Evolucija

Šta je to nekodirajuća DNK?

    Kada je otkrivena priroda DNK molekula, i kada je otkriveno da se geni (tj. nasledni elementi) nalaze u okviru DNK, pretpostavka je bila da je sva DNK funkcionalna - tj. da svaki komad i slovo u genomu, sa možda malecnim izuzecima, nosi u sebi nekakvo značenje. Ovo sledi iz tadašnjeg razumevanja evolucije: pošto prirodna selekcija eliminiše nepotrebno ulaganje energije, za očekivanje bi bilo da se nepotrebni delovi genoma rapidno uklanjaju.

    Ovo očekivanje, međutim, je samo donekle tačno. Naime, tačno je da geni koji prestanu da budu upotrebljivi (tj. geni na koje više ne postoji selektivni pritisak) mutiraju i polako nestaju iz genoma. Evolucija, takođe, polako eliminiše velike regione unutar genoma koji se sastoje od neupotrebljive sekvence. Međutim, postoje dve osnovne sile (i gomila malih sporednih stvari) koje se protive ovom trendu u kraćim periodima vremena.

    Prvi je mejozna rekombinacija. Naime, u semenim ćelijama se odigrava proces u kome se dve kopije svakog hromozoma (jedan od majke i jedan od oca) postave paralelno jedan sa drugim, i onda se između njih razmene delovi DNK koji su dovoljno slični. Ovo je pravi razlog zbog koga uopšte i postoji seksualna reprodukcija - ovaj proces omogućava brže kombinovanje pozitivnih mutacija i povećava genetsku raznovrsnost vrste (povećavajući time otpornost prema bolestima i parazitima). Brisanja degenerisanih delova genoma mogu da ometu ovaj proces - recimo, ako je jedan hromozom izgubio veliki deo, čak iako je taj deo danas neupotrebljiv, ovo može da spreči mejoznu rekombinaciju sa hromozomom koji nije izgubio taj fragment, i da time minira proizvodnju semenih ćelija koje bi taj gubitak prenele u buduće generacije.

    Drugi su retrovirusi, koji proizvode retrotranspozone. O ovome govore drugi tekstovi na ovom sajtu, ali vredi ponoviti osnovu. Retrovirusi se integrišu u genom tako što prepoznaju dve sekvence, koje isecaju sa jednog mesta (zajedno sa bilo kakvom sekvencom koja se nalazi između ove dve signalne), i onda ubacuju to parče na neko drugo mesto. U toku infekcije, ovo dovodi do isecanja virusne DNK iz virusnog genoma, i integracije u genom domaćinske ćelije. No, pošto je gen za transpozazu, protein koji vrši ovo prebacivanje, sada takođe integrisan i aktivan u genomu domaćina, on nastavlja da povremeno iseca i prebacuje. Ako saberemo ovo sa čestim mutacijama koje dovode do duplikacije DNK koda, ovo dovodi do sve većeg i većeg broja kopija ove virusne sekvence.

    Zbog ovoga, kratkoročno (u evolucionom smislu - znači na nekoliko desetina ili stotina miliona godina) je moguća postepena akumulacija velike količine đubreta u genomu, koja se zatim ređe (ali u većim komadima) eliminiše.

    Bilo je potrebno nekoliko decenija rada i dokazivanja da bi naučnici prihvatili postojanje nefunkcionalne uopšte; konačni dokaz je bila eliminacija nekodirajuće DNK iz nekoliko vrsta (recimo, brisanje više stotina miliona baznih parova ovakve DNK iz genoma miševa) bez ikakvog efekta na njihov život ili sposobnosti. Pritom, svi su očekivali da makar neki delovi te naizgled nefunkcionalne DNK ipak imaju neku funkciju, i neke takve funkcije su zaista otkrivene.

    Najnovije od ovih istraživanja je takozvana ENCODE saradnja, u kojoj je grupa od preko četiri stotine naučnika uradila višegodišnju duboku analizu ljudskog genoma. Rezultati ove analize su u jesen 2012-te godine objavljeni u svim izvorima informisanja, i originalne studije (sa svim podacima) su besplatno dostupne preko Interneta. Ovo istraživanje je otkrilo više stotina hiljada novih genetskih kontrolnih elemenata, i dalo daleko čvršće cifre o sastavu ljudskog genoma. Konkretno:

    - Oko 42% ljudskog genoma je apsolutno transpozonsko đubre. Ovde nema govora o nekoj skrivenoj funkciji, nečemu što još ne razumemo, ili nekoj dalekoj mogućnosti da tu "ipak ima nečega". Za retrotranspozone čvrsto znamo da nemaju nikakvu biološku funkciju, i da predstavljaju ostatak davnih retrovirusnih infekcija. Recimo, oko 11% ljudskog genoma se sastoji od preko milion kopija jedne iste retrovirusne sekvence duge 300 baznih parova. Ove sekvence, zvane "Alu," i dan danas skakuću sa mesta na mesto, i povremeno dovode do oštećenja i genetskih bolesti.

    - Približno 10% ljudskog genoma čine procesirani pseudogeni. Radi se o duplikacijama postojećih gena koje su proizvedene kroz akciju transpozaza. Neki od ovakvih gena su verovatno funkcionalni, ali velika većina njih svakako nije. Možemo ovde reći sa visokim nivoom sigurnost da je od tih 10% maksimalno 1% uključen čak i u neke najbleđe funkcije (i to uz veliko preterivanje: do sada otkrivena funkcionalnost je oko 0,01%).

    - Dodatnih 20% ljudskog genoma (opet, veoma otprilike procenjeno) su neprocesirani pseudogeni. Ovde spadaju evolucioni ostaci, kao što su u drugim tekstovima pominjani geni za receptore mirisa, ili ostatak gena za proizvodnju vitamina C. Mi u našem genomu imamo nekoliko hiljada takvih polu-uništenih gena, koji polako i dalje mutiraju i propadaju. Opet, verovatno je da će se među ovim pseudogenima naći bar nekoliko koji su očuvali nekakvu biološku funkciju; ali danas možemo veoma sigurno reći da je od gornjih 20%, manje od 1% možda uključeno u bilo kakve funkcije, dok je ostalo potpuno nefunkcionalno (opet, ovde strahovito preterujemo: do sada je nađena funkcionalost za ukupno pet pseudogena, od više desetina hiljada).

    - Oko 24% genoma pada u najmanje definisanu grupu, koju čine druge nekodirajuće sekvence: introni, terminatori, UTR, i tome slično. Radi se o sekvencama koje ne proizvode rezultate direktno, ali mogu imati značaj za pravilnu kontrolu genetske aktivnosti. Recimo, 3' UTR regioni se nalaze ispred gena, i transkribuju se u RNK zajedno sa genom; u određenom malom broju slučajeva, oni naknadno kontrolišu transport RNK do mesta za lokalnu translaciju. Drugi primer su neki introni, koji mogu utiču na stabilnost mRNK, i time regulišu dozu određenog gena.
    Najveći nalaz ENCODE analize se odnosi upravo na ovu grupu. Po ENCODE rezultatima, 5% od ovih 24% su funkcionalni kontrolni prekidači, koji direktno kontrolišu aktivnost gena. Pritom, pošto tehnike kojima je ovaj rezultat dobijen teže da potcene broj aktivnih elemenata, moguće je da je ova cifra i znatno veća, čak možda i do 16%.

    - Oko 2% čine nekodirajuće RNK. Većina ljudi zna da se DNK transkribuje u RNK, a da se odatle prevodi (translacija) u proteinske sekvence. Nekodirajuće RNK se traskribuju na osnovu DNK, ali ne idu dalje - ne proizvode proteine.
    Deo ovih RNK predstavlja male dodatke za takozvane ribonukleoproteine, tj. proteine kojima je za funkciju neophodan mali komadić RNK sekvence. Pre oko deset godina je otkriveno da neke od ovih dodatnih RNK (zvane siRNK) regulišu nivoe aktivnosti određenih gena, i ućutkuju gene koji su aktivni na pogrešnom mestu ili u pogrešnom trenutku. Za većinu preostalih nekodirajućih RNK postoje neke opšte ideje o funkciji, što znači da možemo napisati jedno opšte pravilo: DNK koja se transkribuje u RNK skoro sigurno ima i biološku funkciju.

    - Na kraju, manje od 2% genoma čine sami geni, kojih kod čoveka ima oko 25000.

    Na čemu nas ovo ostavlja? Oko 9-10% ljudske DNK je sigurno funkcionalno. Ova cifra je verovatno veća, i može čak (u maksimalnom slučaju) biti čak i 20%. Ali ostatak ljudskog genoma, preostalih 80%, su akumulirani transpozoni i ostaci evolucije, đubre koga se ne možemo otarasiti - uglavnom zbog problema sa mejozom koji bi tako nastali.

Šta je sa otpadnom (džank) DNK?

    Kao što je objašnjeno u uvodu ovog teksta, postojanje nefunkcionalne DNK je bilo veliko iznenađenje za naučnike. Iako su ovi ostaci evolucije ubrzo nazvani "otpadna DNK" ("junk DNA"), od samog početka se očekivalo da se u okviru tog đubreta krije veliki broj nepoznatih funkcionalnih elemenata.
Na žalost, ubrzo se ustanovilo da je ovo očekivanje jako, jako teško objasniti javnosti - pre svega, novinarima koji pišu tekstove i izveštaje za sredstva javnog informisanja. Svaki put kada je u gomili nefunkcionalne DNK pronađen novi komadić koji poseduje funkciju, novine široms sveta bi brže-bolje objavile "pronađena funkcija za otpadnu DNK!" Ovo se događalo svakih par godina, svaki put izazivajući novu rundu rasprave i objašnjavanja.
    Otud, u poslednjih deset godina, naučnici sve više koriste izraz "nekodirajuća DNK." Pseudogeni se zovu pseudogeni, transpozoni transpozoni, i izbegava se pakovanje svih ovih elemenata u jedan paket, kao što je "otpadna DNK." Možemo da se nadamo (otvoreno pitanje je koliko uzaludno) da će korišćenje preciznije terminologije dovesti do boljeg razumevanja predmeta u javnosti.
    Ali za one koji insistiraju, cifre su nakon ENCODE analize ostale veoma blizu mestu na kome su i ranije bile, s tim što sada imamo tačnu liniju: minimalno 80% ljudskog genoma definitivno nema funkciju koja zavisi od sekvence, još 11% vverovatno nije funkcionalno ali može biti, i samo 9% definitivno ima funkciju.

Šta sa cifrom od "genom 80% funkcionalan" koja se pojavila u medijima?

    U pitanju je, na žalost, čist senzacionalizam. U slučaju genoma, možemo govoriti o dve vrste funkcionalnosti: genetskoj i biohemijskoj. Genetska funkcionalnost znači da je DNK sekvenca (red A,T,C,G "slova") važan za razvoj, opstanak i zdravlje organizma. Promena genetski funkcionalne DNK najčešće dovodi do negativnih posledica.
Biohemijska funkcionalnost znači da se za DNK vezuju proteini koji nešto rade. Kao što je objašnjeno u prethodnom tekstu, transpozoni su ostaci retrovirusa koji danas po principu slučajnosti skakuću po genomu; ali za ovo skakutanje je potrebno da gen transpozaze bude aktivan, i potrebno je vezivanje transpozaze za elemente koje ona prepoznaje. Prema tome, mnogi transpozoni - koji su potpuno genetski nefunkcionalni, i koji mogu čak biti i destruktivni za organizam - imaju biohemijsku aktivnost. Takođe, ugašeni i nefunkcionalni pseudogeni mogu i dalje imati promotere koji vezuju proteine (iako ti proteini zatim nemaju nikakvog efekta), što ih opet čini genetski nefunkcionalnim, ali biohemijski funkcionalnim.

    ENCODE kolaboracija je otkrila da je 9-10% genoma genetski funkcionalno, i da još oko dodatnih 9-10% može biti. Znači, maksimalna genetska funkcionalnost ljudskog genoma je između 9 i 20%. Ostalih 80-91% ljudskog genoma može mutirati, menjati se, ili čak biti izbrisano (dogod se to brisanje izvrši dovoljno polako da ne omete mejoznu rekombinaciju) bez posledica.
    Ali cifra od potvrđenih 9% je ista koja je i ranije postojala. Cifra od "možda čak i 20%" je uzbudljivija, ali sadrži reč "možda" - što znači, možda i ne. Da bi svoje nalaze učinili upečatljivijim, i da bi napravili dublji utisak na medije, predvodnici ENCODE projekta su zato publikovali cifru za biohemijsku funkcionalnost - koja je 80%. Iako je ta cifra samo tangencijalno biološki važna, ona izgleda upečatljivo kada se uporedi sa prethodno publikovanim ciframa.
    Naravno, niko u medijima nije ni pokušao da napravi distinkciju između biohemijske i genetske funkcionalnosti. Što je proizvelo jednu fantastičnu oluju dezinformacija. Mada će tekst možda postati repetitivan, važno je ovu situaciju obraditi tačku po tačku:

    - Ranije studije su pokazale da je oko 10% ljudskog genoma genetski funkcionalno, dok oko 90% većinom nije funkcionalno, mada delovi možda mogu imati neke nepoznate funkcije. U sredstvima javnog informisanja je ovo objavljeno kao "90% ljudskog genoma je otpadna DNK!"

    - Ranije studije su očekivale da je najveći deo ljudskog genoma biohemijski funkcionalan, ali niko nije znao koliki deo tačno. Pošto biohemijska funkcionalnost ne predstavlja posebno značajan podatak, a distinkciju između genetske i biohemijske funkcionalnosti nije lako objasniti, ovo nije diskutovano ili objavljivano u širim medijima.

    - Nova ENCODE studija je potvrdila prethodne rezultate i pokazala da je 9% ljudskog genoma genetski funkcionalno, a da možda čak i 20% može da ima neku genetsku funkciju. Sa još većom sigurnošću nego ranije, ENCODE studija je potvrdila da minimalno 80% genoma nije funkcionalno.

    - Nova ENCODE studija je takođe opet potvrdila prethodne rezultate, i pokazala da je najveći deo genoma zaista biohemijski funkcionalan, i sada je odredila tačno i koliki deo - oko 80%.

    Znači, imamo novu studiju koja potvrđuje prethodne. Ali kako je ovo objavljeno u medijima? Pa, novinari su uzeli novu cifru biohemijske funkcionalnosti (80%), i uporedili je sa starom cifrom genetske funkcionalnosti (10%)... i napisali silne tekstove kako je "teorija otpadne DNK oborena!" Drugim rečima, studija koja potvrđuje prethodne je u sredstvima javnog informisanja prikazana kao studija koja obara prethodne.
    Ovaj slučaj je još jedna lekcija naučnicima koliko je važno da se makar pokuša objašnjavanje kompleksnih pojmova široj javnosti - jer kada se stvari uproste da bi bile "lakše razumljive," jedino što dugoročno postižemo je da će zbunjenost biti veća kada se pojave novi rezultati koje treba uklopiti u opštu sliku.

 

[nazad na vrh strane] [nazad na tekst "Uvoda u evoluciju"]