Introns: definīcija, funkcijas un nozīme gēnu struktūrā
Introns ir nekodēta gēna sekvence.
Tā ir jebkura nukleotīdu sekvence gēna iekšienē, kas tiek noņemta, veicot RNS saaudzēšanu, lai iegūtu gēna galīgo RNS produktu. Termins introns attiecas gan uz DNS sekvenci gēna iekšienē, gan uz atbilstošo sekvenci RNS transkriptos. Introni parasti ir daļa no pirms-RNS (pre-mRNS) molekulas un tiek izgriezti ārā splicēšanas procesā, kas bieži notiek kopā ar transkripciju (ko-transkripcionāli).
Kodējošās DNS sekvences, kas pēc RNS splicēšanas tiek savienotas kopā galīgajā RNS, ir eksoni. Tie kodē aminoskābes galīgajā polipeptīdā. Eksoni veido proteīna kodējošo daļu vai arī iekļauj nekodējošas 5' un 3' UTR sekvences, kas regulē mRNS stabilitāti un translāciju.
Introni ir vairuma organismu un daudzu vīrusu gēnos. Tie var būt dažādos gēnos, tostarp gēnos, kas veido olbaltumvielas, ribosomālo RNS (rRNS) un pārneses RNS (tRNS). RNS sazarošana notiek pēc transkripcijas un pirms tulkošanas. Intronu garums un skaits var ļoti atšķirties — eikariotu gēnos tie bieži ir vairāki un var būt lieli (tūkstošiem bāzu), kamēr baktēriju gēnos introni ir reti.
- Introni: gēna daļas, kas tiek izmestas: nedarbojošās bites.
- Eksoni: gēna daļas, kas izpaužas: gēna daļas, kas kodē aminoskābju sekvences olbaltumvielā.
Intronu veidi un splicēšanas mehānisms
Galvenie intronu veidi ietver:
- Spliceosomālie introni — visbiežāk eikariotos; to izgriešanu nodrošina ribonukleoproteīnu komplekss spliceosoma, kas sastāv no maziem jadernsRNP (snRNP) (piem., U1, U2, U4/U6, U5) un papildu faktoriem.
- Grupas I un II introni — dažiem organismiem (iekļaujot noteiktus vienšūņus, baktērijas un mitohondriju/hloroplastu gēnus) introni splicējas patiesspēji (autosplicē) bez spliceosomas, izmantojot ribozīma aktivitāti.
- tRNS introni — bieži sastopami ar specifisku endonukleāžu un ligāzes sistēmu, lai noņemtu intronu no tRNS priekšteča.
Splicēšanas vietām pre-mRNS parasti ir raksturīgas konservētas sekvences: 5' gala donors (bieži sākas ar GU), iekšējs "branch point" ar adenīna bāzi un 3' acceptor gala sekvence (bieži beidzas ar AG). Pareiza splicēšana ir būtiska, jo kļūdas var mainīt atvērto lasījuma rāmju (ORF) struktūru vai radīt nefunkcionālus produktus.
Alternatīvā splicēšana un funkcionālā nozīme
Alternatīvā splicēšana ļauj no viena gēna izveidot vairāk nekā vienu mRNS variantu, kas palielina proteīnu dažādību un ļauj dažādiem audiem vai attīstības stadijām izteikt atšķirīgas proteīna formas. Šis process ir īpaši svarīgs sarežģītām daudzšūnu sugām, kur tas regulē šūnu diferenciāciju, signālu pārvadi un adaptāciju.
Introni var saturēt arī regulējošas elementus (enhancerus, silencerus), mikroRNS ģeneratorus un garas nekodējošas RNS (lncRNA) atvasinājumus. Turklāt intronu klātbūtne var ietekmēt gēnu ekspresijas līmeni — dažreiz introni stimulē transkripciju vai veicina mRNS eksportu no kodola uz citoplazmu (intron-mediated enhancement).
Evolūcija un bioinformātika
Intronu izplatīšanās un saglabāšanās ir evolūcijas jautājums, par kuru pastāv vairākas hipotēzes (piem., "introns-early" vs "introns-late"). Salīdzinoši genomi rāda, ka daudzi eikarioti ir intronu bagāti, bet prokarioti parasti tiem ir nabadzīgāki. Bioinformātiskās metodes un transkriptoma dati palīdz noteikt intronu/eksonu robežas, alternatīvās splicēšanas izteiksmi un konservētu splicēšanas signālu genomos.
Medicīniskā nozīme
Kļūdas splicēšanā vai mutācijas splicēšanas signālos var izraisīt slimības — gan monogēnas, gan multifaktoriālas. Splicēšanas defekti var novest pie izlaistiem eksoniem, kriptisku splicēšanas vietu izmantošanas vai RNS degradācijas (piem., nonsense-mediated decay). Daudzas neiroloģiskas saslimšanas, dažas iedzimtas slimības un arī vēzis ir saistīti ar nepareizu splicēšanu vai ar mutācijām splicēšanas komponentos.
Medicīnā izmanto arī terapeitiskas pieejas, kas mērķē splicēšanu — piemēram, antisentēzes oligomēri, kas maina splicēšanas izvēli, lai atjaunotu vai nomāktu konkrētu izoformu ražošanu.
Intronu atklāšanas rezultātā 1993. gadā Filips Šārps un Ričards Robertss saņēma Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā. Terminu introns ieviesa amerikāņu bioķīmiķis Valters Gilberts. Kopš atklāšanas intronu pētījumi ir paplašinājuši mūsu izpratni par gēnu regulāciju, proteīnu daudzveidību un molekulārās bioloģijas pamatiem.
Kopsavilkumā, introni nav tikai "nejaukas" nesvarīgas secības — tie ir dinamiskas gēnu arhitektūras sastāvdaļas ar nozīmīgu lomu ģenētiskajā regulācijā, evolūcijā un medicīnā.
Spliceosoma no transkribētā pre-mRNS segmenta noņem intronus (augšā). To sauc par "splicēšanu". Pēc intronu atdalīšanas (apakšā) nobriedusī mRNS sekvence ir gatava tulkošanai.
Bioloģiskā nozīme
Ir daudz neatbildētu jautājumu par introniem. Nav skaidrs, vai introni pilda kādu īpašu funkciju, vai arī tie ir savtīga DNS, kas vairojas kā parazīts.
Nesenie pētījumi par veseliem eikariotu genomiem liecina, ka intronu garums un blīvums (introni/gēns) radniecīgo sugu starpā ievērojami atšķiras. Pastāv četri vai pieci dažādi intronu veidi. Daži introni ir kustīgi ģenētiskie elementi (transpozoni).
Alternatīvā intronu sazarošana gēna iekšienē ļauj no viena gēna iegūt dažādas olbaltumvielu izoformas. Tādējādi no viena gēna un viena prekursora mRNS transkripta var izveidot vairākus radniecīgus proteīnus. Alternatīvās RNS sazarošanas kontroli veic sarežģīts signalizācijas molekulu tīkls. Cilvēkiem ~ 95 % gēnu ar vairāk nekā vienu eksonu ir alternatīvi sazaroti.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir introns?
A: Introns ir nekodējoša sekvence gēnā, kas tiek noņemta RNS saaudzēšanas procesā, lai iegūtu gēna galīgo RNS produktu.
J: Kas ir eksoni?
A: Eksoni ir kodējošas DNS sekvences, kas pēc RNS sašķelšanas tiek savienotas kopā galīgajā RNS un kodē aminoskābes galīgajā polipeptīdā.
J: Kur var atrast intronus?
A: Intronus var atrast lielākajā daļā organismu un daudzu vīrusu gēnos, tostarp tajos, kas veido olbaltumvielas, ribosomālo RNS (rRNS) un pārneses RNS (tRNS).
J: Kad notiek RNS sazarošana?
A: RNS sazarošana notiek pēc transkripcijas un pirms tulkošanas.
J: Ko dara introni?
A: Introni ir gēna daļas, kas tiek izmestas; tie ir nedarbojošās daļas.
J: Ko dara eksoni?
A:Eksoni ir gēna daļas, kas tiek izteiktas; tie kodē aminoskābju sekvences olbaltumvielā.
J:Kas atklāja intronus?
A:Par intronu atklāšanu 1993. gadā Filips Šārps un Ričards Robertss saņēma Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā. Terminu introns ieviesa amerikāņu bioķīmiķis Valters Gilberts.
