תופעת השחבור מתקיימת בעיקר בכל ממלכת האאוקריוטים, היות שגנים המקודדים בגרעין התא, במרבית המינים מאותה ממלכה, מכילים רצפי אינטרונים חסרי מסגרת קריאה (כלומר, שאינם מקודדים לחלבון) הנחתכים ממולקולת ה־RNA המשועתקת ואינם לוקחים חלק במולקולת ה־mRNA. בנוסף, ישנם גנים המתועתקים למולקולות RNA אשר אינן מתורגמות לחלבון אך עדיין עוברות שחבור. ביצורים אאוקריוטים קדומים יותר, במיוחד חד תאיים, תופעת השחבור אינה שכיחה, היות שתדירות האינטרונים המצויים בתוך רצפי גנים נמוכה. עם העלייה במורכבות היצורים במהלך האבולוציה, עלתה גם שכיחות האינטרונים בכל גן.
מקור האינטרונים.
הנוכחות של רצפים שנחתכים ממולקולת ה־mRNA מעלה את השאלה מניין אותם רצפים (לכאורה חסרי תכלית) הופיעו. אך ככל הנראה, מקור האינטרונים אינו יחיד, וישנן מספר אפשרויות שדרכן הם יכלו להופיע. להלן ארבעה מודלים אפשריים המנסים להסביר את מקור האינטרונים:
גילוי.
בין שנות ה־60 לשנות ה־70 של המאה ה־20 ניטש ויכוח בין חוקרי ביולוגיה מולקולרית של אאוקריוטים בנוגע ליצירת mRNA בתאי בעלי חיים. במחקרים אשר התקיימו בפרוקריוטים (חיידקים), לא נראה הבדל בין אורך הרצף המתורגם לחלבון לרצף הגן המשועתק ל־RNA מהגנום. לעומת זאת, ביצורים אאוקריוטים, נראה שמולקולת ה־RNA (נקראה: heterogenous nuclear RNA – hnRNA) המתועתקת בתוך הגן עוברת פירוק, ורק חלק קטן ממנה יוצא מהגרעין היכן היא מתפקדת כmRNA. מולקולת ה־hnRNA המשועתקת מהגן האאוקריוטי יותר ארוכה ממוקולת ה־mRNA שמתקיימת מחוץ לגרעין. בנוסף, נראה שרצפי הקצוות של ה־hnRNA נשמרים במולקולת ה־mRNA המתקיימת בגרעין. אך לא ניתן היה להוכיח באמצעות שיטות סימון רדיואקטיביות, בהן השתמשו כדי לעקוב אחר מולקולות מתא, שמולקולות mRNA נובעת ממולקולות hnRNA.
נגיפי DNA ותרומתם להבנת מנגנון השחבור.
מחקר בהבנת מנגנון התעתוק ובקרתו התקיים בעזרתם של הבקטריופאג'ים (נגיפים המדביקים חיידקים). בימים בהם לא הייתה אפשרות לשבט גנים בתאיים אאוקריוטים (סוף שנות ה־70 של המאה ה־20), לא ניתן היה לחקור ביטוי של גנים תאיים ספציפיים (למעט pre-mRNA). לכן, כפי שחקרו ביטוי גנים בחיידקים על ידי בקטריופאג'ים, כך גם ניסו חוקרים להשתמש בנגיפים אנימאליים, כגון נגיפי DNA, כדי לנסות להבין את מנגנוני הביטוי של גנים בתאים אאוקריוטים. לנגיפי DNA מספר גנים מצומצם, ותבנית ה־DNA המקודדת לאותם גנים ניתנת לבידוד על ידי מיצוי של חלקיקים נגיפיים. נגיפי המודל שעבדו עימם היו הנגיף האנושי Adenovirus 2 (Ad2) והנגיף האנושי Adenovirus 5. היתרון בנגיפים אלו הוא שהגנום שלהם יחסית קטן (36 אלף בסיסים) וניתן היה לגדל אותם בקלות ולהפיק כמות רבה של DNA. יתרה מכך, מולקולות RNA שמקורן בווירוס Ad2 היו ארוכות בגרעין התא, התקיימו לזמן קצר, והכילו את הרצפים של ה־mRNA היציבים.
חוקרים ניסו למפות את הגנום של הנגיף על ידי התאמת מולקולות mRNA של גנים המקודדים למרכיבי הנגיף למולקולת ה־DNA הגנומי. השיטה עשתה שימוש בצילום באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים, בו ניתן לראות את האזור אליו מולקולת ה־mRNA סופחה למולקולת ה־DNA ליצירת "R-loop" חד־גדילי של DNA.
הנחת היסוד הייתה שהקצה ההתחלתי של מולקולת mRNA מייצג את אזור תחילת התיעתוק של גן מסוים, לכן ניתן למפות את גני הנגיף על ידי מעקב אחר מיקום הסיפוח של מולקולת ה־mRNA ל־DNA הגנומי. כך, על ידי מיפוי מולקולת mRNA של כל גן, ניתן יהיה למקם כל גן נפרד על גנום הנגיף. בניגוד להנחת היסוד, כל רצפי ה־mRNA, על אף שמקודדים לחלבונים שונים, היו בעלי רצף התחלתי זהה. בנוסף, הסיפוח של כל מולקולת mRNA הובילה ליצירת R-loop שונה. מחקרים אלו הובילו לגילוי של מנגנון עיבוד RNA מתועתק באאוקריוטים, ואף אפשרות למנגנון היכול ליצור mRNA שונים מרצף pre-mRNA אחד (שחבור חליפי).
מנגנון.
כדי להבין את מנגנון השחבור, ראשית חשוב לדעת כיצד מובדלים האינטרונים מהאקסונים, כיצד האינטרונים נחתכים מה־pre-mRNA (mRNA לפני הסרת אינטרונים), וכן כיצד האקסונים מתחברים יחד ליצירת mRNA. התחימה בין רצפי האקסונים לרצפי האינטרונים מתקיימת ברמת רצף חומצות הגרעין של ה־pre-mRNA. את האינטרון, אם כן, תוחמים שני אתרים מוגדרים: תחום אקסון – אינטרון המגדיר את סוף האקסון ותחילת האינטרון, ותחום אינטרון־אקסון המגדיר סוף האינטרון ותחילת אקסון נוסף. אתרים אלו יגדירו את המיקומים בהם האינטרון יוסר מהרצף, ושני האקסונים יתחברו במהלך השחבור. אתר נוסף הנוכח ברצף האינטרון שחשוב לתהליך החשבור הוא 'רצף ההסתעפות' (באנגלית branchpoint sequence). רצף זה מתקיים בתוך רצף האינטרון, קרוב יותר לתחום האינטרון־אקסון (או סוף האינטרון); לאחרי רצף ההסתעפות ישנו רצף של פירימידינים רבים (המורכב מהנוקלאוטידים T ו־C) הקרוי polypyrimidine tract.
טרנסאסטריפיקציה.
טרנסאסטריפיקציה היא התגובה הכימית האחראית לניתוק האינטרון מה־pre-mRNA. במהלך השחבור מתקיימות שתי תגובות טרנסאסטרפיקציה עוקבות. בראשונה, קבוצת הידרוקסיל OH'2 של אדנין (A), שמורה ברצף ההסתעפות מתחברת לקבוצת זרחה של גואנין) (G) בגבול האקסון־אינטרון. כתוצאה מכך נוצר קשר פוספודיאסטרי בין הסוכר (ריבוז) של הנוקלאוטיד (A) לקבוצת הזרחה של הנוקלאוטיד G בגבול האקסון־אינטרון, כך שהקשר בין האקסון לאינטרון ניתק. הבתגובה השנייה, האקסון שנותק מהקשר עם האינטרון מכיל קבוצת הידרוקסיל OH'3 חשופה, שחופשית לבצע חיבור עם קבוצת זרחה בגבול אינטרון־אקסון. השלכות התגובה הן חיבור שני האקסונים שנפרדו על ידי האינטרון ושחרור האינטרון עצמו מה־pre-mRNA. האינטרון משוחרר כרצף דמוי לולאה הקרוי לאריאט.
לאריאט.
הצורה בה אינטרון עוזב את ה־pre-mRNA. הלאריאט קרוי על שם האות היוונית סיגמא המייצגת את צורת האינטרון לאחר חיבור בין הקצה "אקסון־אינטרון" של האינטרון לרצף ההסתעפות, וחיבור בין קצה האקסון המשוחרר מתחילת האינטרון לאקסון המחובר לקצה "אינטרון־אקסון", מה שמשחרר את הלאריאט ומחבר בין שני האקסונים.
ספלייסוזום.
ב־1985 נתגלה, שתהליך השחבור מתקיים בשמרים על ידי מבנה חלבוני קרוב בגודלו לריבוזום. המכלול החלבוני מכיל חמש מולקולות RNA המקודדות בגרעין (small nuclear RNA – snRNA) שכל אחת מהן מתקיימת בהרכב עם חלבונים נוספים. השילוב בין מולקולות ה־RNA הקטנות לחלבונים נקרא גם small nuclear ribonuclear proteins (snRNP). הספלייסוזום מורכב מ־snRNP אך ההרכב משתנה כתלות בשלב השחבור הפעיל. ל־snRNP שונים יש תפקידים נפרדים בתהליך השחבור, בין זיהוי ה־pre-mRNA, הקרבת 'רצף ההסתעפות' לתחום האקסון־אינטרון וייעול התגובה היוצרת את הלריאט וחיבור בין שני האקסונים.
שחבור עצמי (Self Splicing).
בנוסף למנגנון השחבור של גנים גרעיניים באאוקריוטים בו נעשה שימוש בספלייסוזום כדי להסיר אינטרונים לקבלת mRNA, ישנם מקרים בהם האינטרונים מוסרים באופן עצמאי (Self Splicing) ללא מכלול חלבוני המסייע לתהליך. בשחבור עצמי, אינטרונים מסירים את עצמם מה־pre-mRNA על ידי ביצוע תגובות טרנסאסטריפיקציה דומות לתגובות המתבצעות על ידי הספלייסוזום. האינטרונים המבצעים שחבור עצמי מתחלקים לשתי קבוצות:
RNA לא מקודד.
מולקולות RNA ארוכות לא מקודדות (long non coding RNA – lncRNA) הן מולקולות RNA המשועתקות על ידי גנים אך אינן מתורגמות לחלבון. בהקשר לשחבור, התגלה שביטוי של lncRNA יכול להשפיע על אופן שחבור של גנים מסוימים. שילוב של lncRNA במנגנון השחבור מראה על תופעות של בקרה יותר הדוקה על ביטוי של גנים מסוימים.
שחבור cis.
תהליך זה מתאר את מנגנון השחבור הקלאסי, בו אקסונים מאותו גן מתחברים ליצירת mRNA. אומנם תהליך זה מתקיים ברוב האאוקריוטים, אך אינו מהווה צורת שחבור אפשרית אחת.
שחבור trans.
שחבור זה, המכונה גם שחבור בהצלבה, תהליך שבו תעתיקים שמקורם אינו מאותו אזור גנומי, או מאותו גן, יוצרים מולקולת mRNA. כתוצאה מכך, מולקולת ה־mRNA מהווה איחוי (כימרה) בין שני תעתיקים נפרדים שמקורם מגנים שונים. תופעה זאת התגלתה באאוקיוטים מסדרת הטריפנוזומטידות, ונצפתה גם בתולעים נימיות.
דוגמאות למחלות שנגרמות מפגם בתהליך השחבור.
הסרת אינטרונים ממולקולת ה־pre-mRNA הוא תהליך הכרחי לביטוי תקין של רוב הגנים בגנום האנושי. תקינות תהליך השחבור תלויה במערך של גורמים, מרצף מולקות ה־RNA ועד למרכיבי הספלייסוזום, שפעילותם הכרחית כדי לאפשר שחבור נכון והנבת תוצר תקין. במולקולת ה־pre-mRNA, מוטציה באחד מאזורי קצוות האינטרון, או באזור ההסתעפות, יכולה להוביל לאי הסרת אינטרון ממולקולת ה־pre-mRNA ופגיעה בביטוי הגן. בנוסף לכך, מוטציה באחד מהגנים האחראיים למרכיבי הספלייסוזום עלולה להוביל להשבתה של תהליך השחבור ולפגוע בתהליך הטרנסאסטריפיקציה.
פרוגריה.
פרגוריה, המכונה גם תסמונת פרוגריה (על שם) הטצ'ינסון־גילפורד (HGPS), היא מחלה בעלת דגם תורשה דומיננטי. חולים במחלה זאת סובלים ממגוון תופעות כגון גובה נמוך, משקל גוף נמוך, איבוד שיער מוקדם והזדקנות מוקדמת. המחלה נובעת ממוטציה בגן LMNA, המקודד לחלבון גרעיני Lamin A אשר אחראי על מגוון תפקידים כגון עיגון חלבונים לממברנת הגרעין, שמירה על מבנה תקין של ממברנת הגרעין וקשירת כרומטין אליה. אחת המוטציות שגורמות למחלה מובילה לשינוי אתר השחבור בין אקסון 11 לאקסון 12 של הגן LMNA. שינוי בבסיס אחד בתוך אקסון 11 גורם ליצירת תעתיק אלטרנטיבי המחסיר 150 בסיסים מאקסון 11 ומוביל ליצירת חלבון לא תקין.
רטיניטיס פיגמנטוזה.