DNA sekvence proteinotvorné a neproteinotvorné

DNA je u člověka proteinotvorná pouze z velmi malé části své délky. Jako gen označujeme úsek DNA, který kóduje vznik konečného produktu. Tím může být protein (vzniklý z mRNA) nebo RNA, která se do proteinu nepřepisuje (tRNA, rRNA a podobně). Tento článek bude dále mluvit pouze o vzniku proteinů.

Zde je třeba rozlišit pojmy proteinotvorný a kódující. Již bylo zjištěno, že velká část „neproteinotvorného genomu“ se přepisuje do RNA a kromě tvorby konečných tRNA a rRNA může interagovat s molekulami mRNA (siRNA, miRNA a jim podobné interakce), tím pádem asi i jistým způsobem zasáhnout do tvorby proteinů.

Gen obsahuje ve své transkribované části oblasti přímo kódující pořadí aminokyselin proteinu (exony) i oblasti nekódující (introny) a nepřepisované oblasti na 3' konci (polyadenylační signál) a 5' konci (promotor). Navíc expresi genu mohou ovlivňovat vzdálené sekvence zvané enhancery a silencery.

Část DNA související s tvorbou proteinu (geny včetně kódujících i nekódujících částí, enhancery a silencery) zabírají v lidském genomu celkem cca 20 % délky DNA, části kódující proteiny pouze asi 3 %. Zbylých 80 % je tvořeno DNA s nejasnou funkcí. Z tohoto množství je přibližně polovina tvořena repetitivními sekvencemi.

Obecně můžeme tedy říci, že oblasti DNA přímo kódující sekvenci proteinů jsou pouze exony genů, zatímco nekódující oblasti jsou introny, 5' a 3' nepřekládaná oblast a nekódující mimogenová oblast tvořená z cca 50 % repetitivními sekvencemi.

Repetitivní sekvence

 Podrobnější informace naleznete na stránce Repetitivní sekvence v genomu člověka.

Z hlediska množství v genomu jsou repetitivně sekvence nejpočetnější, tvoří přibližně polovinu DNA, která nesouvisí s tvorbou proteinů, tedy přibližně 40 % celé délky genomu. Jedná se o části genomu, ve kterých se pravidelně opakují určité sekvence nukleotidů.

Repetitivní sekvence můžeme dělit na sekvence tandemové a rozptýlené. Tandemové repetice jsou periodicky se opakující sekvence DNA, které jsou seřazeny těsně za sebou. Podle délky repetované sekvence a délky celkové repetice rozlišujeme mikrosatelity, minisatelity a makrosatelity. Rozptýlené repetice jsou opakující se sekvence, které jsou rozptýleny po celé délce DNA vlivem opětovného kopírování a vštěpování na jiném místě. Dělíme je na retrotransposomy (kopírování reverzní transkripcí) a DNA transposomy. Mezi retrotransposomy patří sekvence SINE a LINE.

Proteinotvorné a neproteinotvorné části genu

Přepis DNA do RNA je podobný pro všechny organismy, ačkoliv následné úpravy se již liší. U bakterií se DNA nachází přímo v cytoplazmě, kde se nacházejí i ribosomy, a tak dochází rovnou i k překladu mRNA do proteinu. U eukaryot je však DNA uložena v jádře, odkud následně prostupuje (po přeložení do RNA) jadernými póry do cytoplazmy. Před překladem této RNA do aminokyselinové sekvence dochází k posttranskripčním úpravám – nejdříve přidání čepičky (capping) a polyadenylace. Dále probíhá splicing – z RNA jsou vyštěpeny introny (části, které se nepřekládají, tvoří většinu genu). Zbývající části označujeme jako exony.

Exony – proteinotvorné sekvence

Exony tvoří relativně malou část DNA a jaderné RNA. Jedná se asi jen o 5 % původní sekvence. Po vystřižení intronů dochází ke spojení zbylých částí mRNA. Tato jaderná forma se dostává na ribosomy, kde je v procesu translace přeložena do jednotlivých bílkovin. Z toho vyplývá také důležitost těchto sekvencí. Dojde-li k poškození v oblasti intronů, obvykle nedochází k výrazným škodám. Jakýkoliv zásah do oblasti exonů je však naprosto zásadní a často vede ke vzniku defektní nebo pozměněné bílkoviny.

Introny – neproteinotvorné sekvence

Introny jsou součástí DNA i jaderné RNA, do cytoplazmy a na ribosomy se však již nedostávají. Jejich informace není totiž překládána do bílkovin. Tvoří drtivou část lidského genu (95 %). Jejich velikost bývá různá, často mezi 80–10 000 nukleotidy.

Při vzniku mRNA dochází k transkripci intronů i exonů. Před tím, než opustí jádro, jsou však všechny introny vystřiženy a exony pospojovány – cytoplazmatická mRNA je tedy výrazně kratší. Tato úprava se nazývá RNA splicing – RNA sestřih. Enzymatický komplex, který má na starosti RNA splicing, nazýváme spliceosom.

Podle čeho dochází k rozpoznání intronů k vystřihnutí? O všem rozhodují nukleotidy na obou koncích intronů. Obvykle jsou první dva nukleotidy intronu GU a poslední dva AG. O odstranění se starají speciální enzymy – snRNP (small nuclear ribonucleoprotein particles) – malé jaderné ribonukleoproteinové částice. Kromě vystřižení intronů zajišťují i spojení exonů. Enzymy umožní přiblížení obou konců intronu a vznik lasovité struktury, která je nakonec odstraněna.

Význam intronů

K čemu jsou tedy zdánlivě zbytečné části DNA potřebné? Svoji roli hrály zejména v počátku evoluce genů, často urychlovaly vznik nových bílkovin pomocí rekombinace exonů. Druhou výhodou je pak možnost tzv. alternativního sestřihu – místo vyštěpení jednoho intronu se může stát, že je jeden exon „přeskočen“, takže vyštěpená oblast obsahuje intron, exon a následující intron, na jehož konci je až rozpoznán konec oblasti pro splicing. Takto může vznikat na základě vývojového stádia buňky hned několik různých typů mRNA. Z jednoho genu tak může vznikat několik různých bílkovin. Vše závisí na spojení kódujících sekvencí – exonů.

Pokud dojde k mutacím v intronech, převážně v prvních nebo posledních dvou nukleotidech, nemusí dojít k rozpoznání konce nebo začátku intronu spliceosomem, takže může dojít k alternativnímu sestřihu. Například u proteinu BRCA jsou však známé i mutace 18 nukleotidů před koncem intronu, které způsobují aberantní sestřih.

Je pravděpodobné, že existoval společný předchůdce prokaryot a eukaryot, který introny obsahoval. V rámci evoluce se však jednotlivé skupiny oddělily. Prokaryota se vyznačují velkým počtem dělení. Kratší genom (tvořený pouze exony) je pro ně tedy výhodou. Dochází tak k urychlení procesu tvorby bílkovin. U eukaryot nedochází k tak častému dělení, a proto si nekódující části genomu zachovala. Větší genom přináší na druhé straně výhodu možné rekombinace, gen složený z intronů a exonů pak má možnost alternativního sestřihu.

3' a 5' nepřekládaná oblast genu

Na obou svých koncích obsahuje gen oblasti, které se nepřekládají do proteinu, ale určují míru jeho exprese. Na 5' konci genu se nachází promotor, na který nasedají transkripční faktory a DNA polymeráza. Tato oblast tedy určuje míru exprese genu. Na 3' konci genu se nachází polyadenylační signál, který má vliv na ukončení transkripce.

Odkazy

Související články

• Genom
• Transkripce
• Translace
• mRNA
• Rekombinace
• Ribosom

Externí odkazy

• RNA splicing

Použitá literatura

• ALBERTS, B, D BRAY a A JOHNSON. Základy buněčné biologie. 2. vydání. Espero Publishing, 2005. 740 s. ISBN 80-902906-2-0.

• OTOVÁ, Berta, et al. Lékařská biologie a genetika I. díl. 1. vydání. Praha : Karolinum, 2008. 123 s. ISBN 978-80-246-1594-3.