Wie viel Junk-DNA ist in Ihrem Körper versteckt? Ihre Mission ist mysteriös.

Im Leben weiß jeder, was Müll ist. Bei der Erforschung der menschlichen Genetik sind sich die Forscher jedoch uneinig darüber, welche DNA Müll ist und ob es Müll-DNA gibt.

„Eines ist sicher: ‚Junk-DNA‘ ist definitiv kein Junk.“ Gu Chaojiang, Professor am Institut für Biomedizinische Wissenschaften der Wuhan University of Science and Technology, sagte, dass bei der Erforschung menschlicher Gene eine schrittweise Erkenntnis und Beurteilung stattfinde. „Zu wissen, was man weiß, und zu wissen, was man nicht weiß, ist Weisheit.“ Dasselbe gilt für die wissenschaftliche Erforschung. Seit langem tauchen in einem endlosen Strom Forschungsergebnisse zur „Junk-DNA“ auf, die sich gegenseitig sowohl stützen als auch widersprechen, wodurch das Geheimnis der „Junk-DNA“-Gene nach und nach gelüftet wird.

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Verständnis und Technologie der „Junk-DNA“ halten Schritt

Der Name „Junk-DNA“ ist eine direkte Übersetzung aus dem Englischen „Junk DNA“. Das Konzept wurde ursprünglich vom japanischen Genetiker Ohno Inui vorgeschlagen, um die DNA-Sequenzen im Genom zu beschreiben, die keine Proteine ​​kodieren können.

Gu Chaojiang führte aus, dass gemäß früheren Definitionen die Anzahl der für die Proteinkodierung in menschlichen Genen verantwortlichen Gene nur 40.000 beträgt, was lediglich 2 % des Genoms entspricht, und dass die anderen 98 % als „Junk-DNA“ klassifiziert werden.

Mit dem Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung bezieht sich „Junk-DNA“ heute auf Fragmente in der Genomsequenz, die keine codierende Funktion haben und weder RNA noch Protein erzeugen, einschließlich verschiedener Arten „nicht-codierender DNA“. Sie sind im menschlichen Genom in Form von repetitiven Sequenzen weit verbreitet und werden strukturell in verstreute repetitive Sequenzen, Tandem-repetitive Sequenzen und segmentale repetitive Sequenzen unterteilt. Je nach Anzahl der Wiederholungen können sie in mäßig repetitive Sequenzen und stark repetitive Sequenzen unterteilt werden.

Bereits 2003 wurde das Projekt ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements) ins Leben gerufen, an dem sich über 400 Wissenschaftler aus aller Welt beteiligten. Basierend auf der vom Humangenomprojekt erstellten Karte des menschlichen Genoms untersucht das Programm die Funktionsinformationen jedes Gens und erstellt einen Katalog biologisch funktioneller Gene. Die Forschungsergebnisse des Programms zeigen, dass 80 % des menschlichen Genoms bestimmte biochemische Funktionen haben.

Dan Grauer, Professor für Biologie und Biochemie an der Universität Houston, veröffentlichte in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Genome Biology and Evolution“ einen Artikel, in dem er erklärte, dass man mithilfe eines neuen Modells zur Zählung der funktionellen Gene im menschlichen Genom herausgefunden habe, dass funktionelle Gene höchstens 25 % ausmachten und die anderen Gene sogenannte „Junk-DNA“ seien, also nutzlose oder sogar schädliche DNA.

Gu Chaojiang ist davon überzeugt, dass diese Studie nicht nur die Schlussfolgerung von ENCODE „umstoßen“ wird, sondern auch dazu führen wird, dass sich wissenschaftliche Forscher wieder stärker auf die Erforschung des menschlichen Genoms konzentrieren.

Woher kommt angesichts des Fortschritts in Erkenntnis und Technologie die „Junk-DNA“?

Studien haben gezeigt, dass ein Teil der „Junk-DNA“ von Viren stammt und das menschliche Immunsystem regulieren kann. Die Forscher fanden heraus, dass eine Art „Junk-DNA“, sogenannte „transponierbare Elemente“, bei diesem Prozess eine wichtige Rolle spielt.

Transponierbare Elemente sind DNA-Fragmente, die sich im Genom bewegen können und offenbar Relikte von Krankheitserregern wie Viren oder Bakterien sind, die sich im Laufe von Millionen von Jahren entwickelt haben und in das menschliche Genom integriert wurden.

Gu Chaojiang führte aus, dass die Tandem-Wiederholungssequenzen, die 10 % des menschlichen Genoms ausmachen, hauptsächlich in den nicht-kodierenden Regionen verteilt sind, einige wenige befinden sich in den kodierenden Regionen. Die Tandem-Wiederholungssequenzen in der codierenden Region stehen im Zusammenhang mit der Funktion, und die Tandem-Wiederholungssequenzen in der nicht-codierenden Region sind größtenteils in der Spacer-DNA oder in den Introns verteilt. Die Wiederholungseinheit kann nur 2 BP oder mehrere Dutzend Basenpaare lang sein, und die Anzahl der Wiederholungen kann wenige oder mehrere Hundert Male betragen. Die unterschiedlichen Wiederholungszahlen wiederholter Sequenzen sind die Grundlage für die Entstehung des DNA-Längenpolymorphismus.

Gleichzeitig haben Studien auch gezeigt, dass „Junk-DNA“ aufgrund der asymmetrischen Chromosomenverteilung bevorzugt an die Nachkommen vererbt wird. Ein 2017 in Science veröffentlichter Artikel zeigte, dass die Ursache für „Junk-DNA“ die asymmetrische Verteilung der Chromosomen ist. Die Studie zeigte, dass die Zentromere der beiden Schwesterchromosomen während der weiblichen Meiose miteinander um die Vererbung konkurrieren und dass die Zentromer-Wiederholungssequenzen die am häufigsten vorkommende nicht-kodierende DNA im menschlichen Genom sind. Die „starken“ Zentromere mit mehr Wiederholungskopien und mehr Kinetochorproteinen werden bevorzugt an die Nachkommen vererbt.

Die funktionale Identifikation hat gerade erst begonnen

Die große Anzahl wiederholter DNA-Sequenzen in der „Junk-DNA“ kann spezielle DNA-Strukturen auf höherer Ebene bilden und dadurch die Aktivität benachbarter Gene regulieren. Einige spezielle Proteine ​​(Transkriptionsfaktoren), die das An- und Abschalten von Genen steuern, können nicht-kodierende „Junk-DNA“ in der Nähe von Genen gezielt erkennen und durch Interaktion mit ihnen an der Hemmung und Aktivierung von Genen teilnehmen.

Gu Chaojiang sagte, dass diese „Junk-DNA“ als „molekulare“ Schalter der Gene angesehen werden könne.

Kürzlich analysierten amerikanische Wissenschaftler 330 Exons aus dem Alu-Genom (hochrepetitive Sequenz) in 11 menschlichen Geweben und identifizierten viele Exons mit interessanten Expressions- und Funktionsmerkmalen. Alu ist ein primatenspezifisches Retrotransposon und die Produktion von Exons durch Alu kann zur Ausbildung der einzigartigen Merkmale von Primaten beitragen.

Es gibt auch Hinweise darauf, dass „Junk-DNA“ durch die Synthese regulatorischer RNA funktionieren kann. Sie können in kleine RNA-Moleküle transkribiert werden, die die Proteinexpression steuern können, wie beispielsweise der RNA-vermittelte Prozess der Gen-Stilllegung, der als RNA-Interferenz bezeichnet wird. Sie können auch die Genexpression aktivieren oder hemmen und so sehr komplexe physiologische Phänomene wie Zellteilung und -differenzierung unterstützen.

Gu Chaojiang führte aus, dass diese Methode, wenn sie in der Medizin eingesetzt wird, Krebsgene zum Schweigen bringen könne, was von großer Bedeutung sei. Andere Studien haben gezeigt, dass „Junk-DNA“ die Art und Weise verändern kann, wie Gene zusammengesetzt werden.

Zuvor hatten Forscher an der University of North Carolina in den USA entdeckt, dass kleine Fragmente genetischer Sequenzen in gewisser „Junk-DNA“ den Genen mitteilen, wie sie sich spleißen sollen, bzw. den Spleißvorgang verstärken oder hemmen, wodurch sich die Art und Weise ändert, wie Gene zusammengesetzt werden.

Noch wichtiger ist, dass „Junk-DNA“ das menschliche Leben in vielen Aspekten beeinträchtigt, darunter Erkrankungen des Immunsystems, das Auftreten von Tumoren, Erkrankungen des Nervensystems, die Entwicklung und sogar das Aussehen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts in Deutschland, der Universität Oxford in Großbritannien und anderer Institutionen haben entdeckt, dass hämatopoetische Stammzellen im Knochenmark nach einer Chemotherapie „Junk-DNA“ verwenden, um RNA-Moleküle zu transkribieren und so die Aktivierung zu steigern, frische Zellen zu produzieren und die Blutregeneration zu fördern.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass angesichts der rapiden Zunahme der Zahl der Menschen, die sich einer persönlichen Genomsequenzierung unterziehen, bei der Interpretation der Mutationen in ihren Genomen, insbesondere der Mutationen in den nicht-kodierenden Regionen, kürzlich fast 100 potenzielle „Auslöser“ für Brustkrebs und Prostatakrebs in den „Junk-DNA“-Regionen gefunden wurden, was darauf hindeutet, dass „Junk-DNA“ eine potenzielle Krebsquelle sein kann. Andere Forscher sagten, sie hätten nachgewiesen, unter welchen Umständen „Junk-DNA“ im Hodgkin-Lymphom aktiv bleiben und dadurch das Tumorwachstum beschleunigen kann.

Im Gegensatz zu dieser Ansicht haben Forscher der Universitäten Bath und Cambridge herausgefunden, dass „Junk-DNA“ zwischen den Genen in nicht-kodierende RNA transkribiert werden kann und dieser Prozess die Krebsentstehung der Zelle verhindern kann.

Darüber hinaus haben amerikanische Forscher eine neue bioinformatische Methode entwickelt, um De-novo-Tandem-Repeat-Mutationen (sogenannte De-novo-TR-Mutationen) anhand von Sequenzierungsdaten zu identifizieren und zu bestimmen und eine genomweite Charakterisierung von De-novo-TR-Mutationen bei Probanden mit ASD (Autismus-Spektrum-Störung) und nicht betroffenen Geschwistern durchzuführen. Wir stellten fest, dass bei ASD-Probanden eine große Anzahl von De-novo-TR-Mutationen im gesamten Genom vorhanden waren, in regulatorischen Regionen des fetalen Gehirns stärker angereichert waren und voraussichtlich einen größeren evolutionären Schaden anrichteten.

Weitere Rätsel müssen gelöst werden

Kürzlich wurde in einem Forschungsbericht in der internationalen Fachzeitschrift Neuron festgestellt, dass das Retrotransposon LINE-1, das als „Junk-DNA“ gilt, in hohen Konzentrationen im Gehirn von Schizophreniepatienten vorkommt und die Expression von Genen verändern kann, die mit Schizophrenie in Zusammenhang stehen. Daher spekulieren Forscher, dass es sich möglicherweise um die Hauptursache für Schizophrenie handelt.

Gleichzeitig wurde dieser Teil der „Junk-DNA“ zur Untersuchung unter die genetischen Faktoren gestellt, die Schizophrenie verursachen. Mithilfe einer Analyse des gesamten Genoms fanden die Forscher heraus, dass LINE-1 bei Schizophreniepatienten in Gene eingefügt werden kann, die mit der synaptischen Funktion in Zusammenhang stehen, und so deren normale Funktionen zerstören kann. Daher glauben sie, dass diese „Junk-DNA“ die Ursache für Schizophrenie sein könnte.

Gu Chaojiang stellte vor, dass ausländische Forschungsteams bei ihrer Forschung zu molekularen Entwicklungsmechanismen entdeckt hätten, dass während der Entwicklung aus „Junk-DNA“ transkribierte Mikro-RNA (miRNA) eine wichtige Rolle im Prozess der Zell- und Keimblattverteilung spiele. Mithilfe der Gensequenzierung der nächsten Generation und hochentwickelter Computeranalyse haben Forscher am Centenary Institute in Sydney herausgefunden, wie bestimmte weiße Blutkörperchen nicht-kodierende DNA verwenden, um die Aktivität einer Reihe von Genen zu regulieren, die Form und Funktion steuern.

Interessanterweise haben Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA entdeckt, dass es in der „Junk-DNA“ einige Sequenzfragmente gibt, die die Funktion von Gesichtsgenen wie Schalter oder Verstärker beeinträchtigen können. Ob die Augen groß oder klein sind, die Nase gerade ist oder nicht, die Form des Kopfes usw. – all dies hängt möglicherweise eng mit diesen als „Enhancer“ bezeichneten Sequenzfragmenten zusammen.

Schon ein einzelnes Blatt kann den nahenden Herbst verkünden und durch die Wolken ist der Nebel zu sehen. Welche weiteren Fragen zum Thema „Junk-DNA“ müssen beantwortet werden?

Gu Chaojiang sagte, dass mit dem Beginn des postgenomischen Zeitalters die Interpretation von „Junk-DNA“ von den Fortschritten in der Sequenzierungstechnologie profitiert habe. Die Sequenzierungstechnologien der zweiten und dritten Generation haben den Sequenzierungsdurchsatz erheblich verbessert und können die Sequenzierung von Hunderttausenden bis Millionen von DNA-Molekülen auf einmal durchführen, was die Tiefensequenzierung des Genoms und Transkriptoms einer Art bequem und einfach macht und technische Unterstützung für die Interpretation von „Junk-DNA“ bietet.

Da gegenwärtig immer mehr funktionale „Junk-DNA“ erkannt und identifiziert wird, wird es immer weniger tatsächliche „Junk-DNA“ geben.

Gu Chaojiang ist der Ansicht, dass wir in Zukunft die Funktionen großer Mengen repetitiver Sequenzen („Junk-DNA“) in den folgenden zehn Richtungen weiter gründlich analysieren sollten, nämlich Regulierung der DNA-Replikation, Regulierung der Transkription, Markierung von Stellen für die programmierte Neuanordnung genetischen Materials, Beeinflussung der normalen Faltung und Erhaltung der Chromosomen, Kontrolle der Interaktion zwischen Chromosomen und der Kernmembran, Kontrolle der RNA-Verarbeitung, -Bearbeitung und -Spleißen, Modulation der Translation, Regulierung der Embryonalentwicklung, DNA-Reparatur und Unterstützung bei der Bekämpfung von Krankheiten.

Gu Chaojiang sagte, dass Christopher Gruner von der Universität Montpellier in Frankreich, Christopher Grievelding von der Universität Gießen in Deutschland und andere vor nicht allzu langer Zeit einen Artikel in der Zeitschrift Genome Biology and Evolution veröffentlicht hätten, in dem sie erklärten, dass die Ära der „Junk-DNA“ vorbei sei. Gleichzeitig haben die Menschen mit der kontinuierlichen Entwicklung der Biowissenschaften allmählich erkannt, dass „Junk-DNA“ kein Junk mehr ist.

„Mit der Aktualisierung der Technologie und der Vertiefung der Forschung werden immer mehr funktionelle Sequenzen in der ‚Junk-DNA‘ erzeugt“, sagte Gu Chaojiang entschieden.

◎ Science and Technology Daily-Reporter Wu Chunxin und Korrespondent Cheng Yu

Quelle: Science and Technology Daily

Herausgeber: Zhang Qiqi

Rezension: Julie

Abschließende Rezension: Liu Haiying