Nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure

Als nichtcodierende Desoxyribonukleinsäure (, ncDNA<ref name="Chen2009">Chun-Long Chen, Hui Zhou, Jian-You Liao, Liang-Hu Qu, Laurence Amar: Genome-wide evolutionary analysis of the noncoding RNA genes and noncoding DNA of Paramecium tetraurelia. In: RNA, Band 15, Nr. 4, April 2009, S. 503-514, doi:10.1261/rna.1306009, PMID 19218550 PMC 2661823 (freier Volltext), Epub 13. Februar 2009.</ref>) werden diejenigen Teile der Desoxyribonukleinsäure (DNA) bezeichnet, die nicht – via Transkription in Messenger-RNA (mRNA) – für Proteine codieren. Auch für diese nichtcodierende DNA wurden vielfältige Funktionen gefunden. Einige nichtcodierende DNA wird in funktionelle nichtcodierende RNA umgeschrieben, beispielsweise in Transfer-RNA (tRNA), ribosomale RNA (rRNA) oder regulatorische RNA (RNAi) transkribiert; solche Anteile sind bei allen zellulären Organismen vorhanden. Zum „funktionslosen“ Anteil nichtcodierender DNA (en. ) gehören die sog. Pseudogene. Bei höheren Organismen (Eukaryonten) wie Menschen, Tieren und Pflanzen ist der ganz überwiegende Teil der DNA im genannten Sinne „nicht codierend“ bzw. funktionslos. Es ist unbekannt, wie groß der Anteil der nichtcodierenden DNA mit Funktion gegenüber dem funktionslosen Anteil ist.

Vorkommen

Protein-codierende DNA dient als Vorlage für die Messenger-RNA, welche wiederum bei der Synthese der Proteine als Vorlage verwendet wird. Der erstere Vorgang wird als Transkription, der letztere als Translation bezeichnet. Auch nicht-codierende DNA-Bereiche werden vielfach transkribiert, die resultierenden RNAs werden aber nicht für die Translation verwendet (nichtcodierende Ribonukleinsäure). Klassische, schon lange bekannte Beispiele sind die ribosomale und die Transfer-RNA, die beide ebenfalls bei der Translation essentielle Funktionen haben, aber nicht als Vorlage dienen.

Nichtcodierende DNA ist vor allem charakteristisch für Eukaryoten, bei denen sie den größten Teil des Genoms ausmacht, während ihr Anteil bei prokaryotischen Genomen nur 5–20 % beträgt.<ref>J.S. Mattick, I.V. Makunin: Non-coding RNA. In: Hum. Mol. Genet. 15 (Review Issue 1), 2006, S. R17–R29, PMID 16651366 PDF</ref> In der menschlichen DNA werden zurzeit etwa 95 % der Nukleotide als nichtcodierende DNA betrachtet, das heißt, maximal 5 % der Nukleotide, aus denen die DNA besteht, codieren Erbinformation für Proteine.

Das ENCODE-Projekt, bei dem die funktionellen Elemente des Genoms beschrieben werden sollen, ist zu dem Ergebnis gekommen, dass diese Bereiche jedoch trotzdem zu einem großen Teil transkribiert, also in RNA umgeschrieben werden. In einer Folgestudie kam das ENCODE-Projekt zu dem Ergebnis, dass sogar über 80 % des menschlichen Genoms eine biochemische Aktivität (in der Regel Transkription) aufweist.<ref name="DOI10.1038%2Fnature11247">Ian Dunham, Anshul Kundaje u. a.: An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. In: Nature. 489, 2012, S. 57–74, .</ref> Eine andere Studie, welche die Häufigkeit von RNA-Transkripten analysiert, kommt zu dem Ergebnis, dass nichtcodierende Bereiche praktisch nicht transkribiert werden.<ref>Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref> Dieser Widerspruch hat zu der Hypothese geführt, dass ein Großteil der nichtcodierenden RNA-Transkripte nicht stabil ist und kurz nach der Transkription bereits wieder degradiert wird.<ref name="DOI10.1371/journal.pgen.1004351">Alexander F. Palazzo, T. Ryan Gregory, Joshua M. Akey: The Case for Junk DNA. In: PLoS Genetics. 10, 2014, S. e1004351, .</ref>

Beispiele

Den größten Anteil nichtcodierender DNA machen transponible Elemente aus, etwa 45 % des menschlichen Genoms.

Weit verbreitet sind weiterhin die sogenannten Pseudogene, Kopien von Genen, die aufgrund von Mutationen nicht mehr funktionsfähig sind. Sie gelten im Rahmen der Evolutionstheorie als Ausgangsmaterial für neue Gene mit neuen Funktionen.

Bedeutende Anteile der nichtcodierenden DNA machen repetitive Sequenzen aus, die aus zahlreichen Wiederholungen einer Basensequenz bestehen.

Auch reguläre Gene enthalten nichtcodierende Abschnitte: die Promotor-Region, die der Regulation der Aktivität des Gens (Genexpression) dient, und die Introns, die zwar mit transkribiert werden, deren Transkripte jedoch vor der Translation entfernt werden (Splicing). Weitere nichtcodierende DNA-Abschnitte, die selbst nicht Bestandteile von Genen sind, aber durch Interaktion mit Promotoren bei der Regulation der Genexpression mitwirken, sind die Enhancer und Silencer.

Nichtcodierend sind des Weiteren die Telomere, die Enden der Chromosomen.

Funktionen nichtcodierender DNA

Es sind viele Abschnitte nichtcodierender DNA bekannt, die für den Organismus essentielle Funktionen ausüben und evolutionär konserviert werden. Nichtcodierende DNA übt unter anderem wichtige Funktionen bei der Genregulation sowie für die chromosomale Struktur aus.

Zu unterscheiden ist zwischen einer direkten Funktion im Organismus und einer langfristigen evolutionären Bedeutung. Manche Typen nichtcodierender DNA, wie Pseudogene oder transponible Elemente haben eine wichtige Rolle in der Evolution inne, auch wenn sie keine unmittelbare Funktion erfüllen.<ref>C. Biémont, C. Vieira: Genetics: junk DNA as an evolutionary force. In: Nature. Band 443, Nummer 7111, Oktober 2006, S. 521–524, . PMID 17024082. </ref>

Mittels Hirnorganoiden, die aus Stammzellen gezüchtet wurden, wurde experimentell gezeigt, wie nichtkodierende DNA auch signifikante Unterschiede zwischen Menschen und Schimpansen verursachen kann. Hier, beispielsweise, über die CRE-regulierte Expression des Gens ZNF558 für einen Transkriptionsfaktor, der das SPATA18-Gen reguliert.<ref>Vorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/Name Vorlage:Cite book/URL In: Cell Press. Abgerufen am 2021-11-15 (english).Vorlage:Cite book/URL Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref><ref>Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref>

Debatte um „Junk-DNA“

Der Begriff „Junk-DNA“, der in den 1960er Jahren durch Susumu Ohno (1928–2000) populär wurde, bezeichnet DNA, die keine Funktion für den Organismus ausübt. Die Frage, ob ein bedeutender Anteil der menschlichen DNA funktionslos ist, ist Gegenstand einer bis heute andauernden wissenschaftlichen Debatte.

Die Ergebnisse des ENCODE-Projektes, dessen Autoren über 80 % des menschlichen Genoms eine Funktion zuschrieben, haben zu Medienberichten geführt, in denen das Konzept von Junk DNA für widerlegt erklärt wurde.<ref name="DOI10.1126/science.337.6099.1159">E. Pennisi: ENCODE Project Writes Eulogy for Junk DNA. In: Science. 337, 2012, S. 1159–1161, .</ref> Die Definition des Begriffs „Funktion“ über biochemische Aktivität der ENCODE-Autoren (anstelle von Nutzen für den Organismus) haben jedoch zu teils scharfer Kritik an dieser Interpretation der Ergebnisse geführt.<ref name="DOI10.1093/gbe/evt028">D. Graur, Y. Zheng, N. Price, R. B. R. Azevedo, R. A. Zufall, E. Elhaik: On the Immortality of Television Sets: "Function" in the Human Genome According to the Evolution-Free Gospel of ENCODE. In: Genome Biology and Evolution. 5, 2013, S. 578–590, .</ref><ref name="DOI10.1073/pnas.1221376110">W. F. Doolittle: Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. 110, 2013, S. 5294–5300, .</ref><ref name="DOI10.1016/j.bbrc.2012.12.074">Deng-Ke Niu, L. i. Jiang: Can ENCODE tell us how much junk DNA we carry in our genome?. In: Biochemical and Biophysical Research Communications. 430, 2013, S. 1340–1343, .</ref>

Zu den Argumenten der Befürworter von Junk-DNA gehört das C-Wert-Paradoxon, exemplifiziert durch den „Onion Test“, welcher die Frage aufwirft, weshalb die Zwiebel (Allium cepa) ein um einen Faktor 5 größeres Genom als der Mensch hat, wenn nicht weite Teile hiervon nichtfunktional sind.<ref name="DOI10.1371/journal.pgen.1004351" /> Für die Entbehrlichkeit von Teilen nichtcodierender DNA spricht weiter das Ergebnis einer Studie, bei der zwei längere Abschnitte nichtcodierender DNA aus dem Genom von Mäusen entfernt wurden, was zu keinen merkbaren Unterschieden im Phänotyp führte.<ref>M. A. Nóbrega, Y. Zhu, I. Plajzer-Frick, V. Afzal, E. M. Rubin: Megabase deletions of gene deserts result in viable mice. In: Nature. Band 431, Nummer 7011, Oktober 2004, S. 988–993, . PMID 15496924. </ref>

Da für den Großteil nichtcodierender DNA unbekannt ist, ob ihr funktionale Aufgaben zukommen, ist es weiterhin eine offene Frage, wie groß der Anteil nichtcodierender DNA ist, der eine Funktion ausfüllt.<ref>C. I. Castillo-Davis: The evolution of noncoding DNA: how much junk, how much func? In: Trends in genetics : TIG. Band 21, Nummer 10, Oktober 2005, S. 533–536, . . PMID 16098630. (Review).</ref><ref name="DOI10.1371/journal.pgen.1004351" />

Siehe auch

• Nichtcodierende Ribonukleinsäure

Literatur

• Willingham, A.T. & Gingeras, T.R. (2006): TUF love for "junk" DNA. In: Cell. 125(7):1215–1220. PMID 16814704, (PDF)
• Ein Schaltplan des menschlichen Erbguts, auf: wissenschaft.de (Bild der Wissenschaft online), mit Abschnitt: Von wegen „Junk-DNA“, vom 5. September 2012 (ursprüngliche Fassung, via WebArchiv vom 8. September 2012)
• Wie die „Junk-DNA“ unsere Gene schaltet, auf: scinexx, vom 26. Juli 2018

Weblinks

• Junk-DNA und tandem repeats: Evolution oder Designsignal?

Einzelnachweise

<references />