7.2C: Size Variation and ORF Contents in Genomes

W genetyce molekularnej, otwarta ramka odczytu (ORF) jest częścią ramki odczytu, która nie zawiera kodonów stop. Miejsce pauzy zakończenia transkrypcji znajduje się za ORF, poza kodonem stopu translacji, ponieważ gdyby transkrypcja ustała przed kodonem stopu, podczas translacji powstałoby niekompletne białko.

Normalnie inserty, które przerywają ramkę odczytu kolejnego regionu po kodonie startu, powodują mutację frameshift sekwencji i dyslokację sekwencji dla kodonów stopu.

Otwarte ramki odczytu są używane jako jeden z dowodów pomocnych w przewidywaniu genów. Długie ORF-y są często używane, wraz z innymi dowodami, do wstępnej identyfikacji regionów kodujących białka w sekwencji DNA. Obecność ORF nie musi oznaczać, że region ten jest kiedykolwiek tłumaczony. Na przykład, w losowo wygenerowanej sekwencji DNA o równym udziale procentowym każdego nukleotydu, kodon stop byłby oczekiwany raz na 21 kodonów. Prosty algorytm przewidywania genów u prokariotów może szukać kodonu startowego, po którym następuje otwarta ramka odczytu, wystarczająco długa, by zakodować typowe białko, gdzie użycie kodonów w tym regionie odpowiada częstotliwości charakterystycznej dla regionów kodujących danego organizmu. Nawet długa otwarta ramka odczytu sama w sobie nie jest rozstrzygającym dowodem na obecność genu.

Jeśli część genomu została zsekwencjonowana (np. 5′-ATCTAAAATGGTGCC-3′), ORF-y mogą być zlokalizowane poprzez zbadanie każdej z trzech możliwych ramek odczytu na każdej nici. W tej sekwencji dwie z trzech możliwych ramek odczytu są całkowicie otwarte, co oznacza, że nie zawierają kodonu stop:

…A TCT AAA ATG GGT GCC…

…AT CTA AAA TGG GTG CC…

…ATC TAA AAT GGG TGC C…

Prawdopodobnymi kodonami stopu w DNA są „TGA”, „TAA” i „TAG”. Tak więc ostatnia ramka odczytu w tym przykładzie zawiera kodon stop (TAA), w przeciwieństwie do dwóch pierwszych.

Genomy bakterii różnią się wielkością, nawet wśród szczepów tego samego gatunku. Mikroorganizmy te mają bardzo mało niekodującego lub powtarzającego się DNA, a różnice w wielkości ich genomów zwykle odzwierciedlają różnice w repertuarze genów. Niektóre gatunki, szczególnie pasożyty bakteryjne i symbionty, przeszły masową redukcję genomu i zawierają po prostu podzbiór genów obecnych u ich przodków.

Jednakże u bakterii żyjących w stanie wolnym taka utrata genów nie może wyjaśnić obserwowanych różnic w wielkości genomu, ponieważ genomy przodków musiałyby zawierać nieprawdopodobnie dużą liczbę genów. Co zaskakujące, znaczna część różnic w zawartości genów u bakterii żyjących na wolności jest spowodowana obecnością ORFanów, czyli otwartych ramek odczytu (ORF), które nie mają znanych homologów i w konsekwencji nie mają znanej funkcji.

Wysoka liczba ORFanów w genomach bakterii wskazuje, że z wyjątkiem gatunków o bardzo zredukowanych genomach, duża część obserwowanej różnorodności w wykazach genów nie wynika ani z utraty genów przodków, ani z transferu z dobrze scharakteryzowanych organizmów (procesy, które skutkują nierównomiernym rozmieszczeniem ortologów, ale nie unikalnych genów), ani z niedawnych duplikacji (które prawdopodobnie dałyby homologi w obrębie tego samego lub blisko spokrewnionego genomu).