Wir wissen, dass der Unterschied zwischen Cabernet-Sauvignon und Chardonnay in Rot- und Weißweintrauben liegt. Aber wie kam es zu dieser Veränderung? Es war ein springendes Gen , das rote Trauben veranlasste, eine weißhäutige Sorte zu produzieren, indem es die Sequenz eines ihrer Gene veränderte. Es stellt sich heraus, dass Dieselben DNA-Elemente, die diese Veränderung verursacht haben, existieren auch beim Menschen.
Springgene sind wahrscheinlich seit Tausenden von Jahren in unserem Genom. Sie sind ruhige Bewohner und bringen genomische Vielfalt und Evolution zu Tausenden von Arten. Sie können aber auch Überbringer schlechter Nachrichten sein. Gelegentlich ist es die plötzliche Bewegung dieser Elemente in unserem Genom, die eine der Hauptursachen für Krankheiten sein kann.
Woher kommen Springgene?
Das menschliche Genom ist riesig. Tatsächlich würde das Aneinanderreihen aller DNA-Stränge Ihres Körpers das Ende des Sonnensystems erreichen. Das Genom ist so faszinierend, dass 2001 das ehrgeizige Human Genome Project ins Leben gerufen wurde, das darauf abzielt, die einzelnen Gene des menschlichen Körpers zu sequenzieren und zu verstehen. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2003 wurde der Humangenomprojekt entdeckten, dass trotz der enormen Größe des menschlichen Genoms nur winzige 2 % der Gene, die für ein Protein kodieren und daher eine funktionelle Rolle bei der Bildung der Zellidentität spielen, ausmachen! Die restlichen 98% waren ein Rätsel und wurden daher als dunkles Genom bezeichnet.
Die DNA in jedem lebenden Organismus besteht aus nur vier chemischen Strukturen, Nukleinsäuren genannt, die Wissenschaftler mit A, T, C, G abgekürzt haben. Einzeln haben die Chemikalien keinen Zweck, aber wenn sie zu langen DNA-Strängen, den Chromosomen, zusammengefügt werden, liefern die Anweisungen, die für die Identität jeder Zelle im gesamten Körper kodieren. Stellen Sie sich vor, diese vier Nukleinsäuren repräsentieren jeweils Buchstaben im Alphabet. Die Buchstaben allein haben keine Bedeutung. Wenn diese Buchstaben jedoch zu Wörtern und Sätzen kombiniert werden, um die DNA in voller Länge zu erstellen, beginnen sie einen Sinn zu ergeben. Mit modernster Sequenzierungstechnologie zielte das Human Genome Project darauf ab, alle Buchstaben des menschlichen DNA-Buches von Anfang bis Ende zu lesen. Das Human Genome Project entdeckte, dass der Großteil der DNA im Dunklen Genom nicht nur extrem schwer zu sequenzieren war, sondern auch kaum zu interpretieren war, welche Funktion diese DNA in den Zellen hatte.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde die Encyclopaedia of DNA Elements ( ENCODE ) ins Leben gerufen, die darauf abzielte, genau zu bestimmen, was dieses mysteriöse Dunkle Genom in unseren Zellen tat.
Eine der wichtigsten Erkenntnisse des ENCODE-Projekts war, dass ein einzigartiger Elementtyp namens Transposon oder springendes Gen einen großen Anteil am Dunklen Genom hatte. Tatsächlich wurden diese springenden Gene bereits von den Nobelpreisträgerin Barbara McClintock 50 Jahre zuvor, obwohl ihre Theorien während dieser Zeit etwas skeptisch waren!
Transposons sind außergewöhnlich. Sie haben die exklusive Fähigkeit, sich im Genom zu bewegen und ihre DNA-Sequenz zu verlagern. Bei vielen Transposontypen erfolgt diese Bewegung durch ein intermediäres, hochspezialisiertes Molekül. Durch entweder eine „ copy -and-paste“- oder „cut-and-paste“-ähnliche Strategie, je nach Art des Transposons, kann das springende Gen seine Sequenz an einer anderen Stelle in das Genom zurückkopieren. Stellen Sie sich einen einzigen Satz in einem Buch vor, den Sie tausendmal kopiert und immer wieder durch das Buch eingefügt haben. Mit den Augen wäre es unmöglich, genau zu erraten, wie oft der Satz kopiert wurde und aus welchem Teil des Buches ein einzelner Satz stammt. Die Sequenziermaschine ist bei dieser Herausforderung nicht besser! Es ist leicht zu erkennen, wie diese Sequenz als Schrott betrachtet werden könnte.
Transposons sind jedoch alles andere als Schrott. Die Fähigkeit von Transposons, sich im Genom selbst zu kopieren, kann sehr nützlich sein, da sie Vielfalt bringt und die Evolution ankurbelt. Es war die Mobilität der Transposons, die wahrscheinlich die Aktivität von Genen antrieb, die für die frühesten Schritte der normalen Embryonalentwicklung erforderlich sind. Sie spielten wahrscheinlich auch eine Rolle bei der Evolution der Plazenta, einem temporären Organ, das nur für die embryonale Entwicklung von Säugetieren existiert.
Aber sie können auch Chaos bringen.
Sie wurden erstmals als Krankheitsursache entdeckt in zwei nicht miteinander verbundene Personen, die beide 1988 an einer schweren Blutkrankheit litten. Forscher fanden heraus, dass ein Transposon direkt in die Mitte eines Gerinnungsgens namens „F8“ gesprungen war. Stellen Sie sich vor, ein Satz, das Transposon, hätte sich mitten in einen anderen Satz, das Gen, im DNA-Buch eingefügt. Die Worte machen keinen Sinn mehr. Es wird angenommen, dass etwa die Hälfte der menschlichen Krebserkrankungen durch ein Transposon induziert wurde, das den DNA-Satz eines gesunden Protein-kodierenden Gens in etwas Unsinniges ändert. Oft handelt es sich bei diesen gesunden Protein-kodierenden Genen um eine Art von Gen, das als „Tumorsuppressor“ bezeichnet wird. Wenn ein Transposon in diese Art von Gen inseriert wird, deaktiviert es seine normale Funktion und schaltet es von einem Suppressor zu einer Tumorentstehung um. Studien zum Gen „APC“, das häufig bei Dickdarmkrebs betroffen ist, haben genau dies herausgefunden; ein Transposon war mitten in dieses Gen gesprungen und hatte seine normale Funktion gestört.
Auf der anderen Seite wurde sogar gezeigt, dass einige Transposon-Typen verhindern , dass Krebsentwicklung. EIN Kürzlich durchgeführte Studie unter Verwendung von Leukämiezellen, fanden heraus, dass die Aktivität von Transposons tatsächlich das Fortschreiten der akuten myeloischen Leukämie unterdrückte. Als die Wissenschaftler die Transposon-Aktivität blockierten, stellten sie fest, dass das Fortschreiten der Leukämie und damit möglicherweise die Prognose für die Patienten tatsächlich schlechter war.
Neue Therapien und Behandlungen für Krankheiten wie Krebs könnten durch das Verständnis und die Interpretation des Nutzens, der Aktivität und der Mechanismen des Dunklen Genoms sowie der Fähigkeit der in dieser DNA enthaltenen Transposons, sich zu bewegen, erreicht werden. Es bedeutet auch, mehr über die Rolle von Transposons bei genetischen Erkrankungen und Fertilität zu erfahren. Wissenschaftler spekulieren derzeit, dass das Ausmaß der Transposon-Aktivität in weiblichen Eiern vom Eierstock als Methode zur Qualitätskontrolle verwendet werden könnte.
Um die wirksamsten Behandlungsmethoden zu entwickeln, müssen wir das Buch über das menschliche Genom genauer lesen können. Im Jahr 2021 eine bahnbrechende, noch nicht von Experten begutachtete Sequenzierung lernen wurde veröffentlicht und fügte den Daten des Human Genome Project unter Verwendung modernster und zeitgemäßer DNA-Sequenzierungsstrategien erstaunliche 200 Millionen Nukleinsäuren mit 115 neuen Genen hinzu. Anstatt einzelne Buchstaben nacheinander zu sequenzieren, sind wir jetzt in der Lage, ganze Absätze oder Seiten des DNA-Buches auf einmal zu sequenzieren, was es Wissenschaftlern ermöglicht, genauere Vermutungen über die Funktion und Herkunft der sich wiederholenden Sequenz im Dunklen Genom anzustellen.
Wir können uns jedoch sicher sein, dass Junk-DNA alles andere als Junk ist. Tatsächlich kann Ihre Junk-DNA einige der wichtigsten DNA-Sequenzen beisteuern, die Ihre Zellen jemals benötigen könnten. Wir fangen gerade erst an zu lernen warum.