деп аталады. Мысалы, бір жасушалы Polychaos dubium (бұрын Amoeba dubia деп аталған) геномында адамдағы ДНҚ-дан 200 еседен астам мөлшерде ДНҚ бар екені хабарланды (яғни, 600 миллиардтан астам негіз жұбы, ал адамда 3 миллиардтан сәл көп). Такифугу рубрипес балығының геномы адам геномының сегізден бір бөлігіне ғана тең, бірақ гендер саны шамамен бірдей. Гендер балық геномының 30% -ын құрайды, ал кодтаушы ДНҚ шамамен 10% -ты құрайды (кодталмаған ДНҚ = 90%). Балық геномының кішіреюі интронның ұзындығының қысқаруымен және қайталанатын ДНҚ мөлшерінің азаюымен байланысты. Utricularia gibba, көпіршік гүлі, көптеген өсімдіктерге қарағанда өте кішкентай ядролық геномға (100,7 Мб) ие. Ол, мүмкін, 1500 Мб көлеміндегі ататек геномнан пайда болған. Буффало университетінің профессоры Виктор Альберттің айтуынша, өсімдік өзінің "қалдық ДНҚ"-сын шығарып тастай алады және "жақсырақ көпжасушалы өсімдік, әртүрлі жасушалармен, органдармен, тіндермен және гүлдермен болуға болады, және бұл үшін қалдық ДНҚ қажет емес. Қалдық ДНҚ қажет емес".

Кодталмаған гендер

Гендердің екі түрі бар: ақуызды кодтайтын гендер және кодтамайтын гендер. Кодтамайтын гендер – кодталмаған ДНК-ның маңызды бөлігі және трансфер РНК және рибосомалық РНК гендерін қамтиды. Бұл гендер 1960 жылдары ашылған. Прокариот геномдары басқа да кодталмаған РНК-ның гендерін қамтиды, бірақ кодталмаған РНК гендері эукариоттарда әлдеқайда көп таралған. Эукариоттардағы кодтамайтын гендердің типтік кластарына кіші ядролық РНК (snRNA), кіші ядролық РНК (sno RNA), микроРНК (miRNA), қысқа интерференциялық РНК (siRNA), PIWI өзара әрекеттесетін РНК (piRNA) және ұзын кодтамайтын РНК (lncRNA) гендері жатады. Сонымен қатар, каталитикалық РНК-ны өндіретін бірнеше ерекше РНК гендері бар. Кодтамайтын гендер прокариот геномдарының бірнеше пайызын ғана құрайды, бірақ эукариот геномдарында олардың үлесі әлдеқайда жоғары болуы мүмкін. Адамда кодтамайтын гендер геномның кем дегенде 6%-ын құрайды, себебі рибосомалық РНК гендерінің жүздеген көшірмелері бар. Ақуызды кодтайтын гендер геномның шамамен 38%-ын алып жатады; бұл көрсеткіш кодтау аймағынан әлдеқайда жоғары, себебі гендерде үлкен интрондар бар. Адам геномдағы кодтамайтын гендердің жалпы саны туралы пікірлер қарама-қайшы. Кейбір ғалымдар барлық кодтамайтын гендердің саны шамамен 5 000 деп санайды, ал басқалары 100 000-нан астам болуы мүмкін деп есептейді (кодталмаған РНК туралы мақаланы қараңыз). Бұл айырмашылықтың себебі негізінен lncRNA гендерінің санына қатысты пікірталас.

Ұйымдастырушылар мен реттеуші элементтер

Промоторлар – геннің 5' ұшына жақын орналасқан, транскрипция басталатын ДНК сегменттері. Олар РНК полимеразаның РНК синтезін бастау үшін байланысатын орындар. Әрбір генде кодтамайтын промотор болады. Регуляторлық элементтер – жақын жердегі геннің транскрипциясын бақылайтын аймақтар. Олар көбінесе транскрипция факторларының ДНК-ға байланысатын тізбектер болып табылады, және бұл транскрипция факторлары транскрипцияны белсендірсе (активаторлар) немесе тежесе (репрессорлар) болады. Регуляторлық элементтер 1960 жылдары ашылды, ал олардың жалпы сипаттамалары 1970 жылдары бактериялар мен бактериофагтардағы нақты транскрипция факторларын зерттеу арқылы анықталды. Промоторлар мен реттеуші тізбектер кодтамайтын ДНК-ның көп класын құрайды, бірақ олар көбінесе салыстырмалы түрде қысқа тізбектерден тұрады, сондықтан геномның үлкен бөлігін алмайды. Сүтқоректілердің геномындағы реттеуші ДНК-ның нақты мөлшері белгісіз, себебі транскрипция факторларының жалған байланыс орындары мен функционалды орындарының арасын ажырату қиын. ДНК-ға байланысатын типтік ақуыздардың байланыс ерекшеліктері 1970 жылдары сипатталды, ал транскрипция факторларының биохимиялық қасиеттері үлкен геномдары бар жасушаларда байланыс орындарының көпшілігі биологиялық тұрғыдан функционалды болмайды деген болжамды жасады. Көптеген реттеуші тізбектер промоторлардың жанында, әдетте геннің транскрипция басталатын орнының жоғары жағында кездеседі. Кейбіреулері геннің ішінде, ал аздағандары транскрипция аяқталу орнының төменгі жағында орналасқан. Эукариоттарда промотор аймағынан қашықтықта орналасқан реттеуші тізбектер де бар. Бұл алыс реттеуші тізбектер көбінесе күшейткіштер деп аталады, бірақ оны басқа транскрипция факторларын байланыстыратын орындардан ажырататын нақты анықтамасы жоқ.

Интрондар

Интрондар - геннің алғашқы РНК тізбегіне транскрипцияланатын, бірақ РНК өңдеу кезінде РНК тіркесу арқылы жойылатын бөліктері. Интрондар гендердің екі түрінде де кездеседі: ақуызды кодтайтын және кодтамайтын гендер. Олар прокариоттарда да кездеседі, бірақ эукариоттық геномдарда олар көптеп таралған. I және II топтағы интрондар кездесетін жағдайда геномның шағын бөлігін құрайды. Сплицеосомалық интрондар (суретті қараңыз) тек эукариоттарда ғана кездеседі және геномның маңызды үлесін құрауы мүмкін. Мысалы, адамдарда ақуызды кодтайтын гендердегі интрондар геномның 37% -ын құрайды. Бұл шамамен 1% кодтау тізбегімен қосылғанда, ақуызды кодтайтын гендер адам геномның 38% -ын құрайды. Кодтамайтын гендерге қатысты есептеулер күрделірек, себебі кодтамайтын гендердің жалпы саны туралы көп пікір бар, бірақ жақсы анықталған мысалдарды қарастырғанда, кодтамайтын гендер геномның кем дегенде 6% -ын құрайды.

Аудармаланған емес аймақтар

Стандартты биохимия және молекулалық биология оқулықтары геннің 5' ұшы мен трансляция бастау кодоны арасында орналасқан мРНК-дағы кодтамайтын нуклеотидтерді сипаттайды. Бұл аймақтар 5' аудармаланбаған аймақтар немесе 5' UTR деп аталады. Геннің соңында 3' аудармаланбаған аймақтар (3' UTR) деп аталатын ұқсас аймақтар табылады. 5' UTR және 3' UTR бактерияларда өте қысқа, бірақ эукариоттарда бірнеше жүз нуклеотидке дейін созылуы мүмкін. Олар трансляцияның басталуын (5' UTR) және транскрипцияның аяқталуын (3' UTR) басқаратын қысқа элементтермен қатар, мРНК тұрақтылығын, өңделуін және клетканың әртүрлі аймақтарына жіберуді реттейтін элементтерді де қамтиды.

Көбейтудің шығу тегі

ДНҚ синтезі репликацияның басталу тегі деп аталатын белгілі бір орындарда басталады. Бұл геном аймақтары, онда ДНҚ репликациясы механизмі жиналады және ДНҚ синтезін бастау үшін ДНҚ-ның екі тізбегі ажыратылады. Көп жағдайда репликация басталу тегінен екі бағытта да жүреді. Репликация басталу тегінің негізгі ерекшелігі – белгілі бір бастаушы ақуыздардың байланысатын тізбектері. Типик репликация басталу тегі шамамен 100-200 негіздік жұп ДНҚ-ны қамтиды. Прокариоттарда хромосома немесе плазмида үшін бір басталу тегі болады, бірақ эукариоттық хромосомаларда әдетте бірнеше басталу тегі кездеседі. Адам геномында шамамен 100 000 басталу тегі бар, бұл геномның 0,3%-ын құрайды.

Центромерлер

Центромерлер – жасуша бөлінетін кезде жаңадан көбейген хромосомаларға ішекше талшықтарының бекітілетін жерлері, осы арқылы оларды қыз жасушаларға бөлуге мүмкіндік береді. Әрбір эукариотикалық хромосомада конденсацияланған метафазалық хромосомада тартылған аймақ ретінде көрінетін жалғыз функционалды центромер болады. Центромерлік ДНК көптеген қайталама ДНК тізбектерінен тұрады, олар геномның маңызды бөлігін құрайды, себебі әр центромердің ұзындығы миллиондаған базалық жұптарға жете алады. Мысалы, адамда барлық 24 центромердің тізбегі анықталды және олар геномның шамамен 6% құрайды. Дегенмен, барлық кодталмаған ДНК маңызды емес болуы мүмкін, өйткені әртүрлі адамдарда центромерлік ДНК-ның жалпы мөлшері айтарлықтай өзгеше. Центромерлер – функционалды кодталмаған ДНК тізбегінің тағы бір мысалы, ол шамамен жарты ғасырдан бері белгілі және кодталатын ДНК-ға қарағанда олардың көп болуы ықтимал.

Теломерлер

Теломерлер – хромосоманың ұштарында орналасқан, ДНК көбейген кезде хромосомалардың бүлінуінен қорғайтын қайталама ДНК аймақтары. Жақындағы зерттеулер теломерлердің өзінің тұрақтылығын сақтауға көмектесетінін көрсетті. Теломерлік қайталануды қамтитын РНК (TERRA) – теломерлерден туындаған транскрипттер. TERRA теломераза активтілігін сақтап, хромосомалардың ұштарын ұзартады.

Ескіме орнату аймақтары

Прокариоттық және эукариоттық геномдар протеинге байланысқан үлкен ДНК ілмектеріне ұйымдастырылған. Эукариоттарда бұл ілмектердің негіздері ілмектік бекіту аймақтары (SAR) деп аталады және олар циклді тұрақтандыру үшін РНК/белок кешенін байланыстыратын ДНК-ның бөліктерінен тұрады. Адам геномында шамамен 100 000 ілмек бар, және әрқайсысы 100 базалық жұп ДНК-дан тұрады. SAR-ларға жұмсалған ДНК-ның жалпы көлемі адам геномының шамамен 0,3% құрайды.

Псевдогендер

Псевдогендер көбінесе мутация нәтижесінде функционалдылығын жоғалтқан бұрынғы гендер болып табылады, бірақ бұл термин функционалды гендер (процессингтелген псевдогендер) өндірген РНК-дан туындаған белсенді емес ДНК тізбектерін де қамтиды. Псевдогендер прокариот геномдарындағы кодтамайтын ДНК-ның шағын бөлігін құрайды, себебі олар теріс таңдау арқылы жойылады. Дегенмен, кейбір эукариоттарда псевдогендер жинақталуы мүмкін, өйткені оларды жоюға қабілетті таңдау күші жеткіліксіз (молекулалық эволюцияның дерлік бейтарап теориясына қараңыз). Адам геномы шамамен 15 000 протеин кодтайтын гендерден туындаған псевдогендерді және кодтамайтын гендерден туындаған белгісіз санды қамтиды. Олар геномның маңызды бөлігін (~5%) құрауы мүмкін, себебі олардың көпшілігі бұрынғы интрон тізбектерін қамтиды. Псевдогендер анықтама бойынша «қоқыс ДНК» болып табылады және «қоқыс ДНК» үшін күтілетін бейтарап жылдамдықпен эволюциялайды. Бірақ кейбір бұрынғы псевдогендер қайтадан функцияға ие болды, бұл кейбір ғалымдарды псевдогендердің көпшілігі «қоқыс» емес, әлі ашылмаған функцияға ие деген болжам жасауға жетеледі.

Қайталау тізбектері, транспозондар және вирустық элементтер

Транспозондар және ретротранспозондар – қозғалмалы генетикалық элементтер. Ретротранспозонның қайталанатын тізбектері, соның ішінде ұзын аралас ядролық элементтер (LINE) және қысқа аралас ядролық элементтер (SINE), көптеген түрлерде геномдық тізбектердің үлкен бөлігін құрайды. Алю тізбектері қысқа аралас ядролық элемент ретінде жіктеледі және адам геноміндегі ең көп таралған қозғалмалы элементтер болып табылады. Кейбір жағдайларда SINE элементтері кейбір белок кодтайтын гендердің транскрипциялық бақылауын жүзеге асыратыны анықталды. Эндогендік ретровирустық тізбектер – ретровирустың геномдарының гермдік жасушалардың геномдарына кері транскрипциялануының нәтижесі. Осы кері транскрипцияланған тізбектердегі мутациялар вирус геномын белсенділігінен айыруы мүмкін. Адам геномның 8%-дан астамы (көбінесе тозығы жеткен) эндогендік ретровирустық тізбектерден тұрады, бұл ретротранспозондардан танылған 42%-дан астам үлестің бөлігі болып табылады, ал тағы 3%-ы ДНК транспозондарының қалдықтары екені анықталды. Геномның қазіргі кезде түсіндірілмеген қалған жартысының көп бөлігі, 200 миллион жылдан астам бұрын белсенді болған және кездейсоқ мутациялар оларды тану мүмкін емес еткен транспозицияланатын элементтерден пайда болған деп есептеледі. Кем дегенде екі түрдегі өсімдіктердің геном өлшемінің өзгеруі көбінесе ретротранспозон тізбектерінің нәтижесі болып табылады.

Өте қайталанатын ДНК

Жоғары қайталанатын ДНК қысқа ДНК учаскелерінен тұрады, олар бір-бірінен кейін (тандемді) көп рет қайталанады. Қайталану сегменттері әдетте 2 базалық жұптан 10 базалық жұпқа дейін болады, бірақ одан ұзақ сегменттері де белгілі. Жоғары қайталанатын ДНК прокариоттарда сирек, ал эукариоттарда, әсіресе үлкен геномдары барларда жиі кездеседі. Оны кейде спутниктік ДНК деп те атайды. Жоғары қайталанатын ДНК-ның көп бөлігі центромерлер мен теломерлерде (жоғарыда қараңыз) орналасқан және оның көпшілігі функционалды, бірақ кейбіреулері артық болуы мүмкін. Басқа маңызды бөлігі қысқа тандемді қайталауларда (STR; сондай-ақ микросателлиттер деп аталады) орналасқан, олар ATC сияқты қарапайым қайталаудың қысқа учаскелерінен тұрады. Адам геномында шамамен 350 000 STR бар және олар геном бойынша шашырап орналасқан, орташа ұзындығы шамамен 25 қайталауға жетеді. STR қайталауларының санының өзгеруі ген ішінде орналасқан жағдайда генетикалық ауруларды тудыруы мүмкін, бірақ осы аймақтардың көпшілігі қайталану саны жеке адамдар арасында айтарлықтай өзгеретін функционалды емес "қоқыс ДНК" құрайтын сияқты. Осы ұзындық айырмашылықтары ДНК саусақ іздерін анықтауда кеңінен қолданылады.

Жәндік ДНК

Жунк ДНК – псевдогендер мен бір кезде белсенді болған транспозон фрагменттері сияқты биологиялық маңызы жоқ ДНК. Бактериялар мен вирустардың геномдарында жунк ДНК өте аз мөлшерде кездеседі, бірақ кейбір эукариоттық геномдарда оның көп мөлшері болуы мүмкін. Адам және ірі геномды басқа да түрлердегі функционалды емес ДНК-ның нақты мөлшері анықталмаған және ғылыми әдебиетте осы мәселе бойынша көптеген пікір қақтығыстары бар. Бактериялық геномдардағы функционалды емес ДНК көбінесе кодталмайтын ДНК-ның интергендік бөлігінде орналасады, ал эукариоттық геномдарда ол интрон ішінде де кездесуі мүмкін. Кодталмайтын ДНК-да функционалды ДНК элементтерінің көптеген мысалдары бар екенін және кодталмайтын ДНК-ны жунк ДНК-мен шатастыру қате екенін атап өту маңызды.

Геномдық ассоциация зерттеулері (GWAS) және кодталмаған ДНК

Геномдық ауқымды қатынас зерттеулері (GWAS) аллельдер мен фенотиптер және аурулар сияқты көрінетін белгілер арасындағы байланысты анықтайды. Көптеген қатынастар бір нуклеотидтік полиморфизмдер (СНП) мен қарастырылып отырған белгі арасында болады, және осы СНП-лардың көпшілігі функционалды емес ДНК-да орналасқан. Бұл қатынас белгіге жауапты ДНК аймағын анықтауға көмектесетін байланысты құрайды, бірақ ол ауруға немесе фенотиптік айырмашылыққа себеп болатын мутацияны міндетті түрде анықтамайды. Белгілермен тығыз байланысты СНП-лар себептік мутацияны анықтау үшін ең ықтимал. (Бұл қатынас тығыз байланыс тепе-теңдігі деп аталады.) Бұл полиморфизмдердің шамамен 12%-ы кодтаушы аймақтарда табылады; шамамен 40%-ы интрондарда орналасқан; ал қалған бөлігінің көпшілігі интергендік аймақтарда, соның ішінде реттеуші тізбектерде кездеседі.