Ριβοσωμικό DNA

Το Ριβοσωμικό DNA (rDNA) είναι μια αλληλουχία DNA που κωδικοποιεί το ριβοσωμικό RNA. Αυτές οι αλληλουχίες ρυθμίζουν την έναρξη και την ενίσχυση της μεταγραφής και περιέχουν τόσο μεταγραμμένα όσο και μη μεταγραμμένα τμήματα διαχωριστή DNA. Στο ανθρώπινο γονιδίωμα υπάρχουν 5 χρωμοσώματα με περιοχές οργανωτή πυρηνίσκων: τα ακροκεντρικά χρωμοσώματα 13 (RNR1), 14 (RNR2), 15 (RNR3), 21 (RNR4) και 22 (RNR5). Τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την κωδικοποίηση των διαφόρων υπομονάδων του rRNA βρίσκονται σε πολλαπλά χρωμοσώματα στον άνθρωπο. Αλλά τα γονίδια που κωδικοποιούν για το rRNA είναι εξαιρετικά διατηρημένα σε όλους τους τομείς, με μόνο τους αριθμούς αντιγράφων που εμπλέκονται για τα γονίδια που έχουν διαφορετικούς αριθμούς ανά είδος. Στα βακτήρια, στα αρχαία και στους χλωροπλάστες το rRNA αποτελείται από διαφορετικές (μικρότερες) μονάδες, το μεγάλο (23S) ριβοσωμικό RNA, το 16S ριβοσωμικό RNA και το 5S rRNA. Το 16S rRNA χρησιμοποιείται ευρέως για φυλογενετικές μελέτες.

 Το rRNA που μεταγράφεται από τις περίπου 600 επαναλήψεις rDNA σχηματίζει το πιο άφθονο τμήμα RNA που βρίσκεται σε κύτταρα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα ριβοσώματα είναι συγκροτήματα πρωτεϊνών και μορίων rRNA που μεταφράζει μόρια mRNA για την παραγωγή πρωτεϊνών. Όπως φαίνεται στο σχήμα, το rDNA των ευκαρυωτών αποτελείται από μια διαδοχική επανάληψη ενός τμήματος μονάδας, που αποτελείται από NTS, ETS, 18S, ITS1, 5.8S, ITS2 και δεμάτια 28S. Το rDNA έχει ένα άλλο γονίδιο, που κωδικοποιεί το 5S rRNA, που βρίσκεται στο γονιδίωμα στους περισσότερους ευκαρυώτες. Το 5S rDNA υπάρχει επίσης σε ανεξάρτητες διαδοχικές επαναλήψεις όπως στη δροσόφιλα. Οι περιοχές DNA που είναι επαναλαμβανόμενες συχνά υφίστανται γεγονότα ανασυνδυασμού. Οι επαναλήψεις rDNA έχουν πολλούς ρυθμιστικούς μηχανισμούς που εμποδίζουν το DNA να υποστεί μεταλλάξεις, κρατώντας έτσι το rDNA διατηρημένο. Στον πυρήνα, η περιοχή rDNA του χρωμοσώματος απεικονίζεται ως πυρηνίσκος που σχηματίζει διευρυμένους χρωμοσωμικούς βρόχους με το rDNA. Οι μεταγραφικές μονάδες rRNA συγκεντρώνονται σε διαδοχικές επαναλήψεις. Αυτές οι περιοχές rDNA ονομάζονται επίσης περιοχές οργανωτή πυρηνίσκου (nucleolus organizer regions), καθώς δημιουργούν τον πυρηνίσκο. Στο rDNA, οι διαδοχικές επαναλήψεις βρίσκονται κυρίως στον πυρηνίσκο. αλλά ετεροχρωματικό rDNA βρίσκεται έξω από τον πυρήνα. Ωστόσο, το μεταγραφικά ενεργό rDNA βρίσκεται μέσα στον ίδιο τον πυρηνίσκο. Στη μεγάλη συστοιχία rDNA, οι πολυμορφισμοί μεταξύ των επαναλαμβανόμενων μονάδων rDNA είναι πολύ χαμηλοί, υποδεικνύοντας ότι οι διαδοχικές συστοιχίες rDNA εξελίσσονται μέσω εναρμονισμένης εξέλιξης. Ωστόσο, ο μηχανισμός της εναρμονισμένης εξέλιξης είναι ατελής, έτσι ώστε οι πολυμορφισμοί μεταξύ των επαναλήψεων μέσα σε ένα άτομο μπορεί να εμφανιστούν σε σημαντικά επίπεδα και μπορεί να συγχέουν τις φυλογενετικές αναλύσεις για στενούς συγγενείς οργανισμούς. Οι 5S διαδοχικές επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες σε πολλές δροσόφιλες συγκρίθηκαν μεταξύ τους και το αποτέλεσμα αποκάλυψε ότι η εισαγωγή και η διαγραφή εμφανίστηκαν συχνά μεταξύ ειδών και συχνά συνοδεύτηκαν από διατηρημένες αλληλουχίες. Θα μπορούσαν να εμφανιστούν με ολίσθηση του νεοσυντιθέμενου κλώνου κατά τη διάρκεια της αντιγραφής του DNA ή με τη γονιδιακή μετατροπή. Οι μεταγραφικές οδοί rDNA έχουν χαμηλό ποσοστό πολυμορφισμού μεταξύ των ειδών, γεγονός που επιτρέπει τη διαειδική σύγκριση για την αποσαφήνιση της φυλογενετικής σχέσης χρησιμοποιώντας μόνο λίγα δείγματα. Οι περιοχές κωδικοποίησης του rDNA διατηρούνται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ των ειδών, αλλά οι περιοχές ITS είναι μεταβλητές λόγω εισαγωγών, διαγραφών και σημειακών μεταλλάξεων. Η σύγκριση των αλληλουχιών μεταξύ απομακρυσμένων ειδών όπως ανθρώπου και βατράχου στις περιοχές ITS δεν είναι κατάλληλη. Οι διατηρημένες αλληλουχίες στις κωδικοποιητικές περιοχές του rDNA επιτρέπουν συγκρίσεις απομακρυσμένων ειδών, ακόμη και μεταξύ ζυμομύκητα και ανθρώπου. Το ανθρώπινο 5.8S rRNA είναι κατά 75% ταυτόσημο με το rRNA 5.8S ζυμομύκητα. Σε περιπτώσεις αδελφών ειδών, η σύγκριση του τμήματος rDNA συμπεριλαμβανομένων των περιοχών ITS μεταξύ των ειδών και η φυλογενετική ανάλυση γίνονται ικανοποιητικά. Οι διαφορετικές κωδικοποιητικές περιοχές των επαναλήψεων rDNA εμφανίζουν συνήθως διακριτούς εξελικτικούς ρυθμούς. Ως αποτέλεσμα, αυτό το DNA μπορεί να παρέχει φυλογενετικές πληροφορίες ειδών που ανήκουν σε μεγάλα συστηματικά επίπεδα. Ένα θραύσμα rDNA ζυμομύκητα που περιέχει το γονίδιο 5S, μη μεταγραμμένου διαχωριστή DNA και μέρος του γονιδίου 35S έχουν εντοπισμένη διεγερτική δράση δραστικού cis μιτωτικού ανασυνδυασμού. Αυτό το θραύσμα DNA περιέχει ένα μιτωτικό ανασυνδυασμού υψηλής συχνότητας, που αναφέρεται ως HOT1. Το HOT1 εκφράζει τη δραστηριότητα διέγερσης του ανασυνδυασμού όταν εισάγεται σε νέες θέσεις στο γονιδίωμα της ζύμης. Το HOT1 περιλαμβάνει έναν προαγωγέα μιας μεταγραφής πολυμεράσης Ι του RNA (PolI) που καταλύει τη μεταγραφή του γονιδίου 35S του ριβοσωμικού rRNA. Σε ένα ελαττωματικό μετάλλαγμα PolI, η δραστηριότητα διέγερσης του ανασυνδυασμού υψηλής συχνότητας HOT1 καταργείται. Το επίπεδο μεταγραφής PolI στο HOT1 φαίνεται να καθορίζει το επίπεδο του ανασυνδυασμού. Ασθένειες μπορούν να συσχετιστούν με μεταλλάξεις του DNA, όπου το DNA μπορεί να επεκταθεί, όπως η νόσος του Χάντινγκτον, ή να χαθεί λόγω μεταλλάξεων διαγραφής. Το ίδιο ισχύει για τις μεταλλάξεις που συμβαίνουν σε επαναλήψεις rDNA. Έχει βρεθεί ότι εάν τα γονίδια που σχετίζονται με τη σύνθεση των ριβοσωμάτων διαταραχθούν ή μεταλλαχθούν, μπορεί να προκληθούν διάφορες ασθένειες που σχετίζονται με τον σκελετό ή τον μυελό των οστών. Επίσης, οποιαδήποτε βλάβη ή διαταραχή στα ένζυμα που προστατεύουν τις διαδοχικές επαναλήψεις του rDNA, μπορεί να οδηγήσει σε χαμηλότερη σύνθεση ριβοσωμάτων, τα οποία επίσης οδηγούν σε άλλα ελαττώματα στο κύτταρο. Νευρολογικές ασθένειες μπορεί επίσης να προκύψουν από μεταλλάξεις στις διαδοχικές επαναλήψεις του rDNA, όπως το σύνδρομο Μπλουμ (Bloom), το οποίο εμφανίζεται όταν ο αριθμός των διαδοχικών επαναλήψεων αυξάνεται κοντά στο εκατονταπλάσιο, σε σύγκριση με αυτόν του κανονικού αριθμού διαδοχικών επαναλήψεων. Διάφοροι τύποι καρκίνου μπορούν επίσης να γεννηθούν από μεταλλάξεις των διαδοχικών επαναλήψεων στο ριβοσωμικό DNA. Οι κυτταρικές γραμμές μπορεί να γίνουν κακοήθεις είτε από αναδιάταξη των διαδοχικών επαναλήψεων, είτε από επέκταση των επαναλήψεων στο rDNA.