Проектът за човешкия геном разкри, че ~1-2% от нашия геном произвежда функционални протеини, докато ролята на останалите 98-99% остава загадъчна. Изследователите са се опитали да разкрият мистериите около същото и тази статия хвърля светлина върху нашето разбиране за неговата роля и последици за човешкото здраве и болести.
От момента, в който проектът за човешкия геном (HGP) беше завършен през април 2003 г1смяташе се, че като се знае цялата последователност на човешкия геном, която се състои от 3 милиарда базови двойки или „двойки букви“, геномът ще бъде отворена книга, използвайки която изследователите ще могат да посочат точно как е сложен организъм като човек като работи, които в крайна сметка ще доведат до откриване на нашите предразположения към различни видове заболявания, ще подобри разбирането ни за това защо възниква болестта и ще намерим лек за тях. Ситуацията обаче стана много объркана, когато учените успяха да дешифрират само част от него (само ~1-2%), което прави функционални протеини, които решават нашето фенотипно съществуване. Ролята на 1-2% от ДНК за създаване на функционални протеини следва централната догма на молекулярната биология, която гласи, че ДНК първо се копира, за да се направи РНК, особено иРНК чрез процес, наречен транскрипция, последван от производство на протеин чрез иРНК чрез транслация. На езика на молекулярния биолог, тези 1-2% от човешкия геном кодират функционални протеини. Останалите 98-99% се наричат „нежелана ДНК“ или „тъмна материя“, която не произвежда нито един от функционалните протеини, споменати по-горе и се носи като „багаж“ всеки път, когато се ражда човешко същество. За да се разбере ролята на останалите 98-99% от генома, проектът ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements)2 стартира през септември 2003 г. от Националния институт за изследване на човешкия геном (NHGRI).
Констатациите на проекта ENCODE разкриха, че по-голямата част от тъмната материя" се състои от некодиращи ДНК последователности, които функционират като основни регулаторни елементи, като включват и изключват гените в различен тип клетки и в различни моменти от време. Пространствените и времеви действия на тези регулаторни последователности все още не са напълно ясни, тъй като някои от тях (регулаторни елементи) са разположени много далеч от гена, върху който действат, докато в други случаи може да са близо един до друг.
Съставът на някои от регионите на човешкия геном беше известен още преди стартирането на проекта за човешкия геном, тъй като ~8% от човешкия геном се получава от вирусни геноми, вградени в нашата ДНК като човешки ендогенни ретровируси (HERVs)3. Тези HERV са замесени в осигуряването на вроден имунитет на хората, като действат като регулаторни елементи за гени, които контролират имунната функция. Функционалното значение на тези 8% е потвърдено от констатациите на проекта ENCODE, които предполагат, че по-голямата част от „тъмната материя функционира като регулаторни елементи.
В допълнение към констатациите на проекта ENCODE, има огромно количество данни от изследвания от последните две десетилетия, които предполагат правдоподобна регулаторна и развиваща роля за „тъмната материя“. Използвайки проучвания за асоциации в целия геном (GWAS), беше установено, че повечето от некодиращите региони на ДНК са свързани с често срещани заболявания и черти4 и вариациите в тези региони функционират за регулиране на появата и тежестта на голям брой сложни заболявания като рак, сърдечни заболявания, мозъчни разстройства, затлъстяване и много други5,6. Проучванията на GWAS също така разкриха, че повечето от тези некодиращи ДНК последователности в генома се транскрибират (преобразуват се в РНК от ДНК, но не се транслират) в некодиращи РНК и смущенията в тяхната регулация водят до различни ефекти, причиняващи заболяване7. Това предполага способността на некодиращите РНК да играят регулаторна роля в развитието на заболяването8.
Освен това, част от тъмната материя остава като некодираща ДНК и функционира по регулаторен начин като подобрители. Както подсказва думата, тези подобрители функционират чрез засилване (увеличаване) на експресията на определени протеини в клетката. Това е показано в скорошно проучване, при което усилващите ефекти на некодиращата област на ДНК правят пациентите податливи на комплексни автоимунни и алергични заболявания като възпалително заболяване на червата9,10, което води до идентифицирането на нова потенциална терапевтична цел за лечение на възпалителни заболявания. Подобрителите в „тъмната материя“ също са замесени в развитието на мозъка, където проучванията върху мишки показват, че изтриването на тези региони води до аномалии в развитието на мозъка11,12. Тези проучвания могат да ни помогнат да разберем по-добре сложните неврологични заболявания като болестта на Алцхаймер и Паркинсон. Доказано е също, че „тъмната материя“ играе роля в развитието на рак на кръвта13 като хронична миелоцитна левкемия (ХМЛ) и хронична лимфоцитна левкемия (ХЛЛ).
По този начин „тъмната материя“ представлява важна част от човешкия геном, отколкото беше осъзнато по-рано и оказва пряко влияние върху човешкото здраве, като играе регулаторна роля в развитието и появата на човешки заболявания, както е описано по-горе.
Означава ли това, че цялата „тъмна материя“ или се транскрибира в некодиращи РНК, или играе роля на подобрител като некодираща ДНК, като действа като регулаторни елементи, свързани с предразположението, началото и вариациите в различните заболявания, причиняващи хората? Извършените досега проучвания показват силен превес на същите и повече изследвания през следващите години ще ни помогнат да очертаем точно функцията на цялата „тъмна материя“, което ще доведе до идентифициране на нови цели с надеждата да намерим лечение на изтощителни болести, които причиняват човешката раса.
***
Литература:
1. „Завършване на проекта за човешкия геном: често задавани въпроси“. Национален институт за изследване на човешкия геном (NHGRI). Предлага се онлайн на https://www.genome.gov/human-genome-project/Completion-FAQ Посетен на 17 май 2020 г.
2. Smith D., 2017. Мистериозните 98%: Учените се стремят да хвърлят светлина върху „тъмния геном“. Предлага се онлайн на https://phys.org/news/2017-02-mysterious-scientists-dark-genome.html Посетен на 17 май 2020 г.
3. Сони Р., 2020 г. Хората и вирусите: Кратка история на техните сложни взаимоотношения и последици за COVID-19. Scientific European Публикувано на 08 май 2020 г. Предлага се онлайн на адрес https://www.scientificeuropean.co.uk/humans-and-viruses-a-brief-history-of-their-complex-relationship-and-implications-for-COVID-19 Посетен на 18 май 2020 г.
4. Maurano MT, Humbert R, Rynes E, et al. Системно локализиране на често срещано заболяване, свързано с вариации в регулаторната ДНК. наука. 2012 г. 7 септември;337(6099):1190-5. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1222794
5. Каталог на публикувани изследвания на асоциации за целия геном. http://www.genome.gov/gwastudies.
6. Hindorff LA, Sethupathy P, et al 2009. Потенциални етиологични и функционални последици от локусите на асоцииране в целия геном за човешки заболявания и черти. Proc Natl Acad Sci US A. 2009, 106: 9362-9367. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.0903103106
7. St. Laurent G, Vyatkin Y и Kapranov P. РНК на тъмната материя осветява пъзела на изследванията на асоциациите в целия геном. BMC Med 12, 97 (2014). DOI: https://doi.org/10.1186/1741-7015-12-97
8. Мартин Л, Чанг ХИ. Разкриване на ролята на геномната „тъмна материя“ в човешките заболявания. J Clin Invest. 2012 г.;122 (5): 1589-1595. https://doi.org/10.1172/JCI60020
9. The Babraham Institute 2020. Разкриване как регионите на „тъмната материя“ на генома влияят на възпалителните заболявания. Публикувано на 13 май 2020 г. Предлага се онлайн на адрес https://www.babraham.ac.uk/news/2020/05/uncovering-how-dark-matter-regions-genome-affect-inflammatory-diseases Посетен на 14 май 2020 г.
10. Nasrallah, R., Imianowski, CJ, Bossini-Castillo, L. et al. 2020. Дистален подобрител с рисков локус 11q13.5 насърчава потискането на колита от Treg клетките. Природа (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2296-7
11. Dickel, DE et al. 2018. За нормалното развитие са необходими ултра консервативни подобрители. Клетка 172, брой 3, P491-499.E15, 25 януари 2018 г. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.12.017
12. ДНК на „тъмната материя“ влияе върху развитието на мозъка DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-018-00920-x
13. Тъмната материя има значение: Разграничаване на фините ракови заболявания на кръвта с помощта на най-тъмната ДНК DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1007332
***
