ADN escombraries

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

En la genètica molecular, l'ADN escombraries és la part de la seqüència d'un genoma per la que no s'ha identificat cap funció. Un 97% del genoma humà ha estat designat com a "escombraries", incloent-hi els introns i la majoria de seqüències intergèniques. Mentre que una part important d'aquestes seqüències es creu que són artefactes evolutius que actualment no tenen cap finalitat es creu que n'hi ha que tenen una funció actualment no entesa. Tanmateix, la conservació genètica de seqüències d'ADN escombraries al llarg del temps podria indicar funcions essencials per ara desconegudes. Hi ha investigadors que consideren incorrecta l'etiqueta d'escombraries i d'altres argumenten que les escombraries poden ser emmagatzemades per a possibles nous usos, per tot plegat actualment es prefereix el terme "matèria fosca del genoma".

La genòmica funcional ha desenvolupat tècniques amplament acceptades per caracteritzar els gens codificadors de proteïnes, gens d'ARN i les regions reguladores. Tanmateix, en el genoma de la majoria de plantes i animals, només constitueixen conjuntament un petit percentatge d'ADN genòmic (menys d'un 2% en el cas dels humans). La funció de tota la resta, si és que la té, roman sota investigació. La majoria pot ser identificat com a ADN repetitiu sense cap funció biològica per al seu hoste (tot i ser molt útils per als genetistes en els tests d'ADN i la filogènia. Així doncs, una quantitat important de la seqüència roman sense cap altra classificació que la d'escombraries.

La mida del genoma i per extensió la quantitat d'ADN escombraries sembla no tenir poca relació amb la complexitat de l'organisme: el genoma de l'ameba unicel·lular Amoeba dubia és coneguda per tenir més de 200 vegades la quantitat d'ADN que les cèl·lules humanes.[1][2]

El genoma del peix globus Takifugu rubripes és només una desena part del dels humans, encara que sembla tenir un nombre comparable de gens. La gran diferència entre els dos genomes sembla que és deguda a l'ADN escombraries. Això és conegut com a l'enigma del valor C o, més convencionalment, la paradoxa del valor C.[3]

Hipòtesi de l'origen i la funció[modifica | modifica el codi]

Hi ha diverses teories, cap d'elles conclusivament establerta que expliquen el perquè de què l'ADN escombraries s'escampa i persisteix en el genoma:

  • Aquestes regions cromosòmiques podrien estar compostes per restes actualment no funcionals d'antics virus conegudes com a pseudogens, que en el passat havien estat còpies de gens però que han perdut la seva capacitat de codificar proteïnes (i, presumiblement la seva funció biològica). Després de perdre la funcionalitat els presudogens perden la pressió evolutiva de la selecció natural i poden adquirir molt de soroll genètic en forma de mutacions aleatòries.
  • s'ha calculat que prop d'un 8% de l'ADN humà està format per retrotransposons de retrovirus endògens humans (HERVs),[4] tot i que un 25% es pot reconèixer que està format per retrotransposons.[5] Aquest és el límit inferior del genoma que pot estar fet per retrotranposons, ja que els més antics poden haver acumulat massa mutacions com esdevenir recognoscibles. Hi ha investigacions que suggereixen que les diferències de dimensions entre genomes de plantes són degudes sobretot als retrotransposons.[6]
  • L'ADN escombraries pot actuar com a un tampó protector contra el dany provocat per les mutacions. Una proporció elevada de seqüència no funcional dificulta les probabilitats de què un tros funcional de seqüència pugui ser destruït en una recombinació cromosòmica, fent les espècies més tolerants a aquesta mena de canvis.
  • L'ADN escombraries podria ser un reservori de seqüències del que podrien emergir nous gens potencialment avantatjosos. En aquest sentit podria ser una important base genètica per a l'evolució.[7]
  • Hi ha especulacions de Nova Era i el Disseny Intel·ligent que indiquen que tota la seqüència té un propòsit o altre pel que ha estat especialment dissenyada.
  • Alguna part de l'ADN escombraries podria simplement ser material espaiador que permeti als complexos enzimàtics interaccionar més fàcilment amb l'ADN. En aquest sentit podria tenir una funció important malgrat la seva seqüència d'informació sigui irrellevant.
  • Algunes parts de l'ADN escombraries podrien tenir funcions desconegudes de regulació i control de l'expressió de certs gens, el que podria implicar el desenvolupament d'un embrió,[8] o el desenvolupament de certs orgànols.[9]
  • Hi ha molts científics que creuen que l'ADN escombraries podria contenir molts sistemes reguladors com l'ARN no codificant amb tanta importància metabòlica com els gens que codifiquen per a proteïnes.[10] Però és desconegut quin percentatge d'aquest 98% de material genètic es troba implicat en aquest tipus d'activitat.
  • L'ADN escombraries podria no tenir cap funció. En un experiment es va extreure un 1% del genoma d'un ratolí sense poder detectar cap efecte en el fenotip.[11] Aquest resultat suggereix que aquest ADN és de fet no funcional. Tanmateix el resultat també podria ser degut al fet que en un experiment no és possible detectar totes les variacions produïdes en un metabolisme.

Conservació evolutiva de l'ADN escombraries[modifica | modifica el codi]

La genòmica comparativa és una valuosa eina per estudiar la funció de l'ADN escombraries. Teòricament, les seqüències que tenen alguna funció muten a una taxa més lenta que les que no en tenen. La raó és que la selecció natural corregeix les mutacions en zones funcionals mentre que no és capaç d'exercir pressió en les no funcionals. Així per exemple, la proteïna humana ortòloga a la d'un ratolí acostuma a ser idèntica en un 80%, mentre que els seus genomes seran en general moltíssim més divergents. Analitzant els patrons de conservació entre els genomes de diferents espècies es pot arribar a deduir quines seqüències són funcionals o com a mínim quines seqüències funcionals estan compartides entre diferents espècies.

Estudis comparatius amb diversos genomes de mamífers suggereixen que aproximadament un 5% del genoma humà podria haver estat sotmesa a una selecció purificadora[12] des de la divergència dels mamífers. Tenint en compte que la seqüència funcional del genoma humà està per sota del 2% semblaria que hi ha més ADN escombraries amb una funció que seqüència funcional amb coneixement de la seva funció.

Una troballa sorprenent va ser el descobriment d'unes 500 regions "ultraconservades",[13] que es troba en una elevada fidelitat entre els genomes disponibles de vertebrats en seqüències que s'havien designat prèviament com a ADN escombraries. La funció d'aquestes seqüències es troba actualment sota un intens escrutini i ja hi ha resultats preliminars[13][14][15] de què podria tenir algun paper regulador en el desenvolupament dels embrions en individus adults.

Cal fer notar que tots els resultats presents sobre l'ADN escombraries conservat estan expressats en termes d'alta probabilitat, ja que tot just es disposa d'un grapat de genomes amb els quals es pot comparar l'humà. Així que se seqüenciïn més genomes, especialment de mamífers els científics seran capaços de traçar un esquema més precís sobre la funció d'aquestes seqüències. Tanmateix, sempre és possible que hi hagi quantitats significatives d'ADN humà funcional no compartida amb aquestes altres espècies i que per tant no podria ser revelat en aquests estudis.[11]

Cal fer una nota teòrica davant l'habitual observació errònia de què la presència d'elevades proporcions d'ADN escombraries no funcional desafia la lògica evolutiva. La replicació de tot aquest munt d'ADN innecessari cada cop que es divideix una cèl·lula malgastaria la preuada energia. Els organismes amb menys ADN funcional tindrien gaudirien d'un avantatge selectiu i a una escala de temps evolutiva l'ADN no funcional hauria de tendir a eliminar-se. Això és correcte, però fins i tot si s'assumeix que l'ADN escombraries és del tot no funcional, hi ha diverses hipòtesis que expliquen per què no han estat eliminades per l'evolució: (1) L'energia requerida per replicar les grans quantitats d'ADN no funcional és de fet realment insignificant a l'escala cel·lular o de l'organisme de manera que no hi ha una pressió selectiva significativa. Només en els bacteris sembla que sigui prou forta; (2) la ja esmentada possible avantatge de tenir un reservori extra d'ADN de seqüències potencialment útils; i (3) les insercions dels retrotransposons de seqüències no funcionals es donen més de pressa del que és capaç d'eliminar l'evolució. Totes aquestes són hipòtesis difícils d'investigar rigorosament a causa de les escales temporals a les que ocorren.

Funcions de l'ADN escombraries[modifica | modifica el codi]

  • Un estudi de la Universitat de Michigan del 2002 va mostrar segments de l'ADN escombraries anomenat elements LINE-1, que s'havien vist només com a restes d'un distant passat evolutiu i que podrien ser capaces de reparar seqüències trencades d'ADN.[16]
  • Un estudi de Cell Press del 2004 suggereix que més d'un terç dels genomes humà i de ratolí que prèviament s'havia pensat que eren no funcionals poden tenir el seu paper en la regulació de l'expressió genètica i la promoció de la diversitat genètica.[18]
  • En un article de BioEd Online es detalla que sembla crucial tot i no haver-se descobert encara cap funció.[19]
  • Un estudi de l'Institut Nacional de la Salut del 2005 va trobar que els comportaments socials dels rosegadors (i possiblement humans)[20] estaven afectats per codi genètic que s'havia prèviament pres com a escombraries.[21]
  • Un estudi del 2005 de la Universitat de Califòrnia-San Diego suggereix que l'ADN escombraries és molt important per a la supervivència evolutiva dels organismes."[22]
  • Troballes de la Universitat de Purdue del 2005 varen establir que diverses seqüències que prèviament s'havia cregut que no tenien cap funció poden jugar un paper en els comportaments especialitzats de les cèl·lules.[23]
  • Un estudi del 2006 de l'Institut de Genètica Mèdica McKusick-Nathans (Johns Hopkins) va publicar que "L'ADN escombraries podria no ser escombraries, al cap de vall."[24]
  • Investigadors de la Societat per a la Biologia Experimental de la Universitat d'Illinois varen trobar una proteïna anticongelant aparentment evolucionada a partir d'ADN escombraries.[25]
  • Una anàlisi matemàtica del codi genètic realitzat per IBM va suggerir que l'ARN escombraries podria tenir un paper important.[26]
  • El 2006, investigadors de la Universitat d'Iowa varen documentar segments d'ARN (anteriorment considerats escombraries) que regulaven la producció de proteïnes, i podrien regular microARN.[27]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. Gregory, T.R.; P.D.N. Hebert «The modulation of DNA content: proximate causes and ultimate consequences». Genome Research, 9, 1999, pàg. 317-324.
  2. Gregory, T.R. (2005). Animal Genome Size Database. http://www.genomesize.com.
  3. Wahls, W.P. [et al] «Hypervariable minisatellite DNA is a hotspot for homologous recombination in human cells». Cell, 60, 1, 1990, pàg. 95-103. PMID: 2295091.
  4. S. Blaise; N. de Parseval; T. Heidmann «Functional characterization of two newly identified Human Endogenous Retrovirus coding envelope genes». Retrovirology, 2, 19, 2005. DOI: 10.1186/1742-4690-2-19.
  5. P.L. Deininger, M.A. Batzer «Mammalian retroelements». Genome Res., 12, 10, October 2002, pàg. 1455-1465. PMID: 12368238.
  6. «Differential lineage-specific amplification of transposable elements is responsible for genome size variation in Gossypium». [Consulta: 15 juliol 2012]. «Doubling genome size without polyploidization: Dynamics of retrotransposition-driven genomic expansions in Oryza australiensis, a wild relative of rice». [Consulta: 15 juliol 2012].
  7. "... El grup d'investigació de la professora Christina Cheng de la Universitat d'Illinois ha trobat un nou gen que codifica per a una proteïna anticongelant que prové d'ADN no codificant amb freqüència referit com a ADN escombraries." http://www.sebiology.org.uk/Publications/pageview.asp?S=7&mid=&id=554
  8. Woolfe, A. [et al] «Highly conserved non-coding sequences are associated with vertebrate development». PLoS Biol, 3, 1, 2005, pàg. e7. DOI: 10.1371/journal.pbio.0030007. PMID: 15630479.
  9. Simons and Pellionisz. «Genomics, morphogenesis and biophysics: Triangulation of Purkinje cell development», 2006.
  10. «The central role of RNA regulation in human development and cognition - John Mattick». The University of Queensland. [Consulta: 3 gener 2016].
  11. 11,0 11,1 M.A. Nobrega, Y. Zhu, I. Plajzer-Frick, V. Afzal and E.M. Rubin «Megabase deletions of gene deserts result in viable mice». Nature, 431, 7011, 2004, pàg. 988-993. DOI: 10.1038/nature03022.
  12. Mouse Genome Sequencing Consortium «Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome». Nature, 420, 6915, desembre 2002, pàg. 520-562. DOI: 10.1038/nature01262.
  13. 13,0 13,1 G. Bejerano et al. "Ultraconserved Elements in the Human Genome". Science 304:1321-1325, May 2004. Discussed in "'Junk' DNA reveals vital role", Nature (2004).
  14. Woolfe, A. «Highly conserved non-coding sequences are associated with vertebrate development». PLoS Biol, 3, 1, 2005, pàg. e7. DOI: 10.1371/journal.pbio.0030007. PMID: 15630479.
  15. Sandelin, A. «Arrays of ultraconserved elements span the loci of key development genes in vertebrate genomes». BMC Genomics, 5, 1, desembre 2004, pàg. 99.
  16. «Parasite or partner? Study suggests new role for junk DNA». [Consulta: 15 juliol 2012].
  17. «“Junk DNA” Creates Novel Proteins». [Consulta: 15 juliol 2012].
  18. «'Junk' DNA may be very valuable to embryos». [Consulta: 15 juliol 2012].
  19. «Biology News: 'Junk' DNA reveals vital role». [Consulta: 15 juliol 2012].
  20. «Junk DNA shapes social behavior». [Consulta: 15 juliol 2012].
  21. «Rodent social behavior encoded in junk DNA». [Consulta: 15 juliol 2012].
  22. «UCSD Study Shows 'Junk' DNA Has Evolutionary Importance». [Consulta: 15 juliol 2012].
  23. «Molecular machine may lead to new drugs to combat human diseases». [Consulta: 15 juliol 2012].
  24. «Junk DNA may not be so junky after all». [Consulta: 15 juliol 2012].
  25. «Evolutionary scrap-heap challenge: Antifreeze fish make sense out of junk DNA». [Consulta: 15 juliol 2012].
  26. «BBC NEWS | Science/Nature | Salvage prospect for 'junk' DNA». [Consulta: 15 juliol 2012].
  27. «University of Iowa scientists explore function of 'junk DNA'». [Consulta: 15 juliol 2012].

Bibliografia relacionada[modifica | modifica el codi]

  • Gibbs W.W. (2003) "The unseen genome: gems among the junk", Scientific American, 289(5): 46-53. (Una revisió per a no especialistes sobre els descobriments relacionats amb la funció de l'ADN.)