Intron
Intron to region DNA , który jest częścią pierwotnego transkryptu RNA , ale w przeciwieństwie do eksonów , są one usuwane z dojrzałego transkryptu przed translacją. Są obecne we wszystkich organizmach komórkowych i wirusach .
Liczba i długość intronów różni się znacznie między gatunkami , a także między genami w obrębie tego samego gatunku . Na przykład ryba rozdymkowata , Takifugu rubripes , ma w swoim genomie niewiele intronów ; podczas gdy ssaki i okrytozalążkowe (rośliny kwitnące) mają zwykle liczne introny.
Słowo intron pochodzi od terminu „ region wewnątrzgenowy” , tj. region w obrębie genu. Chociaż czasami nazywane są sekwencjami interweniującymi , termin ten może odnosić się do dowolnej z wielu rodzin wewnętrznych sekwencji kwasu nukleinowego, które nie są obecne w końcowym genie, takich jak inteiny, sekwencje niepodlegające translacji ( UTR ) i nukleotydy usunięte podczas edycji RNA.
Wprowadzenie
Introny zostały odkryte przez Phillipa Allena Sharpa i Richarda J. Robertsa , zdobywając im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1993 roku. Termin intron został wprowadzony przez amerykańskiego biochemika Waltera Gilberta w 1978 roku.
Introny mogą stanowić alternatywne miejsce splicingu , dając początek różnym typom białek . Kontrola splicingu jest regulowana przez szeroką gamę sygnałów molekularnych . Introny mogą również zawierać „stare informacje”, to znaczy fragmenty genów , które prawdopodobnie uległy ekspresji, ale obecnie nie są wyrażane.
Tradycyjnie stwierdza się, że introny to fragmenty DNA pozbawione informacji. Jednak to stwierdzenie jest kwestionowane i obecnie ma niewielu zwolenników. Wiadomo, że introny zawierają kilka małych sekwencji, które są ważne dla efektywnego strojenia .
Niektóre introny grupy I i II są rybozymami zdolnymi do katalizowania własnego splicingu z RNA . Odkrycie tych właściwości autokatalitycznych doprowadziło do Nagrody Nobla w dziedzinie chemii dla Thomasa R. Cecha i Sidneya Altmana w 1989 roku.
Klasyfikacja intronów
Obecnie rozpoznawane są cztery klasy intronów:
- Introny grupy I
- Introny grupy II
- Introny grupy III
- Introny jądrowe , spliceosomalne lub grupy IV
Introny z grup I, II i III to introny, które ulegają autosplicingowi w reakcjach transestryfikacji . Częstotliwość, z jaką znajdujemy te introny w genomie , jest stosunkowo rzadka w porównaniu z częstotliwością spliceosomalnych intronów .
Introny grupy II i III są bardzo podobne i mają wysoce konserwatywną strukturę drugorzędową. W rzeczywistości introny grupy III są czasami identyfikowane jako introny grupy II ze względu na ich podobieństwo funkcjonalne i strukturalne.
Introny grupy I są obecne w genach rRNA niektórych niższych eukariontów oraz w genach mitochondrialnych grzybów . Charakteryzują się eliminacją w procesie autokatalitycznym, który wymaga guanozyny lub wolnego nukleotydu guanozyny ; jak również za brak sekwencji konsensusowych w punktach splotu, chociaż mogą one mieć je w środku.
Te z grupy II i III są eliminowane w procesie autokatalitycznym, który wymaga odpowiednio adeniny lub spliceosomu . W obu grupach podczas procesu splicingu egzonów tworzy się charakterystyczna struktura pętli zwana lariatem.
Te z grupy IV są obecne w tRNA eukariontów i charakteryzują się tym, że jako jedyne są eliminowane przez cięcie endonukleotydowe, a następnie ligację zamiast reakcji transestryfikacji .
Funkcje
Chociaż introny nie kodują produktów białkowych, są integralną częścią regulacji ekspresji genów . Niektóre introny same kodują funkcjonalne RNA poprzez dalszą obróbkę po splicingu w celu wygenerowania niekodujących cząsteczek RNA . Splicing alternatywny jest szeroko stosowany do generowania wielu białek z jednego genu. Ponadto niektóre introny odgrywają zasadniczą rolę w szerokim zakresie funkcji regulujących ekspresję genów, takich jak rozpad za pośrednictwem eksportu mRNA .
Pierwsze badania sekwencji genomowego DNA z wielu organizmów pokazują, że struktura intron-egzon homologicznych genów w różnych organizmach może się znacznie różnić. Nowsze badania całych genomów eukariotycznych wykazały, że długość i gęstość (introny/gen) intronów różni się znacznie między spokrewnionymi gatunkami . Na przykład, podczas gdy ludzki genom zawiera średnio 8,4 intronów/gen (139 418 w genomie), jednokomórkowy grzyb Encephalitozoon cuniculi zawiera tylko 0,0075 intronów/gen (15 intronów w genomie). Uważa się, że proces ten podlega selekcji, z tendencją do pozyskiwania intronów u większych gatunków ze względu na ich mniejsze populacje, a odwrotnie u mniejszych (szczególnie jednokomórkowych). Czynniki biologiczne wpływają również na to, które geny w genomie tracą lub gromadzą introny.
Alternatywny splicing eksonów w genie po wycięciu intronu wprowadza większą zmienność sekwencji białek poddanych translacji z pojedynczego genu, umożliwiając generowanie wielu powiązanych białek z pojedynczego genu i pojedynczego prekursora transkryptu mRNA . Kontrola alternatywnego splicingu RNA jest wykonywana przez złożoną sieć cząsteczek sygnalizacyjnych, które odpowiadają na szeroki zakres sygnałów wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych.
Introny zawierają kilka krótkich sekwencji, które są ważne dla wydajnego splicingu, takie jak miejsca akceptorowe i donorowe na każdym końcu intronu, jak również miejsce rozgałęzienia, które są niezbędne do prawidłowego splicingu przez spliceosomy . Wiadomo, że niektóre introny wzmacniają ekspresję genu, w którym są zawarte, w procesie znanym jako wzmocnienie za pośrednictwem intronów (IME).
Aktywnie transkrybowane regiony DNA często tworzą pętle R, które są podatne na uszkodzenia DNA . W wysoko eksprymowanych genach drożdży introny hamują tworzenie pętli R i występowanie uszkodzeń DNA. Analiza całego genomu zarówno drożdży , jak i ludzi wykazała, że geny zawierające intron mają obniżony poziom pętli R i mniejsze uszkodzenia DNA w porównaniu z podobnie eksprymowanymi genami bezintronowymi. Wstawienie intronu do genu podatnego na pętlę R może również hamować tworzenie pętli i rekombinację. Zasugerowano, że rola intronów w utrzymywaniu stabilności genetycznej może wyjaśniać ich ewolucyjne utrzymywanie w pewnych loci, szczególnie w genach o wysokiej ekspresji.
Fizyczna obecność intronów promuje odporność komórek na głód poprzez wzmocnioną intronem represję genów białek rybosomalnych szlaków wykrywania składników odżywczych .
Ewolucja intronów
Istnieją dwa przeciwstawne modele, które wyjaśniają pochodzenie i ewolucję intronów jądrowych lub ayustosomalnych . Te szablony są znane jako wczesne introny (IE) lub późne introny (IL) .
Model IE sugeruje, że introny były niezwykle liczne u przodków prokariontów i eukariontów ; i zostały zagubione podczas ewolucji. Model ten opiera się na hipotezie, że introny były mediatorami ułatwiającymi tasowanie egzonów , ułatwiając w ten sposób ewolucję nowych genów.
Model IL sugeruje, że introny pojawiły się w wyniku dywergencji prokariontów i eukariontów . Model ten opiera się na obserwacji, że introny ayustosomalne zostały znalezione tylko u eukariontów .
Introny mogą zostać utracone lub zyskane w czasie ewolucji, jak pokazuje wiele badań porównawczych genów ortologicznych. Późniejsze analizy zidentyfikowały tysiące przykładów zdarzeń przyrostu i utraty intronów i wysunięto wniosek, że pojawienie się eukariontów lub początkowe stadia ewolucji eukariotycznej wiązały się z inwazją intronów. Zidentyfikowano i wiadomo, że występują dwa definitywne mechanizmy utraty intronów: utrata intronów za pośrednictwem odwrotnej transkryptazy (RTMIL) i delecje genomowe. Jednak ostateczne mechanizmy wzmocnienia intronów pozostają nieuchwytne i kontrowersyjne. Do tej pory opisano co najmniej siedem mechanizmów wzmocnienia intronu: przegrupowanie intronu , insercja transpozonu , duplikacja genomu tandemowego, transfer intronu, wzmocnienie intronu podczas naprawy pęknięć dwuniciowych (DSBR), wstawienie intronu grupy II i intronizacja. Teoretycznie powinno być łatwiej wydedukować pochodzenie nowo uzyskanych intronów ze względu na brak mutacji indukowanych przez gospodarza , ale nawet niedawno uzyskane introny nie powstały w wyniku żadnego z wyżej wymienionych mechanizmów. Dlatego te odkrycia rodzą pytanie, czy proponowane mechanizmy wzmocnienia intronów nie opisują mechanistycznego pochodzenia wielu nowych intronów, ponieważ nie są to precyzyjne mechanizmy wzmocnienia intronów, czy też istnieją inne, jeszcze nieodkryte procesy, które generują nowe introny.
W rearanżacji intronu, najczęściej rzekomym mechanizmie wzmocnienia intronu, uważa się, że poddany splicingowi intron odwraca splicing na swoim własnym mRNA lub na innym mRNA w pozycji, która wcześniej nie zawierała intronu. Ten zawierający intron mRNA jest następnie poddawany odwrotnej transkrypcji, a powstały cDNA zawierający intron może powodować przyrost intronu przez całkowitą lub częściową rekombinację z jego oryginalnym locus genomowym . Insercje transpozonów mogą również skutkować tworzeniem intronów. Taka insercja mogłaby intronizować transpozon bez zakłócania sekwencji kodującej, gdy transpozon jest wstawiony do sekwencji AGGT, co skutkuje duplikacją tej sekwencji po każdej stronie transpozonu. Nie jest jeszcze zrozumiałe, dlaczego te elementy są splicingowane, czy to przez przypadek, czy przez jakieś preferencyjne działanie transpozonu w tandemowej duplikacji genomu, ze względu na podobieństwo między konsensusowymi miejscami składania donora i akceptora, które bardzo przypominają AGGT, tandemową duplikację genomu segment egzonowy zawierający sekwencję AGGT generuje dwa potencjalne miejsca składania. Po rozpoznaniu przez spliceosom, sekwencja pomiędzy oryginalnym i zduplikowanym AGGT zostanie splicingowana, co skutkuje utworzeniem intronu bez zmiany sekwencji kodującej genu. Naprawa pęknięć dwuniciowych poprzez niehomologiczne łączenie końców została ostatnio zidentyfikowana jako źródło wzmocnienia intronów, gdy naukowcy zidentyfikowali krótkie bezpośrednie powtórzenia flankujące 43% intronów uzyskanych w Daphnia . sekwencja pomiędzy oryginałem i duplikatem AGGT zostanie połączona razem, co spowoduje utworzenie intronu bez zmiany sekwencji kodującej genu. Naprawa pęknięć dwuniciowych poprzez niehomologiczne łączenie końców została niedawno zidentyfikowana jako źródło wzmocnienia intronów, gdy naukowcy zidentyfikowali krótkie bezpośrednie powtórzenia flankujące 43% intronów uzyskanych w Daphnia , sekwencja pomiędzy AGGT Oryginał i duplikat zostaną splicingowane razem, co skutkuje utworzeniem intronu bez zmiany sekwencji kodującej genu. Naprawa pęknięć dwuniciowych poprzez niehomologiczne łączenie końców została niedawno zidentyfikowana jako źródło wzmocnienia intronów, gdy badacze zidentyfikowali krótkie bezpośrednie powtórzenia flankujące 43% intronów uzyskanych w Daphnia. Liczby te należy porównać z liczbą konserwowanych intronów oflankowanych powtórzeniami w innych organizmach, jednak dla istotności statystycznej. W przypadku wstawiania intronów grupy II zaproponowano, że odwrócenie intronu grupy II w genie jądrowym powoduje niedawne wzmocnienie intronu spliceosomalnego.
Postawiono hipotezę, że transfer intronu powoduje wzmocnienie intronu, gdy paralog lub pseudogen zyskuje intron, a następnie przenosi ten intron poprzez rekombinację do lokalizacji bez intronu w swoim siostrzanym paralogu. Intronizacja to proces, w którym mutacje tworzą nowe introny z wcześniej egzonowej sekwencji. Tak więc, w przeciwieństwie do innych proponowanych mechanizmów wzmocnienia intronu, mechanizm ten nie wymaga wstawiania lub generowania DNA w celu stworzenia nowego intronu.
Jedynym hipotetycznym mechanizmem niedawnego wzmocnienia intronów, który nie ma bezpośrednich dowodów, jest insercja intronów grupy II, która, gdy zostanie wykazana in vivo, hamuje ekspresję genów. Dlatego introny grupy II prawdopodobnie są przypuszczalnymi przodkami intronów spliceosomalnych, które działają jako retroelementy specyficzne dla miejsca i nie są już odpowiedzialne za wzmocnienie intronów. Tandemowa duplikacja genomu jest jedynym proponowanym mechanizmem, który potwierdza dowody doświadczalne in vivo: krótka wewnątrzgenowa duplikacja tandemowa może wstawić nowy intron do genu kodującego białko, pozostawiając odpowiednią sekwencję peptydową niezmienioną. Mechanizm ten ma również wiele pośrednich dowodów na poparcie tezy, że tandemowa duplikacja genomu jest głównym mechanizmem wzmocnienia intronów. Testowanie innych proponowanych mechanizmów in vivo, w szczególności wzmocnienia intronu podczas DSBR, transferu intronu i intronizacji, jest możliwe, chociaż mechanizmy te muszą zostać wykazane in vivo, aby utrwalić je jako rzeczywiste mechanizmy wzmocnienia intronu. Dalsze analizy genomiczne, zwłaszcza prowadzone na poziomie populacji, mogą określić ilościowo względny wkład każdego mechanizmu, być może identyfikując specyficzne dla gatunku błędy systematyczne, które mogą rzucić światło na różne współczynniki przyrostu intronów między różnymi gatunkami.
Zobacz także
Referencje
- Saladrigas V, Claros G (2002): «Angielsko-hiszpańskie słownictwo biochemii i biologii molekularnej» (1 rata) Panace@ III (9-10): 13-28. Pełne słownictwo w BioROM .
- Gilbert , Walter (1978): „Dlaczego geny w kawałkach”. Natura 271 (5645): 501. doi 10.1038/271501a0
- Roy , Scott William & Gilbert , Walter (2006): „Ewolucja spliceosomalnych intronów: wzory, łamigłówki i postęp”. Recenzje natury Genetyka 7 : 211-221. doi 10.1038/nrg1807 pełny tekst PDF
- Gogarten , J. Peter & Hilario , Elena (2006): „Inteiny, introny i endonukleazy samonaprowadzające: ostatnie odkrycia dotyczące cyklu życiowego pasożytniczych elementów genetycznych”. BMC Evolutionary Biology 6 : 94 doi 10.1186/1471-2148-6-94 PDF pełny tekst
- Yandella , Marka; Mungall, Chris J.; Smith, Chris; Prochnik, Szymon; Kaminker, Joshua; Hartzel, George; Lewis, Suzanna & Rubin, Gerald M. (2006): „Wielkoskalowe trendy w ewolucji struktur genów w 11 genomach zwierzęcych”. Komputer PLoS. Biol. 2 (3): 113-125. doi 10.1371/journal.pcbi.0020015 pełny tekst PDF ( niedziałający link dostępny w Internet Archive ; zobacz historię , pierwsza i ostatnia wersja ). Informacje pomocnicze ( niedziałający link dostępny w Internet Archive ; zobacz historię , pierwszą i ostatnią wersję ).
