INTRON: UMA PROPOSTA PARA SUA ORIGEM E FUNÇÃO
Autor: Paulo Sardeiro | Publicado: 2011-11-02T10:43:00-07:00

INTRON: UMA PROPOSTA PARA SUA ORIGEM E FUNÇÃO

Paulo Sardeiro, Doutor em Genética
Departamento de Genética e Evolução - Universidade Federal de São Carlos, São Paulo-Br  
Centro de Estudos Superiores de Maceió-Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde-Alagoas-Br                  



                                                     RESUMO




 Neste artigo é apresentada uma proposta do mecanismo que originou os introns nucleares em eucariontes. Todo o processo é fundamentado  na seqüência consenso AGGTAG que dividia, em  unidades menores (unidades básicas), os genes procariontes. Com o desenvolvimento da maquinaria de processamento do pré-mRNA nas células procariontes, as unidades básicas passaram a ser exons e introns, dando origem aos genes interrompidos, o que sinalizou a origem e formação das primeiras células eucariontes. A partir do mecanismo de formação dos introns pôde-se, também, compreender uma função fundamental dos introns na evolução dos genes nucleares eucariontes; manter a individualidade dos exons como unidades básicas para a construção de novas proteínas.


                PALAVRAS CHAVE: intron – exon – unidade básica – ORF


A PROPOSAL FOR THE ORIGIN AND FUNCTIONS OF INTRONS

                                                  Abstract
                        
 In this paper a new evolutionary model is proposed, protruding and introducing directive mutations that originated  the nuclear introns in eucaryonts. All the process is based in the sequence AGGTAG and in informations from Molecular Biology. This survey is a consequence of the elucidation of origin and functions of introns. Some evolutionary aspects that are consequences of the model are presented.

KEY WORDS: intron – exon – basic unit – ORF (open reading frame)

 Até 1977, acreditava-se que os genes, tanto de eucariontes como de procariontes, fossem estruturas contínuas, sem interrupções. Foi uma surpresa, então, quando se verificou que os genes nucleares de eucariontes (na sua grande maioria) eram estruturas descontínuas, interrompidas por seqüências de DNA não codificadoras que foram denominadas introns, em contraposição às regiões codificadoras, denominadas de exons. De logo, surgiu a questão quanto à origem dos introns: como eles não existem em nenhum gene de procarionte mais primitivo (bactérias), como teriam surgido nos eucariontes? Há duas possibilidades: 1-os genes procariontes tinham introns, (introns-early) mas os mesmos foram perdidos ao longo do tempo (DARNELL e DOOLITTLE, 1986; GILBERT 1987); 2-os introns foram inseridos (introns-late) nos genes eucariontes, ao longo da evolução (DIBB e NEWMANN, 1989; ROGERS, 1989).
 Ambas as possibilidades parecem ser plausíveis, na dependência de como os dados são analisados. Na verdade, há vários estudos apontando para diferentes e conflitantes  soluções (CSORDAS 1989; IWABE et al. 1990; ROGERS 1990; DIBB 1991; PURUGGANAN e WESSLER 1992; KERSANACH et al. 1994; LOGSDON e PALMER 1994).

           Nos últimos 15 anos, um número crescente de geneticistas moleculares tem envidado esforços significativos no intuito de elucidar a questão da origem dos introns. Vários trabalhos têm sido publicados focando a questão da perda ou ganho de introns (ROY et al. 2003;  TARRIO et al. 2003; COGHLAN and WOLFE 2004; Roy and Gilbert 2004;  Roy and Gilbert 2005). Se os resultados indicam mais perda do que ganho de introns , isto é interpretado como favorecendo a teoria “introns-early”; ao contrário, favoreceria a teoria “introns-late”.

            De Souza et al. 1998, introduz uma nova abordagem experimental sobre o debate introns early/late, demonstrando que a correlação da  posição de introns com a estrutura modular de proteínas  ancientes está ligada a introns em fase zero, admitindo a interpretação de que 65% dos atuais introns são adicionados ou movidos e 35% estão relacionados com a estrutura tridimensional, identificando uma fração dos introns como candidatos a introns/late e outra fração como candidatos a  introns/early

 Este artigo apresenta uma proposta  do mecanismo que originou os introns; também, por extrapolação, depreende-se uma função fundamental dos introns para a evolução dos genes eucariontes.

 Postula-se, inicialmente, que os genes de procariontes primitivos apresentavam-se repetidos e a cada  50 nucleotídeos, em média,  passaram a exibir uma seqüência  consenso AGGTAG a qual dividia o gene em unidades menores, que passando-se a denominá-las unidades básicas. Com o desenvolvimento pela célula de um novo sistema enzimático, que hoje se denomina maquinaria de processamento do pré-mRNA, este sistema passou a reconhecer esta seqüência consenso, de tal forma, que o RNA, após o processamento (splicing), não estaria representando todas as unidades básicas, mas apenas algumas, de modo intercalado. O processamento desse RNA se faria da seguinte forma: a primeira unidade básica continuaria a existir no mRNA (seria exon) e a seguinte seria excisada (seria intron), processamento esse orientado pela seqüência AGGTAG, a qual determinaria  a alternância de função da unidade básica como exon ou como intron. Se for funcionar como exon, a clivagem se dará entre os dois primeiros Gs; se for funcionar como intron, a clivagem se fará após o último G, de tal forma que as seqüências AGGTAGs, invariavelmente (exceto os dois primeiros nucleotídeos, A e G, da primeira seqüência), ficarão incluídas no intron, e este  sempre começará com GT e terminará com AG, ao passo que os exons terminarão com AG (Fig.1).
 

           Esta sinalização ocorreria na formação dos primeiros genes eucariontes e seria definitiva. Assim, a quase totalidade dos introns teria se formado nesta época (há, aproximadamente, 1,4 bilhões de anos, quando se originaram os primeiros organismos eucariontes) e o posterior aumento do número de introns ocorreria por duplicação dos já existentes, de modo semelhante ao aumento também ocorrido no número de exons.

 Na atualidade, praticamente todos os introns começam com GT e terminam com AG (regra GT/AG) e isto evidencia que estas extremidades participam na  sinalização para a excisão dos introns, no processamento do mRNA. Quanto aos exons,  em torno de 45% deles, atualmente, terminam com AG, indicando que a extremidade do exon, bem menos conservada, não é fundamental para  este processamento do mRNA. 

 O novo gene assim formado seria do tipo interrompido, com, por exemplo, duas seqüências (exons) que estariam separados por uma outra seqüência (intron) que não seria transcrita. Assim estariam criados os genes interrompidos.

 A formação dos genes interrompidos não significou, necessariamente, que a célula, na qual surgiram introns, tenha perdido qualquer gene funcional. Como os genes procariontes deviam encontrar-se repetidos e, muitos deles, lado a lado, implica que estes genes, antes contínuos, passaram a existir, agora, interrompidos, pois estariam constituídos pelas mesmas unidades básicas codificadoras, agora sob a forma de exons.    

   Em princípio, a fusão de exons seria desvantajosa, porque estaria diminuindo o número de unidades básicas individuais, disponíveis para recombinação. A fusão de introns, ao contrário, poderia trazer  vantagens, pois quanto maior o  tamanho deles, menor a probabilidade de o gene, do qual fazem parte,  ser afetado por mutações. Assim, é possível que tenha havido um mecanismo genético que possibilitou o aumento do tamanho dos  introns, pela fusão de unidades básicas, operando da seguinte forma: quando da origem dos genes interrompidos, como já foi descrito, as unidades  básicas dos genes primitivos seriam transformados em exons e introns, sucessivamente, sendo a primeira unidade um exon e a segunda, um intron. Admitindo-se que os genes primitivos fossem, na sua maioria, constituídos de duas ou quatro unidades básicas, nesses genes,  a última unidade básica do  primeiro gene seria  um intron que, como sempre, se  iniciaria na seqüência  AGGTAG. Como na maioria das vezes, a próxima seqüência AGGTAG só apareceria no gene seguinte, entre a primeira e a segunda unidades, este intron, também, só aí terminaria,  englobando, portanto, a última unidade básica do gene anterior, toda a seqüência de DNA entre os dois genes e, ainda, a primeira unidade básica do gene seguinte. Como a última unidade básica deste último gene  seria, forçosamente, um exon, esse processo não se repetiria e o novo gene, agora interrompido, seria o resultado da fusão de dois genes  não interrompidos (Fig.2). Se, no entanto, a seqüência AGGTAG seguinte  vier a aparecer antes, em algum ponto entre os dois genes, o intron aí terminaria e o restante da seqüência ficaria incorporada, no próximo exon, como uma seqüência de interrupção.
 
             Desta forma, todos os genes existentes na natureza seriam, então, decorrentes ou descendentes das primeiras unidades básicas, agora denominadas exons, reagrupadas em novas  e sucessivas combinações (exon-shuffling). Possivelmente, como regra geral, nenhum exon se perdeu, como nenhum novo exon  se formou ao longo do processo evolutivo dos eucariontes e, quase sempre, estiveram incluídos em algum  gene funcionante. Nos genes procarióticos, os exons estariam agrupados lado a lado, de forma contínua  e, portanto, sem interrupções. Os introns, que surgiram nos genes eucarióticos, provieram, também, das mesmas  unidades básicas  originais. Assim, nos primeiros genes interrompidos, cada intron deveria ter seu exon correspondente e deveria haver entre ambos um alto grau de similaridade. No entanto, na condição de introns, estas seqüências passaram a não sofrer pressão seletiva, acumulando rapidamente muitas mutações, o que as levou a se tornarem seqüências totalmente diferentes das originais e, cada uma delas, uma seqüência única. Quanto aos exons, o processo se deu de maneira diferente, pois que, como sempre estiveram representados em algum gene, eles permaneceram, continuamente, submetidos a  pressões seletivas, o que, de algum modo, favoreceu a manutenção  de  algum grau de similaridade com as seqüências originais.

               Com o surgimento dos primeiros genes interrompidos, o que possivelmente demarcou a linha de divisão entre organismos procariontes e eucariontes, a evolução subseqüente dos genes eucariontes passou a ser principalmente por embaralhamento de exons (exon-shufling), coadjuvada pelo embaralhamento, também, de introns (intron-shuffling?) (Fig. 3).

                                              A – Genes ancestrais

Gene 1        __1__ gt__1___ag __2___       Gene 5     __3____ gt____2_____ag__4___ gt____3___ag___5__                          


Gene 2       __6__ gt__4___ag___7___      Gene 6     __8____  gt___5_____ag___9__ gt___6_____ag___10__                          


Gene 3        __11__ gt__7__ag __12___    Gene 7    ___13___ gt___8_____ag ___14__ gt___9___ag__15___


Gene 4       __1___ ___2___                        Gene 8    ___13__ __14___gt____9____ag___15___     


                                                                     Gene 9     ___13_____gt____8____ag___14_____       

                                              B – Genes descendentes

                                  I       ___1____gt___1____ag___15___ 

                                 II      __6____ gt____2_____ag__4___ gt____3___ag___5___

                                III    __11__ gt__7__ag__2___                     

                                IV    __3____ gt__4___ag___7___ 

                                V      __8____ gt___5_____ag__12___                  

                               VI     ___13___ gt___8_____ag ___14__ gt___9____ag___9__ gt___6_____ag___10___                           

                              VII    __1___ ___2___ gt____9____ag___15___     

                             VIII   ____13__ __14___

                              IX     ___13_____gt____8____ag___14_____       

                            Fig. 3 – Embaralhamento de exons e introns.
     Exemplo de como a  partir de nove genes podem ser formados outros nove genes com os mesmos exons e introns originais. Note que o gene VII aparentemente perdeu o intron nº 1 e o gene VIII também, aparentemente, perdeu o intron nº 8. Os genes novos descendentes  são formados a partir de dois genes ascendentes. Por exemplo, o gene I é formado pelos genes ascendentes  1  e  7; e o gene VI é formado pelos ascendentes 7 e  6.                
_______1_____ = intron nº 1

______14_____= exon nº 14

 = Local de segmentação no gene ancestral

              Na figura 3 explicitamos um exemplo de como a partir de nove genes ancestrais poderia se obter nove genes descendentes pelo embaralhamento de exons e introns. A clivagem do gene ascendente se daria em qualquer das junções entre um exon e um intron e a formação do gene descendente se daria pela reunião, ao acaso, de segmentos provenientes dos genes ascendentes.

                Se  o que estamos propondo aqui for verossímil, pode-se observar, a partir deste exemplo, que as teorias intron/early e intron/late fica sem muita aplicabilidade à realidade do processo evolutivo dos genes eucariontes. Os introns, dentro desta interpretação, provieram dos genes procariontes, onde, lá, eram simplesmente partes codificadoras de um gene; estas mesmas seqüências codificadoras foram introduzidas como introns nos genes eucariontes. A interpretação de que determinado intron possa ter sido perdido ou ter sido ganho, em razão se sua relação com determinado exon, isto é, em função de sua localização dentro do gene, passa a ser uma conclusão, possivelmente, equivocada. E como muitas pesquisas, na atualidade, tem obtido conclusões a partir desta assertiva, muitos destes trabalhos, tornam-se, necessariamente, não conclusivos.

               Pode-se, em conseqüência, depreender uma função fundamental, nos introns, relativamente à evolução dos genes eucariontes: manter a individualidade dos exons como unidades básicas para a construção de novas proteínas, principalmente pelo mecanismo de exon shuffling, havendo, possivelmente, algumas evidências desse mecanismo (e.g.  veja  ALTRUDA et al.  1988; RIEGER e FRANKE 1988;  ALLMANSBERGER et al. 1989; DOOLITTLE e STOLTZFUS 1993; GOLDING et al. 1994). Quanto maior o número de unidades básicas mantidas individualizadas pelo organismo, maiores serão suas possibilidades evolutivas porque, desta forma, as possibilidades de recombinação de diferentes exons estarão aumentadas,  em vista de um maior número de unidades básicas disponíveis. Consequentemente, as chances de criar novos genes com diferentes funções, neste organismo, serão mais elevadas. Por esta razão, ter exons grandes, em princípio, é uma desvantagem, pois significa  que  por ocasião da formação dos exons e introns daquela linhagem evolutiva, muitas das unidades básicas  permaneceram juntas, em conseqüência, por exemplo, da perda, por mutações,  de seqüências AGGTAGs, o que, evidentemente,  acarreta  a diminuição do número de diferentes genes que poderão ser formados no futuro. Ao contrário, ter exons menores significa que um maior número de unidades básicas foram individualizadas (menos seqüências AGGTAGs foram perdidas) e, por conseguinte, melhores as perspectivas evolutivas deste organismo. Com efeito, é o que ocorre com os vertebrados (Lewin,1994) que possuem exons, comparativamente, menores. 

           Os introns podem estar  inseridos nos genes (após o processamento do mRNA) em três posições diferentes, com relação ao codon: entre dois codons (fase 0), entre o primeiro e o segundo nucleotídeos (fase 1), ou entre o segundo e o terceiro nucleotídeos (fase 2). Isto seria  uma decorrência natural do processo pelo qual se originaram os introns(Fig.4).
                                      
GTA-CAA-ACT--AAG-GTA-GCC-AGT-GGG-GTT-GGA-GGT-AGC-CCC-CAC-CCA-GGT-AGA-GCG-GGG-GTT-CAA-GGT-AGG-CCC-CAG-GTA-GAA-

AAC-CCT-CGA-GGT-AGC-CGA-GGT- AGG-ACA-ATT-ACA-GGT-AGA-CTC-ACA-GGT--AGC-ACC-CCG-ACA-AAG-GTA-GCC-CCA-CAG-GTA-GCC...... 






                                                                                                                                                                                                                                                                                
 CCA-GUG-GGG-UUG-GAG-AGC-GGG-GGU-UCA-AGA-AAA-CCC-UCG-AGG-ACA-AUU-ACA-GCA-CCC-CGA-CAA-AGC.....
                                                                                                                                                                                                                                                                                   
                                                        FASE  0                                               FASE 1                                            FASE 2                                    FASE 1                                           FASE 2



           Fig. 4- Esquema de como as seqüências AGGTAGs (sublinhadas) originaram introns em fase 0, 1 ou 2.  Em  cima, sequência de DNA procariôntico, com letras menores representando os introns. Em baixo, seqüência parcial de um gene interrompido, após processamento do mRNA, com as setas indicando  os locais de inserção dos introns.


     Como já foi dito anteriormente, este mecanismo seria regulado pela seqüência consenso AGGTAG (ou por outras semelhantes), que sempre ficaria  integrada ao intron (exceto o primeiro A  e o primeiro G  da seqüência que define o intron), o que levaria  a uma alteração da leitura  dos triplets (codons) dos exons vizinhos e, também, algumas vezes, dos exons subsequentes, em função da localização da seqüência AGGTAG. Esta alteração na leitura do codon, no momento da origem dos introns, ficaria na  dependência do local onde estaria localizada a seqüência  AGGTAG; se o início da seqüência AGGTAG coincidir com o terceiro nucleotídeo de um codon, estendendo-se, portanto,  por três codons ( o terceiro nucleotídeo do primeiro codon, o segundo codon completo e os dois primeiros nucleotídeos do terceiro codon), ocorrerá um determinado esquema de leitura. Se a seqüência AGGTAG se iniciar no segundo nucleotídeo, se estenderá, também,  por três codons (os dois últimos nucleotídeos do primeiro codon, os três nucleotídeos  do segundo codon e o primeiro nucleotídeo do terceiro codon), e determinará um outro esquema (alteração) de leitura para a fita de DNA. Em decorrência da combinação destas duas situações  é que o intron ficará inserido  em uma das três posições  acima referidas.         

          Assim, ao se originarem os primeiros genes interrompidos, não se tratou apenas de uma recombinação de unidades básicas, mas também,  se promoveu  modos diferentes de leitura  destas unidades, que poderiam apresentar até três ORFs (esquema aberto de leitura), ampliando as possibilidades de formação de novas proteínas  potencialmente funcionais. 

         A observação de que uma proporção de 40% dos introns são inseridos nos genes na fase zero talvez seja em razão de que, na formação de novos genes por embaralhamento de exons-introns/shuffling, somente a inserção de introns nas fase zero não determina alteração no esquema aberto de leitura do novo gene, o que seria uma vantagem contra pressões seletivas; ao contrário, introns inseridos nas fases um  e  dois, levaria a alterações  na ORF do novo gene o qual  passaria a sofrer maiores pressões seletivas.  

         A comprovação desta nova hipótese para  a origem dos introns poderia ser feita a partir da verificação de similaridades entre os atuais exons e seqüências gênicas de organismos primitivos (bactérias). Na verdade, já existem comprovações de similaridades entre genes eucariontes e procariontes mas não especificamente entre os  exons  de eucariontes e seqüências gênicas procariontes.
             
         ,  
          

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