Интрони — какво са, функция и РНК сплайсинг в гените

Научете всичко за интроните: какво са, тяхната функция в гените и ролята на РНК сплайсинга — ясно, с примери и ключови открития.

Интронът е некодираща последователност в даден ген. Това означава, че тя не участва директно в кодирането на аминокиселинна последователност в крайния протеин, а се премахва от първичния РНК транскрипт чрез процес, наречен РНК сплайсинг. Терминът "интрон" се отнася както за съответната последователност в ДНК, така и за тази в предшественика на РНК (pre-mRNA).

Последователностите от кодираща ДНК, които се запазват и се съединяват в крайната РНК след сплайсинга, се наричат екзони. Те кодирват аминокиселините в крайния полипептид или формират функционални некодиращи РНК (например структурни части на рРНК и тРНК).

Къде се срещат интроните

Интрони има в гените на повечето еукариоти и в много вируси; в някои бактерии интрони са редки. Те могат да присъстват в гени, които кодират белтъци, както и в гени за некодиращи РНК. Сплайсингът обикновено се извършва след транскрипцията и преди транслацията.

• Интрони: части от гена, които се изхвърлят от предшественика на РНК; неkodиращи сегменти.
• Екзони: части от гена, които се експресират и кодират аминокиселинни последователности в протеина, или остават в краен некодиращ РНК продукт.

Механизмът на сплайсинга

При класическия нуклеарен сплайсинг на eukарiotna pre-mRNA ключови елементи включват консенсусни сайтове в краищата на интрона: 5' сплайс сайт (често започва с GU), точка на разклонение (branch point) с характерна аденозинова база и 3' сплайс сайт (често завършва с AG). Самият процес се осъществява от голям мултибелтъчен комплекс, наречен сплайсосома, който съдържа малки ядрени рибонуклеопротеинови частици (snRNPs) — U1, U2, U4, U5 и U6 — и многобройни допълнителни протеини. Сплайсосомата разпознава сплайс сайтовете, извършва две последователни нуклеофилни реакции и отстранява интрона под формата на ларифатна (loop) или линейна структура, след което свързва съседните екзони.

Видове интрони и сплайсинг

• Нуклеарни (spliceosomal) интрони — най-разпространени при еукариотите; изрязват се от сплайсосомата.
• Група I и група II интрони — срещат се в митохондриални, хлоропластни или бактериални гени и могат да се сплайсват автокаталитично (без сплайсосома), като група II интроните вероятно са еволюционен предшественик на сплайсосомата.
• Други видове — в някои организми има специфични малки интрони (например U12-type), които се обработват от вариации на сплайсосомния апарат.

Функции и биологично значение

Въпреки че интроните сами по себе си не кодират протеинови последователности, те имат множество важни роли:

• Алтернативен сплайсинг: чрез различно изрязване на екзон-интрон структурите един ген може да произведе няколко различни белтъчни изоформи или РНК молекули, което увеличава функционалното разнообразие и позволява тъканно- и времево-специфична регулация.
• Регулация на експресията: някои интрони съдържат регулаторни елементи, усилватели или сайтове за свързване на белтъци и микрорНК, които влияят върху транскрипция, процесинг и устойчивост на РНК.
• Еволюция и обмен на домейни: интроните улесняват процеси като exon shuffling, при които екзони могат да бъдат преподреждани и да създават нови белтъчни домейни.
• Източник на некодиращи РНК: някои интронни участъци са предшественици на малки некодиращи РНК или могат да бъдат място за произход на регулаторни елементи.
• Контрол на ниво РНК: сплайсингът може да повлияе на ядърно експортиране, локализация и транслационна ефективност на РНК.

Биомедицинско значение и болести

Грешки в сплайсинга или мутации в сплайс сайтовете могат да доведат до неправилно изрязване и болестни състояния. Примери включват exon skipping или задържане на интрони, активиране на криптични сплайс сайтове и др. Такива дефекти са свързани със заболявания като бета-таласемия, някои видове рак и нервно-мускулни нарушения. Поради това модифицирането на сплайсинга е и терапевтичен подход (например антисенс олигонуклеотиди при спинална мускулна атрофия).

Разнообразие по размер и брой

Бройът и дължината на интроните варират силно между различните организми. При дрожди и някои нишковидни организми интроните са малко и къси; при човека средният ген съдържа много екзони и дълги интрони. Тази вариабилност има влияние върху геномната организация, регулирането на експресията и скоростта на транскрипция и процесинг.

Методи за изследване

Сплайсинг и интрони се изучават чрез редица методи: RT‑PCR и Northern blot за отделни транскрипти, RNA‑seq за глобален анализ на сплайсинг варианти, клинично секвениране за откриване на патогенни варианти, както и биохимични методи за изследване на сплайсосомата и взаимодействията ѝ.

Откриването на интроните и процеса на РНК сплайсинг доведе до присъждането на Нобелова награда за физиология или медицина през 1993 г. на Филип Шарп и Ричард Робъртс за откриването на разделени гени (split genes). Терминът "интрон" е въведен от американския биохимик Уолтър Гилбърт.

Като обобщение: интроните не са „безполезни“ остатъци от генома, а динамични елементи с важни регулаторни, еволюционни и функционални роли, чието правилно функциониране е критично за здравето и развитието на организма.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява интронът?

В: Какво представляват екзоните?

В: Къде могат да се намерят интрони?

В: Кога се извършва РНК сплайсингът?

В: Какво правят интроните?

В: Какво правят екзоните?

В:Кой е открил интроните?

Търсене по буква