Υβριδικά Κύτταρα Ανθρώπου-Φυτού Αποκαλύπτουν την Αλήθεια για το “Σκοτεινό” DNA στο Γονιδίωμά Μας
Πόσο από το γονιδίωμά μας έχει πραγματικά σημασία; Ορισμένοι υποστηρίζουν ότι επειδή το μεγαλύτερο μέρος του DNA μας είναι ενεργό, πρέπει να κάνει κάτι σημαντικό. Άλλοι λένε ότι ακόμη και τυχαίο DNA θα ήταν εξαιρετικά ενεργό. Αυτό τέθηκε τώρα σε δοκιμασία με τη μελέτη ανθρώπινων κυττάρων που περιέχουν τεράστια κομμάτια φυτικού DNA, όπως αποκαλύπτει αποκλειστικά το New Scientist – και το ουσιαστικά τυχαίο φυτικό DNA ήταν πράγματι σχεδόν τόσο ενεργό όσο το ανθρώπινο DNA.
Το εύρημα δείχνει ότι ένα μεγάλο ποσοστό της δραστηριότητας του γονιδιώματος είναι απλώς “θόρυβος”, αντί να έχει κάποιον σκοπό, και έτσι προσθέτει στα στοιχεία ότι το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου γονιδιώματος είναι άχρηστο.
“Ένα μεγάλο μέρος μπορεί απλά να εξηγηθεί από τον θόρυβο υποβάθρου”, λέει ο Brett Adey στο Πανεπιστήμιο του Auckland στη Νέα Ζηλανδία. “Αυτό φαίνεται να είναι σε γενικές γραμμές συνεπές με την ιδέα του άχρηστου DNA.”
Η κύρια λειτουργία του DNA είναι να αποθηκεύει τις συνταγές για την παραγωγή πρωτεϊνών, των μοριακών μηχανών που κάνουν σχεδόν όλη τη δουλειά στα κύτταρα. Οι συνταγές DNA αντιγράφονται για να δημιουργήσουν αγγελιοφόρα RNA που μεταφέρουν τις συνταγές στα ριβοσώματα, τα εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών του κυττάρου.
Αρχικά υποτέθηκε ότι σχεδόν όλο το DNA αποτελείται από συνταγές για την παρασκευή πρωτεϊνών, αλλά τώρα γνωρίζουμε ότι μόνο το 1,2% του ανθρώπινου γονιδιώματος κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Τι κάνει λοιπόν το υπόλοιπο;
Από τη δεκαετία του 1960, πολλοί βιολόγοι υποστηρίζουν ότι είναι ως επί το πλείστον άχρηστο. Ναι, ένα μικρό ποσοστό μη κωδικοποιητικού DNA είναι πραγματικά σημαντικό και είναι πιθανό να συνεχίσουμε να ανακαλύπτουμε κομμάτια που κάνουν χρήσιμα πράγματα για δεκαετίες, αλλά τέτοιες ανακαλύψεις, λένε, δεν θα αλλάξουν τη συνολική εικόνα της τεράστιας πλειονότητας του μη κωδικοποιητικού DNA που είναι άχρηστο.
Για παράδειγμα, μια μελέτη του 2011 διαπίστωσε ότι μόνο περίπου το 5% του γονιδιώματος διατηρείται σε βάθος χρόνου – η εξέλιξη δεν φαίνεται να ενδιαφέρεται για το υπόλοιπο. Οι βιολόγοι στο στρατόπεδο του “ως επί το πλείστον άχρηστου” επισημαίνουν επίσης ότι το μέγεθος των γονιδιωμάτων ποικίλλει άγρια μεταξύ των ειδών. Γιατί ένα κρεμμύδι χρειάζεται πέντε φορές περισσότερο DNA από έναν άνθρωπο, για παράδειγμα; Γιατί ένας πνευμονοψάρι έχει 30 φορές περισσότερο;
Αλλά άλλοι βιολόγοι έχουν επικεντρωθεί στο αν το ανθρώπινο DNA κάνει κάτι – για παράδειγμα, αν μετατρέπεται σε RNA, ακόμη και αν αυτό το RNA δεν έχει γνωστό σκοπό. Το 2012, ένα μεγάλο έργο που ονομάστηκε ENCODE κατέληξε στο συμπέρασμα ότι περισσότερο από το 80% του ανθρώπινου γονιδιώματος ήταν ενεργό με αυτή την έννοια και ισχυρίστηκε ότι αυτό έδειχνε ότι δεν είναι καθόλου άχρηστο. Ορισμένοι βιολόγοι σε αυτό το στρατόπεδο χρησιμοποιούν τον όρο “σκοτεινό DNA” για να αναφερθούν στο μη κωδικοποιητικό DNA, με την ιδέα ότι είναι σημαντικό για λόγους που δεν κατανοούμε ακόμη.
Σε απάντηση στον ισχυρισμό του ENCODE, το 2013, ο Sean Eddy στο Πανεπιστήμιο του Harvard πρότεινε το τυχαίο γονιδιωματικό έργο. “Ας υποθέσουμε ότι βάζουμε μερικά εκατομμύρια βάσεις εντελώς τυχαίου συνθετικού DNA σε ένα ανθρώπινο κύτταρο και κάνουμε ένα έργο ENCODE σε αυτό”, έγραψε.
Θα δούμε ακόμη όλες τις δραστηριότητες που ο ENCODE χαιρέτισε ως απόδειξη λειτουργίας; “Νομίζω ναι”, κατέληξε ο Eddy.
“Δεν μπορείτε πραγματικά να συμπεράνετε τίποτα μόνο από τη μέτρηση της δραστηριότητας. Και έτσι είναι η λαμπρότητα της ιδέας του Sean Eddy για ένα τυχαίο γονιδίωμα, ότι αυτό που χρειαζόμαστε πραγματικά είναι αυτή η βασική γραμμή”, λέει ο Austen Ganley, επίσης στο Πανεπιστήμιο του Auckland. “Χωρίς αυτή τη βασική γραμμή, οτιδήποτε κοιτάξετε δεν είναι πραγματικά ουσιαστικό όσον αφορά την απόφαση μεταξύ λειτουργίας και αχρηστίας.”
Η κατασκευή συνθετικού DNA, ωστόσο, είναι δαπανηρή. Μέχρι τώρα, οι μόνες προσπάθειες για ένα τυχαίο γονιδιωματικό έργο έχουν περιλάβει μικρά κομμάτια DNA όχι μεγαλύτερα από περίπου 100.000 ζεύγη βάσεων.
Αλλά όταν οι Adey και Ganley έμαθαν ότι ερευνητές στην Ιαπωνία είχαν δημιουργήσει υβριδικά κύτταρα ανθρώπου-φυτού που περιείχαν 35 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων DNA από thale cress (Arabidopsis thaliana), συνειδητοποίησαν ότι αυτό θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μακράν το μεγαλύτερο τυχαίο γονιδιωματικό έργο μέχρι σήμερα.
Ο Eddy, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, συμφωνεί. Τα φυτά και τα ζώα απέκλιναν από έναν κοινό πρόγονο τουλάχιστον πριν από 1,6 δισεκατομμύρια χρόνια, οπότε σε αυτό το διάστημα οι μεταλλάξεις έχουν “ουσιαστικά τυχαιοποιήσει” το μη κωδικοποιητικό DNA στο A. thaliana. Κάθε μεμονωμένη θέση έχει μεταλλαχθεί πολλές φορές, εκτίμησε ο Eddy όταν ρωτήθηκε για αυτή την προσέγγιση.
Μετά από αρχικές μελέτες για να ελέγξουν ότι το φυτικό DNA είναι πράγματι ουσιαστικά τυχαίο, όσον αφορά το ανθρώπινο κύτταρο, οι Adey και Ganley μέτρησαν τον αριθμό των σημείων εκκίνησης για τη μετατροπή του DNA σε RNA ανά 1000 ζεύγη βάσεων μη κωδικοποιητικού DNA.
Εάν το DNA που μετατρέπεται σε RNA είναι πραγματικά ένα σημάδι λειτουργίας, τότε σχεδόν κανένα φυτικό DNA δεν θα πρέπει να μετατρέπεται σε RNA. Στην πραγματικότητα, οι Adey και Ganley βρήκαν ελαφρώς λιγότερη δραστηριότητα – υπήρχαν περίπου 80% τόσες τοποθεσίες εκκίνησης ανά χιλιάδα βάσεις μη κωδικοποιητικού DNA A. thaliana σε σύγκριση με το ανθρώπινο μη κωδικοποιητικό DNA.
Με άλλα λόγια, αυτό υποδηλώνει έντονα ότι σχεδόν όλη η δραστηριότητα που παρατηρήθηκε από το ENCODE είναι θόρυβος.
“Αυτή είναι μια εξαιρετική επίδειξη του πώς η βιολογία είναι, πράγματι, θορυβώδης”, λέει ο Chris Ponting στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου στο Ηνωμένο Βασίλειο. “Οι βιοχημικές δραστηριότητες που συμβαίνουν εντός αυτής της [φυτικής] αλληλουχίας σαφώς δεν προσδίδουν καμία λειτουργία στο ανθρώπινο κύτταρο.”
“Αυτή η πολύ κομψή μελέτη ήταν απαραίτητη”, λέει ο Dan Graur στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον, Τέξας. “Προσφέρει ακόμη περισσότερα πειραματικά στοιχεία που επιβεβαιώνουν αυτό που ήταν προφανές για χρόνια: το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου γονιδιώματος είναι άχρηστο. Ο όρος ‘σκοτεινό DNA’ είναι γελοίες ανοησίες, που ονειρεύτηκαν άνθρωποι με μια κακή περίπτωση φθόνου φυσικής.”
Σε ένα τέλεια σχεδιασμένο σύστημα, δεν θα υπήρχε θόρυβος, λέει ο Ganley, αλλά η εξέλιξη δεν δημιουργεί τέλεια σχέδια. Και ο θόρυβος μπορεί να έχει πλεονεκτήματα. “Εάν έχετε αυτά τα ατελή συστήματα που έχουν πολύ θόρυβο, αυτός ο θόρυβος μπορεί στην πραγματικότητα να δημιουργήσει ενδιαφέροντα πράγματα που στη συνέχεια μπορούν να αναληφθούν από την επιλογή”, λέει.
Προς το παρόν, η ομάδα δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί υπήρχε 25% περισσότερη δραστηριότητα στο ανθρώπινο DNA. “Το μόνο που μπορούμε πραγματικά να πούμε είναι ότι αυτό χρειάζεται εξήγηση”, λέει ο Ganley.
Είναι πιθανό ορισμένα από τα επιπλέον RNA να έχουν λειτουργίες – αυτό δεν θα άλλαζε το συμπέρασμα “ως επί το πλείστον άχρηστου” – αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανές εξηγήσεις. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα τη μηχανική μάθηση για να δουν αν μπορούν να βρουν τρόπους να διακρίνουν την δυνητικά ουσιαστική δραστηριότητα από τον θόρυβο υποβάθρου.
Η ομάδα σκοπεύει να δημοσιεύσει τα ευρήματα, αλλά δεν έχει ακόμη γράψει μια εργασία.