İntronlar Nedir?

 

İntron, bir genin içinde yer alan ve son RNA ürününde ifade edilmeyen veya işlevsel olmayan herhangi bir nükleotid dizisidir. İntron terimi, gen içi bölge anlamına gelen "intragenik bölge" teriminden türetilmiştir. Bu terim, hem bir gendeki DNA dizisini hem de karşılık gelen RNA transkriptlerindeki RNA dizisini ifade eder. RNA işlemesiyle birleştirilen ve olgun RNA'ya oluşturan intron olmayan dizilere ekzon denir.

İntronların Dağılımı

İntronların farklı genomlar içindeki sıklığı, biyolojik organizmaların geniş spektrumu boyunca büyük ölçüde değişiklik gösterir. Örneğin, intronlar, çene sahibi omurgalılarda(insanlar, fareler ve pufferfish(fugu) gibi) nükleer genomlarında son derece yaygındır; burada protein kodlayan genler neredeyse her zaman birden fazla intron içerir. Bununla birlikte, bazı ökaryotik mikroorganizmların nükleer genlerinde intronlar nadirdir. Buna karşılık, omurgalıların mitokondriyal genomları tamamen intronlardan yoksundur, ancak ökaryotik mikroorganizmaların mitokondriyal genomları birçok intron içerebilir.

Sınıflandırma

Tüm intron içeren RNA moleküllerinin işlenmesi yüzeysel olarak benzerdir. Bununla birlikte, DNA dizi analizi ve RNA işleme reaksiyonlarının genetik ve biyokimyasal analizleriyle intron yapısının incelenmesi sonucunda farklı intron türleri tanımlanmıştır. En az dört farklı intron sınıfı tanımlanmıştır:

• Nükleer protein kodlayan genlerdeki intronlar, splicezomlar tarafından çıkarılır(spliceozomal intronlar).
• Nükleer ve arkea transfer RNA genlerindeki intronlar, proteinler tarafından çıkarılır(tRNA intronları).
• Grup 1 kendiliğinden ekilen intronlar, RNA katalizi ile çıkarılır.
• Grup 2 kendiliğinden ekilen intronlar, RNA katalizi ile çıkarılır.

Spliceozomal İntronlar

Nükleer ön mRNA intronları, intron ve ekzonlar arasındaki sınırların belirli intron dizileri ile karakterize edilir. Bu diziler, spliceozomal RNA molekülleri tarafından tanınır ve işleme reaksiyonları başlatılır. Buna ek olarak, intronun 3' ucuna yakın bir yerde bulunan ve işleme sırasında intronun 5' ucuyla kovalent olarak bağlanan belirli bir nükleotid dizisi olan bir dal noktası bulunur, bu da dallanmış(lariat) intronun oluşumuna neden olur. Bu üç kısa korunmuş elementin dışında, nükleer ön mRNA intron dizileri oldukça değişkendir.

tRNA İntronları

Proteinlere bağımlı olarak çıkarılan transfer RNA intronları, işlenmemiş tRNA prekürsörlerini antikodon döngüsünde belirli bir yerde bulunur ve bir tRNA splice endonükleaz tarafından çıkarılır. Ekzonlar daha sonra ikinci bir protein olan tRNA splice ligaz tarafından birbirine bağlanır. Kendi kendine ekilen intronlar da bazen tRNA genlerinde bulunur.

Grup 1 ve Grup 2 İntronlar

Grup 1 ve grup 2 intronlar, proteinleri, transfer RNA ve ribozomal RNA kodlayan genlerde çok geniş bir organizma yelpazesinde bulunur. RNA'ya transkripsiyonun ardından, grup 1 ve grup 2 intronlar, belirli bir üç boyutlu yapı oluşturacak şekilde katlanmalarına izin veren kapsamlı iç etkileşimler oluştururlar. Bu karmaşık yapılar, bazı grup 1 ve grup 2 intronlarının kendiliğinden ekilen olmasını sağlar; bu, intron içeren RNA molekülünün, intronu doğru sırayla çıkaracak ve ekzonları birbirine bağlayacak şekilde kendi kovalent yapısını yeniden düzenleyebileceği anlamına gelir.

İntronların İşlemenin Doğruluğu

Spliceozom, yüz proteine kadar içeren ve beş farklı RNA bulunduran son derece karmaşık bir yapıdır. Reaksiyonun substratı uzun bir RNA molekülüdür ve spliceozom tarafından katalize edilen transesterifikasyon reaksiyonları, binlerce nükleotid uzaktaki bölgelerin bir araa getirilmesini gerektirir. Tüm biyokimyasal reaksiyonların bilinen hata oranları vardır ve reaksiyon ne kadar karmaşıksa hata oranı o kadar da yüksek olur. Bu nedenle, spliceozom tarafından katalize edilen işlemin hata oranının anlamlı bir seviyede olması şaşırtıcı değildir, ancak spliceozom aksesuar faktörleri kriptik splice bölgelerinin yanlışlıkla kesilmesini baskılar.

İdial koşullar altında, işleme reaksiyonu muhtemelen %99.999 doğrulukla gerçekleşir ve doğru ekzonlar birleştirilir ve doğru intron silinir. Bununla birlikte, bu ideal koşullar, en iyi splice bölgesi dizileriyle çok yakın eşleşmeleri ve intronlar içinde rekabet eden herhangi bir kriptik splice bölgesi dizisini olmaması gerektirir ve bu koşullar genellikle 40 kilobaz çiftten fazla kapsayan büyük ökaryotik genlerde nadiren karşılanır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar, gerçek hata oranın önemli ölçüde yüksek olabileceğini ve gen başına hata oranının %2 veya %3 kadar yüksek olabileceğini göstermiştir. Ek çalışmalar, hata oranının intron başına %0.1'den az olmadığını öne sürmektedir. Bu nispeten yüksek işleme hataları seviyesi, çoğu splice varyantının hızlı bir şekilde saçma aracalı bozulma ile yok edilmesi açıklar.

Genlerde hatalı bağlanma bölgelerinin varlığı, splice hatalarına neden olur ve bu bölgelerin doğal seçilimle ortadan kaldırılmamış olması garip görülebilir. Onların kalıcılığına yönelik argüman, çöp DNA'ya yönelik argümanla benzerdir. Bağlanma bölgelerini oluşturan veya bozan mutasyonlar hafif derecede zararlı olabilir, ancak bu tür mutasyonların sayısının çokluğu, bazılarının bir popülasyonda sabitlenmesinin kaçınılmaz olduğunu gösterir. Bu, özellikle insanlar gibi nispeten küçük uzun vadeli etkin popülasyon büyüklüğüne sahip türlerde geçerlidir. Bu nedenle, insan genomunun, hatalı transkript izoformlarının oluşmasına neden olan önemli bir miktarda suboptimal diziler taşıması muhtemeldir.

Katalitik reaksiyon çoğu zaman etkili işlem için yeterince doğru olabilirken, genel hata oranı kısmen transkripsiyon doğruluğu ile sınırlı olabilir çünkü transkripsiyon hataları, kriptik splice bölgeleri oluşturan mutasyonları tanıtır. Ayrıca, 10⁻⁵ - 10⁻⁶ aralığında olan transkripsiyon hata oranı, her 25.000 transkripte edilmiş ekzonlardan birinin bir splice bölgesinde bir katılım hatasına sahip olacağı anlamına gelir, bu da bir intronun veya ekzonun atlanmasına yol açar. Hemen hemen tüm çoklu ekzonlu genler, yanlış bir şekilde işlenmiş transkriptler üretir, ancak bu arka plan gürültüsünün sıklığı, genlerin büyüklüğüne, intron sayısına ve splice bölgesi dizilerinin kalitesine bağlıdır.

Bazı durumlarda, splice varyanları genlerdeki mutasyonlar tarafından üretilecektir. Bu mutasyonlar, kriptik bir splice bölgesi oluşturan veya işlevsel bir bölgeyi mutasyona uğratan SNP polimorfizmleri olabilir. Ayrıca, belirli bir dokuda veya hücre hattında splice işlemini etkileyen somatik hücre mutasyonları da olabilir. Mutant alel heterozigot durumda olduğunda, bu, bir işlevsel ve bir işlevsel olmayan iki bol splice varyantının üretilmesiyle sonuçlanacaktır. Homozigot durumda ise mutant aleller, Queen Victoria'nın soyunda bulunan ve bir kan pıhtılaşma faktörü genindeki bir intronda bir mutasyonun, hatalı splice'a yol açarak bir kriptik 3' splice bölgesi oluşturduğu hemofili gibi genetik hastalıklara neden olabilir. İnsan hastalıklarına bağlı ölümlerin önemli bir kısmı, çoğunlukla kriptik splice bölgeleri oluşturarak normal splice işlemini bozan mutasyonlar tarafından tetiklenebilir.

Yanlış bir şekilde işlenmiş transkriptler kolayca tespit edilebilir ve dizileri çevrimiçi veri tabanlarına girebilir. Genellikle "alternatik splice edilmiş" transkriptler olarak tanımlanırlar, bu da kafa karıştırıcı olabilir çünkü bu terim, gerçek biyolojik olarak ilgili alternatif splice ile splice hatalarından kaynaklanan işlem gürültüsü arasındaki farkı ayırt etmez. 

Biyolojik Fonksiyonlar ve Evrim

İntronlar protein ürünleri kodlamaz, ancak gen ifadesi düzenlemesi için ayrılmaz bir parça oluştururlar. Bazı intronlar, splice işlemi sonrasında işlenerek kodlamayan RNA molekülleri oluşturan işlevsel RNA'ları kodlar. Alternatif splice işlemi, tek bir genden birden fazla protein oluşturmak için yaygın olarak kullanılır. Ayrıca, bazı intronlar, saçma aracılı bozunma ve mRNA'nın hücre dışına taşınması gibi geniş bir yelpazede gen ifadesi düzenleyici işlevlerde önemli rol oynar.

İntronların ökaryotik çekirdeğin protein kodlayan genlerinde ilk kez keşfedilmesinden sonra, modern organizmalardaki intronların, eski bir ortak atadan mı miras aldığı yoksa evrimsel süreçte yakın zamanda mı ortaya çıktığı konusunda önemli bir tartışma vardı. Bir diğer teori ise spliceozom ve genlerin intron-ekzon yapısının RNA dünyasının bir kalıntısı olduğu yönündedir. Bu hipotezlerden hangisinin en doğru olduğu konusunda hala önemli bir tartışma devam etmektedir, ancak mevcut popüler görüş, ilk ökaryotik hücrenin oluşumundan sonra bakteriyel endosimbiyodan gelen grup 2 intronların konak genomunu istila ettiği yönündedir. Başlangıçta, bu kendi kendini kesen intronlar, mRNA öncülünden kendilerini çıkarıyordu, ancak zamanla bazıları bu yeteneğini kaybetti ve diğer grup 2 intronlar tarafından trans olarak desteklenmeleri gerekti. Sonunda, belirli trans-aktif intronlar evrimleşti ve bunlar, spliceozomun snRNA'larının öncüleri haline geldi. Splice işleminin etkinliği, stabilite sağlayan proteinlerle ilişkilendirilerek ilkel spliceozomun oluşmasıyla geliştirildi.

Farklı organizmalardan alınan genomik DNA dizilerinin erken çalışmaları, farklı organizmalardaki homolog genlerin intron-ekzon yapısının büyük ölçüde değişebileceğini gösterdi. Daha yakın zamanda, tüm ökaryotik genomların çalışmaları, intronların uzunlukları ve yoğunluğunun (intronlar/gen) ilgili türler arasında önemli ölçüde değiştiğini ortaya koydu. Örneğin, insan genomu ortalama olarak 8.4 intron/gen (genomda 139.418) içerirken, tek hücreli bir mantar olan Encephalitozoon cuniculi sadece 0.0075 intron/gen (genomda 15 intron) içerir. Ökaryotların ortak bir atadan türediği (ortak köken) göz önüne alındığında, evrimsel zaman boyunca geniş çapta intron kazancı veya kaybı olmuş olmalıdır. Bu süreç, daha büyük türlerde daha küçük popülasyon büyüklükleri nedeniyle intron kazanımına, daha küçük (özellikle tek hücreli) türlerde ise bunun tersine yönelik bir seçilime tabi olduğu düşünülmektedir. Biyolojik faktörler ayrıca bir genomdaki hangi genlerin intron kaybedip kazandığını da etkiler.

İntron çıkarılması sonrasında bir gen içindeki ekzonların alternatif splice işlemi, tek bir gen ve tek bir öncül mRNA transkriptinden birden fazla ilişkili proteinin üretilmesine olanak tanıyarak protein dizilerinin değişkenliğini artırır. Alternatif RNA splice işleminin kontrolü, geniş bir yelpazedeki hücre içi ve hücre dışı sinyallere yanıt veren karmaşık bir sinyal molekülleri ağı tarafından gerçekleştirilir.

İntronlar, spliceozom tarafından uygun şekilde işlenmesi için gerekli olan, intronun her iki ucundaki alıcı ve verici bölgeler gibi verimli splice için önemli olan birkaç kısa dizi içerir. Bazı intronların, içinde bulundukları genin ifadesini intron aracılı artırma (IME) olarak bilinen bir süreçle artırdığı bilinmektedir.

Aktif olarak transkribe edilen DNA bölgeleri sık sık R-döngüleri oluşturur ve bu döngüler DNA hasarına karşı hassastır. Yüksek derecede ifade edilen maya genlerinde, intronlar R-döngüsü oluşumunu ve DNA hasarının meydana gelmesini engeller. Hem maya hem de insanlarda yapılan genom çapında analizler, intron içeren genlerin, benzer ifade düzeylerine sahip intron içermeyen genlere kıyasla, daha düşük R-döngü seviyelerine ve daha az DNA hasarına sahip olduğunu ortaya koydu. R-döngüsüne eğilimli bir gene intron eklenmesi, R-döngüsü oluşumunu ve rekombinasyonu da baskılayabilir. Bonnet ve ark. (2017), intronların genetik kararlılığı sürdürme işlevinin, özellikle yüksek derecede ifade edilen genlerde, belirli yerlerdeki evrimsel kalıcılığını açıklayabileceğini öne sürdü.

Mobil Genetik Elementler Olarak İntronlar

İntronlar, evrimsel süreç boyunca kaybolabilir veya kazanılabilir. Birçok ortolog gen üzerinde yapılan karşılaştırmalı çalışmalar bunu göstermektedir. Sonraki analizler, binlerce intron kaybı ve kazancı örneğini tanımlamış ve ökaryotların ortaya çıkışı ya da ökaryotik evrimin ilk aşamalarının bir intron istilası içerdiği öne sürülmüştür. İntron kaybının iki kesin mekanizması, ters transkriptaz aracılı intron kaybı (RTMIL) ve genomik delesyonlar olarak tanımlanmıştır ve bunların meydana geldiği bilinmektedir. Ancak, intron kazancının kesin mekanizmaları hâlâ belirsiz ve tartışmalıdır. Bugüne kadar en az yedi intron kazanım mekanizması bildirilmiştir: intron translokasyonu, transpozon insersiyonu, tandem genomik duplikasyon, intron transferi, çift sarmallı kırık tamiri (DSBR) sırasında intron kazanımı, grup II intron insersiyonu ve intronizasyon. Teorik olarak, yeni kazanılmış intronların kaynağını tespit etmek daha kolay olmalıdır çünkü bu intronlar ev sahibi tarafından indüklenen mutasyonlardan yoksundur, ancak yakın zamanda kazanılan intronlar bile yukarıda belirtilen mekanizmalardan herhangi birinden türememiştir. Bu bulgular, intron kazanımının önerilen mekanizmalarının birçok yeni intronun mekaniksel kaynağını tanımlamakta başarısız olup olmadığını veya daha keşfedilmemiş başka süreçlerin yeni intronlar oluşturup oluşturmadığını sorgulatmaktadır.

İntron translokasyonunda, en yaygın olarak öne sürülen intron kazanım mekanizması, bir splice edilmiş intronun ya kendi mRNA'sına ya da daha önce intron içermeyen bir mRNA'ya geri splice yapması düşünülür. Bu intron içeren mRNA daha sonra ters transkript edilip, sonuçta oluşan intron içeren cDNA, orijinal genomik lokusuyla tamamen veya kısmen rekombinasyon yoluyla intron kazanımına neden olabilir.

Transpozon insersiyonları, çeşitli ökaryotik türler arasında binlerce yeni intron oluşturduğu gösterilmiştir. Transpozon insersiyonları bazen bu dizinin transpozonun her iki tarafında çoğalmasına neden olur. Böyle bir insersiyon, transpozonu intronize edebilir, ancak bir transpozon AGGT dizisine yerleştiğinde veya splice bölgelerini transpozon dizisi içinde kodladığında kodlama dizisini bozmadan bunu yapabilir. İntron oluşturan transpozonlar, hedef bölge çoğaltmaları yaratmadığında, GT (5') ve AG (3') gibi splice bölgeleri içeren elementler, protein kodlama dizisini etkilemeden splice edilir. Bu elementlerin neden splice edildiği, şans eseri mi yoksa transpozonun bazı tercihli eylemleriyle mi olduğu henüz anlaşılmamıştır.

Tandem genomik duplikasyonda, verici ve alıcı splice bölgeleri arasındaki benzerlik nedeniyle, her ikisi de AGGT'yi yakından andırır, AGGT dizisini barındıran bir ekzon segmentinin tandem genomik duplikasyonu iki potansiyel splice bölgesi oluşturur. Spliceozom tarafından tanındığında, orijinal ve çoğaltılmış AGGT arasındaki dizi splice edilir ve genin kodlama dizisinde bir değişiklik olmaksızın bir intron oluşturur. Çift sarmallı kırık tamiri yoluyla homolog olmayan uç birleştirme sırasında, araştırmacılar Daphnia'da kazanılan intronların %43'ünde kısa doğrudan tekrarlar bulduğunda intron kazancının bir kaynağı olarak tanımlandı. Bu sayıların, diğer organizmalarda tekrarla çevrili korunmuş intronların sayısıyla karşılaştırılması gerekmektedir. Grup II intron insersiyonu için, bir grup II intronunun bir nükleer gene retrohoming yapmasının yakın zamanda spliceozomal intron kazanımına neden olduğu öne sürüldü.

İntron transferinin, bir paralog veya psödogenin bir intron kazanması ve ardından bu intronun rekombinasyon yoluyla kardeş paralogundaki intron-olmayan bir konuma transfer etmesiyle intron kazancına neden olduğu varsayılmaktadır. İntronizasyon, mutasyonların eskiden ekzonik diziden yeni intronlar oluşturduğu süreçtir. Bu nedenle, diğer önerilen intron kazanım mekanizmalarının aksine, bu mekanizma, yeni bir intron oluşturmak için DNA'nın eklenmesini veya oluşturulmasını gerektirmez.

Yakın zamanda intron kazanımının tek hipotez edilen mekanizması olan grup II intron insersiyonu, in vivo gösterildiğinde, gen ifadesini tamamen durdurur. Bu nedenle, grup II intronları, spliceozomal intronların varsayılan ataları olabilir, spesifik retroelementler olarak hareket ederler ve artık intron kazanımından sorumlu değillerdir. Tandem genomik duplikasyon, in vivo deneysel kanıtlarla desteklenen tek önerilen mekanizmadır: Kısa bir intragenik tandem duplikasyon, bir protein kodlama genine yeni bir intron ekleyebilir ve karşılık gelen peptid dizisini değiştirmeden bırakabilir. Bu mekanizma aynı zamanda, tandem genomik duplikasyonun intron kazanımı için yaygın bir mekanizma olduğuna dair destekleyici dolaylı kanıtlarla da desteklenmiştir. Diğer önerilen mekanizmaların in vivo olarak test edilmesi, özellikle DSBR sırasında intron kazanımı, intron transferi ve intronizasyon, bu mekanizmaların gerçek intron kazanım mekanizmaları olarak pekiştirilmesi için mümkündür. Daha ileri genomik analizler, özellikle popülasyon düzeyinde gerçekleştirildiğinde, her mekanizmanın göreceli katkısını ölçebilir ve farklı türler arasındaki intron kazanım oranlarındaki farklılıklar üzerine ışık tutabilecek türlere özgü yanlılıkları ortaya çıkarabilir.

Referanslar

1. Kinniburgh AJ, Mertz JE, Ross J (July 1978). "The precursor of mouse beta-globin messenger RNA contains two intervening RNA sequences". Cell. 14 (3): 681–693. doi:10.1016/0092-8674(78)90251-9. PMID 688388. S2CID 21897383.
2. Mucaki EJ, Shirley BC, Rogan PK (2020). "Expression changes confirm genomic variants predicted to result in allele-specific, alternative mRNA splicing". Frontiers in Genetics. 11: 109. doi:10.3389/fgene.2020.00109. PMC 7066660. PMID 32211018.
3. Lynch M (2010). "Rate, molecular spectrum, and consequences of human mutation". Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (3): 961–968. Bibcode:2010PNAS..107..961L. doi:10.1073/pnas.0912629107. PMC 2824313. PMID 20080596.
4. Mudge JM, Harrow J (2016). "The state of play in higher eukaryote gene annotation". Nature Reviews Genetics. 17 (12): 758–772. doi:10.1038/nrg.2016.119. PMC 5876476. PMID 27773922.
5. Bhuiyan SA, Ly S, Phan M, Huntington B, Hogan E, Liu CC, Liu J, Pavlidis P (2018). "Systematic evaluation of isoform function in literature reports of alternative splicing". BMC Genomics. 19 (1): 637. doi:10.1186/s12864-018-5013-2. PMC 6114036. PMID 30153812.
6. Rearick D, Prakash A, McSweeny A, Shepard SS, Fedorova L, Fedorov A (March 2011). "Critical association of ncRNA with introns". Nucleic Acids Research. 39 (6): 2357–2366. doi:10.1093/nar/gkq1080. PMC 3064772. PMID 21071396.
7. Bicknell AA, Cenik C, Chua HN, Roth FP, Moore MJ (December 2012). "Introns in UTRs: why we should stop ignoring them". BioEssays. 34 (12): 1025–1034. doi:10.1002/bies.201200073. PMID 23108796. S2CID 5808466.
8. Piovesan A, Caracausi M, Ricci M, Strippoli P, Vitale L, Pelleri MC (December 2015). "Identification of minimal eukaryotic introns through GeneBase, a user-friendly tool for parsing the NCBI Gene databank". DNA Research. 22 (6): 495–503. doi:10.1093/dnares/dsv028. PMC 4675715. PMID 26581719.
9. Slabodnick MM, Ruby JG, Reiff SB, Swart EC, Gosai S, Prabakaran S, et al. (February 2017). "The Macronuclear Genome of Stentor coeruleus Reveals Tiny Introns in a Giant Cell". Current Biology. 27 (4): 569–575. doi:10.1016/j.cub.2016.12.057. PMC 5659724. PMID 28190732.
10. Irimia M, and Roy SW (2014). "Origin of spliceosomal introns and alternative splicing". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 6 (6): a016071. doi:10.1101/cshperspect.a016071. PMC 4031966. PMID 24890509.
11. Slabodnick MM, Ruby JG, Reiff SB, Swart EC, Gosai S, Prabakaran S, et al. (February 2017). "The Macronuclear Genome of Stentor coeruleus Reveals Tiny Introns in a Giant Cell". Current Biology. 27 (4): 569–575. doi:10.1016/j.cub.2016.12.057. PMC 5659724. PMID 28190732.
12. Hellsten U, Aspden JL, Rio DC, Rokhsar DS (August 2011). "A segmental genomic duplication generates a functional intron". Nature Communications. 2: 454. Bibcode:2011NatCo...2..454H. doi:10.1038/ncomms1461. PMC 3265369. PMID 21878908.
13. Chalamcharla VR, Curcio MJ, Belfort M (April 2010). "Nuclear expression of a group II intron is consistent with spliceosomal intron ancestry". Genes & Development. 24 (8): 827–836. doi:10.1101/gad.1905010. PMC 2854396. PMID 20351053.
14. Stepankiw N, Raghavan M, Fogarty EA, Grimson A, Pleiss JA (2015). "Widespread alternative and aberrant splicing revealed by lariat sequencing". Nucleic Acids Research. 43 (17): 8488–8501. doi:10.1093/nar/gkv763. PMC 4787815. PMID 26261211.
15. Fox-Walsh KL, Hertel KJ (2009). "Splice-site pairing is an intrinsically high fidelity process". Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (6): 1766–1771. Bibcode:2009PNAS..106.1766F. doi:10.1073/pnas.0813128106. PMC 2644112. PMID 19179398.