Intron

Intron (ehk interfereeruv regioon) on geenis olev nukleotiidne järjestus, mis eemaldatakse RNA splaissimise käigus, kui valmistatakse RNA produkt, millelt toimub translatsioon. Intronid ja eksonid geenis transkribeeritakse RNA molekuliks ning eksonid liidetakse kokku RNA lõpp-produktiks, kui intronid on eemaldatud. Intron on geeni mittekodeeriv piirkond. Terminit intron kasutatakse nii DNA sees olevate intronite iseloomustamiseks kui ka RNA sees olevate intronite iseloomustamiseks. Järjestused, mis hiljem kokku liidetakse RNA valmistamiseks, on moodustunud eksonitest pärast RNA splaissimist. Intronid esinevad enamiku organismide geenides ning ka paljudes viirustes. Introneid esineb paljudes geenides, ka neis, mis genereerivad valke, ribosomaalset-RNAd (rRNA) ja transport-RNAd (tRNA). RNA töötlemine toimub enne translatsiooni ning pärast transkriptsiooni. Sõna "intron" on tulnud ingliskeelsest mõistest intragenic region (geenisisene piirkond), mis tähendab geeni sees olevat ala. Intronid avastati algselt adenoviiruse valke kodeerivatest geenidest. Järgnevalt avastati nad geenidest, mis kodeerisid transport-RNA-d ja ribosomaalse RNA geene. Praegu on teada, et intronid esinevad organismides ja viirustes kõikidest bioloogilistest riikidest. Fakti, et geene tükeldavad intronid, avastasid aastal 1977 Phillip Allen Sharp ja Richard J. Roberts ning nad said selle eest 1993. aastal Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinna. Ameerika biokeemik Walter Gilbert võttis kasutusele sõna intron. Intronite sagedus erinevates genoomides varieerub laialt erinevate bioloogiliste organismide vahel. Kõrgematel organismidel esineb rohkem introneid, näiteks hiirel ja inimesel, kus valke kodeerivad tuumageenid sisaldavad peaaegu alati mitmeid introneid. Mõnedes eukarüootsetes mikroorganismides on tuumageenides asuvad intronid palju haruldasemad, näiteks pagaripärmis (Saccharomyces cerevisiae). Selgroogsete organismide rakkude mitokondrite geenid on täiesti intronitevabad, kuid need eukarüootsed organismid võivad ise sisaldada mitmeid introneid tuumageenides. On teada, et introneid esineb ka bakterite ja arhede geenides, kuid neid on seal palju vähem kui eukarüootide genoomis. On teada vähemalt nelja tüüpi introneid. isesplaissuvad grupp I intronid, mis eemaldatakse RNA katalüüsi käigus isesplaissuvad grupp II intronid, mis eemaldatakse RNA katalüüsi käigus intronid tuuma valke kodeerivates geenides, mille eemaldavad splaissosoomid intronid tuuma ja arhe transport-RNA geenides, mille eemaldavad valgud (tRNAd lõikavad ensüümid) Pakutakse ka grupp III introneid omaette perekonnana, kuid neist teatakse veel vähe. Grupp I ja grupp II introneid leidub valke kodeerivate geenides (informatsiooni-RNA ehk mRNA), transport-RNA ja ribosomaalses RNAs paljudel organismidel. Pärast RNA transkriptsiooni teevad I grupi ja II grupi intronid läbi ulatusliku sisemise interaktsiooni, mis lubab neil kolmedimensiooniliseks kujundiks kokku voltuda. Nende intronite RNA moodustab keerulise konserveerunud sekundaarsturuktuuri. See võimaldab neil intronitel olla isesplaissuv. Intronit sisaldav RNA molekul muudab enda kovalentstruktuuri, et täpselt eemaldada intron ning kleepida eksonid omavahel õiges järjekorras kokku. Mõnel juhul osalevad splaissimises ka spetsiaalsed introneid siduvad valgud, mis aitavad introneid voltida isesplaissumiseks vajalikku kolmedimensionaalsesse struktuuri. Tuuma pre-mRNA intronid (splaissosoomiga eemaldatavad intronid) on ära määratud spetriaalsete intronite järjestustega, mis asuvad eksonite ja intronite vahealadel. Need järjestused tuntakse ära splaissosoomse RNA molekulide abil, kui alustatakse splaissimisreaktsioonidega. Tuuma pre-mRNA intronid on tihti palju pikemad kui neid ümbritsevad eksonid. Esialgsel hindamisel saab introneid vaadata kui tähtsusetuid järjestusi, mille ainus funktsioon on eemalduda splaissimata algsest RNA-st, et valmistada funktsionaalne mRNA, rRNA või tRNA produkt. Siiski, mõned intronid ise kodeerivad spetsiifilisi valke või neid introneid töödeldakse edasi hiljem pärast splaissimist, et genereerida mittekodeerivaid RNA molekule. Alternatiivne splaissimine on laialt kasutusel, et valmistada palju valke ühest geenist, tegemist on posttranslatsioonilise geeniregulatsiooniga. Mõned intronid esindavad mobiilseid geneetilisi elemente ja võidakse lugeda kui näideteks isekast DNA-st. Intronite bioloogiline päritolu on selgusetu. Pärast esimest intronite avastust valke kodeerivates geenides eukarüootide rakutuumades, käis arutelu selle üle, kas intronid tänapäevastes organismides on pärit ühisest eellasest või on intronid üsna hiljuti evolutsiooniprotsessis tekkinud. On ka teine teooria: splaissosoom ja intron-ekson-struktuurid geenides on jäänuk RNA maailmast. Käib arutelu ka selle üle milline neist hüpoteesidest on õigeim. Viimane populaarne konsensus on, et intronid on jäänud eukarüootsesse liini isekate elementidena. Varajased genoomse DNA järjestuse uuringud paljudes organismides on näidanud, et intron-ekson struktuurid homoloogilistes geenides erinevates organismides võivad suuresti varieeruda. Hiljutisemad uuringud kogu eukarüootse genoomi kohta on näidanud, et intronite pikkus ja tihedus varieerub palju sugulasliikide vahel. Näiteks inimese genoom sisaldab keskmiselt umbes 8,4 intronit geeni kohta (139 418 genoomis), üherakuline seen Encephalitozoon cuniculi sisaldab ainult 0,0075 intronit geeni kohta (15 intronit genoomis)). Introneid on evolutsioonis ulatuslikult tekkinud ja/või kadunud evolutsioonis alates eukarüootide ühise eellase lahknemisest. Arvatavasti on see protsess selektsiooni tulem, kalduvusega intronite juurdetekkimisega suuremates liikides nende väiksemate populatsioonide tõttu ja vastupidine efekt toimub väiksemate liikide puhul (eriti üherakulistel liikidel). Bioloogilised faktorid mõjutavad ka millistes geenides intronid kaovad või juurde tekivad. Intronite alternatiivne splaissimine geenides tekitab suuremat varieetilisust valkude järjestustes, mis transleeritakse ühest geenist, see lubab toota mitmeid erinevaid valke ühest geenist. Alternatiivse RNA splaissimise kontroll teostatakse erinevate signaalmolekulide abil, mis vastavad paljudele rakusisestele ja rakuvälistele signaalidele. Intronid võivad evolutsioonis minna kaduma või tekkida juude nagu on selgunud paljude ortoloogiliste geenide uuringutest. Selgunud on kaks üldtunnustatud mehhanismi intronite kadumisest, pöördtranskriptaasi-vahendatud intronite kadu (Reverse Transcriptase-Mediated Intron Loss ehk RTMIL) ja genoomideletsioonid. Lõplikud mehhanismid intronite tekkimisest on kirjeldamata ja vastuolulised. Hetkel on teada vähemalt seitse intronite tekkemehhanismi: introni transpositsioon, transposooni insertsioon, tandem genoomi duplikatsioon, introni ülekanne, introni teke homoloogilise rekombinatsiooni tulemusel (DSBR rada), grupp II introni insertsioon ja intronisatsioon. Introni transpositsiooni korral arvatav introni tekkemehhanism on kui splaissitud intron pöördsplaissub kas enda mRNA või mõne teise mRNA sisse, kus eelnevalt polnud intronit. Intronit sisaldav mRNA seejärel pöördtranskribeeritakse ja tulemuseks on intronit sisaldav cDNA, mis seejärel võib põhjustada intronitekke täieliku või osalise rekombinatsiooni tulemusena oma originaalgeenilookusse. Transposooni insertsioonid võivad ka tulemuseks anda introni tekke. Kui transposoon asetub AGGT järjestusse, duplitseerub see järjestus mõlemal pool transposooni ning selline insertsioon võib introniseerida transposooni, rikkumata koodijärjestust. Tandemgeeniduplikatsiooni korral doonor- ja aktseprotsplaissimissaitides (mõlemal on AGGT järjestusega sarnane järjestus) eksonisegmendis AGGT järjestuses tandemgeeniduplikatsioon genereerib kaks potentsiaalset splaissumissaiti. Kui splaissosoom selle koha ära tunneb, siis originaalse ja duplitseeritud AGGT vahel olev järjestus splaissitakse geeni koodijärjestust muutmata. Introni ülekande korral saab pseudogeen või paraloogne geen introni ja siis kannab selle introni üle rekombinatsiooni teel õdeparaloogi, kust intron puudub. Intronisatsiooni korral tekitavad mutatsioonid varasematest eksonijärjestustest uued intronid. Selle mehhanismi korral ei toimu insertsiooni või DNA generatsiooni. Ekson Alberts, Bruce (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. ISBN 0-8153-4105-9. Stryer, Lubert; Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L. (2007). Biochemistry. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-6766-X.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Kinniburgh, Alan; mertz, j. and Ross, J. (juuli 1978). "The precursor of mouse β-globin messenger RNA contains two intervening RNA sequences". Cell. 14 (3): 681–693. DOI:10.1016/0092-8674(78)90251-9. PMID 688388.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Chow LT, Gelinas RE, Broker TR, Roberts RJ (september 1977). "An amazing sequence arrangement at the 5' ends of adenovirus 2 messenger RNA". Cell. 12 (1): 1–8. DOI:10.1016/0092-8674(77)90180-5. PMID 902310.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Berget SM, Moore C, Sharp PA (august 1977). "Spliced segments at the 5' terminus of adenovirus 2 late mRNA". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 74 (8): 3171–5. DOI:10.1073/pnas.74.8.3171. PMC 431482. PMID 269380.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1993 Gilbert, Walter (1978). "Why genes in pieces". Nature. 271 (5645): 501–501. DOI:10.1038/271501a0. PMID 622185. Stajich JE, Dietrich FS, Roy SW (2007). "Comparative genomic analysis of fungal genomes reveals intron-rich ancestors". Genome Biol. 8 (10): R223. DOI:10.1186/gb-2007-8-10-r223. PMC 2246297. PMID 17949488.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Database for bacterial group II introns Copertino DW, Hallick RB (detsember 1993). "Group II and group III introns of twintrons: potential relationships with nuclear pre-mRNA introns". Trends Biochem. Sci. 18 (12): 467–71. PMID 8108859. Cech TR (1990). "Self-splicing of group I introns". Annu. Rev. Biochem. 59: 543–68. DOI:10.1146/annurev.bi.59.070190.002551. PMID 2197983. Michel F, Ferat JL (1995). "Structure and activities of group II introns". Annu. Rev. Biochem. 64: 435–61. DOI:10.1146/annurev.bi.64.070195.002251. PMID 7574489. Guthrie C, Patterson B (1988). "Spliceosomal snRNAs". Annu. Rev. Genet. 22: 387–419. DOI:10.1146/annurev.ge.22.120188.002131. PMID 2977088. Rearick D, Prakash A, McSweeny A, Shepard SS, Fedorova L, Fedorov A (märts 2011). "Critical association of ncRNA with introns". Nucleic Acids Res. 39 (6): 2357–66. DOI:10.1093/nar/gkq1080. PMC 3064772. PMID 21071396.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Lambowitz AM, Belfort M (1993). "Introns as mobile genetic elements". Annu. Rev. Biochem. 62: 587–622. DOI:10.1146/annurev.bi.62.070193.003103. PMID 8352597. Penny D, Hoeppner MP, Poole AM, Jeffares DC (november 2009). "An overview of the introns-first theory". Journal of Molecular Evolution. 69 (5): 527–40. DOI:10.1007/s00239-009-9279-5. PMID 19777149.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Rodríguez-Trelles F, Tarrío R, Ayala FJ (2006). "Origins and evolution of spliceosomal introns". Annu. Rev. Genet. 40: 47–76. DOI:10.1146/annurev.genet.40.110405.090625. PMID 17094737.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Mourier T, Jeffares DC (mai 2003). "Eukaryotic intron loss". Science. 300 (5624): 1393–1393. DOI:10.1126/science.1080559. PMID 12775832. Roy SW, Gilbert W (märts 2006). "The evolution of spliceosomal introns: patterns, puzzles and progress". Nature Reviews Genetics. 7 (3): 211–21. DOI:10.1038/nrg1807. PMID 16485020. de Souza SJ (juuli 2003). "The emergence of a synthetic theory of intron evolution". Genetica. 118 (2–3): 117–21. DOI:10.1023/A:1024193323397. PMID 12868602. Lynch M (aprill 2002). "Intron evolution as a population-genetic process". Proceedings of the National Academy of Sciences. 99 (9): 6118–23. DOI:10.1073/pnas.092595699. PMC 122912. PMID 11983904. Jeffares DC, Mourier T, Penny D (jaanuar 2006). "The biology of intron gain and loss". Trends in Genetics. 22 (1): 16–22. DOI:10.1016/j.tig.2005.10.006. PMID 16290250.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Jeffares DC, Penkett CJ, Bähler J (august 2008). "Rapidly regulated genes are intron poor". Trends in Genetics. 24 (8): 375–8. DOI:10.1016/j.tig.2008.05.006. PMID 18586348.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Castillo-Davis CI, Mekhedov SL, Hartl DL, Koonin EV, Kondrashov FA (august 2002). "Selection for short introns in highly expressed genes". Nature Genetics. 31 (4): 415–8. DOI:10.1038/ng940. PMID 12134150.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) "Arhiivikoopia". Originaali arhiivikoopia seisuga 20. oktoober 2013. Vaadatud 19. oktoobril 2013.{{netiviide}}: CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link) Identifying the mechanisms of intron gain: progress and trends