Ein Intron ist ein Teil eines Gens , welches transkribiert in RNA innerhalb eines Vorläufers - RNA, und die dann von einem programmierten Exzision eliminiert werden und die daher nicht in reifen RNA gefunden. Introns werden hauptsächlich in Genen gefunden, die für Proteine kodieren , wo sie in der Prä-Messenger-RNA vorhanden sind und in reifer mRNA ausgeschnitten werden . Die Introns sind daher nichtkodierende Regionen . Introns finden sich auch in Genen, die nicht-kodierende RNAs wie ribosomale RNAs oder Transfer-RNAs codieren .
Ein mit Introns versehenes Gen wird als diskontinuierliches Gen , fragmentiertes Gen oder Genmosaik bezeichnet .
Das Ausschneiden von Introns wird als Spleißen bezeichnet . Die Segmente der RNA, die nach dem Spleißen von Introns konserviert werden, werden Exons genannt .
Introns werden hauptsächlich in Genen gefunden, die Proteine in eukaryotischen Organismen codieren . Eukaryontische Gene bestehen aus einem Wechsel von Exons und Introns, der mit einem Exon beginnt und endet. Beispielsweise :
Exon 1 - Intron 1 - Exon 2 - Intron 2 -… - Intron n -1 - Exon n
Nach der Transkription wird die synthetisierte Vorläufer- RNA einer Reihe von Modifikationen unterzogen, einschließlich Spleißen , bei denen die Introns aus der RNA herausgeschnitten werden . Die Exons werden ihrerseits vernäht werden , um die geben reifen RNA durch diesen Spleißen Mechanismus . Wir erhalten daher eine RNA vom Typ Exon 1 - Exon 2 - Exon 3 - ... - Exon n
Die Introns spielen daher keine Rolle für die Funktion reifer RNA (Translation in Protein für mRNA, Einbau in das Ribosom für rRNAs usw.), so dass ihre mögliche Funktion bis heute schwer zu bestimmen ist. Ihre wichtigste Aufgabe ist es, die Kombinatorik beim Spleißen zu ermöglichen. Dies ermöglicht es bestimmten Genen , mehrere Proteine oder Varianten desselben Proteins durch alternatives Spleißen derselben Prä-Messenger-RNA zu kodieren . Dies ermöglicht es beispielsweise bestimmten Retroviren , mehrere mRNAs und damit mehrere virale Proteine aus einem einzelnen Transkriptionspromotor und damit aus einer einzelnen Prä-mRNA zu produzieren.
Die Größe der Introns ist sehr variabel und reicht von einigen zehn Basenpaaren bis zu mehreren zehntausend. Die durchschnittliche Größe variiert zwischen den Arten und nimmt tendenziell mit der Größe des Genoms zu.
Seltener finden sich Introns auch in bestimmten Genen in Archäobakterien und in Prokaryoten . Dies sind Introns eines bestimmten Typs, die als selbstspleißende Introns bezeichnet werden.
Die Entdeckung von Introns ist auf Phillip Allen Sharp und Richard Roberts , die ihnen den verdienten Nobelpreis für Physiologie oder Medizin in 1993 . Sie beobachteten sie erstmals 1976 in Adenovirus- Messenger-RNAs , kurz bevor Pierre Chambons Team sie auch in zellulären Messenger-RNAs wie der von Ovalbumin fand . Es war Walter Gilbert , der 1978 den Namen Intron für diese nichtkodierenden Sequenzen erfand, die zwischen die kodierenden Regionen eingefügt wurden: Intron ist die Kontraktion von INTragenic RegiON .
Es gibt drei Hauptmechanismen des Intron-Spleißens, die von der Art des betrachteten Introns abhängen: Intron-Spleißen durch das Spleißosom , Ribonukleoprotein-Maschinerie, die in trans wirkt , autokatalytische Introns, die Ribozyme sind , die sich in einem in cis autonomen trans herausschneiden können , und Spleißen durch spezifische Nukleasen .
Die häufigste Methode zum Spleißen von Introns von Prä-Messenger-RNAs in Eukaryoten ist das Spleißen von Spleißosomen. Das Spleißosom besteht aus fünf Partikeln, die als kleines Kern-Ribonukleoprotein (englisches kleines Kern-Ribonukleoprotein oder snRNP) bezeichnet werden. Jedes snRNP besteht aus einer spezifischen RNA ( snRNA oder kleine Kern-RNA) und mehreren Proteinen, die in Komplexen assoziiert sind. Diese verschiedenen sRNAs heißen U1, U2, U4, U5 und U6. Das Ganze bildet einen großen Komplex, der sich auf dem Intron zusammensetzt, um das Spleißen zu erreichen.
Damit diese Partikel die Introns und ihre Verbindungen mit den Exons innerhalb eines Gens genau identifizieren können, enthält die Nukleotidsequenz Konsensusmotive an der Intron-Exon-Verbindung, mit denen sie identifiziert werden können. Jedes Intron hat an seinen Enden (5 'und 3') eine Sequenz, die dann von den sRNAs erkannt und dann gespalten wird: In 5 'gibt es eine "GURAGU" -Sequenz (Consensus) und in 3' eine "CAG" -Sequenz . ". Diese beiden Sequenzen sind die Intron-Spaltstellen. Zusätzlich enthalten Introns, die durch Spleißosomen herausgeschnitten werden, eine Sequenz innerhalb des Introns, die als "Verzweigungsbox" bezeichnet wird und zum Spleißen erforderlich ist. Die 5'-Sequenz wird auch als Donorsequenz bezeichnet.
Die Entfernung des Introns durch ein Spleißosom ist sehr spezifisch: Der Komplex spaltet das Intron durch eine Umesterung der Phosphodiesterbindung an seinem 5'-Ende, um es auf der Ebene des Verzweigungskastens durch Bildung eines ungewöhnlichen 5'-2'-Phosphodiesters wieder zu binden und bilden eine RNA-Schleife in Form eines Lassos. Die 3'-Spaltungssequenz wird dann erkannt und unterliegt einer zweiten Umesterungsreaktion. Das im ersten Schritt freigesetzte 3'-OH-Ende des stromaufwärts gelegenen Exons greift die Phosphodiesterbindung an der Verbindungsstelle des Introns und des stromabwärts gelegenen Exons an. Dies führt zur Bildung einer 5'-3'-Phosphodiesterbindung zwischen den beiden Exons und zur Freisetzung des ausgeschnittenen Introns in Form eines Lassos. Das Intron unterliegt schließlich einer spezifischen Trennungsreaktion, die die Lassostruktur auf der Ebene der 5'-2'-Phosphodiesterbindung öffnet, bevor sie durch Nukleasen abgebaut wird.
Wenn alle Introns ausgeschnitten sind, wird die Prä-mRNA nach dem Export in das Zytoplasma zu einer mRNA (reife Messenger-RNA), die zur Translation bereit ist.
Selbstspleißende Introns sind spezielle Introns, die in der Lage sind, autonom zu spleißen, ohne dass trans- Moleküle wie das Spleißosom einwirken . Sie sind stark strukturiert und mit einer katalytischen Aktivität vom Ribozym- Typ ausgestattet, die das Spleißen sicherstellt. Abhängig von ihrer strukturellen Organisation und ihrem Wirkungsmechanismus gibt es zwei Hauptklassen von selbstspleißenden Introns. Sie werden als Introns der Gruppe I und als Introns der Gruppe II bezeichnet . Die beiden Arten von Introns gemeinsam nutzen das Prinzip eines zweistufigen Mechanismus, mit zwei aufeinanderfolgenden Umesterungen, zuerst auf der 5' - Seite des Introns, die die 3'-OH von dem stromaufwärtigen Exon freigibt, die von der als wirkt Nucleophil zu tragen aus der zweiten Umesterung mit dem nachgeschalteten Exon.
Die strukturelle und funktionelle Nähe zwischen dem Spleißosom und den Introns der Gruppe II führte zu der Hypothese, dass sich das aktuelle Spleißosom aus einem Intron der Gruppe II entwickelt hätte, das autonom geworden wäre, während es gleichzeitig die Fähigkeit erlangt hätte, in trans zu wirken .
Selbstspleißende Introns kommen in bestimmten Bakterien und Eukaryoten vor, insbesondere im Genom zellulärer Organellen ( Mitochondrien ).
In Eukaryoten finden sich bestimmte Introns in Transfer-RNAs in der Anticodon-Schleife, die durch die Wirkung spezifischer Kernproteine gespleißt werden. Das Intron, dessen Länge zwischen 14 und 60 Nukleotiden variiert, befindet sich immer unmittelbar 3 'vom Anticodon. Es wird zuerst durch eine spezifische tRNA-Nuklease herausgeschnitten, die beiden Enden der tRNA werden dann durch eine tRNA-Ligase genäht. Schließlich umfasst das Produkt dieser Reaktion ein zusätzliches 2'-Phosphat, das durch eine Phosphotransferase entfernt wird.
Introns werden manchmal auch in bakteriellen tRNAs gefunden, aber sie sind selbstspleißende Introns der Gruppe II.
Der Ursprung von Introns und ihr Szenario des Auftretens in der Evolution sind seit ihrer Entdeckung Gegenstand von Diskussionen. Es wurden zwei Haupthypothesen vorgeschlagen, um zu erklären, dass die vom Spleißosom ausgeschnittenen Introns nur in Eukaryoten vorhanden sind:
Die frühe Hypothese sagt voraus, dass die Position von Introns in Genen früh in der Evolution festgelegt wurde und zwischen den Arten erhalten bleiben muss. Die Genomanalyse, die sich seit den 2000er Jahren entwickelt hat, legt nahe, dass das wahrscheinliche Szenario eine Mischung der beiden Hypothesen ist, bei denen die aktuellen Introns von Eukaryoten sehr früh aus den selbstspleißenden Introns der Gruppe II erschienen wären, von denen das Spleißosom abgeleitet wäre .