Intrón

Un intrón^[1] é unha secuencia de nucleótidos dentro dun xene que se elimina durante o splicing do ARN e non está presente no ARN maduro.^[2][3] O termo intrón pode referirse tanto a unha secuencia no ADN dun xene coma á secuencia correspondente nos transcritos de ARN.^[4] As secuencias que se unen durante o splicing e forman parte do ARN maduro chámanse exóns. Os intróns atópanse nos xenes da maioría dos organisms e en moitos virus, e están presentes nunha ampla gama de xenes, entre os que están os que xeran proteínas, ARN ribosómico, e ARN transferente. Cando as proteínas se xeran a partir de xenes que conteñen intróns, o splicing do ARN ten lugar como unha parte do procesamento do ARN posterior á súa transcrición e anterior á súa tradución. Poden atoparse intróns nos tres tipos de ARN eucarióticos e nos ARNr e ARNt procarióticos.

Representación dun xene que contén exóns e un intrón.

O número e lonxitude dos intróns varía enormemente entre especies, así como entre os xenes dunha mesma especie. Por exemplo, o peixe globo, Takifugu rubripes, ten poucos intróns no seu xenoma; mentres que os mamíferos e as anxiospermas (plantas con flores) adoitan presentar numerosos intróns.

Historia do concepto

Eliminación de intróns durante a maduración dun ARNm.

Os intróns foron descubertos por Phillip A. Sharp e Richard J. Roberts en adenovirus, os cales foron galardoados por este traballo co Premio Nobel de Fisioloxía e Medicina en 1993. O termo intrón foi introducido polo bioquímico estadounidense Walter Gilbert en 1978.

A palabra intrón deriva do termo rexión intraxénica. Aínda que os intróns se denominen ás veces secuencias intercaladas, este termo pode referirse a calquera das varias familias de secuencias de nucleótidos internas que non están presentes no produto final do xene, entre as que están as secuencias que codifican inteínas^[5], as secuencias non traducidas, e os nucleótidos eliminados por modificacións (editado) do ARN, ademais dos intróns.

Os intróns poden representar un sitio de splicing alternativo, o cal pode dar lugar a diferentes tipos de proteínas. O control do splicing está regulado por unha ampla variedade de sinais moleculares. Os intróns tamén poden conter “información antiga”, é dicir, fragmentos de xenes que probablemente se expresaban antigamente pero que actualmente non se expresan.

Tradicionalmente dicíase que os intróns eran fragmentos de ADN carentes de información. Non obstante, esta afirmación é hoxe cuestionada e actualmente ten poucos partidarios. Sábese que os intróns conteñen varias secuencias pequenas que son importantes para un splicing eficiente.

Algúns intróns dos grupos I e II son ribozimas con capacidade de catalizar o seu propio splicing fóra do ARN. O descubrimento destas propiedades auto-catalíticas supuxo o Premio Nobel de Química para Thomas R. Cech e Sidney Altman en 1989.

Clasificación dos intróns

Clasificación dos intróns de acordo co método de splicing, baseado nunha reacción de transesterificación nos tres primeiros casos e nun corte endonucleotídico no cuarto caso. Imaxe extraída de Saladrigas V, Claros G (2002): Vocabulario inglés-español de bioquímica y biología molecular (1.ª entrega) Panace@ III (9-10): 13-28. Vocabulario completo en BioROM. Licenciada por Panace@.

Actualmente recoñécense catro clases de intróns:

• Intróns do grupo I
• Intróns do grupo II
• Intróns do grupo III
• Intróns nucleares, espliceosomais ou intróns do grupo IV

Os intróns do grupo I, II e III son intróns que experimentan autosplicing por medio de reaccións de transesterificación. A frecuencia coa que encontramos estes intróns no xenoma é relativamente rara se a comparamos coa frecuencia dos intróns espliceosomais.

Os intróns do grupo II e III son moi similares e presentan unha estrutura secundaria altamente conservada. De feito ás veces os intróns do grupo III son identificados como intróns do grupo II debido á súa semellanza funcional e estrutural.

Os intróns do grupo I están presentes nos xenes de ARNr dalgúns eucariotas inferiores e nos xenes mitocondriais de fungos. Caracterízanse por eliminarse por medio dun proceso autocatalítico que require unha guanosina ou un nucleótido de guanosina libre; así como por careceren de secuencias consenso nos puntos de empalme, aínda que poden telas no seu interior.

Os do grupo II e III elimínanse por un proceso autocatalítico que require unha adenina ou un espliceosoma, respectivamente. En ambos os grupos, durante o proceso de empalme dos exóns, fórmase unha estrutura en lazo característica denominada lariat.

Os do grupo IV están presentes nos ARNt dos eucariotas e caracterízanse por ser os únicos que se eliminan por un corte endonucleotídico seguido dun ligamento en lugar da reacción de transesterificación

Partes dun intrón espliceosomal

Os intróns espliceosomais comezan no seu extremo 3' por un sitio de empalme 3' que acaba na secuencia invariante AG. Despois desta zona en dirección 5' hai unha zona rica en pirimidinas (C, U), a continuación está o punto de ramificación que sempre ten unha A. No outro extremo do intrón está o sitio de empalme 5', que ten a secuencia conservada GU. Todos estes sitios son recoñecidos polo espliceosoma para facer o splicing.

Funcións biolóxicas e evolución

Nunha primeira aproximación pode parecer que os intróns son secuencias sen importancia cuxa única función é ser eliminados dun ARN precursor para xerar o ARN funcional. Porén, está hoxe ben claro que algúns intróns codifican eles mesmos proteínas específicas ou poden sufrir un procesado adicional despois do splicing para xerar moléculas de ARN non codificantes.^[6] O splicing alternativo úsase con gran frecuencia para xerar moitas proteínas a partir dun único xene. Ademais, algúns intróns representan elementos xenéticos móbiles e poden considerarse exemplos de ADN egoísta.^[7]

As orixes biolóxicas dos intróns son escuras. Despois do seu descubrimento inicial en xenes que codificaban proteínas do núcleo eucariótico, houbo un intenso debate sobre se os intróns dos organismos actuais foran herdados dun devanceiro común (o que se denomina a hipótese dos intróns temperáns), ou se apareceron en xenes bastante recentes evolutivamente (o que se denomina hipótese dos intróns tardíos). Outra teoría é que o espliceosoma e a estrutura intrón-exón dos xenes é un relicto dun primixenio mundo de ARN (o que se denomina hipótese dos intróns primeiro).^[8] Hai aínda un considerable debate sobre cal destas hipóteses é máis correcta. A opinión máis admitida polo momento é que os intróns xurdiron na liñaxe eucariota como elementos egoístas.

Os primeiros estudos de secuencias de ADN xenómico de numerosos organismos mostraron que a estrutura exón-intrón de xenes homólogos de diferentes organismos podía variar amplamente.^[9] Pero estudos máis recentes de xenomas enteiros de eucariotas indican agora que a lonxitude e a densidade (intróns/xene) dos intróns varía considerablemente entre especies relacionadas. Por exemplo, mentres o xenoma humano contén unha media de 8,4 intróns/xene (139.418 en total no xenoma), o fungo unicelular Encephalitozoon cuniculi contén só 0,0075 intróns/xene (15 intróns en total no xenoma).^[10] Como os eucariotas xurdiron dun antepasado común, debeu haber unha considerable ganancia e/ou perda de intróns durante a evolución.^[11][12] Este proceso pénsase que está suxeito a selección, cunha tendencia cara á ganancia nas especies de maior tamaño debido aos seus tamaños de poboación menores, e o contrario nas especies pequenas (particularmente unicelulares).^[13] Os factores biolóxicos tamén inflúen na perda ou acumulación de intróns determinados nos xenomas.^[14][15][16]

O splicing alternativo de intróns nun xene introduce unha maior variabilidade de secuencias de proteínas traducidas a partir dun só xene, o que permite que se xeren múltiples proteínas relacionadas a partir do mesmo xene e do mesmo ARNm precursor. O control do splicing alternativo do ARN lévao a cabo unha complexa rede de moléculas sinaladoras que responden a unha ampla gama de sinais intracelulares e extracelulares.

Os intróns conteñen varias secuencias curtas que son importantes para un splicing eficiente, como sitios acceptores e doantes en cada extremo do intrón e un sitio de ramificación, que se require para que o espliceosoma faga un correcto splicing. Algúns intróns sábese que amplifican a expresión do xene no que están contidos por un proceso coñecido como amplificación mediada por intrón.

Notas

1. Definición de intrón no Dicionario de Galego de Ir Indo e a Xunta de Galicia.
2. Alberts, Bruce (2008). Molecular biology of the cell. New York: Garland Science. ISBN 0-8153-4105-9.
3. Stryer, Lubert; Berg, Jeremy Mark; Tymoczko, John L. (2007). Biochemistry. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-6766-X.
4. Kinniburgh, Alan; mertz, j. and Ross, J. (1978). "The precursor of mouse β-globin messenger RNA contains two intervening RNA sequences". Cell 14 (3): 681–693. PMID 688388. doi:10.1016/0092-8674(78)90251-9.
5. As secuencias que codifican inteínas son secuencias dun xene que codifican un segmento dunha proteína, o cal se autocorta e separa ese segmento do resto da proteína e une os outros cachos (son unha especie de intróns proteicos). As secuencias que codifican inteínas están intercaladas entre outros xenes non relacionados con eles, polo que son secuencias intercaladas.
6. Rearick D, Prakash A, McSweeny A, Shepard SS, Fedorova L, Fedorov A (2011). "Critical association of ncRNA with introns". Nucleic Acids Res. 39 (6): 2357–66. PMC 3064772. PMID 21071396. doi:10.1093/nar/gkq1080.
7. Lambowitz AM, Belfort M (1993). "Introns as mobile genetic elements". Annu. Rev. Biochem. 62: 587–622. PMID 8352597. doi:10.1146/annurev.bi.62.070193.003103.
8. Penny D, Hoeppner MP, Poole AM, Jeffares DC (2009). "An overview of the introns-first theory". Journal of Molecular Evolution 69 (5): 527–40. PMID 19777149. doi:10.1007/s00239-009-9279-5.
9. Rodríguez-Trelles F, Tarrío R, Ayala FJ (2006). "Origins and evolution of spliceosomal introns". Annu. Rev. Genet 40: 47–76. PMID 17094737. doi:10.1146/annurev.genet.40.110405.090625.
10. Mourier T, Jeffares DC (2003). "Eukaryotic intron loss". Science 300 (5624): 1393–1393. PMID 12775832. doi:10.1126/science.1080559.
11. Roy SW, Gilbert W (2006). "The evolution of spliceosomal introns: patterns, puzzles and progress". Nature Reviews Genetics 7 (3): 211–21. PMID 16485020. doi:10.1038/nrg1807.
12. de Souza SJ (2003). "The emergence of a synthetic theory of intron evolution". Genetica 118 (2–3): 117–21. PMID 12868602. doi:10.1023/A:1024193323397.
13. Lynch M (2002). "Intron evolution as a population-genetic process". Proceedings of the National Academy of Sciences 99 (9): 6118–23. PMC 122912. PMID 11983904. doi:10.1073/pnas.092595699.
14. Jeffares DC, Mourier T, Penny D (2006). "The biology of intron gain and loss". Trends in Genetics 22 (1): 16–22. PMID 16290250. doi:10.1016/j.tig.2005.10.006.
15. Jeffares DC, Penkett CJ, Bähler J (2008). "Rapidly regulated genes are intron poor". Trends in Genetics 24 (8): 375–8. PMID 18586348. doi:10.1016/j.tig.2008.05.006.
16. Castillo-Davis CI, Mekhedov SL, Hartl DL, Koonin EV, Kondrashov FA (2002). "Selection for short introns in highly expressed genes". Nature Genetics 31 (4): 415–8. PMID 12134150. doi:10.1038/ng940.

Véxase tamén

Bibliografía

• Saladrigas V, Claros G (2002): Vocabulario inglés-español de bioquímica y biología molecular (1.ª entrega) Panace@ III (9-10): 13-28. Vocabulario completo en BioROM^{[Ligazón morta]}.
• Gilbert, Walter (1978): Why genes in pieces. Nature 271(5645): 501. 'doi 10.1038/271501a0
• Roy, Scott William & Gilbert, Walter (2006): The evolution of spliceosomal introns: patterns, puzzles and progress. Nature Reviews Genetics 7: 211-221. doi 10.1038/nrg1807 PDF fulltext
• Gogarten, J. Peter & Hilario, Elena (2006): Inteins, introns, and homing endonucleases: recent revelations about the life cycle of parasitic genetic elements. BioMed Central Evolutionary Biology 6: 94 doi 10.1186/1471-2148-6-94 PDF fulltext
• Yandell, Mark; Mungall, Chris J.; Smith, Chris; Prochnik, Simon; Kaminker, Joshua; Hartzell, George; Lewis, Suzanna & Rubin, Gerald M. (2006): Large-Scale Trends in the Evolution of Gene Structures within 11 Animal Genomes. PLoS Computational Biology 2(3): 113-125. doi 10.1371/journal.pcbi.0020015

Outros artigos

• Splicing
• Splicing alternativo
• Exón

Ligazóns externas

• Intron finding tool for plant genomic sequences