Sequência não codificadora conservada - Conserved non-coding sequence

Uma sequência não codificadora conservada ( CNS ) é uma sequência de DNA não codificante que é conservada evolutivamente . Essas sequências são de interesse por seu potencial para regular a produção de genes .

CNSs em plantas e animais estão altamente associados a locais de ligação de fatores de transcrição e outros elementos reguladores que atuam em cis . Seqüências não codificantes conservadas podem ser locais importantes de divergência evolutiva, pois mutações nessas regiões podem alterar a regulação de genes conservados , produzindo padrões específicos de espécie de expressão gênica . Esses recursos os tornaram um recurso inestimável em genômica comparativa .

Fontes

É provável que todos os CNSs desempenhem alguma função para ter restrições em sua evolução, mas eles podem ser diferenciados com base em onde no genoma eles são encontrados e como chegaram lá.

Íntrons

Os íntrons são trechos de sequência encontrados principalmente em organismos eucarióticos que interrompem as regiões codificadoras dos genes, com comprimentos de pares de base variando em três ordens de magnitude. As sequências de íntrons podem ser conservadas, geralmente porque contêm elementos reguladores da expressão que colocam restrições funcionais em sua evolução . Padrões de íntrons conservados entre espécies de reinos diferentes têm sido usados ​​para fazer inferências sobre a densidade de íntrons em diferentes pontos da história evolutiva. Isso os torna um recurso importante para a compreensão da dinâmica de ganho e perda de íntrons em eucariotos (1,28).

Regiões não traduzidas

Algumas das regiões não codificantes mais altamente conservadas são encontradas nas regiões não traduzidas (UTRs) na extremidade 3 'dos transcritos de RNA maduros , em vez de nos íntrons. Isso sugere uma função importante operando no nível pós-transcricional . Se essas regiões desempenham uma função regulatória importante, o aumento no comprimento 3'-UTR ao longo do tempo evolutivo sugere que as UTRs conservadas contribuem para a complexidade do organismo. Motivos regulatórios em UTRs, muitas vezes conservados em genes pertencentes à mesma família metabólica, poderiam ser usados ​​para desenvolver medicamentos altamente específicos que visam transcrições de RNA.

Elementos transponíveis

Elementos repetitivos podem se acumular no genoma de um organismo como resultado de alguns processos de transposição diferentes . A extensão em que isso ocorreu durante a evolução dos eucariotos varia muito: o DNA repetitivo é responsável por apenas 3% do genoma da mosca , mas é responsável por 50% do genoma humano .

Existem diferentes teorias que explicam a conservação dos elementos transponíveis . Defende-se que, como os pseudogenes , eles fornecem uma fonte de novo material genético, permitindo uma adaptação mais rápida às mudanças no ambiente. Uma alternativa mais simples é que, como os genomas eucarióticos podem não ter meios para evitar a proliferação de elementos transponíveis, eles são livres para se acumular, desde que não sejam inseridos em ou próximos a um gene de forma a interromper funções essenciais. Um estudo recente mostrou que os transposons contribuem com pelo menos 16% dos CNSs específicos para eutherian , marcando-os como uma "grande força criativa" na evolução da regulação gênica em mamíferos . Existem três classes principais de elementos transponíveis, distinguidos pelos mecanismos pelos quais eles proliferam.

Aulas

Os transposons de DNA codificam uma proteína transposase , que é flanqueada por sequências repetidas invertidas . A transposase extirpa a sequência e a reintegra em outras partes do genoma. Ao excisar imediatamente após a replicação do DNA e inserir em locais alvo que ainda não foram replicados, o número de transposons no genoma pode aumentar.

Os retrotransposons usam a transcriptase reversa para gerar um cDNA a partir do transcrito TE. Estes são divididos em retrotransposons de repetição terminal longa (LTR), elementos nucleares intercalados longos (LINEs) e elementos nucleares intercalados curtos (SINEs). Em retrotransposons LTR, depois que o molde de RNA é degradado, uma fita de DNA complementar ao cDNA transcrito reversamente retorna o elemento a um estado de fita dupla. A integrase , uma enzima codificada pelo retrotransposão LTR, reincorpora o elemento em um novo local-alvo. Esses elementos são flanqueados por longas repetições terminais (300–500 bp) que medeiam o processo de transposição.

LINEs usam um método mais simples em que o cDNA é sintetizado no local alvo após clivagem por uma endonuclease codificada por LINE . A transcriptase reversa codificada por LINE não é altamente específica para a sequência. A incorporação pela maquinaria LINE de transcritos de RNA não relacionados dá origem a pseudogenes processados ​​não funcionais. Se o promotor de um pequeno gene for incluído na porção transcrita do gene, o transcrito estável pode ser duplicado e reinserido no genoma várias vezes. Os elementos produzidos por esse processo são chamados de SINEs.

Elementos reguladores transponíveis conservados

Quando os elementos reguladores transponíveis conservados estão ativos em um genoma, eles podem introduzir novas regiões promotoras, interromper os locais regulatórios existentes ou, se inseridos em regiões transcritas, alterar os padrões de splicing . Um elemento transposto particular será selecionado positivamente se a expressão alterada que ele produz conferir uma vantagem adaptativa. Isso resultou em algumas das regiões conservadas encontradas em humanos. Quase 25% dos promotores caracterizados em humanos contêm elementos transpostos. Isso é de particular interesse à luz do fato de que a maioria dos elementos transponíveis em humanos não está mais ativa.

Pseudogenes

Pseudogenes são vestígios de genes outrora funcionais desativados por deleções, inserções ou mutações de sequência . A evidência primária para esse processo é a presença de ortólogos em pleno funcionamento para essas sequências inativadas em outros genomas relacionados. Pseudogenes comumente surgem após uma duplicação de genes ou evento de poliploidização . Com duas cópias funcionais de um gene, não há pressão seletiva para manter a expressibilidade de ambos, deixando um livre para acumular mutações como um pseudogene não funcional. Esse é o caso típico, em que a seleção neutra permite que os pseudogenes acumulem mutações, servindo como "reservatórios" de novo material genético, com potencial para serem reincorporados ao genoma. No entanto, descobriu-se que alguns pseudogenes são conservados em mamíferos. A explicação mais simples para isso é que essas regiões não codificantes podem servir a alguma função biológica, e esse é o caso de vários pseudogenes conservados. O mRNA de Makorin1, por exemplo, foi encontrado para ser estabilizado por seu pseudogene parálogo, Makorin1-p1, que é conservado em várias espécies de camundongos. Outros pseudogenes também foram encontrados para serem conservados entre humanos e camundongos e entre humanos e chimpanzés , originados de eventos de duplicação anteriores à divergência das espécies . As evidências da transcrição desses pseudogenes também apóiam a hipótese de que eles têm uma função biológica. A descoberta de pseudogenes potencialmente funcionais cria dificuldade em defini-los, uma vez que o termo foi originalmente destinado a sequências degeneradas sem função biológica.

Um exemplo de um pseudogene é o gene para L-gulonolactona oxidase , uma enzima hepática necessária para a biossíntese do ácido L-ascórbico (vitamina C) na maioria das aves e mamíferos, mas que é mutada na subordem haplorrhini dos primatas, incluindo humanos que requerem ácido ascórbico ou ascorbato dos alimentos. Os restos desse gene não funcional com muitas mutações ainda estão presentes nos genomas de cobaias e humanos.

Regiões ultraconservadas

As regiões ultraconservadas (UCRs) são regiões com mais de 200 bp de comprimento com 100% de identidade entre as espécies. Essas sequências exclusivas são encontradas principalmente em regiões não codificantes. Ainda não é totalmente compreendido por que a pressão seletiva negativa nessas regiões é muito mais forte do que a seleção em regiões codificadoras de proteínas. Embora essas regiões possam ser vistas como únicas, a distinção entre regiões com alto grau de conservação de sequência e aquelas com conservação de sequência perfeita não é necessariamente de significado biológico. Um estudo na Science descobriu que todas as sequências não codificantes extremamente conservadas têm funções regulatórias importantes, independentemente de a conservação ser perfeita, fazendo com que a distinção de ultraconservação pareça um tanto arbitrária.

Em genômica comparada

A conservação de regiões não codificantes funcionais e não funcionais fornece uma ferramenta importante para a genômica comparativa , embora a conservação de elementos reguladores cis tenha se mostrado particularmente útil. A presença de CNSs pode ser devida, em alguns casos, a uma falta de tempo de divergência, embora o pensamento mais comum seja que eles desempenham funções que colocam vários graus de restrição em sua evolução. Consistente com esta teoria, elementos cis-reguladores são comumente encontrados em regiões não codificantes conservadas. Assim, a similaridade de sequência é freqüentemente usada como um parâmetro para limitar o espaço de busca ao tentar identificar elementos reguladores conservados entre as espécies, embora isso seja mais útil na análise de organismos relacionados distantemente, uma vez que parentes mais próximos têm conservação de sequência entre elementos não funcionais também.

Os ortólogos com alta similaridade de sequência podem não compartilhar os mesmos elementos reguladores. Essas diferenças podem ser responsáveis ​​por diferentes padrões de expressão entre as espécies. A conservação da sequência não codificadora também é importante para a análise de parálogos dentro de uma única espécie. CNSs compartilhados por grupos parálogos de genes Hox são candidatos a regiões reguladoras de expressão, possivelmente coordenando os padrões de expressão semelhantes desses genes.

Os estudos genômicos comparativos das regiões promotoras de genes ortólogos também podem detectar diferenças na presença e no posicionamento relativo dos locais de ligação do fator de transcrição nas regiões promotoras. Os ortólogos com alta similaridade de sequência podem não compartilhar os mesmos elementos reguladores. Essas diferenças podem ser responsáveis ​​por diferentes padrões de expressão entre as espécies.

Acredita-se que as funções regulatórias comumente associadas a regiões não codificantes conservadas desempenhem um papel na evolução da complexidade eucariótica. Em média, as plantas contêm menos CNSs por gene do que os mamíferos. Acredita-se que isso esteja relacionado ao fato de terem passado por mais poliploidização ou eventos de duplicação do genoma. Durante a subfuncionalização que se segue à duplicação do gene, há potencial para uma taxa maior de perda do SNC por gene. Assim, os eventos de duplicação do genoma podem ser responsáveis ​​pelo fato de as plantas terem mais genes, cada um com menos SNC. Assumindo que o número de CNSs seja um proxy para a complexidade regulatória, isso pode ser responsável pela disparidade em complexidade entre plantas e mamíferos.

Como as mudanças na regulação do gene são consideradas responsáveis ​​pela maioria das diferenças entre humanos e chimpanzés, os pesquisadores têm olhado para o SNC para tentar mostrar isso. Uma parte do CNSs entre humanos e outros primatas tem um enriquecimento de polimorfismos de nucleotídeo único específicos para humanos , sugerindo seleção positiva para esses SNPs e evolução acelerada desses CNSs. Muitos desses SNPs também estão associados a mudanças na expressão gênica, sugerindo que esses SNCs desempenharam um papel importante na evolução humana .

Software de bioinformática online

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Referências