Itsekäs DNA – määritelmä ja vaikutukset genomissa
Itsekäs DNA – määritelmä ja vaikutukset genomissa: miten itsekkäät sekvenssit leviävät, muokkaavat evoluutiota ja vaikuttavat perimän toimintaan.
Itsekäs DNA on termi DNA-sekvensseille, joilla on kaksi erilaista ominaisuutta:
- DNA-sekvenssi leviää muodostamalla uusia kopioita itsestään genomissa; ja
- se ei vaikuta erityisesti isäntäorganisminsa lisääntymismenestykseen. (Sillä voi olla merkittäviä kielteisiä vaikutuksia.)
Richard Dawkins esitti vuonna 1976 ilmestyneessä kirjassaan The Selfish Gene (Itsekäs geeni) ajatuksen itsekkäästä DNA:sta, kun eukaryoottien genomeista löydettiin koodaamatonta DNA:ta. Vuonna 1980 Nature-lehdessä julkaistiin kaksi artikkelia, joissa käsitettä laajennettiin ja käsiteltiin. Toisen artikkelin mukaan:
Luonnonvalinnan teoria, sen yleisempi muotoilu, käsittelee monistuvien yksiköiden välistä kilpailua. Se osoittaa, että tällaisessa kilpailussa tehokkaampien replikaattoreiden määrä kasvaa vähemmän tehokkaiden kilpailijoidensa kustannuksella. Riittävän ajan kuluttua vain tehokkaimmat replikaattorit jäävät eloon.
Normaalia geneettisesti toimivaa DNA:ta voitaisiin pitää "replikoivina kokonaisuuksina", jotka vaikuttavat replikaatioonsa manipuloimalla solua, jota ne hallitsevat. Sitä vastoin itsekkäät DNA:n yksiköt voivat hyödyntää solun olemassa olevia mekanismeja ja lisääntyä vaikuttamatta organismin kuntoon muilta osin.
Itsekkään DNA:n ja geneettisesti toimivan DNA:n käsitteiden välillä ei ole jyrkkää rajaa. Usein on myös vaikea nähdä, onko koodaamattoman DNA:n yksikkö toiminnallisesti tärkeä vai ei, tai jos on, niin millä tavalla. Lisäksi ei ole aina helppoa erottaa toisistaan joitakin itsekkään DNA:n tapauksia ja joitakin virustyyppejä.
Miten itsekkäät DNA-elementit toimivat
Itsekäs DNA leviää genomissa kahdella perusperiaatteella:
- Copy-and-paste – elementti monistetaan ensin RNA-välivaiheen kautta, jonka jälkeen kopio palautetaan DNA:ksi (retrotransposonit). Tämä kasvattaa elementin lukumäärää ilman, että alkuperäinen kopio katoaa.
- Cut-and-paste – elementti irtoaa yhdestä kohdasta ja siirtyy toiseen (DNA-transposonit). Tämä ei aina lisää kokonaismäärää, mutta voi levittää elementin eri paikkoihin genomissa.
Monilla itsekkäillä elementeillä on omia entsyymejä, kuten transposaaseja tai reverse-transkriptaseja, jotka mahdollistavat näiden prosessien toteutumisen. Joissain tapauksissa elementit käyttävät isäntäsolun koneistoa.
Typit ja esimerkit
- Retrotransposonit (LTR- ja non-LTR-tyypit) – mm. LINE- ja SINE-elementit. Ihmisgenomissa esiintyy paljon LINE-1- ja Alu-elementtejä.
- DNA-transposonit – liikkuvia jaksoja, jotka siirtyvät "leikkaa ja liitä" -mekanismilla.
- Endogeeniset retrovirukset (ERV) – entisistä viruksista peräisin olevia sekvenssejä, jotka ovat integroitu pysyvästi isäntägenomiin.
- Tandem- ja satelliittirepeatit – lyhyitä toistuvia sekvenssejä, jotka voivat kasvaa ja levitä esimerkiksi kromosomien sentromeerialueilla.
Vaikutukset genomissa ja isäntäorganismissa
Itsekäs DNA voi vaikuttaa isäntään monin tavoin:
- Negatiiviset vaikutukset: insertionaalinen mutaatio voi rikkoa geenejä tai säätelyalueita, aiheuttaen tauteja tai heikentäen lisääntymiskykyä; toistuvat elementit voivat edistää kromosomien uudellejärjestelyjä ja genomisen epävakauden lisääntymistä.
- Neutraali kertyminen: monet elementit eivät vaikuta näkyvästi isännän kuntoon ja voivat kasaantua ilman voimakasta poissulkevaa valintaa, erityisesti lajeilla, joilla on pieni tehokas populaatiokoko.
- Mahdolliset hyödyt (eksaptaatio): jotkin itsekkäät elementit ovat myöhemmin saaneet uuden toiminnon isännän hyväksi – ne voivat muodostaa transkriptiokäynnistimiä, säätelyalueita tai vaikuttaa kromatin rakenteeseen ja siten mahdollistaa evolutiivisia innovaatioita.
Ihmisesimerkit ja lääketieteellinen merkitys
Ihmisen genomissa noin puolet muodostuu toistuvista elementeistä, joista suuri osa on retrotransposoneita ja ERV:iä. Useita sairaustapauksia on liitetty elementtien siirtymisiin, ja jotkin syövät assosioituvat aktivoituneisiin transposoneihin. Toisaalta esimerkiksi plasentassa joidenkin endogeenisten retrovirusten proteiinit toimivat solujen fuusiota edistävästi ja ovat tärkeitä istukan muodostuksessa.
Isännän puolustus ja kontrollimekanismit
Eläimet ja kasvit ovat kehittäneet keinoja hillitä itsekkäiden elementtien leviämistä, kuten:
- DNA-metylaatio ja histonimuutokset, jotka hiljentävät elementtien transkriptiota;
- pieniä RNA-molekyylejä (esim. piRNA), jotka ohjaavat elementtien tukahduttamista;
- DNA:n korjaus- ja replikointimekanismit, jotka rajoittavat haitallisia insertoitumisia.
Evolutiivinen näkökulma
Itsekkään DNA:n menestys riippuu sekä sen omista leviämismekanismeista että populaatiogenetiikasta: lajeissa, joissa satunnainen genetiikka eli geneettinen ajautuminen on voimakasta (pieni tehokas populaatio), haitalliset elementit voivat jäädä vähemmän tehokkaasti pois. Toisaalta pitkällä aikavälillä osa elementeistä voi integroitua isännän genomiseen toimintaan ja antaa aineksen uusille ominaisuuksille.
Tutkimus ja tunnistus
Itsekästä DNA:ta tutkitaan genomisekvenssien vertailun, bioinformatiikan ja funktionaalisten kokeiden avulla. Työkaluja ovat esimerkiksi toistuvien sekvenssien tunnistukseen tarkoitetut ohjelmistot ja geenimuokkaustekniikat, joilla voidaan testata elementtien vaikutuksia.
Yhteenveto
Itsekäs DNA on keskeinen osa monien organismien genomia. Se havainnollistaa, että genomit eivät ole pelkästään organismia hyödyttävien geenien kokoelmia, vaan niissä elää myös yksikköjä, jotka menestyvät ensisijaisesti omalla replikaatiokyvyllään. Vaikka monet itsekkäät elementit ovat neutraaleja tai haitallisia, ne ovat myös merkittävä voima genomien rakenteen, kokojen ja evoluution muokkaajana.
Idean historia
Ajatus siitä, että jotkin geneettiset elementit eivät ehkä ole hyödyllisiä organismille, ei ole uusi. Vuonna 1928 venäläinen geneetikko raportoi X-kromosomista Drosophila obscurassa. Hän väitti, että siitä johtuva naaraiden sukupuolisuhde saattaisi ajaa populaation sukupuuttoon.
Vuonna 1941 esitettiin ensimmäisen kerran, että molemmilta vanhemmilta normaalisti periytyvien ydingeenien ja yhdeltä vanhemmalta (naaraalta) periytyvien mitokondriaalisten geenien välillä saattaa olla ristiriita. Se voisi johtaa kasveissa sytoplasmaattiseen urospuoliseen steriiliyteen.
Samoihin aikoihin raportoitiin useista muista esimerkeistä itsekkäistä geneettisistä elementeistä. Esimerkiksi eräs maissigeenikko kuvasi, miten kromosomitupot johtivat naaraspuoliseen meioottiseen ajoon maississa. Meioottinen ajo tarkoittaa sitä, että geenin yksi kopio siirtyy jälkeläisille odotettua useammin eli 50 prosenttia ajasta.
Ruotsalainen kasvitieteilijä ja sytogeneetikko Gunnar Östergren havaitsi vuonna 1945, miten kromosomit voivat levitä populaatiossa oman "loismaisen" luonteensa vuoksi. Keskustellessaan B-kromosomeista kasveissa hän kirjoitti: "Monissa tapauksissa näillä kromosomeilla ei ole mitään hyödyllistä tehtävää niitä kantavalle lajille, vaan ne elävät usein yksinomaan loismaista elämää ... [B-kromosomien] ei tarvitse olla kasveille hyödyllisiä. Niiden tarvitsee olla hyödyllisiä vain itselleen." - Gunnar Östergren.
Sitten 1950-luvun alussa Barbara McClintock julkaisi sarjan artikkeleita, joissa kuvattiin "siirrettävien elementtien" olemassaoloa. Nämä ovat menestyneimpiä itsekkäitä geneettisiä elementtejä. Siirrettävien elementtien löytäminen johti siihen, että hänelle myönnettiin lääketieteen tai fysiologian Nobel-palkinto vuonna 1983.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on itsekäs DNA?
A: Itsekäs DNA on termi DNA-sekvensseille, joilla on kaksi ominaisuutta: kyky levitä muodostamalla lisää kopioita itsestään perimässä ja se, ettei se auta isäntäorganisminsa lisääntymismenestystä.
K: Kuka ehdotti ensimmäisenä ajatusta itsekkäästä DNA:sta?
V: Richard Dawkins esitti ensimmäisenä ajatuksen itsekkäästä DNA:sta kirjassaan The Selfish Gene (Itsekäs geeni) vuodelta 1976.
K: Miten Orgel ja Crick laajensivat tätä käsitettä?
V: Orgel ja Crick laajensivat tätä käsitettä Nature-lehdessä vuonna 1980 julkaistussa artikkelissa, jossa he käsittelivät sitä, miten luonnonvalinta toimii toistensa kanssa kilpailevien monistuvien yksiköiden kanssa. He väittivät, että tehokkaammat replikaattorit lisääntyvät ajan mittaan vähemmän tehokkaiden kilpailijoiden kustannuksella.
Kysymys: Miten normaali geneettisesti toimiva DNA replikoituu?
V: Normaali geneettisesti toimiva DNA monistuu manipuloimalla solua, jota se hallitsee.
K: Mitä yhtäläisyyksiä on itsekkään DNA:n ja virusten välillä?
V: Joitakin itsekkään DNA:n ja joidenkin virustyyppien välisiä eroja voi olla vaikea erottaa toisistaan, koska niillä on yhteisiä ominaisuuksia, kuten kyky hyödyntää solun olemassa olevia mekanismeja lisääntyäkseen vaikuttamatta solun kuntoon.
K: Onko itsekkään DNA:n ja geneettisesti toimivan DNA:n välillä selkeä raja?
V: Ei, näiden kahden käsitteen välillä ei ole selvää rajaa, koska voi olla vaikeaa määrittää, onko koodaamattoman DNA:n yksikkö toiminnallisesti tärkeä vai ei, tai jos se on tärkeä, millä tavoin se vaikuttaa organismin kuntoon.
K: Mitä havaittiin, kun ei-koodaavaa DNA:ta tutkittiin?
V: Kun ei-koodaavia DNA:ta tutkittiin, havaittiin, että niillä oli kaksi ominaisuutta: ne saattoivat levitä muodostamalla lisää kopioita itsestään genomissa, mutta ne eivät auttaneet organismin lisääntymismenestystä.
Etsiä