Junk DNA — Nicht-proteinogene DNA

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1 Junk DNA — Nicht-proteinogene DNA

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3 gilt für 2% der menschlichen DNA Rest — ?

4 Einführung Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Einführung Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

5 Einführung Codierende DNA: Mensch 2% Mais 1% A. thaliana 70%
Fragestellung Erklärungsansätze Codierende DNA: Mensch 2% Mais 1% A. thaliana 70% Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

6 Einführung Rest: Junk DNA Unnötige DNA DNA ohne erkennbare Bedeutung
Fragestellung Erklärungsansätze Rest: Junk DNA Unnötige DNA DNA ohne erkennbare Bedeutung Nicht-proteincodierende DNA ENCODE; RNome; Transkriptionseinheit Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

7 Fragestellung Ist Junk-DNA überflüssig? Woher kommt Junk-DNA?
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Ist Junk-DNA überflüssig? Woher kommt Junk-DNA? Was beinhaltet Junk-DNA? Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

8 Fragestellung Indizien:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Indizien: Fehlende Korrelation: DNA-Menge Entwicklungsstufe Zahl der Gene Ungewollte Anhäufung Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

9 Fragestellung Mechanismen: Genduplikation Stillegung von Genkopien
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Mechanismen: Genduplikation Stillegung von Genkopien Transposons Retroviren Mangelnde Selektion Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

10 Fragestellung Neue Überlegung: 98% überflüssig?
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Neue Überlegung: 98% überflüssig? Regulatoren und andere Elemente jenseits der Genebene? Komplexität / Genanzahl? Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

11 Erklärungsansätze „Schätze in Junk-DNA“
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze „Schätze in Junk-DNA“ Neue Erkenntnisse (und Spekulation) in verschiedenen Richtungen Keine allgemeine Methode Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

12 Aktive RNA Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Aktive RNA Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

13 Aktive RNA Ribozyme katalytisch aktiv analoge Erkennung (wie Proteine)
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Ribozyme katalytisch aktiv analoge Erkennung (wie Proteine) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

14 Aktive RNA Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

15 Aktive RNA Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

16 Aktive RNA Antisense-RNA regulatorisch aktiv
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Antisense-RNA regulatorisch aktiv digitale Erkennung (Komplementärsequenz) wirkt allein, simpler Mechanismus Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

17 Aktive RNA Blockierung der mRNA durch Hybridisierung — Antisense-RNA
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen Blockierung der mRNA durch Hybridisierung — Antisense-RNA

18 Aktive RNA Mikro-RNA und RNAi regulatorisch aktiv
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Mikro-RNA und RNAi regulatorisch aktiv digitale Erkennung (Komplementärsequenz) komplexe Maschinerie Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

19 Aktive RNA mikroRNA-Sequenzen im Intron (oder anderswo);
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen mikroRNA-Sequenzen im Intron (oder anderswo); hairpin nach der Transkription

20 Aktive RNA Freisetzen durch Splicing Spaltung durch Dicer:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen Freisetzen durch Splicing Spaltung durch Dicer: aktive Fragmente (RNAi)

21 Aktive RNA Erkennen der mRNA: Hybridisierung Abbau durch Enzymkomplex
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen Erkennen der mRNA: Hybridisierung Abbau durch Enzymkomplex — Andere Funktionen?

22 Aktive RNA Riboswitches regulatorisch und katalytisch aktiv
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Riboswitches regulatorisch und katalytisch aktiv analoge Erkennung (niedermolekulare Substanzen) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

23 Aktive RNA Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen RNA beinhaltet: - Riboswitch-Abschnitt - proteincodierenden Abschnitt

24 Aktive RNA RNA-Struktur verhindert Ablesen
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen RNA-Struktur verhindert Ablesen Aufhebung durch Signalstoffe

25 Aktive RNA: Bewertung Bewertung
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Bewertung Schätzung Maus: Einheiten vs Gene Pseudogene Erforschung - Zufallsmutagenese (z.B. Maus) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

26 Volumenfunktion Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

27 Volumenfunktion Keine Korrelation: DNA-Menge – Genzahl Korrelation:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Keine Korrelation: DNA-Menge – Genzahl Korrelation: DNA-Menge – Kernvolumen DNA-Menge – Zellvolumen (Th. Cavalier-Smith) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

28 Volumenfunktion Untersuchungsobjekt: Cryptomonaden Einführung
Fragestellung Erklärungsansätze Untersuchungsobjekt: Cryptomonaden Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

29 Biflagellat Rotalge Endosymbiose
Volumenfunktion Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Biflagellat Rotalge Endosymbiose Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

30 Volumenfunktion Chimäre Cryptomonaden Nucleus: reguliert Zellvolumen
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Chimäre Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons Cryptomonaden LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen Nucleus: reguliert Zellvolumen Nucleomorph: abhängig

31 Volumenfunktion Unabhängige Entwicklung:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Unabhängige Entwicklung: Nucleus: DNA-Gehalt ~ Zellvolumen Evolutive Vergrösserung Nucleomorph: DNA-Gehalt unabhängig Evolutive Reduzierung Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

32 Volumenfunktion Schlussfolgerung:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Schlussfolgerung: Selektion gegen und für DNA-Ansammlung ist möglich! Für „Junk-DNA“ muss es einen evolutiven Grund geben! Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

33 Volumenfunktion Erklärung: Größere Zelle => mehr Proteine
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Erklärung: Größere Zelle => mehr Proteine Mehr Proteine => mehrAblesen Mehr Ablesen => mehr Enzyme Mehr Enzyme => mehr Platzbedarf Mehr Platzbedarf => Volumenschaffende sekundäre DNA Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

34 Volumenfunktion: Bewertung
Einführung Volumenfunktion: Bewertung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Wichtigste Erkenntnis: Selektion gegen/für Junk-DNA Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

35 Transposons Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

36 Transposons „springende“ Genelemente Mechanismus: Transposase
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze „springende“ Genelemente Mechanismus: Transposase teilweise ± stillgelegt Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

37 Transposons erzeugen „Narben“ beim Ausschneiden
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze erzeugen „Narben“ beim Ausschneiden erzeugen teilweise Kopien können Gene durch Disruption zerstören Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

38 Transposons Transposons und Junk-DNA: Direkt:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Transposons und Junk-DNA: Direkt: Transposons erzeugen wertlose Bereiche durch Disruption und Selbstvervielfältigung Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

39 Transposons Transposons und Junk-DNA: Indirekt:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Transposons und Junk-DNA: Indirekt: Transposonaktivität macht Mehrfachkopien von Genen notwendig und sinnvoll Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

40 Transposons: Bewertung
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze eindeutig nachgewiesen fehlende Selektion—? Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

41 Long-Range Enhancer Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Long-Range Enhancer Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

42 Long-Range Enhancer Experimenteller Ansatz:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Experimenteller Ansatz: Scanning Human Gene Deserts Beispiel: DACH (u.a. Gehirnentwicklung) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

43 Long-Range Enhancer Introns 870 kb DACH 430 kb 1330 kb
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Introns Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons 870 kb DACH 430 kb 1330 kb LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung wenige Regulations- elemente Referenzen

44 Long-Range Enhancer Vergleich mit anderen Spezies:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Vergleich mit anderen Spezies: 1098 nicht-codierende Sequenzen konserviert in Maus und Mensch (Kriterium: > 100 bp, > 70%) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

45 Long-Range Enhancer Vergleich mit anderen Spezies:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Vergleich mit anderen Spezies: 32 nicht-codierende Sequenzen konserviert in Maus, Mensch, Frosch, Zebrafisch, Fugu entspricht 1 Mrd. Jahre Evolution Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

46 Long-Range Enhancer Auswahl
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Auswahl 9 konservierte Sequenzen (aus Introns und den beiden flankierenden „Genwüsten“) Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

47 Long-Range Enhancer Testverfahren: Enhancer?
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Testverfahren: Enhancer? Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches ? Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen ? b-Galactosidase Schlussbetrachtung Referenzen Minimal-Promoter (aus Hsp68) Expression in transgenen Mäusen

48 Long-Range Enhancer Ergebnis
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Ergebnis 7 konservierte Sequenzen wirken als Enhancer Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

49 Long-Range Enhancer Ergebnis
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Ergebnis 7 konservierte Sequenzen wirken als Enhancer Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

50 Long-Range Enhancer: Bewertung
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Nicht-codierende DNA ist konserviert Regulationsbereichen von Genen deutlich größer als angenommen! Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

51 Strukturfunktion Einführung Fragestellung Erklärungsansätze
Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Strukturfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

52 Strukturfunktion DNA in Chromosomen: Telomere Centromere Einführung
Fragestellung Erklärungsansätze DNA in Chromosomen: Telomere Centromere Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

53 Strukturfunktion DNA in Kernen: Euchromatin Heterochromatin Einführung
Fragestellung Erklärungsansätze DNA in Kernen: Euchromatin Heterochromatin Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

54 Strukturfunktion DNA bei der Zellteilung: Chromosomenverteilung
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze DNA bei der Zellteilung: Chromosomenverteilung Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

55 Strukturfunktion: Bewertung
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Sequenzabschnitte für Bindung und Erkennung durch Proteine? Ausmaß schwer einzuschätzen Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

56 Andere offene Fragen Epigenetische Ebene
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Epigenetische Ebene Einfluss der chromosomalen Struktur Variationen zwischen Zellen! Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

57 Andere offene Fragen Spekulationen: z.B. Unterschied Affe / Mensch?
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Spekulationen: z.B. Unterschied Affe / Mensch? 98% der Gene (!) identisch Rolle der Junk-DNA...? Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

58 Andere offene Fragen Aber: 98% des Genoms identisch
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Aber: 98% des Genoms identisch Gene bereits identifiziert Junk-DNA ist nicht Lösung aller Probleme! Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

59 Schlussbetrachtung Keine eindeutige Antwort ... aber:
Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Keine eindeutige Antwort ... aber: Neue Sichtweise über Gene hinaus! Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen

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61

62 Enhancer Modifikation Struktur Ribozyme Volumenfunktion Antisense Riboswitches RNAi Translation

63 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

64 Referenzen (Auswahl) Einführung Fragestellung Erklärungsansätze Allgemein: Preziosen im DNA-Schrott, Spektrum der Wissenschaft 02/2004, 68 RNA: An Expanding Universe of Noncoding RNAs, Science 296 (2002), 1260 Volumenfunktion: Eukaryotic non-coding DNA is functional (...), Proc. R. Soc. Lond. B. 266, 2053 LR-Enhancer: Scanning Human Gene Deserts (...), Science 302 (2003), 413 Aktive RNA: Ribozyme Digitale Erkennung Riboswitches Volumenfunktion Transposons LR-Enhancer Strukturfunktion Andere offene Fragen Schlussbetrachtung Referenzen