Белок-кодирующие и некодирующие гены

Не каждый ген кодирует белок. Белок-кодирующие гены транскрибируются в матричную РНК, которая затем транслируется в белок, тогда как некодирующие гены продуцируют функциональные молекулы РНК, которые действуют как РНК — регулируя, обрабатывая или служа каркасом для других молекул. Аннотация генома различает эти классы, и оказывается, что некодирующие гены значительно превосходят по численности гены, кодирующие только белки, что долгое время считалось единственным представлением о геноме.

Definition

Белок-кодирующий ген транскрибируется в мРНК, которая транслируется в белок; некодирующий ген транскрибируется в функциональную РНК (такую как длинная некодирующая РНК, микроРНК или другая нетранслируемая РНК), которая выполняет свою роль как РНК без трансляции.

Scope

Эта тема охватывает различие между белок-кодирующими и некодирующими генами, основные классы функциональных некодирующих РНК, а также то, как аннотация генома относит гены к этим категориям. Это справочный и образовательный материал; ассоциации некодирующих генов с заболеваниями описываются в общих чертах, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Что отличает белок-кодирующий ген от некодирующего гена?
• Каковы основные классы функциональных некодирующих РНК?
• Как аннотация генома определяет, является ли транскрипт кодирующим?
• Почему некодирующие гены биологически важны, несмотря на то, что не производят белка?

Key concepts

• Белок-кодирующий ген
• Матричная РНК (мРНК)
• Некодирующая РНК (нкРНК)
• Длинная некодирующая РНК (днкРНК)
• МикроРНК и малые регуляторные РНК
• Функциональная РНК против нетранслируемой последовательности
• Аннотация генома и кодирующий потенциал

Mechanisms

Белок-кодирующие гены транскрибируются, мРНК обрабатывается и экспортируется, а рибосомы транслируют ее открытую рамку считывания в белок. Некодирующие гены транскрибируются, но их продукты сворачиваются и действуют как РНК: длинные некодирующие РНК могут направлять модификаторы хроматина, служить каркасом для белковых комплексов или регулировать соседние гены, в то время как малые РНК, такие как микроРНК, связываются с целевыми мРНК для контроля их стабильности и трансляции. Конвейеры аннотации классифицируют транскрипт по таким признакам, как наличие и консервативность открытой рамки считывания, чтобы отличить кодирующие гены от некодирующих.

Clinical relevance

Поскольку некодирующие гены регулируют экспрессию, варианты в них или в их мишенях могут способствовать развитию заболевания, даже если последовательность белка не изменяется; поэтому распознавание того, является ли ген кодирующим или некодирующим, влияет на интерпретацию вариантов. Эта тема предоставляет концептуальную основу для справки и образования и не является основой для индивидуальной диагностики или лечения.

Epidemiology

Полногеномная аннотация показывает, что геном человека содержит количество генов длинных некодирующих РНК, сопоставимое с примерно двадцатью тысячами белок-кодирующих генов, и что большая часть генома транскрибируется в некодирующую РНК, что устанавливает некодирующие гены как количественно значимый компонент геномного набора, а не как незначительную особенность.

Evidence & guidelines

Каталог некодирующих генов человека получен в результате систематической аннотации транскриптома: ENCODE картировал повсеместную транскрипцию по всему геному, а исследования на основе GENCODE создали эталонные каталоги длинных некодирующих РНК, описывающие их генную структуру, консервативность и экспрессию, которые служат стандартом аннотации.

History

В течение десятилетий ген приравнивался к белок-кодирующей единице, а структурные РНК рассматривались как небольшое число исключений. Исследования транскриптома в 2000-х годах показали, что большая часть генома транскрибируется в некодирующую РНК и что существуют тысячи генов длинных некодирующих РНК, что расширило определение гена, включив в него функциональные продукты РНК.

Debates

Сколько некодирующих транскриптов действительно функциональны?

Повсеместная транскрипция производит огромное количество некодирующих РНК, но различие между теми, которые обладают биологической функцией, и транскрипционным шумом остается предметом споров и зависит от консервативности, специфичности экспрессии и экспериментальных данных.

Key figures

• Roderic Guigó
• John Rinn
• Irene Bozzoni

Seminal works

• encode-2012
• derrien-2012
• cabili-2011

Frequently asked questions

Если некодирующий ген не производит белка, что он делает?

Его РНК-продукт сам по себе функционален: длинные некодирующие РНК могут регулировать хроматин и экспрессию генов, а малые РНК, такие как микроРНК, контролируют стабильность и трансляцию других мРНК.

Как ученые отличают кодирующий ген от некодирующего?

Аннотация оценивает кодирующий потенциал транскрипта — главным образом, содержит ли он консервативную открытую рамку считывания, которая, вероятно, будет транслирована — чтобы классифицировать его как белок-кодирующий или некодирующий.