Intron
Un intron este o regiune a ADN -ului care face parte din transcriptul ARN primar , dar spre deosebire de exoni , aceștia sunt îndepărtați din transcriptul matur înainte de translație. Sunt prezente în toate organismele celulare și în virusuri .
Numărul și lungimea intronilor variază foarte mult între specii , precum și între genele din aceeași specie . De exemplu, peștele puffer , Takifugu rubripes , are puțini introni în genomul său ; în timp ce mamiferele și angiosperme (plante cu flori) au de obicei numeroși introni.
Cuvântul intron este derivat din termenul „ regiune intragenică” , adică o regiune dintr -o genă. Deși uneori numit secvențe intermediare, termenul se poate referi la oricare dintre numeroasele familii de secvențe interne de acid nucleic care nu sunt prezente în gena finală, cum ar fi inteinele, secvențele netraduse ( UTR ) și nucleotidele eliminate în editarea ARN.
Introducere
Intronii au fost descoperiți de Phillip Allen Sharp și Richard J. Roberts , câștigându-le Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină în 1993. Termenul de intron a fost introdus de biochimistul american Walter Gilbert în 1978.
Intronii pot reprezenta un loc alternativ de splice , dând naștere la diferite tipuri de proteine . Controlul splicing este reglat de o mare varietate de semnale moleculare . Intronii pot conține, de asemenea, „informații vechi”, adică fragmente de gene care au fost probabil exprimate, dar nu sunt exprimate în prezent.
În mod tradițional, s -a afirmat că intronii sunt fragmente de ADN lipsite de informații. Cu toate acestea, această afirmație este pusă la îndoială și are în prezent puțini adepți. Intronii sunt cunoscuți că conțin mai multe secvențe mici care sunt importante pentru reglarea eficientă .
Unii introni din grupa I și II sunt ribozime capabile să-și catalizeze propriul splicing din ARN . Descoperirea acestor proprietăți auto-catalitice a dus la Premiul Nobel pentru Chimie pentru Thomas R. Cech și Sidney Altman în 1989.
Clasificarea intronilor
În prezent, patru clase de introni sunt recunoscute:
- intronii grupului I
- intronii grupului II
- intronii grupului III
- Introni nucleari , spliceosomali sau din grupa IV
Intronii din grupa I, II și III sunt introni care suferă autossplicing prin reacții de transesterificare . Frecvența cu care găsim acești introni în genom este relativ rară în comparație cu frecvența intronilor spliceosomali .
Intronii din grupul II și III sunt foarte asemănători și au o structură secundară foarte conservată. De fapt, intronii din grupul III sunt uneori identificați ca introni din grupul II datorită asemănării lor funcționale și structurale.
Intronii din grupa I sunt prezenți în genele ARNr ale unor eucariote inferioare și în genele mitocondriale ale ciupercilor . Acestea sunt caracterizate prin eliminarea printr -un proces autocatalitic care necesită o guanozină sau o nucleotidă de guanozină liberă ; precum și pentru lipsa secvențelor de consens în punctele de splice, deși le pot avea în interior.
Cele din grupul II și III sunt eliminate printr -un proces autocatalitic care necesită o adenină sau, respectiv, un spliceozom . În ambele grupuri, în timpul procesului de splicing exon , se formează o structură de buclă caracteristică numită lariat.
Cei din grupa IV sunt prezenți în ARNt -urile eucariotelor și se caracterizează prin faptul că sunt singurele care sunt eliminate prin scindarea endonucleotidelor urmată de ligatură în locul reacției de transesterificare .
Caracteristici
Deși intronii nu codifică produsele proteice, aceștia sunt parte integrantă a reglementării expresiei genelor . Unii introni codifică ARN-uri funcționale prin procesare ulterioară după splicing pentru a genera molecule de ARN necodante . Splicing-ul alternativ este utilizat pe scară largă pentru a genera mai multe proteine dintr-o singură genă. În plus, unii introni joacă roluri esențiale într-o gamă largă de funcții de reglare a expresiei genelor, cum ar fi dezintegrarea mediată de exportul ARNm .
Primele studii ale secvențelor de ADN genomic dintr-o gamă largă de organisme arată că structura intron-exon a genelor omoloage din diferite organisme poate varia foarte mult. Studii mai recente ale genomilor eucarioți întregi au arătat acum că lungimea și densitatea (intronilor/genei) intronilor variază considerabil între speciile înrudite . De exemplu, în timp ce genomul uman conține o medie de 8,4 introni/genă (139.418 în genom), ciuperca unicelulară Encephalitozoon cuniculi conține doar 0,0075 introni/genă (15 introni în genom). Se crede că acest proces este supus selecției, cu o tendință spre câștig de intron la speciile mai mari datorită populațiilor lor mai mici și opusul la speciile mai mici (în special unicelulare). Factorii biologici influențează, de asemenea, care gene dintr-un genom pierd sau acumulează introni.
Îmbinarea alternativă a exonilor într-o genă după excizia intronului acționează pentru a introduce o variabilitate mai mare a secvențelor de proteine traduse dintr -o singură genă, permițând generarea de proteine multiple înrudite dintr-o singură genă și un singur precursor de ARNm . Controlul splicing-ului alternativ de ARN este realizat de o rețea complexă de molecule de semnalizare care răspund la o gamă largă de semnale intracelulare și extracelulare.
Intronii conțin mai multe secvențe scurte care sunt importante pentru îmbinarea eficientă, cum ar fi situsurile acceptoare și donor la fiecare capăt al intronului, precum și un loc de ramificare, care sunt necesare pentru îmbinarea corectă de către spliceosome . Se știe că unii introni îmbunătățesc expresia genei în care sunt conținuti printr-un proces cunoscut sub numele de îmbunătățire mediată de intron (IME).
Regiunile de ADN transcrise activ formează frecvent bucle R care sunt vulnerabile la deteriorarea ADN -ului . În genele de drojdie foarte exprimate, intronii inhibă formarea buclei R și apariția deteriorării ADN-ului. Analiza la nivelul genomului atât la drojdie , cât și la oameni a arătat că genele care conțin intron au scăzut nivelurile buclei R și au scăzut daunele ADN-ului în comparație cu genele fără intron exprimate în mod similar. Inserarea unui intron într-o genă predispusă la bucla R poate, de asemenea, suprima formarea și recombinarea buclei. S-a sugerat că rolul intronilor în menținerea stabilității genetice poate explica menținerea lor evolutivă la anumiți loci, în special în genele foarte exprimate.
Prezența fizică a intronilor promovează rezistența celulară la înfometare prin reprimarea îmbunătățită de intron a genelor proteinelor ribozomale ale căilor de detectare a nutrienților .
Evoluția intronilor
Există două modele opuse care explică originea și evoluția intronilor nucleari sau ayustozomali . Aceste șabloane sunt cunoscute ca introni timpurii (IE) sau introni tardivi (ILs) .
Modelul IE propune că intronii au fost extrem de numeroși în strămoșii procariotelor și eucariotelor ; și s-au pierdut de-a lungul evoluției. Acest model se bazează pe ipoteza că intronii au fost mediatori care au facilitat amestecarea exonilor , facilitând astfel evoluția de noi gene.
Modelul IL propune că intronii au apărut la divergența dintre procariote și eucariote . Acest model se bazează pe observația că intronii ayustozomali au fost găsiți numai la eucariote .
Intronii pot fi pierduți sau câștigați în timpul evoluției, așa cum arată multe studii comparative ale genelor ortologe. Analizele ulterioare au identificat mii de exemple de evenimente de câștig și pierdere de intron și s-a propus că apariția eucariotelor, sau etapele inițiale ale evoluției eucariote , a implicat invazia intronilor. Două mecanisme definitive de pierdere de intron, pierderea de intron mediată de transcriptază inversă (RTMIL) și delețiile genomice, au fost identificate și se știe că apar. Cu toate acestea, mecanismele definitive de câștig de intron rămân evazive și controversate. Cel puțin șapte mecanisme de câștig de intron au fost raportate până acum: rearanjarea intronului , inserția transpozonului , duplicarea genomului în tandem, transferul intronului, câștigul intronului în timpul reparației ruperii duble-catenari (DSBR), inserția unui intron de grup II și intronizare. În teorie, ar trebui să fie mai ușor de dedus originea intronilor nou obținuți din cauza lipsei mutațiilor induse de gazdă , dar chiar și intronii obținuți recent nu au apărut din niciunul dintre mecanismele menționate mai sus. Astfel, aceste descoperiri ridică întrebarea dacă mecanismele propuse de obținere de introni nu reușesc să descrie originea mecanicistă a multor introni noi, deoarece nu sunt mecanisme precise de obținere a intronilor, sau dacă există alte procese, încă de descoperit, care generează noi introni.
În rearanjarea intronului, cel mai frecvent presupus mecanism de câștig de intron, se crede că un intron îmbinat inversează splicing-ul pe propriul ARNm sau pe un alt ARNm într-o poziție anterior fără intron. Acest ARNm care conține intron este apoi transcris invers și ADNc care conține intron rezultat poate provoca câștig de intron prin recombinare completă sau parțială cu locusul său genomic original . Inserțiile de transpozon pot duce, de asemenea, la crearea de introni. O astfel de inserție ar putea introniza transpozonul fără a perturba secvența de codificare atunci când un transposon este inserat în secvența AGGT, rezultând în duplicarea acestei secvențe pe fiecare parte a transposonului. Încă nu se înțelege de ce aceste elemente sunt îmbinate, fie întâmplător, fie printr-o acțiune preferențială a transpozonului în duplicarea genomului în tandem, din cauza asemănării dintre situsurile de îmbinare consensuale donor și acceptor, care seamănă foarte mult cu AGGT, duplicarea genomică în tandem a unui Segmentul exonic care adăpostește o secvență AGGT generează două site-uri potențiale de îmbinare. Când este recunoscută de spliceosome, secvența dintre AGGT original și duplicat se va îmbina, rezultând în crearea unui intron fără modificarea secvenței de codificare a genei. Repararea rupurilor duble ale catenelor prin îmbinarea capetelor neomoloage a fost recent identificată ca o sursă de câștig de intron atunci când cercetătorii au identificat repetări scurte directe care flanchează 43% din intronii câștigați în Daphnia . secvența dintre AGGT original și duplicat va fi îmbinată împreună, rezultând în crearea unui intron fără modificarea secvenței de codificare a genei. Repararea rupurilor duble catenelor prin îmbinarea la capăt neomolog a fost recent identificată ca o sursă de câștig de intron, atunci când cercetătorii au identificat repetări scurte directe care flanchează 43% din intronii câștigați în Daphnia , secvența dintre AGGT Originalul și duplicatul va fi îmbinat. împreună, rezultând în crearea unui intron fără modificarea secvenței de codificare a genei. Repararea rupurilor duble-catenari prin îmbinarea finală neomoloagă a fost recent identificată ca o sursă de câștig de intron atunci când cercetătorii au identificat repetări scurte directe care flanchează 43% din intronii câștigați în Daphnia. Aceste numere ar trebui comparate cu numărul de introni conservați flancați de repetări în alte organisme, totuși, pentru relevanță statistică. Pentru inserția intronului grupului II, s-a propus răsturnarea unui intron al grupului II într-o genă nucleară pentru a provoca un câștig recent de intron spliceosomal.
S-a emis ipoteza că transferul de intron are ca rezultat câștig de intron atunci când un paralog sau pseudogenă câștigă un intron și apoi transferă acest intron prin recombinare într-o locație fără intron pe paralogul său soră. Intronizarea este procesul prin care mutațiile creează noi introni dintr-o secvență anterior exonică. Astfel, spre deosebire de alte mecanisme propuse de câștig de intron, acest mecanism nu necesită inserarea sau generarea de ADN pentru a crea un nou intron.
Singurul mecanism ipotetic al câștigului recent de intron care nu are dovezi directe este cel al inserției de intron din grupul II, care, atunci când este demonstrat in vivo, suprimă expresia genelor. Prin urmare, intronii grupului II sunt probabil să fie strămoșii presupuși ai intronilor spliceosomal, care acționează ca retroelemente specifice locului și nu mai sunt responsabili pentru câștigul de intron. Dublarea genomică în tandem este singurul mecanism propus care susține dovezi experimentale in vivo: o scurtă duplicare în tandem intragenică poate insera un nou intron într-o genă care codifică proteine, lăsând secvența peptidică corespunzătoare neschimbată. Acest mecanism are, de asemenea, dovezi indirecte ample care susțin ideea că duplicarea genomului în tandem este un mecanism predominant pentru câștigul de intron. Testarea altor mecanisme propuse in vivo, în special câștigul de intron în timpul DSBR, transferul de intron și intronizarea, este posibilă, deși aceste mecanisme trebuie demonstrate in vivo pentru a le consolida ca mecanisme reale de câștig de intron. Analizele genomice ulterioare, în special atunci când sunt efectuate la nivel de populație, pot cuantifica contribuția relativă a fiecărui mecanism, posibil identificând prejudecăți specifice speciei care pot arunca lumină asupra diferitelor rate de câștig de intron între diferite specii.
Vezi și
Referințe
- Saladrigas V, Claros G (2002): «Vocabularul englezo-spaniol de biochimie și biologie moleculară» (prima tranșă) Panace@ III (9-10): 13-28. Vocabular complet la BioROM .
- Gilbert , Walter (1978): „De ce genele în bucăți”. Nature 271 (5645): 501. doi 10.1038/271501a0
- Roy , Scott William și Gilbert , Walter (2006): „Evoluția intronilor spliceosomal: modele, puzzle-uri și progres”. Nature Reviews Genetics 7 : 211-221. doi 10.1038/nrg1807 PDF text integral
- Gogarten , J. Peter & Hilario , Elena (2006): „Inteine, introni și endonucleaze de origine: revelații recente despre ciclul de viață al elementelor genetice parazitare.” BMC Evolutionary Biology 6 : 94 doi 10.1186/1471-2148-6-94 PDF text integral
- Yandell , Mark; Mungall, Chris J.; Smith, Chris; Prochnik, Simon; Kaminker, Iosua; Hartzell, George; Lewis, Suzanna & Rubin, Gerald M. (2006): „Tendințe la scară largă în evoluția structurilor genetice în 11 genomi animale”. Calculator PLoS. Biol. 2 (3): 113-125. doi 10.1371/journal.pcbi.0020015 PDF text integral ( link întrerupt disponibil la Internet Archive ; vezi istoric , prima și ultima versiune ). Informații de sprijin ( link întrerupt disponibil la Arhiva Internet ; vezi istoricul , prima și ultima versiune ).
