Sự Thật Phức Tạp Về 'DNA Rác'

Hãy tưởng tượng genom con người như một chuỗi dài bằng sân bóng đá, với tất cả các gen mã hóa protein tập trung ở cuối gần chân của bạn. Tiến hai bước lớn về phía trước; tất cả thông tin protein hiện đang ở phía sau bạn.

Genom con người có ba tỷ cặp cơ sở trong DNA của mình, nhưng chỉ khoảng 2 phần trăm trong số chúng mã hóa protein. Phần còn lại dường như là sự phình ra không ý nghĩa, một sự phồng tôm của các bản sao chuỗi và đường cùng genomic thường được gán nhãn là “DNA rác.” Phân phối nguồn gen vô cùng lạc quan này không chỉ giới hạn ở con người: Thậm chí nhiều vi khuẩn cũng dường như dành 20 phần trăm của gen của họ cho chất điền không mã hóa.

Vẫn còn rất nhiều bí mật xoay quanh vấn đề về DNA không mã hóa, liệu nó có thực sự là rác thải không giá trị hay không. Một phần ít nhất của nó đã được xác định là quan trọng đối với sự sống sinh học. Nhưng thậm chí ngoài câu hỏi về tính năng của nó (hoặc thiếu tính năng của nó), các nhà nghiên cứu bắt đầu đánh giá cao cách mà DNA không mã hóa có thể là một nguồn gen di truyền cho tế bào và một khu vườn nơi mà các gen mới có thể tiến hóa.

“Từ từ, từ từ, từ từ, thuật ngữ ‘DNA rác thải’ [đã] bắt đầu chết,” nói Cristina Sisu, một nhà di truyền học tại Đại học Brunel London.

Các nhà khoa học thường xuyên nhắc đến “DNA rác thải” từ thập kỷ 1960, nhưng họ chính thức sử dụng thuật ngữ này hơn vào năm 1972, khi nhà di truyền học và nhà tiến hóa học Susumu Ohno sử dụng nó để bảo vệ quan điểm rằng các bộ gen lớn sẽ không tránh khỏi các chuỗi, tích lũy theo thời gian, không mã hóa bất kỳ protein nào. Ngay sau đó, các nhà nghiên cứu có được bằng chứng cứng về sự phong phú của rác thải này trong các gen, nguồn gốc đa dạng của nó, và mức độ lớn của nó được chuyển thành RNA mặc dù không có bản thiết kế cho protein.

Tiến bộ công nghệ trong việc xác định chuỗi gen, đặc biệt là trong hai thập kỷ qua, đã thay đổi cách mà các nhà khoa học nghĩ về DNA và RNA không mã hóa, Sisu nói. Mặc dù những chuỗi không mã hóa này không mang thông tin protein, chúng đôi khi được hình thành bởi sự tiến hóa với các mục đích khác nhau. Do đó, các chức năng của các lớp khác nhau của “rác thải”—nếu có chức năng—đang trở nên rõ ràng hơn.

Tế bào sử dụng một phần của DNA không mã hóa của họ để tạo ra một loạt các phân tử RNA đa dạng điều chỉnh hoặc hỗ trợ sản xuất protein theo nhiều cách khác nhau. Danh mục này liên tục mở rộng với các RNA nhỏ hạt nhân, microRNA, RNA can thiệp nhỏ và nhiều loại khác. Một số là đoạn ngắn, thường ít hơn hai mươi cặp cơ sở, trong khi những người khác dài một cấp độ. Một số tồn tại dưới dạng đôi mạch hoặc gấp lại trên chính mình thành vòng lặp kiểu tóc. Nhưng tất cả đều có thể kết hợp chọn lọc với một mục tiêu, chẳng hạn như một bản ghi RNA thông báo, để thúc đẩy hoặc ức chế quá trình dịch chuyển thành protein.

Những RNA này có thể gây ra ảnh hưởng đáng kể đối với sức khỏe của một hệ thống sống. Việc tắt thử nghiệm một số microRNA cụ thể trên chuột, ví dụ, đã gây ra các rối loạn từ run sợi đến chức năng gan.

Loại lớn nhất của DNA không mã hóa trong gen của con người và nhiều sinh vật khác bao gồm transposons, đoạn DNA có thể thay đổi vị trí của chúng trong một gen. Những “gen nhảy” này có xu hướng tạo ra nhiều bản sao của chính họ—đôi khi là hàng trăm nghìn—khắp genoma, theo Seth Cheetham, một nhà di truyền học tại Đại học Queensland ở Úc. Phổ biến nhất là retrotransposons, lan truyền hiệu quả bằng cách tạo ra bản sao RNA của chúng chuyển đổi trở lại thành DNA ở một nơi khác trong genoma. Khoảng một nửa genoma người được tạo thành từ transposons; ở một số cây bắp, con số đó tăng lên khoảng 90%.

DNA không mã hóa cũng xuất hiện trong các gen của con người và các eukaryote khác (các sinh vật có tế bào phức tạp) trong các chuỗi intron làm gián đoạn các chuỗi exon mã hóa protein. Khi gen được ghi, exon RNA được cắt ghép thành mRNAs, trong khi nhiều phần intron RNA được bỏ qua. Nhưng một số intron RNA có thể được chuyển đổi thành các RNA nhỏ tham gia vào sản xuất protein. Tại sao eukaryote có intron là một câu hỏi mở, nhưng các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng intron giúp tăng tốc quá trình tiến hóa gen bằng cách làm cho việc tái sắp xếp exon thành các kết hợp mới dễ dàng hơn.

Một phần lớn và biến đổi của DNA không mã hóa trong gen bao gồm các chuỗi lặp cao của độ dài đa dạng. Ví dụ, các đuôi telomơ ở đầu của nhiễm sắc thể chủ yếu bao gồm chúng. Có vẻ như các lặp lại này giúp duy trì tính nguyên vẹn của nhiễm sắc thể (việc rút ngắn đuôi telomơ thông qua mất lặp lại liên quan đến quá trình lão hóa). Nhưng nhiều lặp lại trong tế bào không phục vụ mục đích đã biết, và chúng có thể được đạt được và mất trong quá trình tiến hóa, có vẻ như không gây hậu quả.

Một loại DNA không mã hóa khá đáng chú ý ngày nay là pseudogenes, thường được xem xét là các dư vị của các gen đang hoạt động đã bị sao chép ngẫu nhiên và sau đó bị suy giảm qua các biến đổi. Miễn là một bản sao của gen gốc hoạt động, sự chọn lọc tự nhiên có thể không tạo áp lực lớn để giữ cho bản sao dư thừa này nguyên vẹn.

Tương tự như gen bị hỏng, pseudogenes có vẻ như là rác genôm tiêu biểu. Nhưng Cheetham cảnh báo rằng một số pseudogenes có thể không phải là “giả tạo” chút nào. Ông nói rằng nhiều trong số chúng được giả định là bản sao lỗi của các gen được nhận diện và đánh dấu là pseudogenes mà không có bằng chứng thực nghiệm chúng không hoạt động.

Pseudogenes cũng có thể tiến hóa thành chức năng mới. “Đôi khi chúng thậm chí có thể kiểm soát hoạt động của gen mà chúng được sao chép,” Cheetham nói, nếu RNA của chúng tương đồng đủ với RNA của gen đang hoạt động để tương tác với nó. Sisu chú ý đến việc phát hiện vào năm 2010 rằng pseudogene PTENP1 đã tìm thấy một cuộc sống thứ hai dưới dạng RNA điều chỉnh sự phát triển của khối u đã thuyết phục nhiều nghiên cứu viên hơn về rác gen pseudogene.

Bởi vì các chuỗi không mã hóa động có thể tạo ra nhiều thay đổi genôm, những chuỗi này có thể là động cơ cho sự tiến hóa của gen mới và nguyên liệu cho nó. Nhà nghiên cứu đã tìm thấy một ví dụ về điều này trong gene ERVW-1, mã hóa một protein quan trọng cho sự phát triển của tử cung ở loài khỉ cổ cổ, linh trưởng và con người. Gene xuất phát từ một nhiễm vi rút ngược ở một loài linh trưởng tổ tiên khoảng 25 triệu năm trước, đi cùng với một retrotransposon vào genôm của động vật. Retrotransposon “tự nhiên chiếm đóng phần này, nhảy xung quanh genôm và thực sự biến nó thành một điều quan trọng cho cách con người phát triển,” Cheetham nói.

Nhưng bao nhiêu DNA do đó đủ điều kiện là “rác” thực sự trong ý nghĩa rằng nó không phục vụ mục đích hữu ích cho một tế bào? Điều này đã gây ra tranh cãi sôi nổi. Năm 2012, dự án nghiên cứu Encyclopedia of DNA Elements (Encode) công bố kết quả của mình rằng khoảng 80 phần trăm genôm con người có vẻ được sao chép hoặc có hoạt động sinh hóa và có thể do đó là chức năng. Tuy nhiên, kết luận này bị tranh cãi rộng rãi bởi các nhà khoa học chỉ ra rằng DNA có thể được sao chép vì nhiều lý do không liên quan đến tính hữu ích sinh học.

Alexander Palazzo của Đại học Toronto và T. Ryan Gregory của Đại học Guelph đã mô tả một số dẫn chứng bao gồm xem xét tiến hóa và kích thước genôm — mạnh mẽ cho thấy “genôm eukaryotic đầy rác gen không mã hóa được sao chép ở mức độ thấp.” Dan Graur của Đại học Houston đã lập luận rằng do đột biến, ít hơn một phần tư genôm con người có thể có chức năng được bảo tồn theo tiến hóa. Những ý tưởng đó vẫn nhất quán với bằng chứng cho thấy các hoạt động “ích kỷ” của transposons, ví dụ như, có thể có hậu quả cho sự tiến hóa của chủ nhân chúng.

Cheetham nghĩ rằng điều luật về “DNA rác” đã làm nặng trĩu cuộc điều tra về câu hỏi về mức độ nó xứng đáng với mô tả đó hay không. “Nó về cơ bản đã cản trở mọi người khỏi việc tìm hiểu xem có chức năng hay không,” ông nói. Ngược lại, do cải thiện việc trình tự hóa và các phương pháp khác, “chúng ta đang trong một thời đại vàng của việc hiểu về DNA không mã hóa và RNA không mã hóa,” Zhaolei Zhang, một nhà di truyền học tại Đại học Toronto nghiên cứu về vai trò của các chuỗi trong một số bệnh, nói.

Trong tương lai, những nhà nghiên cứu có thể ngày càng không muốn mô tả bất kỳ chuỗi không mã hóa nào là rác bởi vì hiện nay có nhiều cách đánh dấu chính xác hơn. Đối với Sisu, cách tiến triển tốt nhất của lĩnh vực này là giữ tâm trạng mở khi đánh giá những đặc điểm của DNA và RNA không mã hóa và tầm quan trọng sinh học của chúng. Mọi người nên “đứng lại một bước và nhận ra rằng rác của một người có thể là kho báu của người khác,” cô nói.

Câu chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Quyển Sách Simons với nhiệm vụ là tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao quát các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên.

Những điều Tuyệt vời khác từ Mytour

• 📩 Những tin tức mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Giày mưa, biến động thủy triều và cuộc tìm kiếm một cậu bé mất tích
• Dữ liệu tốt hơn về ivermectin đang đến
• Một cơn bão mặt trời xấu có thể gây ra “apocalypse internet”
• Thành phố New York không được xây dựng cho cơn bão thế kỷ 21
• 9 trò chơi PC bạn có thể chơi mãi mãi
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận những mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để có sức khỏe? Kiểm tra các lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi cho bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất