ADN non codificante

En xenómica e disciplinas relacionadas, as secuencias de ADN non codificante son compoñentes do ADN dun organismo que non codifican secuencias de proteínas. Parte do ADN non codificante é transcrito en moléculas funcionais de ARN non codificante (por exemplo, ARNt, ARNr, e ARNs reguladores), mentres que outras non son transcritas ou dan lugar a transcritos de ARN sen función coñecida. Por tanto, que un ADN non codifique proteínas non quere dicir que non poida ter unha función biolóxica. Non obstante, a parte dese ADN aínda non se lle atopou unha función. A cantidade de ADN non codificante varía grandemente entre as especies. Por exemplo, un 98% do xenoma humano é ADN non codificante,^[2] mentres que só aproximadamente un 10-15% dun xenoma bacteriano típico é ADN non codificante.^[3]

A planta Utricularia gibba ten só un 3% de ADN non codificante,^[1] o que é un valor baixo para unha planta do grupo das anxiospermas.

Inicialmente, non se coñecía ningunha función para unha gran proporción do ADN non codificante e pensouse que probablemente unha boa parte del non a tería, polo que hai unhas décadas acuñouse o termo "ADN lixo" (junk DNA), que se popularizou bastante nos medios de comunicación e tamén se usou en publicacións científicas. Despois fóronse descubrindo funcións para unha parte dese ADN, polo que empezou a usarse cada vez máis o termo ADN non codificante. De todos os xeitos, desde hai tempo coñecíanse funcións realizadas por segmentos non codificantes, como as dos xenes de ARNs funcionais e as das orixes de replicación, centrómeros, e telómeros entre outros.

Non obstante, algunhas secuencias de ADN que forman unha porción significativa do noso xenoma seguen ser ter unha función coñecida para o organismo, como os retrovirus endóxenos. Entre as funcións que se sabe realizan os diversos tipos de secuencias de ADN non codificantes están: regulación da transcrición e tradución das secuencias que codifican proteínas, orixes de replicación do ADN, centrómeros, telómeros, rexións de unión do armazón (SARs), xenes de ARNs funcionais, e moitas outras. Sospéitase que algunhas outras secuencias non codificantes teñen probablemente funcións aínda non determinadas (o que se infire do seu alto nivel de semellanza na secuencia entre distintas especies).

A fracción funcional do ADN non codificante e en xeral a do xenoma humano foi discutida. O proxecto Enciclopedia de Elementos do ADN (ENCODE)^[4] sinalaba en 2012 que un 80% do ADN do xenoma humano "ten algún propósito, falando bioquimicamente".^[5] Non obstante, esta conclusión foi criticada por algúns científicos,^[6][7] e nun recente artigo afírmase que só o "8,2% do xenoma humano é probablemente funcional, e que só o 2,2% se mantivo restrinxido en humanos e ratos deste que estas especies diverxiron".^[8]

Como é difícil determinar se gran parte das rexións do xenoma son funcionais ou non funcionais, segue habendo moita controversia sobre que criterios se deberían usar para identificar ditas funcións. Moitos científicos que teñen unha visión evolutiva do xenoma prefiren criterios baseados na preservación das secuencias de ADN pola selección natural.^[9][10][11] Outros científicos discuten esta visión ou fan diferentes interpretacións dos datos.^[12][13][14]

Fracción de ADN xenómico non codificante

A cantidade tota de ADN xenómico varía amplamente entre organismos, e a proporción de ADN codificante e non codificante neses xenomas varía moito tamén. Máis do 98% do xenoma humano non codifica proteínas, e entre el se encontran a maioría das secuencias dentro dos intróns e a maioría do ADN interxénico.^[2]

Aínda que o tamaño do xenoma global, e por extensión a cantidade de ADN non codificante, están correlacionados coa complexidade do organismo, hai moitas excepcións. Por exemplo, o xenoma do organismo unicelular Polychaos dubium (antes chamado Amoeba dubia) contén máis de 200 veces a cantidade de ADN que teñen os humanos.^[15] O xenoma do peixe Takifugu rubripes é de só un oitavo do tamaño do xenoma humano, pero parece ter un número comparable de xenes; aproximadamente o 90% do xenoma do Takifugu é ADN non codificante.^[2] En 2013, descubriuse un novo "récord" de xenoma eficiente, o da planta Utricularia gibba, que tn só o 3% de ADN non codificante. Un dos descubridores, Victor Albert, declarou que "Polo menos nunha planta, o ADN lixo realmente é xusto lixo: non é necesario."^[1] A gran variación no tamaño do xenoma nuclear entre especies eucarióticas coñécese como o enigma do valor C ou paradoxo do valor C.^[16] A maioría da diferenza nos tamaños dos xenomas parece deberse ao ADN non codificante.

Un 80 % das nucleobases do xenoma humano pode transcribirse,^[17] pero a transcrición non implica necesariamente unha función.^[18]

Tipos de secuencias de ADN non codificante

Artigo principal: Secuencia non codificante conservada.

Xenes de ARN funcional non codificante

Véxase tamén: ARN interferente.

Os ARN non codificantes son moléculas de ARN funcionais que non son traducidos a proteínas. Exemplos de ARN non codificante son o ARN ribosómico, ARN transferente, ARN que interacciona con piwi e microARN.

Predícese que os microARNs controlan a actividade traducional de aproximadamente o 30% de todas os xenes codificantes de proteínas en mamíferos e poden ser compoñentes vitais na progresión ou no tratamento de varias doenzas incluíndo o cancro, enfermidades cardiovasculares, e a resposta do sistema inmunitario á infección.^[19]

Elementos reguladores en Cis e Trans

Os elementos reguladores en cis son secuencias que controlan a transcrición dun xene próximo. Os elementos en cis poden ser localizados nas rexións non traducidas 5' ou 3' (UTRs) dos xenes ou dentro dos intróns. Os elemento regulados en trans controlan a transcrición dun xene distante.

Os promotores facilitan a transcrición dun xene particular e están tipicamente augas arriba da rexión codificante. As secuencias amplificadoras pode tamén exercer efectos a distancia nos niveis de transcrición dos xenes.^[20]

Intróns

Os intróns son seccións non codificanes dun xene, que se transcriben nun ARNm precursor, pero que non se traducen, xa que son eliminados por medio do splicing durante o procesamento do ARN mensaxeiro inmaturo. Moitos intróns parecen ser elementos xenéticos móbiles.^[21]

Os estudos sobre os intróns do grupo I do protozoo Tetrahymena indicaban que algúns intróns parecen ser elementos xenéticos egoístas, neutros para o hóspede porque se eliminan eles mesmos dos exóns que os flanquean durante o procesamento do ARN e non producen un nesgo na expresión entre os alelos con ou sen o intrón.^[21] Algúns intróns parecen ter unha función biolóxica significativa, posiblemente por medio da funcionalidade de ribozima que pode regular a acividade do ARNt e ARNr e a expresión de xenes codificantes de proteínas, evidente en hóspedes que se converteron en dependentes deses intróns ao longo de grandes períodos de tempo; o trnL-intrón encóntrase en todas as plantas verdes e parece que foi herdado por transferencia vertical de xenes desde hai varios miles de millóns de anos, incluíndo máis de mil millóns de anos dentro dos cloroplastos e uns 2 ou 3 miles de millóns de anos adicionais antes nos antepasados cianobacterianos dos cloroplastos.^[21]

Pseudoxenes

Os pseudoxenes son secuencias de ADN, relacionadas con xenes coñecidos, que perderon a súa capacidade de codificar proteínas ou por algunha outra razón xa non poden expresarse na célula. Os pseudoxenes orixínanse por retrotransposición ou por duplicación xenómica dos xenes funcionais, e convertéronse en "fósiles xenómicos" que non son funcionais debido a mutacións que impiden a transcrición do xene, como as que ocorren na rexión promotora do xene, ou alteran fatalmente a tradución do xene, como cando orixinan un codón de parada prematuro ou un cambio na pauta de lectura.^[22] Os pseudoxenes que se orixinan por retrotransposición dun ARN intermediario denomínanse pseudoxenes procesados. Os pseudoxenes que xorden de restos xenómicos de xenes duplicados ou residuos de xenes inactivados son pseudoxenes non procesados.^[22]

Aínda que a lei de Dollo suxire que a perda de función nos pseudoxenes é probablemente permanente, os xenes silenciados poden en realidade conservar unha función durante varios millóns de anos e poden ser "reactivados" en secuencias codificantes de proteínas,^[23] e un número substancial de pseudoxenes son transcritos activamente.^[22][24] Como se cre que os pseudoxenes cambian sen restricións evolutivas, poden servir como un modelo útil do tipo e frecuencias de varias mutacións xenéticas espontáneas.^[25]

Secuencias repetidas, transposóns e elementos virais

Os transposóns e retrotransposóns son elementos xenéticos móbiles. As secuencias repetidas retrotransposóns, entre as que se inclúen os elementos nucleares intercalados longos (LINEs) e os elementos nucleares intercalados curtos (SINEs), supoñen unha gran proporción das secuencias xenómicas en moitas especies. As secuencias Alu, clasificadas como SINEs, son os elementos móbiles máis abondosos no xenoma humano. Algúns SINEs exercen un control transcricional sobre algúns xenes que codifican proteínas.^[26][27][28]

As secuencias de retrovirus endóxenos son o produto da transcrición inversa de xenomas de retrovirus inseridos nos xenomas de células xerminais. As mutacións nestas secuencias retrotranscritas poden inactivar o xenoma viral.^[29]

Un 8% do xenoma humano está constituído por secuencias de retrovirus endóxenos (a maioría deterioradas), e forman parte da fracción de case o 42% que deriva de retrotransposons recoñecibles, e hai outro 3% que pode identificarse como restos de transposóns de ADN. Gran parte da metade restante do xenoma para cuxa orixe actualmente non hai unha explicación, crese que tamén se debeu orixinar a partir de elementos de tipo transposón que eran activos hai moito tempo (> 200 millóns de anos) e que sufriron mutacións aleatorias que os fixeron irrecoñecibles.^[30] A variación dos tamaños dos xenomas en polo menos dous grupos de plantas é o resultado principalmente de secuencias de retrotransposóns.^[31][32]

Telómeros

Os telómeros son rexións de ADN repetitivo situadas nos extremos dos cromosomas, que proporcionan protección ante a deterioración dos cromosomas durante a replicación do ADN.

ADN lixo

O termo "ADN lixo" (junk DNA) popularizouse na década de 1960.^[33][34] Foi formalizado en 1972 por Susumu Ohno,^[35] quen sinalou que a carga mutacional das mutacións deletéreas situaba un límite máximo no número de loci funcionais que podía agardarse dada unha taxa de mutación típica. Ohno predixo que os xenomas de mamíferos non podían ter máis de 30.000 loci baixo selección antes de que o "custo" da carga mutacional causase unha inevitable diminución da eficacia biolóxica (fitness), e finalmente a extinción. Esta predición permanece firme hoxe, cando sabemos que o xenoma humano contén aproximadamente 20.000 xenes. Outra fonte para a teoría de Ohno foi a observación de que mesmo as especies que están estreitamente emparentadas poden ter tamaños de xenomas moi diferentes (en ordes de magnitude), o cal fora denominado paradoxo do valor C en 1971.^[36]

O ADN lixo segue sendo unha denominación para as porcións de secuenccias do xenoma para as cales non se identificou ningunha función discernible e que por análise xenómica comparada non parecen estar baixo ningunha restrición funcional, o que suxire que as propias secuencias non proporcionaron vantaxes adaptativas. Desde finais da década de 1970 fíxose aparente que a maioría do ADN non codificante en xenomas grandes ten a súa orixe na amplificación egoísta de elementos transpoñibles, sobre os cales W.Ford Doolittle e Carmen Sapienza en 1980 escribiron na revista Nature o seguinte: "Cando nun ADN dado, ou clase de ADNs, de función fenotípica non probada pode demostrarse que evolucionou unha estratexia (como a transposición) que asegura a súa supervivencia xenómica, entón non é necesaria ningunha outra explicación para a súa existencia."^[37] A cantidade de ADN lixo que pode esperarse depende da taxa de amplificación destes elementos e a taxa á que se perde o ADN non funcional.^[38] No mesmo número de Nature, Leslie Orgel e Francis Crick escribiron que o ADN lixo ten "pouca especificidade e supón pouca ou ningunha vantaxe selectiva para o organismo".^[39] O termo utílízase principalmente na divulgación científica, pero tamén nalgunhas publicacións científicas, e suxeriuse algunha vez que as connotacións do termo puideron facer que se atrasase o interese en estudar as funcións biolóxicas do ADN non codificante.^[40]

Varias liñas de evidencias indican que algunhas secuencias de "ADN lixo" probablemente teñen unha actividade funcional non identificada e que o proceso de exaptación de fragmentos de ADN orixinalmente non funcional ou egoísta foi algo bastante común no decurso da evolución.^[41] En 2012, o proxecto ENCODE, un programa de investigación do Instituto Nacional de Investigación do Xenoma Humano (National Human Genome Research Institute), informou que o 76% das secuencias de ADN non codificantes do xenoma humano eran transcritas e que case a metade do xenoma era dalgún modo accesible ás proteínas xenéticas reguladoras como os factores de transcrición.^[5] Porén, a suxestión feita polo ENCODE de que un 80% do xenoma humano é bioquimicamente funcional foi moi criticada por algúns científicos,^[6] que argumentan que nin a accesibilidade de segmentos do xenoma a factores de transcrición nin a súa transcrición garanten que eses segmentos teñan función bioquímica e que a súa transcrición sexa vantaxosa selectivamente.^[7][36][42] Nunha publicación de 2014 os líderes do proxecto ENCODE trataron de abordar "a cuestión de se as rexións non conservadas pero bioquimicamente activas son verdadeiramente funcionais". Admitiron que para "a maior proporción do xenoma con forza de sinal bioquímica reproducible pero baixa e menos conservación evolutiva [por exemplo o 70% da cobertura transcrita documentada] é todo un reto discernir entre funcións específicas e ruído biolóxico", e que a resolución dos ensaios realizados a miúdo é moito menos precisa que os sitios funcionais subxacentes, e que, por tanto, algunhas das secuencias que reproduciblemente son “bioquimicamente activas pero selectivamente neutras” é improbable que realicen funcións relevantes. Por outra parte, argumentaron que unha fracción entre o 12 e o 15% do ADN humano que está baixo restrición funcional, como se estimou por varios métodos extrapolativos, pode aínda ser unha subestimación.^[43]

Funcións do ADN non codificante

Moitas secuencias de ADN non codificante teñen importantes funcións biolóxicas como indican os estudos de xenómica comparada que atoparon algunhas rexións de ADN non codificante que están moi conservadas, ás veces en escalas de tempo de centos de millóns de anos, o que implica que estas rexións non codificantes están sometidas a unha forte presión evolutiva e selección positiva.^[44] Por exemplo, nos xenomas de humanos e ratos, que diverxiron dun devanceiro común hai entre 65 e 75 millóns de anos, as secuencias de ADN que codifican proteínas supoñen só un 20% do ADN conservado, e o restante 80% de ADN conservado corresponde a rexións non codificantes.^[45] Os mapas de ligamento a miúdo identifican rexións cromosómicas asociadas cunha doenza sen que haxa evidencias de variantes codificantes funcionais de xenes dentro desa rexión, o que indica que as variantes xenéticas causantes destas doenzas están situadas no ADN non codificante.^[45] O significado das mutacións no ADN non codificante no cancro foi explorado en 2013.^[46]

Algunhas secuencias específicas de ADN non codificante poden ser características esenciais da estrutura dos cromosomas, da función do centrómero e do recoñecemento de homólogos na meiose.^[47]

Segundo un estudo comparativo duns 300 xenomas procariotas e uns 30 eucariotas,^[48] os eucariotas parecen requirir un mínimo de cantidade de ADN non codificante. Esta cantidade mínima pode ser predita usando un modelo de crecemento para redes xenéticas reguladoras, o que supón que é necesario para as funcións reguladoras. En humanos o mínimo predito é dun 5% do xenoma total.

Hai probas de que unha proporción significativa (arredor do 10%) de 32 xenomas de mamíferos estudados poden funcionar por medio da formación de estruturas secundarias do ARN específicas.^[49] O estudo utilizou xenómica comparada para identificar as mutacións no ADN compensatorias que manteñen determinados apareamentos de bases no ARN, unha característica distintiva das moléculas de ARN. Un 80% das rexións xenómicas presentan probas evolutivas da conservación de estruturas dos ARN pero non presentan unha conservación de secuencias de ADN forte.

Protección do xenoma

Artigo principal: Mutación.

O ADN non codificante separa os xenes uns dous outros en longos intervalos, polo que a mutación nun xene ou parte dun cromosoma, por exemplo unha deleción ou inserción, non causa unha "mutación por cambio da pauta de lectura" en todo o cromosoma. Cando a complexidade do xenoma é relativamente alta, como no caso do xenoma humano, hai intervalos deste tipo non só entre diferentes xenes, senón tamén dentro dun mesmo xene, que se chaman intróns, que protexen ao segmento codificante enteiro para minimizar os cambios causados pola mutación.

Interruptores xenéticos

Algunhas secuencias non codificantes son "interruptores" xenéticos que regulan cando e onde se deben expresar os xenes.^[50]

Regulación da expresión xénica

Artigo principal: Regulación da expresión xénica.

Algunhas secuencias non codificantes determinan os niveis de expresión de varios xenes.^[51]

Sitios de factores de transcrición

Artigo principal: Factor de transcrición.

Algunhas secuencias de ADN non codificantes determinan o lugar onde se deben unir os factores de transcrición.^[51] Un factor de transcrición é unha proteína que se une a secuencias non codificantes específica, controlando dese modo o fluxo (ou transcrición) da información xenética desde o ADN ao ARNm. Os factores de transcrición actúan en moi diferentes localizacións nos xenomas de diferentes persoas.

Operadores

Artigo principal: Operador (xenética) .

Un operador é un segmento de ADN ao que se une unha molécula que actúa como represor. Un represor é unha proteína que se une ao ADN que regula a expresión dun ou máis xenes ao unirse á rexión operadora e bloquear a unión alí da ARN polimerase, o que impide a transcrición do xene. Este bloqueo da expresión denomínase represión.

Amplificadores

Artigo principal: Amplificador xenético.

Un amplificador (enhancer) é unha curta rexión do ADN á que se poden unir proteínas (factores que actúan en trans), parecidos a un conxunto de factores de transcrición, para amplificar os niveis de transcrición dos xenes nunha agrupación (cluster) de xenes.

Silenciadores

Artigo principal: Silenciador (ADN) .

Un silenciador é unha rexión de ADN que inactiva a expresión xénica cando se unen a el proteínas reguladoras. Funciona de xeito moi similar ao dos amplificadores, e diferénciase só na inactivación de xenes.

Promotores

Artigo principal: Promotor (bioloxía) .

un promotor é unha rexión do ADN que facilita a transcrición dun xene determinado. Os promotores están localizados tipicamente preto dos xenes que regulan.

Illadores

Artigo principal: Illador (xenética) .

Un illador xenético é un elemento delimitador, que desempeña dúas funcións na expresión xénica, xa que pode funcionar como un código bloqueador dos amplificadores, ou en casos menos frecuentes como unha barreira contra a cromatina condensada. Un illador nunha secuencia de ADN é comparable a un signo ortográfico como unha coma (,) nunha frase, porque o illador indica onde acaba unha secuencia amplificada ou reprimida.

Usos do ADN non codificante

ADN non codificante e evolución

As secuencias compartidas de ADN aparentemente non funcional son unha importante liña de probas da orixe común.^[52]

As secuencias de pseudoxenes parecen acumular mutacións máis rapidamente que as secuencias codificantes debido á perda de presión selectiva.^[25] Isto permite a creación de alelos mutantes que incorporan novas funcións que poden ser favorecidas pola selección natural; así, os pseudoxenes poden servir como materia prima para a evolución e poden considerarse "protoxenes".^[53]

Correlacións de rango longo

Atopouse unha distinción estatística entre as secuencas de ADN codificantes e as non codificantes. Observouse que os nucleótidos nas secuencias non codificantes mostran correlacións de rango longo (correlacións entre nucleótidos en distancias longas ao longo da cadea de ADN), mentres que as secuencias codificantes non.^[54][55][56]

Antropoloxía forense

A policía ás veces recolle como proba mostras de ADN para a identificación forense. A identificación da persoa faise analizando rexións de ADN non codificante, que é onde se atopan as rexións con repeticións que se analizan.