Introne
Un introne è una regione del DNA che fa parte della trascrizione primaria dell'RNA , ma a differenza degli esoni , vengono eliminati dalla trascrizione matura, prima della loro traduzione. Sono presenti in tutti gli organismi cellulari e virus .
Il numero e la lunghezza degli introni varia notevolmente tra le specie , così come tra i geni della stessa specie . Ad esempio, il pesce globo , Takifugu Rubripes , ha pochi introni nel suo genoma ; mentre i mammiferi e le angiosperme (fiori con fiori) presentano solitamente numerosi introni.
La parola introne deriva dal termine regione intragenica , cioè una regione all'interno di un gene. Nonostante sia talvolta chiamato sequenze intermedie, il termine può riferirsi a una qualsiasi delle molte famiglie di sequenze interne di acido nucleico che non sono presenti nel gene finale, come l'intento, le sequenze non tradotte ( UTR ) e i nucleotidi e i nucleotidi eliminati nell'edizione dell'RNA.
Introduzione
Gli introni furono scoperti da Phillip Allen Sharp e Richard J. Roberts , il che significava vincere il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina nel 1993. Il termine introne fu introdotto dal biochimico americano Walter Gilbert nel 1978.
Gli introni possono rappresentare un sito di splicing alternativo , dando origine a diversi tipi di proteine . Il controllo dello splicing è regolato da un'ampia varietà di segnali molecolari . Gli introni possono contenere anche "informazioni antiche", cioè frammenti di geni che probabilmente si sono espressi ma che attualmente non sono espressi.
Tradizionalmente è stato affermato che gli introni sono frammenti di DNA privi di informazioni. Tuttavia, questa affermazione è messa in discussione e attualmente ha pochi seguaci. È noto che gli introni contengono diverse piccole sequenze importanti per un'ottimizzazione efficiente .
Alcuni introni del gruppo I e II sono ribozimi in grado di catalizzare il proprio splicing dall'RNA . La scoperta di queste proprietà autocatalitiche ha portato al Premio Nobel per la Chimica per Thomas R. Cech e Sidney Altman nel 1989.
Classificazione degli introni
Attualmente sono riconosciute quattro classi di introni:
- Introni del I gruppo
- Introni del II gruppo
- Introni del gruppo III
- Introni nucleari , spliceosomali o di gruppo IV
Gli introni del gruppo I, II e III sono introni che subiscono l' autosplicing tramite reazioni di transesterificazione . La frequenza con cui troviamo questi introni nel genoma è relativamente rara se la confrontiamo con la frequenza degli introni esplicitosomiali .
Gli introni del gruppo II e III sono molto simili e hanno una struttura secondaria altamente conservata. Infatti, a volte gli introni del gruppo III sono identificati come introni del gruppo II per la loro somiglianza funzionale e strutturale.
Gli introni del gruppo I sono presenti nei geni RNA di alcuni eucarioti inferiori e nei geni fungini mitocondriali . Sono caratterizzati dall'eliminazione attraverso un processo autocatalitico che richiede una guanosina o un nucleotide di guanosina libero ; oltre a mancare di sequenze di consenso nei punti di giunzione, sebbene possano averle all'interno.
Quelli del gruppo II e III vengono eliminati da un processo autocatalitico che richiede rispettivamente un'adenina o uno spliceosoma . In entrambi i gruppi, durante il processo di splicing dell'esone , si forma una caratteristica struttura ad anello chiamata lariat.
Quelli del gruppo IV sono presenti negli eucarioti e si caratterizzano per essere gli unici che vengono eliminati da un taglio dell'endonucleotide seguito da un legame invece della reazione di transcessterificazione
Caratteristiche
Sebbene gli introni non codifichino i prodotti proteici, sono parte integrante della regolazione dell'espressione genica . Alcuni introni codificano gli RNA funzionali attraverso un'ulteriore elaborazione dopo la giunzione per generare molecole di RNA non codificanti . L'articolazione alternativa è ampiamente utilizzata per generare più proteine da un singolo gene. Inoltre, alcuni introni svolgono funzioni essenziali in un'ampia gamma di funzioni regolatrici dell'espressione genica, come la decomposizione mediata dall'esportazione di RNM .
I primi studi sulle sequenze di DNA genomico di un'ampia gamma di organismi mostrano che la struttura introne esistente di geni omologhi in organismi diversi può variare ampiamente. Studi più recenti sui genomi eucariotici completi hanno ora dimostrato che la lunghezza e la densità (introni/gene) degli introni varia considerevolmente tra le specie correlate . Ad esempio, mentre il genoma umano contiene una media di 8,4 introni/gene (139.418 nel genoma), il fungo enfephalitozoon cuniculi contiene solo 0,0075 introni/gene (15 introni nel genoma). Si ritiene che questo processo sia soggetto a selezione, con una tendenza all'acquisizione di introni nelle specie più grandi a causa delle sue popolazioni più piccole, e il contrario nelle specie più piccole (in particolare unicellulari). I fattori biologici influenzano anche quali geni del genoma perdono o accumulano introni.
Lo splice alternativo degli esoni all'interno di un gene dopo la scissione dell'introne agisce per introdurre una maggiore variabilità del precursore delle sequenze proteiche tradotte dal singolo gene . Il controllo dello splicing alternativo dell'RNA è costituito da una complessa rete di molecole di segnalazione che rispondono a un'ampia gamma di segnali intracellulari ed extracellulari.
Gli introni contengono diverse brevi sequenze che sono importanti per un'articolazione efficiente, come siti di accettazione e donatori a ciascuna estremità dell'introne, nonché un sito di diramazione, necessari per l'appropriato splicing da parte dell'espliceosoma . È noto che alcuni introni migliorano l'espressione del gene in cui sono contenuti attraverso un processo noto come miglioramento mediato dagli introni (IME).
Regioni del DNA trascritte attivamente per le forme R che sono vulnerabili al danno del DNA . Nei geni di lievito altamente espressi, gli introni inibiscono la formazione della forma e la comparsa di danni al DNA. L'analisi di tutto il genoma sia nei lieviti che nell'uomo ha rivelato che i geni contenenti introni hanno diminuito i livelli di rle e hanno diminuito il danno al DNA rispetto ai geni senza introni di espressione simile. L'inserimento di un introne in un gene incline al rle R può anche sopprimere la formazione e la ricombinazione dell'ansa. È stato suggerito che la funzione degli introni nel mantenimento della stabilità genetica può spiegare il suo mantenimento evolutivo in determinati luoghi, in particolare nei geni altamente espressi.
La presenza fisica di Intrones promuove la resistenza cellulare alla fame attraverso una migliore repressione da parte degli introni dei geni delle proteine ribosomiali delle vie di rilevamento dei nutrienti .
Evoluzione degli introni
Esistono due modelli, opposti, che spiegano l'origine e l'evoluzione degli introni nucleari o austosomali . Questi modelli sono noti come introni primi (IE) o introni tardivi (IL) .
Il modello IE propone che gli introni fossero estremamente numerosi negli antenati dei procarioti e degli eucarioti ; e furono persi durante l'evoluzione. Questo modello si basa sull'ipotesi che gli introni fossero mediatori che facilitavano la combinazione degli esoni , facilitando quindi l'evoluzione di nuovi geni.
Il modello IL propone che gli introni siano comparsi dopo la divergenza di procarioti ed eucarioti . Questo modello si basa sull'osservazione che gli introni utili sono stati trovati solo negli eucarioti .
Gli introni possono essere persi o guadagnati nel tempo evolutivo, come molti studi comparativi di ortologi. Analisi successive hanno identificato migliaia di esempi di eventi di perdita e guadagno di introni, ed è stato proposto che la comparsa degli eucarioti, o gli stadi iniziali dell'evoluzione eucariotica , implicasse un'invasione di introni. Sono stati identificati due meccanismi definitivi di perdita di introni, la perdita di introni mediata dalla trascrittasi inversa (RTMil) e le delezioni genomiche, ed è noto che si verificano. Tuttavia, i meccanismi definitivi del guadagno degli introni rimangono elusivi e controversi. Finora sono stati informati almeno sette meccanismi di guadagno di introni: trasposizione introf , inserimento di trasposoni , duplicazione genomica in tandem, trasferimento di introf, guadagno di introni durante la riparazione di rotture di catena doppia (DSBR), inserimento di un introne di gruppo II e intronizzazione. In teoria, dovrebbe essere più facile dedurre l'origine degli introni ottenuti di recente a causa della mancanza di mutazioni indotte dall'ospite , ma anche gli introni ottenuti di recente non derivano da nessuno dei suddetti meccanismi. Pertanto, questi risultati sollevano la questione se i meccanismi proposti di guadagno introf non riescano a descrivere l'origine meccanica di molti nuovi introni perché non sono meccanismi di profitto degli introni precisi, o se ci siano altri processi, ancora da scoprire, che generano nuovi introni .
Nella trasposizione degli introni, si ritiene che il meccanismo di profitto degli introni più comunemente inteso sia che un introne spliced investa la giunzione nel proprio mRNA o in un altro RNA in una posizione precedentemente priva di introni. Successivamente, questo RNM contenente introni viene trascritto al contrario e l'adnc che contiene gli introni risultanti può causare un guadagno di introni per ricombinazione completa o parziale con il suo locus genomico originale . Gli inserti trasposoni possono anche comportare la creazione di introni. Tale inserimento potrebbe intronizzare il trasposone senza interrompere la sequenza di codifica quando un trasposone viene inserito nella sequenza AGGT, il che provoca la duplicazione di questa sequenza su ciascun lato del trasposone. Non è ancora chiaro il motivo per cui questi elementi sono giuntati, né per caso né per qualche azione preferenziale del trasposone nella duplicazione genomica in tandem, a causa della somiglianza tra i siti di splicing del donatore e gli accettori di consenso, che sono molto simili all'AGGT, Genomic tandem la duplicazione di un segmento esonico che ospita una sequenza AGGT genera due potenziali siti articolari. Quando lo splicleosoma lo riconosce, la sequenza tra l'AGGT originale e il duplicato verrà giuntata, il che risulterà nella creazione di un introne senza alterazione della sequenza codificante il gene. La riparazione di doppie rotture di catena attraverso l'unione di estremità non omologhe è stata recentemente identificata come fonte di introni quando i ricercatori hanno identificato brevi ripetizioni dirette che fiancheggiano il 43% degli introni vinti in Daphnia . La sequenza tra l'AGGT originale e il duplicato verrà giuntata, ottenendo la creazione di un introne senza alterazione della sequenza di codificazione del gene. La riparazione di doppie rotture di catena attraverso l'unione di estremità non omologhe è stata recentemente identificata come fonte di guadagno introf quando i ricercatori hanno identificato brevi ripetizioni dirette che fiancheggiano il 43% degli introni vinti in Daphnia , la sequenza tra AGGT Original e il duplicato sarà giuntata , con conseguente creazione di un introne senza alterazione della sequenza codificante del gene. La riparazione di doppie rotture di catena attraverso l'unione di estremità non omologhe è stata recentemente identificata come fonte di introni quando i ricercatori hanno identificato brevi ripetizioni dirette che fiancheggiano il 43% degli introni vinti in Daphnia. Questi numeri devono essere confrontati con il numero di introni tenuti affiancati da ripetizioni in altri organismi, tuttavia, per rilevanza statistica. Per l'inserimento dell'introne del gruppo II, è stato proposto che il ritorno di un introne del gruppo II in un gene nucleare provochi un recente guadagno introne di giunzione.
È stata avanzata l'ipotesi che il trasferimento di introni si traduca in un guadagno introne quando una parrocchia o uno pseudogeno vince un introne e quindi trasferisce questo introne attraverso la ricombinazione in un luogo senza introni nel suo fratello paraloista. L'intronizzazione è il processo mediante il quale le mutazioni creano nuovi introni da una precedente sequenza esonica. Pertanto, a differenza di altri meccanismi di guadagno introf proposti, questo meccanismo non richiede l'inserimento o la generazione di DNA per creare un nuovo introne.
L'unico meccanismo ipotetico degli introni recenti che manca di prove dirette è l'inserimento di introni del gruppo II, che quando si manifesta in vivo, sopprime l'espressione genica. Pertanto, è probabile che gli introni del gruppo II siano i presunti antenati degli introni espliciti, che agiscono come specifici retroelementi del sito e non sono più responsabili del guadagno di introni. La duplicazione genomica in Tandem è l'unico meccanismo proposto con test sperimentali di backup: una duplicazione in un breve tandem intragenico può inserire un nuovo introne in un gene codificatore proteico, lasciando la sequenza peptidica corrispondente senza modifiche. Questo meccanismo ha anche ampie prove indirette che supportano l'idea che la duplicazione genomica in tandem sia un meccanismo predominante per il guadagno di introni. La prova di altri meccanismi proposti in vivo, in particolare il guadagno di introni durante DSBR, il trasferimento di introni e l'intronizzazione, è possibile, sebbene questi meccanismi debbano essere dimostrati in vivo per consolidarli come meccanismi reali di guadagno introf. Ulteriori analisi genomiche, soprattutto quando vengono eseguite a livello di popolazione, possono quantificare il contributo relativo di ciascun meccanismo, identificando possibilmente distorsioni specifiche delle specie che possono far luce sui vari tassi di guadagno introd tra specie diverse.
Vedi anche
Riferimenti
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