Intron
Ein Intron ist eine DNA -Region , die Teil des primären RNA- Transkripts ist, aber im Gegensatz zu Exons werden sie vor der Translation aus dem reifen Transkript entfernt. Sie kommen in allen zellulären Organismen und in Viren vor .
Die Anzahl und Länge der Introns variiert stark zwischen den Arten sowie zwischen Genen innerhalb derselben Art . Zum Beispiel hat der Kugelfisch , Takifugu rubripes , wenige Introns in seinem Genom ; während Säugetiere und Angiospermen (Blütenpflanzen) normalerweise zahlreiche Introns haben.
Das Wort Intron leitet sich vom Begriff „ intragene Region“ ab , also eine Region innerhalb eines Gens. Obwohl manchmal als intervenierende Sequenzen bezeichnet, kann sich der Begriff auf jede der vielen Familien interner Nukleinsäuresequenzen beziehen, die nicht im endgültigen Gen vorhanden sind, wie Inteine, untranslatierte Sequenzen ( UTRs ) und Nukleotide, die bei der RNA-Bearbeitung entfernt wurden.
Einführung
Introns wurden von Phillip Allen Sharp und Richard J. Roberts entdeckt, die ihnen 1993 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin einbrachten. Der Begriff Intron wurde 1978 vom amerikanischen Biochemiker Walter Gilbert eingeführt .
Introns können eine alternative Spleißstelle darstellen , wodurch verschiedene Arten von Proteinen entstehen . Die Spleisssteuerung wird durch eine Vielzahl von molekularen Signalen reguliert . Introns können auch "alte Informationen" enthalten, d. h. Fragmente von Genen , die wahrscheinlich exprimiert wurden, aber derzeit nicht exprimiert werden.
Traditionell wurde festgestellt, dass Introns DNA -Fragmente sind, denen Informationen fehlen. Diese Aussage wird jedoch in Frage gestellt und hat derzeit nur wenige Anhänger. Es ist bekannt, dass Introns mehrere kleine Sequenzen enthalten, die für eine effiziente Abstimmung wichtig sind.
Einige Introns der Gruppe I und II sind Ribozyme , die in der Lage sind, ihr eigenes Ausspleißen aus RNA zu katalysieren . Die Entdeckung dieser autokatalytischen Eigenschaften führte 1989 zum Nobelpreis für Chemie für Thomas R. Cech und Sidney Altman .
Klassifizierung von Introns
Derzeit werden vier Klassen von Introns anerkannt:
- Introns der Gruppe I
- Introns der Gruppe II
- Introns der Gruppe III
- Nukleare , spliceosomale oder Introns der Gruppe IV
Introns der Gruppen I, II und III sind Introns, die über Umesterungsreaktionen autospleißen . Die Häufigkeit, mit der wir diese Introns im Genom finden, ist im Vergleich zur Häufigkeit spleißosomaler Introns relativ selten .
Die Introns der Gruppen II und III sind sehr ähnlich und haben eine stark konservierte Sekundärstruktur. Tatsächlich werden Introns der Gruppe III aufgrund ihrer funktionellen und strukturellen Ähnlichkeit manchmal als Introns der Gruppe II identifiziert.
Introns der Gruppe I sind in den rRNA- Genen einiger niederer Eukaryoten und in den mitochondrialen Genen von Pilzen vorhanden . Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie durch einen autokatalytischen Prozess eliminiert werden, der ein Guanosin oder ein freies Guanosinnukleotid erfordert ; sowie für fehlende Konsensussequenzen an den Spleißpunkten, obwohl sie diese möglicherweise enthalten.
Die der Gruppe II und III werden durch einen autokatalytischen Prozess eliminiert, der ein Adenin bzw. ein Spleißosom erfordert . In beiden Gruppen wird während des Prozesses des Exon- Spleißens eine charakteristische Schleifenstruktur namens Lariat gebildet.
Diejenigen der Gruppe IV sind in den tRNAs von Eukaryoten vorhanden und sind dadurch gekennzeichnet, dass sie die einzigen sind, die durch Endonukleotidspaltung gefolgt von einer Ligation anstelle der Umesterungsreaktion eliminiert werden.
Funktionen
Obwohl Introns keine Proteinprodukte codieren, sind sie integraler Bestandteil der Regulation der Genexpression . Einige Introns selbst codieren funktionale RNAs durch weitere Verarbeitung nach dem Spleißen, um nicht-codierende RNA- Moleküle zu erzeugen . Alternatives Spleißen wird häufig verwendet, um mehrere Proteine aus einem einzigen Gen zu erzeugen. Darüber hinaus spielen einige Introns eine wesentliche Rolle in einer Vielzahl von regulatorischen Funktionen der Genexpression, wie z . B. dem mRNA -Export-vermittelten Zerfall .
Die ersten Untersuchungen genomischer DNA-Sequenzen aus einer Vielzahl von Organismen zeigen, dass die Intron-Exon-Struktur homologer Gene in verschiedenen Organismen stark variieren kann. Neuere Studien ganzer eukaryotischer Genome haben nun gezeigt, dass die Länge und Dichte (Introns/Gen) von Introns zwischen verwandten Arten erheblich variiert . Während beispielsweise das menschliche Genom durchschnittlich 8,4 Introns/Gen (139.418 im Genom) enthält, enthält der einzellige Pilz Encephalitozoon cuniculi nur 0,0075 Introns/Gen (15 Introns im Genom). Es wird angenommen, dass dieser Prozess der Selektion unterliegt, mit einem Trend zum Introngewinn bei größeren Arten aufgrund ihrer kleineren Populationen und dem Gegenteil bei kleineren (insbesondere einzelligen) Arten. Biologische Faktoren beeinflussen auch, welche Gene in einem Genom Introns verlieren oder akkumulieren.
Alternatives Spleißen von Exons innerhalb eines Gens nach der Intron-Exzision dient dazu, eine größere Variabilität von translatierten Proteinsequenzen aus einem einzelnen Gen einzuführen, wodurch mehrere verwandte Proteine aus einem einzelnen Gen und einem einzelnen mRNA -Transkript erzeugt werden können . Die Kontrolle des alternativen RNA- Spleißens erfolgt durch ein komplexes Netzwerk von Signalmolekülen , die auf ein breites Spektrum intrazellulärer und extrazellulärer Signale reagieren.
Introns enthalten mehrere kurze Sequenzen, die für ein effizientes Spleißen wichtig sind, wie z. B. Akzeptor- und Donorstellen an jedem Ende des Introns sowie eine Verzweigungspunktstelle, die für das richtige Spleißen durch das Spleißosom erforderlich sind . Von einigen Introns ist bekannt, dass sie die Expression des Gens, in dem sie enthalten sind, durch einen als Intron-vermittelte Verstärkung (IME) bekannten Prozess verstärken.
Aktiv transkribierte DNA-Regionen bilden häufig R-Loops, die anfällig für DNA-Schäden sind . In stark exprimierten Hefegenen hemmen Introns die R-Loop-Bildung und das Auftreten von DNA-Schäden. Genomweite Analysen sowohl in Hefe als auch in Menschen ergaben, dass Intron-enthaltende Gene im Vergleich zu ähnlich exprimierten intronlosen Genen verringerte R-Loop-Spiegel und verringerte DNA-Schäden aufweisen. Die Insertion eines Introns in ein für eine R-Schleife anfälliges Gen kann auch die Schleifenbildung und -rekombination unterdrücken. Es wurde vermutet, dass die Rolle von Introns bei der Aufrechterhaltung der genetischen Stabilität ihre evolutionäre Aufrechterhaltung an bestimmten Loci erklären könnte, insbesondere in stark exprimierten Genen.
Die physische Anwesenheit von Introns fördert die zelluläre Resistenz gegen Hunger durch Intron-verstärkte Repression von ribosomalen Proteingenen von Nährstofferfassungswegen .
Evolution von Introns
Es gibt zwei gegensätzliche Modelle, die den Ursprung und die Entwicklung von nuklearen oder ayustosomalen Introns erklären . Diese Matrizen sind als frühe Introns (IEs) oder späte Introns (ILs) bekannt .
Das IE-Modell schlägt vor, dass Introns bei den Vorfahren von Prokaryoten und Eukaryoten extrem zahlreich waren ; und sie gingen im Laufe der Evolution verloren. Dieses Modell basiert auf der Hypothese, dass Introns Mediatoren waren, die das Exon-Shuffling erleichterten und dadurch die Evolution neuer Gene erleichterten.
Das IL - Modell schlägt vor , dass Introns bei der Divergenz von Prokaryoten und Eukaryoten auftauchten . Dieses Modell basiert auf der Beobachtung, dass ayustosomale Introns nur in Eukaryoten gefunden wurden .
Introns können im Laufe der Evolution verloren oder hinzugewonnen werden, wie viele Vergleichsstudien orthologer Gene zeigen. Nachfolgende Analysen haben Tausende von Beispielen für Introngewinn- und -verlustereignisse identifiziert, und es wurde vorgeschlagen, dass die Entstehung von Eukaryoten oder die Anfangsstadien der eukaryotischen Evolution eine Introninvasion beinhalteten. Zwei definitive Mechanismen des Intronverlusts, Reverse-Transkriptase -vermittelter Intronverlust (RTMIL) und genomische Deletionen, wurden identifiziert und treten bekanntermaßen auf. Die endgültigen Mechanismen des Introngewinns bleiben jedoch schwer fassbar und umstritten. Bisher wurde über mindestens sieben Mechanismen der Intronverstärkung berichtet: Intronumlagerung , Transposoninsertion , Tandemgenomduplikation, Introntransfer , Intronverstärkung während der Doppelstrangbruchreparatur (DSBR), Insertion eines Gruppe-II-Introns und Intronisierung . Theoretisch sollte es aufgrund des Fehlens von wirtsinduzierten Mutationen einfacher sein, den Ursprung neu erhaltener Introns abzuleiten , aber selbst kürzlich erhaltene Introns sind nicht aus einem der oben genannten Mechanismen entstanden. Somit werfen diese Befunde die Frage auf, ob die vorgeschlagenen Mechanismen der Introngewinnung den mechanistischen Ursprung vieler neuer Introns nicht beschreiben können, weil sie keine präzisen Introngewinnungsmechanismen sind, oder ob es andere, noch zu entdeckende Prozesse gibt, die neue Introns erzeugen.
Bei der Intron-Umlagerung, dem am häufigsten behaupteten Mechanismus der Intron-Verstärkung, wird angenommen, dass ein gespleißtes Intron das Spleißen an seiner eigenen mRNA oder an einer anderen mRNA an einer zuvor intronlosen Position umkehrt. Diese Intron-enthaltende mRNA wird dann revers transkribiert und die resultierende Intron-enthaltende cDNA kann einen Intron-Gewinn durch vollständige oder teilweise Rekombination mit ihrem ursprünglichen genomischen Locus bewirken. Transposon-Insertionen können auch zur Bildung von Introns führen. Eine solche Insertion könnte das Transposon intronisieren, ohne die codierende Sequenz zu unterbrechen, wenn ein Transposon in die AGGT-Sequenz eingefügt wird, was zu einer Duplikation dieser Sequenz auf jeder Seite des Transposons führt. Es ist noch nicht verstanden, warum diese Elemente gespleißt werden, entweder zufällig oder durch eine bevorzugte Wirkung des Transposons bei der Tandem-Genomduplikation, aufgrund der Ähnlichkeit zwischen den Konsensus-Donor- und -Akzeptor-Spleißstellen, die AGGT, der Tandem-Genomduplikation von an, sehr ähneln exonisches Segment, das eine AGGT-Sequenz beherbergt, erzeugt zwei potentielle Spleißstellen. Wenn es vom Spleißosom erkannt wird, wird die Sequenz zwischen dem ursprünglichen und dem doppelten AGGT zusammengespleißt, was zur Bildung eines Introns ohne Änderung der codierenden Sequenz des Gens führt. Die Reparatur von Doppelstrangbrüchen durch nicht-homologe Endverbindung wurde kürzlich als Quelle des Introngewinns identifiziert, als Forscher kurze direkte Wiederholungen identifizierten, die 43 % der in Daphnia gewonnenen Introns flankieren . Die Sequenz zwischen dem ursprünglichen und dem doppelten AGGT wird zusammengespleißt, was zur Bildung eines Introns ohne Änderung der codierenden Sequenz des Gens führt. Die Reparatur von Doppelstrangbrüchen durch nicht-homologe Endverknüpfung wurde kürzlich als Quelle des Introngewinns identifiziert, als Forscher kurze direkte Wiederholungen identifizierten, die 43 % der in Daphnia gewonnenen Introns flankieren , wobei die Sequenz zwischen dem AGGT-Original und dem Duplikat gespleißt wird zusammen, was zur Bildung eines Introns führt, ohne die kodierende Sequenz des Gens zu verändern. Die Reparatur von Doppelstrangbrüchen durch nicht-homologe Endverbindung wurde kürzlich als Quelle des Introngewinns identifiziert, als Forscher kurze direkte Wiederholungen identifizierten, die 43 % der in Daphnia gewonnenen Introns flankieren. Diese Zahlen sollten jedoch aus Gründen der statistischen Relevanz mit der Anzahl konservierter Introns, flankiert von Wiederholungen, in anderen Organismen verglichen werden. Für die Intron-Insertion der Gruppe II wurde vorgeschlagen, dass das Umdrehen eines Introns der Gruppe II in einem Kerngen einen kürzlichen spleißosomalen Intron-Gewinn verursacht.
Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass der Introntransfer zu einem Introngewinn führt, wenn ein Paralog oder Pseudogen ein Intron gewinnt und dieses Intron dann durch Rekombination an eine intronlose Stelle auf seinem Schwesterparalog überträgt. Intronisierung ist der Prozess, bei dem Mutationen neue Introns aus einer zuvor exonischen Sequenz erzeugen. Somit erfordert dieser Mechanismus im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Mechanismen der Intron-Verstärkung nicht die Insertion oder Generierung von DNA, um ein neues Intron zu erzeugen.
Der einzige hypothetische Mechanismus des kürzlichen Intron-Gewinns, dem direkte Beweise fehlen, ist der der Intron-Insertion der Gruppe II, der, wenn er in vivo nachgewiesen wird, die Genexpression unterdrückt. Daher sind Introns der Gruppe II wahrscheinlich die vermuteten Vorfahren von spleißosomalen Introns, die als ortsspezifische Retroelemente wirken und nicht länger für die Intron-Verstärkung verantwortlich sind. Die genomische Tandemduplikation ist der einzige vorgeschlagene Mechanismus mit unterstützenden experimentellen Beweisen in vivo: Eine kurze intragene Tandemduplikation kann ein neues Intron in ein proteinkodierendes Gen einfügen, wobei die entsprechende Peptidsequenz unverändert bleibt. Dieser Mechanismus hat auch zahlreiche indirekte Beweise, die die Idee stützen, dass die Tandem-Genomduplikation ein vorherrschender Mechanismus für den Introngewinn ist. Das Testen anderer vorgeschlagener Mechanismen in vivo, insbesondere Intronverstärkung während DSBR, Introntransfer und Intronisierung, ist möglich, obwohl diese Mechanismen in vivo demonstriert werden müssen, um sie als tatsächliche Intronverstärkungsmechanismen zu verfestigen. Weitere Genomanalysen, insbesondere wenn sie auf Populationsebene durchgeführt werden, können den relativen Beitrag jedes Mechanismus quantifizieren und möglicherweise artspezifische Verzerrungen identifizieren, die Aufschluss über die unterschiedlichen Raten des Introngewinns zwischen verschiedenen Arten geben können.
Siehe auch
Referenzen
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