Intron
Un intron est une région d' ADN qui fait partie du transcrit d' ARN primaire , mais contrairement aux exons , ils sont retirés du transcrit mature avant la traduction. Ils sont présents dans tous les organismes cellulaires et dans les virus .
Le nombre et la longueur des introns varient considérablement d' une espèce à l' autre , ainsi qu'entre les gènes d' une même espèce . Par exemple, le poisson -globe , Takifugu rubripes , a peu d'introns dans son génome ; tandis que les mammifères et les angiospermes (plantes à fleurs) ont généralement de nombreux introns.
Le mot intron est dérivé du terme « région intragénique » , c'est-à-dire une région à l'intérieur d'un gène. Bien que parfois appelées séquences intermédiaires , le terme peut désigner l'une des nombreuses familles de séquences d'acides nucléiques internes qui ne sont pas présentes dans le gène final, telles que les intéines, les séquences non traduites ( UTR ) et les nucléotides supprimés lors de l'édition d'ARN.
Présentation
Les introns ont été découverts par Phillip Allen Sharp et Richard J. Roberts , ce qui leur a valu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1993. Le terme intron a été introduit par le biochimiste américain Walter Gilbert en 1978.
Les introns peuvent représenter un site d'épissage alternatif , donnant naissance à différents types de protéines . Le contrôle de l'épissage est régulé par une grande variété de signaux moléculaires . Les introns peuvent également contenir des "informations anciennes", c'est-à-dire des fragments de gènes qui ont probablement été exprimés mais qui ne le sont pas actuellement.
Traditionnellement, il a été dit que les introns sont des fragments d' ADN dépourvus d'informations. Cependant, cette déclaration est remise en question et compte actuellement peu d'adeptes. Les introns sont connus pour contenir plusieurs petites séquences qui sont importantes pour un réglage efficace .
Certains introns des groupes I et II sont des ribozymes capables de catalyser leur propre épissage à partir de l'ARN . La découverte de ces propriétés auto-catalytiques a conduit au prix Nobel de chimie pour Thomas R. Cech et Sidney Altman en 1989.
Classification des introns
Quatre classes d'introns sont actuellement reconnues :
- Introns du groupe I
- Introns du groupe II
- Introns du groupe III
- Introns nucléaires , spliceosomal ou groupe IV
Les introns des groupes I, II et III sont des introns qui subissent un auto- épissage via des réactions de transestérification . La fréquence avec laquelle on retrouve ces introns dans le génome est relativement rare par rapport à la fréquence des introns spliceosomal .
Les introns des groupes II et III sont très similaires et ont une structure secondaire hautement conservée. En fait, les introns du groupe III sont parfois identifiés comme des introns du groupe II en raison de leur similitude fonctionnelle et structurelle.
Les introns du groupe I sont présents dans les gènes ARNr de certains eucaryotes inférieurs et dans les gènes mitochondriaux des champignons . Ils se caractérisent par leur élimination par un processus autocatalytique nécessitant une guanosine ou un nucléotide guanosine libre ; ainsi que pour le manque de séquences consensus aux points d'épissage, bien qu'ils puissent en avoir à l'intérieur.
Ceux des groupes II et III sont éliminés par un processus autocatalytique qui nécessite respectivement une adénine ou un spliceosome . Dans les deux groupes, au cours du processus d'épissage des exons , une structure en boucle caractéristique appelée lariat se forme.
Ceux du groupe IV sont présents dans les ARNt des eucaryotes et se caractérisent par le fait qu'ils sont les seuls à être éliminés par clivage endonucléotidique suivi d'une ligation au lieu de la réaction de transestérification .
Fonctionnalités
Bien que les introns ne codent pas pour les produits protéiques, ils font partie intégrante de la régulation de l'expression des gènes . Certains introns codent eux-mêmes des ARN fonctionnels par un traitement ultérieur après l'épissage pour générer des molécules d'ARN non codantes . L'épissage alternatif est largement utilisé pour générer plusieurs protéines à partir d'un seul gène. En outre, certains introns jouent un rôle essentiel dans un large éventail de fonctions régulatrices de l'expression génique, telles que la dégradation médiée par l'exportation d' ARNm .
Les premières études de séquences d'ADN génomique d'un large éventail d'organismes montrent que la structure intron-exon de gènes homologues dans différents organismes peut varier considérablement. Des études plus récentes sur des génomes eucaryotes entiers ont maintenant montré que la longueur et la densité (introns/gène) des introns varient considérablement entre les espèces apparentées . Par exemple, alors que le génome humain contient en moyenne 8,4 introns/gène (139 418 dans le génome), le champignon unicellulaire Encephalitozoon cuniculi ne contient que 0,0075 introns/gène (15 introns dans le génome). On pense que ce processus est soumis à la sélection, avec une tendance au gain d'intron chez les espèces plus grandes en raison de leurs populations plus petites, et l'inverse chez les espèces plus petites (en particulier unicellulaires). Les facteurs biologiques influencent également les gènes d'un génome qui perdent ou accumulent des introns.
L'épissage alternatif des exons au sein d'un gène après l'excision d'intron agit pour introduire une plus grande variabilité des séquences protéiques traduites à partir d' un seul gène, permettant de générer plusieurs protéines apparentées à partir d'un seul gène et d'un seul transcrit d'ARNm . Le contrôle de l'épissage alternatif de l'ARN est effectué par un réseau complexe de molécules de signalisation qui répondent à une large gamme de signaux intracellulaires et extracellulaires.
Les introns contiennent plusieurs séquences courtes qui sont importantes pour un épissage efficace, telles que des sites accepteurs et donneurs à chaque extrémité de l'intron, ainsi qu'un site de point de ramification, qui sont nécessaires pour un épissage correct par le spliceosome . Certains introns sont connus pour améliorer l'expression du gène dans lequel ils sont contenus par un processus connu sous le nom d'amplification médiée par les introns (IME).
Les régions activement transcrites de l'ADN forment fréquemment des boucles R qui sont vulnérables aux dommages à l'ADN . Dans les gènes de levure hautement exprimés, les introns inhibent la formation de boucles R et l'apparition de dommages à l'ADN. Une analyse à l'échelle du génome chez la levure et chez l' homme a révélé que les gènes contenant des introns avaient des niveaux de boucle R réduits et des dommages à l'ADN réduits par rapport aux gènes sans intron exprimés de manière similaire. L'insertion d'un intron dans un gène sujet à la boucle R peut également supprimer la formation et la recombinaison de la boucle. Il a été suggéré que le rôle des introns dans le maintien de la stabilité génétique pourrait expliquer leur maintien évolutif à certains locus, en particulier dans les gènes hautement exprimés.
La présence physique d'introns favorise la résistance cellulaire à la famine grâce à la répression renforcée par les introns des gènes des protéines ribosomales des voies de détection des nutriments .
Évolution des introns
Il existe deux modèles opposés qui expliquent l'origine et l'évolution des introns nucléaires ou ayustosomaux . Ces modèles sont appelés introns précoces (IE) ou introns tardifs (IL) .
Le modèle IE propose que les introns étaient extrêmement nombreux chez les ancêtres des procaryotes et des eucaryotes ; et ils ont été perdus tout au long de l'évolution. Ce modèle est basé sur l'hypothèse que les introns étaient des médiateurs qui facilitaient le brassage des exons , facilitant ainsi l'évolution de nouveaux gènes.
Le modèle IL propose que les introns soient apparus lors de la divergence des procaryotes et des eucaryotes . Ce modèle est basé sur l'observation que les introns ayustosomaux n'ont été trouvés que chez les eucaryotes .
Les introns peuvent être perdus ou gagnés au cours de l'évolution, comme le montrent de nombreuses études comparatives de gènes orthologues. Des analyses ultérieures ont identifié des milliers d'exemples d'événements de gain et de perte d'intron, et il a été proposé que l'émergence d'eucaryotes, ou les stades initiaux de l' évolution eucaryote , impliquait une invasion d'intron. Deux mécanismes définitifs de perte d'intron, la perte d'intron médiée par la transcriptase inverse (RTMIL) et les délétions génomiques, ont été identifiés et sont connus pour se produire. Cependant, les mécanismes définitifs du gain d'intron restent insaisissables et controversés. Au moins sept mécanismes de gain d'intron ont été rapportés à ce jour : réarrangement d' intron , insertion de transposon , duplication de génome en tandem, transfert d'intron, gain d'intron lors de la réparation de cassure double brin (DSBR), insertion d'un intron de groupe II et intronisation. En théorie, il devrait être plus facile de déduire l'origine des introns nouvellement obtenus en raison de l'absence de mutations induites par l' hôte , mais même les introns récemment obtenus ne résultent d'aucun des mécanismes susmentionnés. Ainsi, ces découvertes soulèvent la question de savoir si les mécanismes proposés de gain d'intron ne parviennent pas à décrire l'origine mécaniste de nombreux nouveaux introns parce qu'ils ne sont pas des mécanismes précis de gain d'intron, ou s'il existe d'autres processus, encore à découvrir, qui génèrent de nouveaux introns.
Dans le réarrangement d'intron, le mécanisme le plus couramment supposé de gain d'intron, on pense qu'un intron épissé inverse l'épissage sur son propre ARNm ou sur un autre ARNm à une position auparavant sans intron. Cet ARNm contenant des introns est ensuite transcrit de manière inverse et l'ADNc contenant des introns résultant peut provoquer un gain d'intron par recombinaison complète ou partielle avec son locus génomique d'origine . Les inserts de transposons peuvent également entraîner la création d'introns. Une telle insertion pourrait introniser le transposon sans perturber la séquence codante lorsqu'un transposon est inséré dans la séquence AGGT, entraînant une duplication de cette séquence de chaque côté du transposon. On ne comprend pas encore pourquoi ces éléments sont épissés, soit par hasard, soit par une action préférentielle du transposon dans la duplication en tandem du génome, en raison de la similitude entre les sites d'épissage consensus donneur et accepteur, qui ressemblent étroitement à AGGT, Genomic tandem duplication of an segment exonique qui abrite une séquence AGGT génère deux sites conjoints potentiels. Lorsqu'elle est reconnue par le spliceosome, la séquence entre l'AGGT original et dupliqué sera épissée ensemble, entraînant la création d'un intron sans altération de la séquence codante du gène. La réparation des cassures double brin par la jonction d'extrémités non homologues a récemment été identifiée comme une source de gain d'intron lorsque les chercheurs ont identifié de courtes répétitions directes flanquant 43% des introns gagnés chez Daphnia . la séquence entre l'AGGT original et le duplicata sera épissée ensemble, entraînant la création d'un intron sans altération de la séquence codante du gène. La réparation des cassures double brin par la jonction d'extrémités non homologues a récemment été identifiée comme une source de gain d'intron lorsque les chercheurs ont identifié de courtes répétitions directes flanquant 43% des introns gagnés chez Daphnia , la séquence entre l'AGGT L'original et le duplicata seront épissés ensemble, aboutissant à la création d'un intron sans altération de la séquence codante du gène. La réparation des cassures double brin par la jonction d'extrémités non homologues a récemment été identifiée comme une source de gain d'intron lorsque les chercheurs ont identifié de courtes répétitions directes flanquant 43% des introns gagnés chez Daphnia. Ces nombres doivent être comparés au nombre d'introns conservés flanqués de répétitions dans d'autres organismes, cependant, pour une pertinence statistique. Pour l'insertion d'intron de groupe II, il a été proposé que le basculement d'un intron de groupe II dans un gène nucléaire provoque un gain récent d'intron spliceosomal.
On a supposé que le transfert d'intron entraînait un gain d'intron lorsqu'un paralogue ou un pseudogène obtenait un intron, puis transférait cet intron par recombinaison vers un emplacement sans intron sur son paralogue frère. L'intronisation est le processus par lequel les mutations créent de nouveaux introns à partir d'une séquence précédemment exonique. Ainsi, contrairement à d'autres mécanismes proposés de gain d'intron, ce mécanisme ne nécessite pas l'insertion ou la génération d'ADN pour créer un nouvel intron.
Le seul mécanisme hypothétique du gain récent d'intron qui manque de preuves directes est celui de l'insertion d'intron du groupe II, qui, lorsqu'elle est démontrée in vivo, supprime l'expression génique. Par conséquent, les introns du groupe II sont susceptibles d'être les ancêtres présumés des introns spliceosomal, qui agissent comme des rétroéléments spécifiques au site et ne sont plus responsables du gain d'intron. La duplication en tandem génomique est le seul mécanisme proposé avec des preuves expérimentales in vivo à l'appui : une courte duplication en tandem intragénique peut insérer un nouvel intron dans un gène codant pour une protéine, laissant la séquence peptidique correspondante inchangée. Ce mécanisme a également de nombreuses preuves indirectes soutenant l'idée que la duplication en tandem du génome est un mécanisme prédominant pour le gain d'intron. Il est possible de tester d'autres mécanismes proposés in vivo, en particulier le gain d'intron pendant le DSBR, le transfert d'intron et l'intronisation, bien que ces mécanismes doivent être démontrés in vivo pour les solidifier en tant que mécanismes de gain d'intron réels. D'autres analyses génomiques, en particulier lorsqu'elles sont exécutées au niveau de la population, peuvent quantifier la contribution relative de chaque mécanisme, identifiant éventuellement des biais spécifiques à l'espèce qui peuvent éclairer les différents taux de gain d'intron entre différentes espèces.
Voir aussi
Références
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