Intron määratlus ja roll geenides ning RNA splaissingus

Intron on geenis olev mittekodeeriv järjestus.

See on mis tahes nukleotiidijärjestus geenis, mis eemaldatakse RNA splaissingu teel, et saada geeni lõplik RNA-toode. Mõiste intron viitab nii DNA järjestusele geenis kui ka vastavale järjestusele RNA transkriptsioonis.

Kodeeriva DNA järjestused, mis pärast RNA splaissimist ühendatakse lõplikuks RNA-ks, on eksonid. Nad kodeerivad lõpliku polüpeptiidi aminohappeid.

Intronid on enamiku organismide ja paljude viiruste geenides. Need võivad olla paljudes geenides, sealhulgas valke, ribosomaalset RNA-d (rRNA) ja transfeer-RNA-d (tRNA) tootvates geenides. RNA splaissing toimub pärast transkriptsiooni ja enne translatsiooni.

Intronid: geeni kõrvalejäetud osad: mittetöötavaid bitte.
Eksonid: geeni osad, mis ekspresseeruvad: geeni osad, mis kodeerivad valgu aminohapete järjestusi.

Intronite avastamine tõi 1993. aastal Phillip Sharpile ja Richard Robertsile Nobeli preemia füsioloogia või meditsiini alal. Termini intron võttis kasutusele Ameerika biokeemik Walter Gilbert.

Intronide tüübid ja splicingumehhanismid

Intronid jagunevad peamiselt kolme suuremasse tüüpidesse sõltuvalt nende splicingumehhanismist:

Spliceosoomisõltuvad intronid (tavaliselt eukarüootidel): neid eemaldab suur ribonukleoproteiinide kompleks nimega spliceosoom, mis sisaldab mitut snRNP-i (U1, U2, U4, U5, U6). Tavalised konsensusjärjestused on 5' lõpus GU ja 3' lõpus AG ning splicingus osaleb harilikult haru-punkti adeniin (branch point).
Grupi I ja II intronid: autonoomsemad intronid, mis võivad iseennast splaissida ilma spliceosoomita; neid leidub bakterites, mitokondrites, plastidides ja mõnel viirusel. Grupi II intronide mehhanism sarnaneb molekulaarselt spliceosoomi poolt toimivale splicingule.
tRNA-intronid: tRNA-de puhul eemaldab introni splicinguks spetsiaalne endonukleaas ja ligaas, mis erineb mRNA spliceosoomist.

Splicinguprotsessi põhisammud (spliceosoomi mediatsioonil)

Tuvastamine: U1 snRNP tunnustab 5' splice-ala ja spetsiifilised faktorid tunnevad 3' lõppu ning branch-punkti.
Lariat-formatsioon: 2'–5' fosfodiesterühenduse loomine branch-punkti adeniini ja 5' lõpu vahel, mille tulemusel moodustub silmitaoline struktuur (lariat).
Eksidide liitmine: 3' ots lõigatakse ja eksonid liidetakse, intron lükatakse välja lariat-kujul ja see hiljem lagundatakse.

Funktsioonid ja bioloogiline tähtsus

Varem mõeldi introneile sageli kui mittetöötavatele „prügile”, kuid praegu on teada mitmeid olulisi rolle:

Alternatiivne splaissing võimaldab ühest geenist tekkida mitu erinevat mRNA- ja valguvarianti, suurendades proteiini mitmekesisust eriti eukarüootidel.
Regulatsioon: intronid võivad sisaldada regulaatorseid elemente (enhancerid, silencerid), mis mõjutavad geeniekspressiooni hulka, ajastust ja koespesifilisust.
Non-coding RNA-d: mõned mikroRNA-d (miRNA) ja aunad snoRNA-d arenevad intronitest – intronid võivad sisaldada koodita regulatoorseid RNA-sid.
Geenide evolutsioon: intronid soodustavad eksonide ümberkorraldusi ja rekombinatsiooni, mis võib kiirendada uute geenifunktsioonide tekkimist.
Co-transkriptsiooniline splaissing: paljud splaissingureaktsioonid toimuvad samaaegselt transkriptsiooniga, mis aitab géni väljundit ja alternatiivset valikut kontrollida.

Molekulaarmeditsiin ja patoloogia

Muutused intronites või introni-eksjoni piiril (splicingusignaalide mutatsioonid) võivad põhjustada valesid splaissinguid ja olla seotud paljude haigustega (näiteks teatud aneemiad, neurodegeneratiivsed haigused, mõned vähid). Splaissinguhäirete vastu arendatakse ravimeid, näiteks antisense-oligonukleotiide, mis suunavad splaissingut soovitud suunas (splicing-switching terapiad).

Intronite mitmekesisus ja evolutsioon

Intronite sagedus ja pikkus varieeruvad tugevalt elusorganismide vahel: bakterites on intronid haruldased, eukarüootidel (eriti imetajatel ja taimadel) on nad sagedased ja võivad olla väga pikad. On arutelusid intronide varajasest või hilisest tekkest evolutsioonis (intron-early vs intron-late teooriad). Geneetilised mehhanismid intronite tekkeks, kaotuseks ja replikatsiooniks on aktiivse uurimise objektiks.

Kokkuvõte

Intronid ei ole lihtsalt „mittekodeerivad katkendid” – nad mängivad olulist rolli geeniekspressiooni regulatsioonis, pakkudes vahendeid organismide molekulaarseks mitmekesisuseks ja evolutsiooniliseks kohanemiseks. Mõistmine, kuidas intronid ja splaissing toimivad, on oluline nii põhibioloogia kui ka haiguste diagnostika ja ravi arenduse seisukohalt.

Spliceosoom eemaldab intronid transkribeeritud pre-mRNA segmendist (ülal). Seda nimetatakse "splaissimiseks". Pärast intronite eemaldamist (all) on küps mRNA järjestus valmis translatsiooniks.

Bioloogiline tähendus

Intronite kohta on palju vastamata küsimusi. On ebaselge, kas intronid täidavad mõnda konkreetset funktsiooni või on need isekas DNA, mis paljundab end parasiidina.

Hiljutised uuringud tervete eukarüootiliste genoomide kohta on nüüdseks näidanud, et intronite pikkus ja tihedus (intronid/geen) on sugulasliikide vahel väga erinev. On olemas neli või viis erinevat liiki introneid. Mõned intronid kujutavad endast liikuvaid geneetilisi elemente (transposonid).

Intronite alternatiivne splaissimine geenis võimaldab ühest geenist saada erinevaid valgu isovorme. Seega võib ühest geenist ja ühest mRNA eelkäija transkriptist tekkida mitu omavahel seotud valku. Alternatiivset RNA splaissimist kontrollib signaalimolekulide keeruline võrgustik. Inimesel on ~95% geenidest, millel on rohkem kui üks ekson, alternatiivselt splaissitud.

Küsimused ja vastused

K: Mis on intron?

V: Intron on geenis olev mittekodeeriv järjestus, mis eemaldatakse RNA splaissingu teel, et saada geeni lõplik RNA-toode.

K: Mis on eksonid?

V: Eksonid on kodeerivad DNA järjestused, mis ühendatakse pärast RNA splaissimist lõplikus RNA-s ja mis kodeerivad lõpliku polüpeptiidi aminohappeid.

K: Kus leidub introneid?

V: Introneid võib leida enamiku organismide ja paljude viiruste geenides, sealhulgas valke, ribosomaalset RNA-d (rRNA) ja transfeer-RNA-d (tRNA) tootvates geenides.

K: Millal toimub RNA splaissing?

V: RNA splaissing toimub pärast transkriptsiooni ja enne translatsiooni.

K: Mida teevad intronid?

V: Intronid on geeni osad, mis jäetakse kõrvale; need on mittetöötavad bitid.

K: Mida teevad eksonid?

V: Eksonid on geeni osad, mis ekspresseeruvad; nad kodeerivad valgu aminohapete järjestusi.

K:Kes avastas intronid ?

V: Intronite avastamine tõi 1993. aastal Phillip Sharpile ja Richard Robertsile Nobeli preemia füsioloogia või meditsiini alal. Termini intron võttis kasutusele Ameerika biokeemik Walter Gilbert.