Интрон: структура и функции¶

Интрон — участок гена, который транскрибируется в составе первичного транскрипта РНК, но затем удаляется в ходе процессинга, не попадая в зрелую функциональную молекулу РНК. Термин введён американским биохимиком Уолтером Гилбертом в 1978 году в противопоставление экзонам — кодирующим и сохраняемым в зрелой РНК фрагментам. Интроны обнаружены у подавляющего большинства эукариот, а также в генах архей, бактерий, вирусов и в некоторых генах органелл — митохондрий и пластид.

¶Открытие

Существование прерывистых генов было установлено в 1977 году независимо двумя группами исследователей — Ричардом Робертсом и Филлипом Шарпом, изучавшими аденовирус и мРНК β-глобина. Обнаружилось, что последовательность зрелой мРНК не полностью комплементарна непрерывной последовательности ДНК гена: часть ДНК не находит отражения в мРНК. За это открытие Робертс и Шарп получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1993 году. Дальнейшие работы показали, что прерывистая структура генов — скорее правило, чем исключение для высших организмов.

¶Строение и типы

Классический интрон содержит на границах характерные последовательности, узнаваемые сплайсосомой: динуклеотид GU на 5'-конце (донорный сайт) и AG на 3'-конце (акцепторный сайт). Внутри расположены точка ветвления и полипиримидиновый тракт. По механизму вырезания различают несколько категорий:

• Интроны, удаляемые сплайсосомой — наиболее распространённые у эукариот; подразделяются на зависящие от малой ядерной РНК U2 (основной тип) и редкие U12-типа.
• Самосплайсирующиеся интроны групп I и II — катализируют собственное вырезание без участия белков, за счёт РНК-катализа; группа II эволюционно родственна интронам сплайсосомы.
• тРНК-интроны — удаляются при участии белковых ферментов, без сплайсосомы.
• Интроны белков (интеины) — вставки в полипептидную цепь, аналог интронов на уровне белка.

Размеры интронов сильно варьируют: от нескольких десятков нуклеотидов у некоторых грибов до сотен тысяч пар оснований в генах человека. У человека интроны в среднем значительно длиннее экзонов и составляют основную долю длины гена.

¶Сплайсинг

Удаление интронов и соединение экзонов называют сплайсингом. Процесс протекает в ядре и катализируется сплайсосомой — крупным рибонуклеопротеиновым комплексом из малых ядерных РНК и белков. Сплайсинг включает две последовательные реакции транcэстерификации. Альтернативный сплайсинг позволяет из одного гена получать несколько разных мРНК за счёт комбинирования экзонов, что существенно расширяет разнообразие белков, кодируемых ограниченным числом генов. У человека альтернативному сплайсингу подвержено большинство генов.

¶Функции

Помимо структурной роли — разделения кодирующих участков, — интронам приписывают ряд функций:

• Регуляция экспрессии — интроны содержат энхансеры, сайты связывания факторов транскрипции и элементы, влияющие на стабильность и транспорт РНК.
• Источник новых генов — за счёт рекомбинации и «перетасовки» экзонов возможна эволюция белков с новыми комбинациями доменов.
• Носители некодирующих РНК — в интронах часто расположены гены микроРНК и длинных некодирующих РНК.
• Контроль качества РНК — несплайсированные транскрипты распознаются и деградируют, что защищает клетку от дефектных белков.

¶Эволюционные аспекты

Происхождение интронов объясняют две конкурирующие гипотезы: «ранние интроны», согласно которой они существовали уже у предковых организмов и способствовали сборке генов из модулей, и «поздние интроны», предполагающая постепенное внедрение мобильных элементов в ранее непрерывные гены. Современные данные указывают на сочетание обоих механизмов. Интроны могут утрачиваться и приобретаться в ходе эволюции, а их распределение служит важным признаком в сравнительной геномике и филогенетике.

¶Значение в медицине

Мутации в интронах способны нарушать сплайсинг и приводить к заболеваниям. Известны случаи β-талассемии, спинальной мышечной атрофии и некоторых форм рака, связанные с дефектами сайтов сплайсинга или регуляторных элементов внутри интронов. Методы направленного изменения сплайсинга, в том числе антисмысловые олигонуклеотиды, рассматриваются как подход к терапии таких нарушений.