「ジャンク」DNA は、非コード DNA セグメントを指します。この「ジャンク」DNA は遺伝子発現の調節に重要な役割を果たすことがわかっているため、実際には誤称です。
デオキシリボ核酸 (DNA) は生命の万能薬です。タンパク質生産の取扱説明書のようなものです。このマニュアルの言語は、A、G、T、および C の 4 文字のみで構成されています。これらは、4 つのヌクレオチド塩基です:アデニン (A)、チミン (T)、グアニン (G)、およびシトシン (C)。長い DNA 鎖のこれら 4 文字または塩基対の組み合わせが遺伝子を構成します。遺伝子は、転写プロセスを介したタンパク質産生に必要な情報をコードする小さなストレッチ DNA です。これらのタンパク質は、生物の発生と生存に不可欠です。
DNA鎖はコイル状になって染色体を形成します。 (写真提供:Ody_Stocker/Shutterstock)
1990 年に、いくつかの研究所が力を合わせて、人間の DNA を構成する命令を解読しました。この共同作業は、ヒトゲノム計画 (HGP) として知られるようになりました。その完成後、2003 年 4 月、私たちはついに人間を構築するための自然の設計図を発見しました!
ヒトゲノムプロジェクトのタイムライン（写真提供：国立ヒトゲノム研究所/ウィキメディア・コモンズ）
ヒトゲノム計画の結果、科学者たちはついに私たちの DNA を数値化することができました。その結果、人間の細胞は、23 対の染色体に凝縮された、なんと 30 億塩基対の遺伝物質で構成されていることがわかりました。私たちの 20,000 から 25,000 の遺伝子のそれぞれは、およそ 1 億塩基対を占め、それぞれが独自の目的を果たすさまざまなタンパク質をコード化する役割を担っています。 全体のわずか 1 ～ 2% です。 タンパク質のゲノムコーディング。
残りの 98 ～ 99% はタンパク質をコードしておらず、適切に非コード DNA と名付けられました。タンパク質の生産は DNA の主な役割であると考えられていたため、この主要な DNA の塊は「ジャンク」DNA とも呼ばれていました。しかし、生命のレシピ本である DNA には、意味不明な内容でいっぱいのページがたくさんあるのはなぜでしょうか?
ジャンクまたは未発見?
タンパク質を作ることは、料理本のレシピに従うほど簡単ではありません. DNAが転写と呼ばれるプロセスを経ると、タンパク質が形成されます。タンパク質を作る酵素は DNA を読み取ることができないため、これが必要です。 DNA にコード化された情報は、メッセンジャー RNA (mRNA) と呼ばれる新しい分子にコピーされます。 DNA と同様に、mRNA にも 4 つのヌクレオチド塩基がありますが、チミン (T) はウラシル (U) に置き換えられています。もう 1 つの違いは、mRNA が一本鎖分子であることです。
DNA と RNA (写真提供:ShadeDesign/Shutterstock)
転写中に、mRNA は切り刻まれ、再結合されます。これは RNA スプライシングとして知られています。これは、遺伝子のセクションが「タンパク質の意味」を持たないために行われます。これらはイントロンと呼ばれます。 RNA スプライシング中に、これらのビットは切り取られて破棄されます。これらの断片は転写で失われたと言えます!
mRNAスプライシングのメカニズム (写真提供:Udayadaithya MV)/Shutterstock)
これらの破棄された非コーディング セグメントは、何十年も科学者を困惑させてきました。イントロンは、遺伝子間のナンセンスな文字化けでした。明らかな目的がないため、多くの科学者はそれは無価値だと考えていました。 1972 年、遺伝学者の大野進は、この DNA 廃棄物をキャッチーに説明するために「ジャンク DNA」という用語を作り出しました。生物の生存には何の貢献もせず、自分自身のためだけに存在しているように見えるため、「利己的なDNA」と呼ばれることもありました。
遺伝子発現のセントラル ドグマ (写真提供:udaix/Shutterstock)
しかし、何人かの科学者は、これらの大きな DNA の塊を「役に立たない」と急いで分類すべきではないと考えていました。この記事を読んでいて、英語の単語を 10 語しか知らなかったとしたら、この記事にある 10 語以外はすべてナンセンスだと思いますか?同様に、科学者たちは、このいわゆる「ジャンク」DNA の機能はまだ発見されていないと信じていました。
「ジャンク」DNA の機能は何ですか?
研究者たちは、ヒトゲノムを他の動物のゲノムの膨大なデータベースと比較することにしました。この手法は、比較ゲノミクスとして知られています。彼らは、ジャンク DNA の一部のセクションが何千年もの間変化していないことを発見してショックを受けました。保存されたセクションは、非コード DNA が何らかの形で生物の生存に不可欠であることを示しました。したがって、このセクションの突然変異が有害であることが証明された可能性があるため、進化を通じて「積極的に選択」されました。
たとえば、約 6500 万から 7500 万年前、マウスと人間は共通の祖先から分岐しました。研究者は、保存されているすべての DNA のうち、タンパク質をコードしているのはわずか 20% であることを発見しました。保存された DNA の大部分は、実際にはゲノムの非コード部分に見られました。
しかし、ジャンク DNA の「役に立たない」という棺桶の最後の釘は、Encyclopedia Of DNA Elements または ENCODE に付属しています。 ENCODE は、ヒトゲノム プロジェクトの完了後に 2003 年に開始され、国立ヒトゲノム研究所 (NHGRI) が後援する大規模なマルチラボ プロジェクトでした。ヒトゲノム計画が人間の存在の青写真を解釈しようとしたのに対し、ENCODE はこれらの青写真のどのセクションが実際に有用なのかを解明しようとしました。
HGP は DNA 配列決定を使用してヒトゲノムを解読しましたが、ENCODE プロジェクトは、RNA 配列決定を通じて RNA などの他の要素に注目し、化学物質またはそれに結合するタンパク質によって表面的に変換される可能性のある DNA 領域を特定しました。このプロジェクトは、特定の DNA セグメントの化学的活性が、その可能な機能についてのヒントを提供する可能性があることを示唆しています。
遺伝子は、最終的に細胞機能を実行するタンパク質を生成するために必要な情報を運ぶことを思い出してください。特定の遺伝子が最終的に生成するタンパク質の量は、その遺伝子発現によって決定されます。遺伝子発現とは、遺伝子内のコード化された情報を使用して、タンパク質の組み立てを指示する能力です。
特定のタンパク質、転写因子、または化学物質が DNA に結合し、いつ、どのように遺伝子が発現するかが変化します。 「ジャンク」DNA の一部には、遺伝子がいつ、どのように活性化および非活性化されるかを決定する遺伝子を制御する DNA の一部が含まれていることがわかっています。また、転写を調節できる転写因子の結合部位としても機能します。非コード DNA の一部である調節エレメントには、次のようないくつかのタイプがあります。
- プロモーター:遺伝子が電球の場合、プロモーター配列はそのスイッチです。プロモーターは、転写プロセスを開始するために必要なタンパク質の結合部位を提供します。転写機構を「オン」または「オフ」に切り替えることができます。遺伝子は、プロモーターなしではタンパク質を生産できません。コード遺伝子配列の直前に位置しています。
プロモーターの作用機序
- エンハンサー:転写の活性化を助けるタンパク質は、エンハンサー配列に結合します。エンハンサーの機能は、化学反応における触媒のようなものです。転写はエンハンサー配列がなくても起こりますが、エンハンサー配列があるとより効率的です。これらのエンハンサーは、遺伝子配列のいずれかの端または遠くにある可能性があります。
エンハンサーの作用機序
- サイレンサー:エンハンサーとは対照的に、サイレンサーは転写を抑制するタンパク質を結合させます。それらは、過剰なタンパク質をもたらす遺伝子の過剰発現を防ぎます。エンハンサーと同様に、遺伝子配列からさまざまな距離で見つけることができます。
サイレンサーの作用メカニズム
エンハンサーとサイレンサーが一緒になって、ファンのレギュレーターのように機能します。ファンの速度を制御する代わりに、遺伝子発現のレベルを制御します。エンハンサーへのタンパク質の結合は、ノブを全速力で回すようなものですが、サイレンサーへの結合は「ファン」を停止させます.
これらは、非コード DNA の「機能」のほんの一例です。では、非コード DNA は機能的な DNA 配列なのでしょうか?
「機能的」DNA配列は、遺伝子発現、つまり特定の遺伝子配列によって産生されるタンパク質の量を制御できるものです。各細胞タイプを独特なものにするのは、このタンパク質組成の変化です。したがって、各細胞は同じゲノムと DNA で構成されているため、細胞が皮膚細胞、免疫細胞、ニューロンなどであるかどうかを決定するのは遺伝子発現レベルです。
ENCODE コンソーシアムは、固有の変動性を説明するために、さまざまな細胞型でこれらの手法を実行しました。したがって、この「機能的」の定義によれば、「ジャンク」DNA は間違いなく遺伝子発現に影響を与える役割を果たします。 ENCODE プロジェクトの結果は、ゲノムの神秘的な非コード部分について、私たちがどれほど知らなかったかを明らかにしました。
2012 年、ENCODE コンソーシアムの取り組みにより、ゲノム塩基の 80% 以上が生化学的活性を示していることが明らかになりました。したがって、遺伝子を構成する DNA の 1% をはるかに超える生物学的機能が確かに存在していました。このプロジェクトは、これまで同定されていなかったシグナルとスイッチの驚くべきコレクションが、人間の DNA の全長にわたってタトゥーのように埋め込まれていることを明らかにしました。
結論
ENCODE コンソーシアムが結果を発表して以来、科学者は非コード DNA 配列をさまざまな生物学的プロセスや人間の病気に関連付けてきました。研究者は、これらのシーケンスが子宮だけでなく、反対側の親指の発達の根底にあると仮定しています! Oncogene に掲載された論文は、DNA の非コード セグメントが遺伝子発現を調節し、最終的に前立腺がんと乳がんのリスクに影響を与えることも示しています。したがって、いわゆるジャンク DNA の全機能を解明することは、集中的な研究分野となっています。
ただし、ENCODE の「機能的」の意味については、激しく議論されていることに注意することが重要です。多くの科学者は、ENCODE プロジェクトの結果は誤解を招き、非常に過大評価されていると言っています。彼らは、タンパク質が単に DNA に結合したり、化学変化を起こしたりするだけでは、その配列が意味のある役割を果たしているとは限らないと述べています。体内では、いくつかの DNA タンパク質結合イベントはランダムで取るに足らないものであることが多く、コンソーシアムが発表した結果に疑問の影を落としています。
これらの正当な批判を念頭に置いて、非コード DNA の機能的能力を定量化するには、さらに多くの調査研究が必要です。しかし、「ジャンク」DNA が実際にはまったくジャンクではないという事実は否定できません!
