Nicht-codierende DNA:
Mehr als "Schrott"

In Kürze
2 % des Erbguts codieren für Proteine, aber was ist mit den restlichen 98 % ? Lange Zeit fanden Wissenschaftler keine Funktion für diese nicht-(Protein-)codierenden Sequenzen - woraus sie kurzerhand folgerten, dass es sich um "Schrott-DNA" handeln müsse. Dabei ist die Natur geizig mit ihren Ressourcen und wirft überflüssigen Ballast schnell ab. Und warum finden sich im angeblichen Schrott so viele Bereiche, welche die Evolution über Jahrmillionen bewahrt hat?
Nur etwa 2 % der 3 Milliarden Buchstaben des menschlichen Genoms codieren für Proteine, aber aus bis zu 94 % wird RNA hergestellt. (Daten gemäß dem ENCODE Projekt)
Mit der Sequenzierung des menschlichen Genoms konnten diese Fragen erstmals systematisch angegangen werden. Das ENCODE Projekt suchte sich repräsentative Bereiche des Erbguts heraus (insgesamt etwa 1 % der Gesamtsequenz) und untersuchte akribisch, welcher Anteil davon in RNA umgeschrieben wird1. Die Überraschung war groß: Nicht nur die 2 % der Proteingene, sondern bis zu 94 % des Genoms dienen als Vorlage zur RNA-Herstellung.
Um den genauen Prozentsatz herrscht noch Uneinigkeit, andere Studien setzen den Anteil der abgelesenen DNA geringer an2,3. Aber immer finden sich tausende von RNA-Fragmenten, die nicht den bekannten Genen zugeordnet werden können.
Die nicht-codierenden Sequenzen beeinflussen die Aktivität der Proteingene und die Struktur der Chromosomen auf vielfältige Weise. (Bild: NIH)

Mehr zu diesem Thema

In Kürze

  • nur 2 % des Genoms codieren für Proteine, aber bis zu 94 % werden in RNA umgeschrieben
  • die RNA kann auf das Genom zurückwirken und - direkt oder indirekt - die Aktivität von Proteingenen steuern
  • nicht-codierende DNA-Sequenzen beeinflussen die Zusammenlagerung und Rekombination von Chromosomen
Die Veröffentlichung der ENCODE-Daten hat der RNA-Forschung einen gewaltigen Schub verliehen. Und schon bald wurde klar: Die RNA wirkt auf vielfältige Weise wieder auf die DNA zurück. Teile des Genoms werden so aktiviert oder gehemmt, sogar ganze Chromosomen können stillgelegt werden.
Man teilt nun die RNA in unterschiedliche Klassen auf, und beginnt langsam, deren Funktionsweise zu verstehen. Manche kontrollieren direkt die Aktivität einzelner Proteingene, während andere die Struktur größerer Genombereiche verändern und so viele Gene auf einmal kontrollieren4. Und manchmal scheint auch nicht die RNA als Produkt wichtig zu sein, sondern nur deren Herstellung: Der Prozess des Umschreibens allein beeinflusst die Aktivität mancher Gene5.
Doch mit der Herstellung von RNA hört die Funktion der nicht-codierenden Sequenzen nicht auf. Große Teile des Genoms bestehen aus sich wiederholenden Sequenzen (die ursprünglich aus Viren stammen); diese könnten dazu beitragen, dass sich Chromosomen auf verschiedenste Weise zusammenzulagern5. Dabei entstehen Zusammenballungen von Genen, die - obwohl sie auf unterschiedlichen Chromosomen liegen - gemeinsam reguliert werden.
Sich wiederholende Sequenzen bilden auch Sollbruchstellen, die eine Umstrukturierung des Erbguts ermöglichen. Dabei werden Teile von Chromosomen ausgetauscht, umgedreht, verdoppelt oder entfernt - was Krankheiten auslösen, aber auch die Evolution vorantreiben kann6.
Es gibt noch eine Reihe weiterer Theorien. Vielleicht sind nicht-codierende Sequenzen wesentlich daran beteiligt, dass sich höhere Lebewesen weiterentwickeln: Mutationen in diesen Bereichen können weitreichende Auswirkungen haben und Bedingungen schaffen, welche die Evolution von Proteingenen deutlich erleichtern7.
Eine andere Theorie baut darauf auf, dass DNA-bindende Faktoren auch an nicht-codierende Sequenzen binden. Diese Faktoren fehlen dann an anderen Stellen, wodurch wiederum die Aktivität von Proteingenen beeinflusst wird7.
Trotz aller Fortschritte und Theorien: Noch ist man weit davon entfernt, alle Geheimnisse der nicht-codierenden DNA geklärt zu haben. Doch die Forschung ist dabei auf Phänomene gestoßen, die bis vor kurzem nicht für möglich gehalten wurden. Und man kann davon ausgehen, dass noch manch andere Überraschung auf uns wartet.
1 The ENCODE Project Consortium, Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome..., Nature 2007, vol. 447, pp. 799-816 (link)
2 van Barkel et al., Most "Dark Matter" Transcripts Are Associated With Known Genes, PLoS Biology 2010, vol. 8, pp. e1000371 (link)
3 Brawand et al., The evolution of gene expression levels in mammalian organs, Nature 2011, vol. 478, pp. 343-50 (link)
4 Amaral et al., The Eukaryotic Genome as an RNA Machine, Science 2008, vol. 319, pp. 1787-9 (link)
5 Martens et al., Intergenic transcription is required to repress the Saccharomyces cerevisiae SER3 gene, Nature 2004, vol. 429, pp. 571-4 (link)
6 Shaw et al., Implications of human genome architecture for rearrangement-based disorders..., Hum. Mol. Gen. 2004, vol. 13, pp. R57-64 (link)
7 Zuckerkandl et al., Combinatorial epigenetics, "junk DNA", and the evolution of complex organisms, Gene 2007, vol. 390, pp. 232-42 (link)
  • Bookmarks