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DNA “spazzatura”: cos’è, a cosa serve e se lo si può definire vera spazzatura

Il DNA contiene istruzioni (codifica) che vengono utilizzate per creare proteine nella cellula. Tuttavia, la quantità di DNA contenuta all’interno di ciascuna cellula è vasta e non tutte le sequenze genetiche presenti all’interno di una molecola di DNA in realtà codificano per una proteina. Parte di questo DNA non codificante viene utilizzato per produrre componenti di RNA non codificanti come RNA di trasferimento, RNA regolatorio e RNA ribosomiale. Tuttavia, altre regioni del DNA non vengono trascritte in proteine, né vengono utilizzate per produrre molecole di RNA e la loro funzione non è nota. La percentuale di codifica rispetto al DNA non codificante varia significativamente tra le specie. Nel genoma umano, ad esempio, quasi tutto (98%) del DNA non è codificante, mentre nei batteri solo il 2% del materiale genetico non codifica per nulla. In genetica, il termine DNA spazzatura (junk DNA) si riferisce a regioni del DNA non codificanti.

Il termine “DNA spazzatura” fu usato per la prima volta negli anni ’60, ma fu formalizzato da Susumu Ohno nel 1972. Ohno notò che la quantità di mutazione che si verifica a seguito di mutazioni deleterie fissava un limite per la quantità di loci funzionali che cisi poteva aspettare quando è stato considerato un normale tasso di mutazione. In una recensione di Nature pubblicata nel 1980, Leslie Orgel e Francis Crick affermarono che il DNA spazzatura “aveva poca specificità e conferiva poco o nessun vantaggio selettivo all’organismo”. Tuttavia, nel corso degli anni, i ricercatori hanno trovato prove che suggeriscono che il DNA spazzatura può fornire una qualche forma di attività funzionale. Alcune linee di evidenza suggeriscono che frammenti di ciò che era originariamente DNA non funzionale hanno subito il processo di “exaptation” durante l’evoluzione. Exaptation si riferisce all’acquisizione di una funzione attraverso mezzi diversi dalla selezione naturale.

Nel 2012, un programma di ricerca chiamato progetto ENCODE ha concluso che circa tre quarti del DNA non codificante nel genoma umano sono stati sottoposti a trascrizione e che quasi il 50% del genoma era disponibile per la regolazione genica da parte dei fattori di trascrizione. Tuttavia, questi risultati sono stati criticati da altri scienziati che sostengono che l’accessibilità di questi segmenti genomici ai fattori di trascrizione non significa che abbiano necessariamente una funzione biochimica o che la trascrizione dei segmenti sia in qualche modo vantaggiosa in termini di evoluzione. Studi di genomica comparativa hanno dimostrato che parte di questo DNA spazzatura è altamente conservato, a volte per centinaia di milioni di anni, il che suggerisce che queste regioni non codificanti hanno subito una selezione positiva durante l’evoluzione e conferiscono un vantaggio in termini di conservazione o minimizzazione di alcuni tratti biologici.

Ad esempio, il genoma umano e il genoma dei topi si sono discostati da un antenato comune circa 65-75 milioni di anni fa. Tuttavia, il DNA codificante per proteine costituisce solo circa il 20% del DNA conservato in questi genomi, mentre il resto del DNA conservato si trova in regioni non codificanti. I ricercatori hanno anche scoperto che alcune sequenze nel DNA spazzatura agiscono come “interruttori”, che determinano dove e quando i geni vengono espressi. Uno studio comparativo che ha esaminato più di 300 genomi procariotici e 30 eucariotici ha stimato la quantità minima di DNA non codificante richiesta da un organismo eucariotico. Nell’uomo, la quantità minima stimata era di circa il 5% dell’intero genoma. Alcune regioni del DNA non codificante possono anche essere essenziali per la struttura cromosomica, la funzione dei centromeri e svolgere un ruolo nella divisione cellulare (meiosi).

Esistono diversi tipi di DNA non codificante o spazzatura. Alcuni di questi sono descritti di seguito.

RNA funzionale non codificante – Queste sono sequenze di RNA funzionanti che non sono tradotte in proteine ed esempi includono complesso RNA-Piwi, RNA ribosomiale, RNA di trasferimento e microRNA. Gli esperti hanno stimato che i microRNA controllano l’attività traslazionale di quasi un terzo di tutti i geni codificanti le proteine tra i mammiferi e potrebbero svolgere un ruolo importante nella progressione di alcune malattie come il cancro e le malattie cardiache, nonché nella risposta immunitaria all’invasione da parte di organismi infettivi.

Telomeri – Questi sono segmenti di DNA ripetuto che si trovano alla fine di un cromosoma, dove impediscono il deterioramento del cromosoma durante il processo di replicazione del DNA. Sono i markers genetici dell’invecchiamento cellulare

Introni: un introne è la parte non codificante di un gene, mentre un codone è la parte codificante. Gli introni vengono trascritti nell’mRNA precursore, ma vengono successivamente rimossi prima che si formi l’RNA messaggero maturo. Alcuni di questi introni sembrano esercitare una funzione biologica. Possono aiutare a regolare l’attività di tRNA e rRNA, nonché l’espressione di geni codificanti proteine.

Pseudogeni: sono sequenze di DNA correlate a geni noti ma che non possiedono più la capacità di codificare una proteina. Si presentano attraverso retrotrasposizione o geni funzionali che sono stati duplicati, ma non sono funzionali perché contengono mutazioni che ne impediscono la trascrizione o alterano la traduzione genica.

Elementi cis e trans-regolatori – Questi elementi sono sequenze che regolano la trascrizione di un gene. Possono essere trovati all’interno di introni o nelle regioni non tradotte 5 ‘o 3’. Le sequenze dei promotori facilitano la trascrizione di un particolare gene e di solito si trovano a monte della regione codificante. Le sequenze del potenziatore influenzano anche il grado in cui un gene viene trascritto.

Trasposoni: un trasposone è un elemento genetico mobile che può cambiare la sua posizione nel genoma, che può invertire una mutazione o causarne una, alterando quindi le dimensioni del genoma della cellula.

Sequenze virali – Esistono diverse sequenze di retrovirus endogeni che emergono attraverso la trascrizione inversa dei genomi del retrovirus. La mutazione di queste sequenze può disattivare il genoma virale.

Sembra dunque che il termine “spazzatura” sia inappropriato per uno dei materiali organici più nobili in natura. Se è stato etichettato “spazzatura” è perché l’uomo pensava che non avesse utilità. Un probabile riflesso mentale o culturale dell’evoluzione moderna.

  • A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.

Pubblicazioni scientifiche

Chen X et al. Theranostics 2020 Jan 1; 10(4):1479-99.

Lee H et al. Trends Genet. 2019 Dec; 35(12):892-902.

Drongitis D et al. Int J Mol Sci. 2019 Nov 15; 20(22).

McNulty SM et al. Chromosome Res. 2018; 26(3):115.

Anna A, Monika G.J Appl Genet. 2018 Aug; 59(3):253.

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Dott. Gianfrancesco Cormaci
Dott. Gianfrancesco Cormaci
Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998; specialista in Biochimica Clinica dal 2002; dottorato in Neurobiologia nel 2006; Ex-ricercatore, ha trascorso 5 anni negli USA (2004-2008) alle dipendenze dell' NIH/NIDA e poi della Johns Hopkins University. Guardia medica presso la casa di Cura Sant'Agata a Catania. Medico penitenziario presso CC.SR. Cavadonna (SR) Si occupa di Medicina Preventiva personalizzata e intolleranze alimentari. Detentore di un brevetto per la fabbricazione di sfarinati gluten-free a partire da regolare farina di grano. Responsabile della sezione R&D della CoFood s.r.l. per la ricerca e sviluppo di nuovi prodotti alimentari, inclusi quelli a fini medici speciali.

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