ADN necodificator și secvențe repetitive

O mare parte din genom nu codifică direct secvența aminoacizilor unei proteine. Acest ADN necodificator include regiuni care controlează când și unde se exprimă genele, introni, secvențe repetate și alte tipuri de fragmente. Unele produc ARN-uri funcționale care nu devin proteine. Alte secvențe au efecte încă neclare sau pot fi rămășițe ale istoriei genomului. De aceea, este greșit atât să numim tot ADN-ul necodificator „inutil”, cât și să afirmăm că fiecare bază are o funcție dovedită.

O secvență amplificatoare poate influența transcrierea unei gene aflate la distanță pe aceeași moleculă de ADN. O mutație într-o astfel de regiune poate schimba cantitatea de proteină produsă fără să modifice secvența proteinei. Secvențele repetitive pot ajuta la structură sau pot favoriza uneori instabilitate, în funcție de tip și loc. Când interpretezi o variantă găsită prin secvențiere, întreabă dacă regiunea este codificatoare, reglatoare sau de alt tip și ce dovezi există pentru efectul ei. Lecțiile Reglajul genetic la eucariote, Elementele genetice mobile și Genomul uman dezvoltă rolurile și organizarea acestor secvențe.

Promotorii, secvențele amplificatoare și secvențele inhibitoare sunt exemple de secvențe reglatoare. Intronii sunt transcriși în precursorul ARN, apoi îndepărtați prin matisare în multe gene. Repetițiile tandem și elementele transpozabile ocupă fracțiuni importante ale genomului. Unele ARN-uri necodificatoare reglează expresia, iar multe regiuni rămân incomplet caracterizate. Funcționalitatea trebuie demonstrată experimental, nu dedusă din simpla conservare ori prezență.

O regiune promotoare nu codifică aminoacizi, dar influențează inițierea transcrierii genei vecine. Dacă o mutație reduce legarea factorilor de transcriere, cantitatea de ARN mesager poate scădea chiar când secvența proteinei rămâne neschimbată. Introni, secvențe reglatoare și ADN repetitiv au roluri diferite; „necodificator” descrie absența unui cod proteic, nu inutilitatea.

În genomul uman, de aproximativ $3,1\cdot 10^9$ perechi de baze, secvențele care codifică proteinele (exonii) reprezintă aproximativ 1,5%, pentru circa 20 000 de gene. Restul cuprinde introni, secvențe reglatoare și gene pentru ARN-uri funcționale (ARNr, ARNt, microARN, ARN-uri lungi necodificatoare ca XIST), precum și ADN repetitiv. Elementele transpozabile ocupă aproximativ 45% din genom: elementele LINE (aproximativ 20%) și SINE (aproximativ 13%), între care secvențele Alu (aproximativ 10% din genom, fiecare de circa 300 de perechi de baze). Repetițiile tandem includ microsateliții (unități de 1–6 nucleotide, folosite în identificarea persoanelor), minisateliții, telomerii (secvența TTAGGG, repetată la capetele cromozomilor) și ADN-ul satelit din centromere. Proiectul ENCODE (2012) a atribuit activitate biochimică unei mari părți a genomului, dar nu orice activitate biochimică înseamnă funcție, iar interpretarea este discutată.

Exemplu rezolvat 1: ce parte din genom codifică proteine? Genomul haploid are $3,1\cdot 10^9$ perechi de baze.

1. Regiunea codificatoare: $3,1\cdot 10^9\cdot 0,015\approx 4,7\cdot 10^7$ perechi de baze, adică aproximativ 47 de milioane.
2. Secvențele Alu: $3,1\cdot 10^9\cdot 0,10=3,1\cdot 10^8$ perechi de baze. Împărțite la 300 de perechi de baze pentru un element, rezultă aproximativ $10^6$ copii.
3. Concluzie: genomul conține de aproape șapte ori mai multe baze în elemente Alu decât în exonii genelor care codifică proteine.

Exemplu rezolvat 2: expansiunea repetițiilor în boala Huntington. Gena HTT conține repetiția CAG, care codifică aminoacidul glutamină.

1. Numărul de repetiții între 6 și 26 este normal; 27–35 este intermediar; 36–39 poate da boala cu penetranță redusă; 40 sau mai multe repetiții provoacă boala cu penetranță completă.
2. O persoană cu 42 de repetiții are $42\cdot 3=126$ de nucleotide de repetiție și 42 de glutamine consecutive în proteină; proteina mutantă formează agregate în neuroni.
3. La transmiterea de la tată, numărul de repetiții poate crește, iar boala apare mai devreme (anticipație).

Aplicație practică: microsateliții (repetiții în tandem de 1–6 nucleotide, de exemplu CA repetat) variază ca număr de repetiții de la o persoană la alta, de aceea profilul ADN folosit în medicina legală și în testele de paternitate se bazează pe un set de microsateliți, nu pe gene.

Greșeli frecvente

• Greșit: ADN necodificator înseamnă ADN fără funcție.
  Corect: Unele regiuni necodificatoare au roluri de reglare sau structură.
• Greșit: Orice secvență necodificatoare are deja o funcție cunoscută.
  Corect: Funcția multor secvențe rămâne necunoscută.
• Greșit: Dacă o secvență ADN este repetitivă, ea nu are nicio importanță.
  Corect: Repetițiile din telomeri și centromeri au roluri structurale, iar expansiunile unor repetiții (CAG în gena HTT) provoacă boli.

Înainte și după