ヒトのゲノムがフットボール競技場の長さにわたって伸びるひもであり、タンパク質をコードするすべての遺伝子が足元近くの端に集まっていると想像してみてください。 2 つの大きな一歩を踏み出します。すべてのタンパク質情報はあなたの後ろにあります.
ヒトゲノムの DNA には 30 億の塩基対がありますが、タンパク質をコードするのはそのうちの約 2% にすぎません。残りは無意味な肥大化のように見え、配列の重複やゲノムのデッドエンドが多く、「ジャンク DNA」と呼ばれることがよくあります。この驚くほど無駄のない遺伝物質の割り当ては、人間に限ったことではありません。多くの細菌でさえ、ゲノムの 20% をノンコーディング フィラーに費やしているようです。
非コード DNA とは何か、そしてそれが本当に価値のないジャンクなのかそれ以上のものなのかについては、いまだに多くの謎に包まれています。少なくともその一部は、生物学的に非常に重要であることが判明しています。しかし、その機能性 (または機能の欠如) の問題を超えて、研究者は、非コード DNA が細胞の遺伝資源および新しい遺伝子が進化できる苗床になり得ることを認識し始めています.
ブルネル大学ロンドンの遺伝学者であるクリスティーナ・シスは、「ゆっくり、ゆっくり、ゆっくりと、『ジャンク DNA』という用語は死に始めました」と述べています。
科学者たちは 1960 年代までさかのぼって「ジャンク DNA」という言葉をさりげなく言及していましたが、1972 年にこの用語をより正式に取り上げました。遺伝学者で進化生物学者である大野進氏がこの用語を使用して、大きなゲノムには多くのゲノムに受動的に蓄積された配列が必然的に含まれると主張しました。何千年もの間、タンパク質をコードしていませんでした。その後まもなく、研究者たちは、このがらくたがゲノムにどれほど豊富に存在するか、その起源がどれほど多様であるか、タンパク質の設計図が欠けているにもかかわらず、どれだけが RNA に転写されているかについての確固たる証拠を獲得しました。
特に過去 20 年間におけるシーケンシングの技術的進歩は、科学者がノンコーディング DNA と RNA についてどのように考えるかを大きく変えてきたと Sisu 氏は述べています。これらの非コード配列はタンパク質情報を保持していませんが、進化によってさまざまな末端に形成されることがあります。その結果、さまざまなクラスの「ジャンク」の機能が、機能を持っている限り、より明確になっています。
細胞は、非コード DNA の一部を使用して、さまざまな方法でタンパク質産生を調節または支援する RNA 分子の多様な動物群を作成します。これらの分子のカタログは拡大し続けており、小さな核 RNA、マイクロ RNA、小さな干渉 RNA などがあります。一部は短いセグメントで、通常は 2 ダース未満の塩基対の長さですが、桁違いに長いセグメントもあります。二本鎖として存在するものもあれば、ヘアピン ループで折り返されるものもあります。しかし、それらはすべて、メッセンジャー RNA 転写産物などの標的に選択的に結合して、タンパク質への翻訳を促進または阻害することができます。
これらの RNA は、生物の健康状態に大きな影響を与える可能性があります。たとえば、マウスで実験的に特定の microRNA をシャットダウンすると、振戦から肝機能障害に至るまでさまざまな障害が引き起こされます。
ヒトおよび他の多くの生物のゲノムにおける非コード DNA の最大のカテゴリーは、ゲノム内の位置を変えることができる DNA のセグメントであるトランスポゾンで構成されています。オーストラリアのクイーンズランド大学の遺伝学者であるセス・チーサムによると、これらの「飛び跳ねる遺伝子」は、ゲノム全体で自分自身の多くのコピー (時には数十万コピー) を作成する傾向があります。最も多産なのはレトロトランスポゾンで、ゲノムの別の場所で自分自身の RNA コピーを作成して DNA に戻すことで効率的に拡散します。ヒトゲノムの約半分はトランスポゾンで構成されています。一部のトウモロコシ植物では、その数値は約 90% に達します。
非コード DNA は、タンパク質をコードするエクソン配列を中断するイントロン配列で、ヒトや他の真核生物 (複雑な細胞を持つ生物) の遺伝子内にも現れます。遺伝子が転写されると、エクソン RNA は一緒にスプライシングされて mRNA になりますが、イントロン RNA の多くは破棄されます。しかし、イントロン RNA の一部は、タンパク質の産生に関与する小さな RNA に変わる可能性があります。真核生物がイントロンを持っている理由は未解決の問題ですが、研究者は、イントロンがエクソンを新しい組み合わせに再シャッフルしやすくすることで、遺伝子の進化を加速するのに役立つのではないかと考えています.
ゲノム内の非コード DNA の大きく可変的な部分は、さまざまな長さの高度に繰り返される配列で構成されています。たとえば、染色体の末端を覆うテロメアは、主にこれらで構成されています。反復は、染色体の完全性を維持するのに役立つようです (反復の喪失によるテロメアの短縮は老化に関連しています)。しかし、細胞内の反復の多くは既知の目的を果たしておらず、進化の過程で得られたり失われたりする可能性があり、悪影響はないように思われます.
最近、多くの科学者の興味をそそる非コード DNA の 1 つのカテゴリは、偽遺伝子です。これは通常、誤って複製され、その後突然変異によって分解された機能する遺伝子の残骸と見なされます。元の遺伝子の 1 つのコピーが機能している限り、自然淘汰は余分なコピーを無傷に保つ圧力をほとんどかけない.
壊れた遺伝子と同じように、偽遺伝子は典型的なゲノムジャンクのように見えるかもしれません。しかし、Cheetham は、一部の偽遺伝子はまったく「偽」ではない可能性があると警告しています。それらの多くは、認識された遺伝子の不完全なコピーであると推定され、機能しないという実験的証拠なしに偽遺伝子としてラベル付けされたと彼は言います.
偽遺伝子は、新しい機能を進化させることもできます。 「時々、コピー元の遺伝子の活動を実際に制御できることがあります」と Cheetham 氏は述べた。 Sisu は、PTENP1 という 2010 年の発見について次のように述べています。 偽遺伝子は、腫瘍の成長を制御する RNA が多くの研究者に偽遺伝子ジャンクをより詳しく調べるよう説得したため、第二の人生を発見しました。
動的な非コード配列は非常に多くのゲノム変化を生み出す可能性があるため、配列は新しい遺伝子の進化の原動力にもなり、その原料にもなります。研究者は、ERVW-1 でこの例を発見しました。 遺伝子は、旧世界のサル、類人猿、およびヒトの胎盤の発達に不可欠なタンパク質をコードしています。この遺伝子は、約 2500 万年前に祖先の霊長類のレトロウイルス感染から生じ、レトロトランスポゾンに乗って動物のゲノムに組み込まれました。レトロトランスポゾンは「基本的にこの要素を取り込み、ゲノムを飛び回り、実際にそれを人間の発達に非常に重要なものに変えました」と Cheetham は言いました。
しかし、この DNA のうち、細胞にとって有用な目的を果たさないという意味で、真の「がらくた」と見なされるのはどのくらいの量なのでしょうか?これは熱く議論されています。 2012 年、Encyclopedia of DNA Elements (Encode) 研究プロジェクトは、ヒトゲノムの約 80% が転写されているか、生化学的に活性であり、したがって機能している可能性があるという調査結果を発表しました。しかし、この結論は、生物学的有用性とは何の関係もない多くの理由で DNA が転写される可能性があることを指摘する科学者によって広く異議を唱えられました。
トロント大学の Alexander Palazzo と Guelph 大学の T. Ryan Gregory は、「真核生物のゲノムは、低レベルで転写されるジャンク DNA で満たされている」ことを強く示唆する、進化論的考察やゲノム サイズを含むいくつかの証拠を説明しています。 」ヒューストン大学のダン・グラウアは、突然変異のために、ヒトゲノムの4分の1未満が進化的に保存された機能を持つことができると主張しました.これらの考えは、例えば、トランスポゾンの「利己的な」活動が宿主の進化に影響を与える可能性があるという証拠と今でも一致しています.
Cheetham は、「ジャンク DNA」についてのドグマが、その説明に値するのはどの程度かという問題への調査を圧迫していると考えています。 「それは基本的に、機能があるかどうかを知ることさえ人々に思いとどまらせます」と彼は言いました。一方、シーケンシングやその他の方法が改善されたため、「私たちは非コード DNA と非コード RNA を理解する黄金時代に入っています」と、トロント大学の遺伝学者で、いくつかの遺伝子における配列の役割を研究している Zhaolei Zhang は述べています。
将来、研究者は非コード配列をジャンクと表現する傾向がますます少なくなる可能性があります。現在、それらを標識するためのより正確な方法が他にもたくさんあるためです. Sisu にとって、この分野で前進する最善の方法は、非コード DNA と RNA の異常性とそれらの生物学的重要性を評価する際に、心を開いておくことです。人々は「一歩下がって、ある人のゴミが別の人の宝物であることを認識する必要があります」と彼女は言いました.
