Nach 20 Jahren Gensequenzierung haben wir endlich herausgefunden, wozu Junk-DNA dient

Im Jahr 1990 wurde das internationale Humangenomprojekt ins Leben gerufen und bis 2003 war die überwiegende Mehrheit der menschlichen Genome sequenziert. Man war überrascht, als man feststellte, dass die menschlichen Gene keine vollständige Informationskette darstellen, sondern durch viele Sequenzen in Stücke zerteilt sind, die keine genetischen Informationen kodieren können. Diese DNA, die keine genetischen Informationen kodieren konnte, wurde damals als „Müll“ bezeichnet. Warum fügt die Natur so viel Müll in die menschlichen Gene ein? Im Laufe der letzten 20 Jahre kam dank der Bemühungen der Wissenschaftler die Wahrheit nach und nach ans Licht: Diese Junk-DNAs haben ihre eigenen Funktionen und ein sehr wichtiger Typ davon heißt „Introns“.

Geschrieben von Yubao (PhD, Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Entdeckung von Intronen

Wie der Vater, so der Sohn; wie die Mutter, so die Tochter. Vererbung ist ein Phänomen, das überall in unserem Leben zu beobachten ist. Wissenschaftler spekulieren schon seit langem darüber, dass es eine Substanz geben muss, die die Eigenschaften der vorherigen Generation an die nächste Generation weitergeben kann. Mitte des 19. Jahrhunderts stellte der österreichische Wissenschaftler Gregor Johann Mendel auf Grundlage seiner langjährigen Experimente zur Pflanzenhybridisierung die Hypothese einer unabhängigen genetischen Einheit auf, die als „genetischer Faktor“ bezeichnet wurde. Er glaubte, dass alle Merkmale von Organismen durch genetische Faktoren übertragen würden. Im Jahr 1903 schlugen der amerikanische Biologe Walter Sutton und der deutsche Biologe Theodor Heinrich Boveri vor, dass sich genetische Faktoren auf Chromosomen befinden, die Träger des genetischen Materials sind. Im Jahr 1909 schlug der dänische Genetiker Wilhelm Johannsen das Konzept des „Gens“ vor, um die von Mendel postulierten „Erbfaktoren“ zu ersetzen. Seitdem wird das Wort „Gen“ in der Genetik verwendet.

Johnson glaubte, dass hinter dem „Gen“ eine chemische Einheit stecken müsse. Man geht davon aus, dass es leicht zu erklären sein wird, wie Gene genetische Informationen kodieren und wie genetische Informationen weitergegeben werden, wenn man erst einmal die Struktur der Gene verstanden hat. Vor den 1950er Jahren war die Struktur der Gene nicht klar. Erst als der amerikanische Molekularbiologe James Watson und der britische Biologe Francis Crick 1953 die Doppelhelixstruktur der DNA entdeckten, wurde das Problem gelöst. Allerdings haben Wissenschaftler zahlreiche Theorien zur Kodierungsmethode von Genen aufgestellt. Beispielsweise war die Theorie „Ein Gen, ein Enzym (Protein)“ in den 1940er Jahren populär. Später stellte man fest, dass es zu dieser Theorie immer mehr Ausnahmen gab: Die Einheit, die die Funktionen vieler Gene erfüllt, ist RNA, oder mehrere Gene kodieren ein Protein, oder ein Gen kodiert mehrere Proteine. Infolgedessen ist die Definition von „Gen“ immer komplexer geworden.

Im Jahr 1977 entdeckten der amerikanische Wissenschaftler Philip Sharp und der britische Wissenschaftler Richard Roberts bei ihren Untersuchungen zur Genetik von Adenoviren unabhängig voneinander Introns mithilfe der Elektronenmikroskopie [1, 2] und schlugen die „Split-Gene-Theorie“ vor, für die sie 1993 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielten. Die Elektronenmikroskopie-Technologie hat einen wichtigen Beitrag zur Entdeckung der Intronen geleistet. Seine Auflösung reicht aus, um DNA- oder RNA-Moleküle im Nanometerbereich zu erkennen. Die Introns wurden jedoch von jemand anderem benannt. In einem kurzen Artikel aus dem Jahr 1978 schlug der amerikanische Wissenschaftler Walter Gilbert vor, den Begriff „Intron“ zur Bezeichnung nicht-kodierender Sequenzen in mRNA-Vorläufern zu verwenden. mRNA ist die Vorlage für die „Übersetzung“ eines Gens aus einer DNA-Sequenz in eine Proteinsequenz.

1980 teilte sich Gilbert den Nobelpreis für Chemie mit Frederick Sanger und Paul Berg für die Erfindung der Gensequenzierungstechnologie.

Die Theorie des gespaltenen Gens geht davon aus, dass die Gensequenz im Genom eukaryotischer Organismen diskontinuierlich ist und eine große Zahl nicht-kodierender Sequenzen zwischen den kodierenden Bereichen der Gene enthält, wodurch die Aminosäuresequenz des entsprechenden Proteins unterbrochen wird. Introns beziehen sich im Allgemeinen auf DNA-Sequenzen in eukaryotischen Genen, die keine Proteine ​​kodieren und während der mRNA-Verarbeitung herausgeschnitten werden. Diese Spleißreaktion wird durch das „Spleißosom“ abgeschlossen; Der Aufbau des Spleißosoms ist sehr komplex und besteht aus mehr als 100 „Teilen“.

Abb. 1 Schematische Darstellung des Intron-Spleißens während der Transkription. Während der Gentranskription in eukaryotischen Zellen hat das „Spleißosom“ die Aufgabe, Introns zu entfernen und Exons (grün) zu kombinieren, um reife mRNA zu bilden. Bildquelle: Li Hongbin usw.

Funktion von Introns

Der größte Unterschied zwischen proteinkodierenden Genen in eukaryotischen Zellen und denen in Prokaryoten besteht darin, dass erstere Introns enthalten, letztere jedoch nicht. Normalerweise sind Introns viel länger als proteinkodierende Exonsequenzen. Die Existenz von Introns führt dazu, dass eukaryotische Zellen während der Reproduktion und Genexpression große Mengen an Substanzen und Energie verbrauchen, was zweifellos die Überlebensbelastung des Organismus erhöht. Welchen Nutzen hat also ein so langes, nicht-kodierendes Fragment, das in das Gen eingebettet ist?

In den 20 Jahren seit der Entdeckung der Introns wurde wenig Forschung zu ihrem Ursprung und ihrer Funktion betrieben. Tatsächlich gab es bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts, als der Entwurf des menschlichen Genoms gerade fertiggestellt war, ein beliebtes Sprichwort: „95 % der Sequenzen im menschlichen Genom sind Junk-DNA.“ Ich glaube, einige Leser erinnern sich an diese damalige Aussage. Natürlich enthielten die damals als Junk-Sequenzen bezeichneten Sequenzen auch Intronen. Dank der kontinuierlichen Bemühungen wissenschaftlicher Forscher wurde der Begriff „Junk-DNA“ nach und nach widerlegt und die wichtigen Funktionen der Introns wurden nach und nach klarer.

Eine Reihe von Studien hat ergeben, dass Introns zur Aufrechterhaltung der Genstabilität beitragen und auch an der Genexpression und -regulierung beteiligt sind. Insbesondere erzeugen Introns und Exons in Genen durch alternatives Spleißen unterschiedliche Exonkombinationen, die wiederum in mehrere Proteine ​​übersetzt werden und so die Komplexität des Proteoms erhöhen. regulatorische Elemente wie Enhancer (Sequenzen) in Introns können die Transkriptionseffizienz von Genen regulieren; und einige RNA-Elemente in Introns können ebenfalls eine vorzeitige Beendigung der Transkription verhindern.

Frühe Studien haben ergeben, dass Introns die Stabilität von DNA-Sequenzen während der Gentranskription aufrechterhalten können, indem sie verhindern, dass Gene während der Transkription „R-Loops“ bilden. Der sogenannte R-Loop ist, wie der Name schon sagt, eine „R“-förmige Struktur. Es bezieht sich auf die Struktur, in der die transkribierte RNA-Kette eine komplementäre Basenpaarung mit einer der geöffneten doppelsträngigen DNA-Ketten durchläuft, um eine RNA-DNA-Hybridkette zu bilden. Gleichzeitig befindet sich die andere ungepaarte DNA-Kette in einem freien Zustand (siehe Abbildung 2). Das Vorhandensein von Introns kann die R-Loop-Bildung reduzieren und die Stabilität der genomischen DNA aufrechterhalten. Allerdings sind nicht alle R-Loops „schlecht“. Später entdeckte man, dass R-Loops in Zellen auch biologische Funktionen haben – sie können die Genexpression regulieren, etwa die Initiierung und Verlängerung der Transkription, die epigenetische Regulierung usw. Darüber hinaus stehen R-Loop-Störungen auch mit DNA-Schäden, Genominstabilität und hochfrequenter Genrekombination im Zusammenhang.

Abbildung 2. Zwei Möglichkeiten zur Bildung einer „R-Schleife“ während der Gentranskription. Bildquelle: Zhang Yiyun und andere

Introns haben viele andere Funktionen. Vor einigen Jahren veröffentlichten das Elela-Team an der Universität Sherbrooke in Kanada und das Bartel-Team am Massachusetts Institute of Technology in den USA gleichzeitig zwei Arbeiten**[4, 5]**, in denen sie zeigten, dass Introns dem Körper helfen können, mit dem Stress eines Nährstoffmangels umzugehen und es ihm ermöglichen, „dem Hunger zu widerstehen“.

Elelas Team schaltete nacheinander mehr als 200 Introns von Saccharomyces cerevisiae aus, um zu sehen, ob dies die Überlebensfähigkeit der Hefe beeinträchtigen würde. Durch Sequenzierung und entsprechende phänotypische Analyse fanden die Forscher heraus, dass Introns die Funktion haben, die Anpassung der Hefe an Nährstoffmangel (Hunger) zu regulieren. Bartels Team fand heraus, dass 34 Hefe-Introns nach dem Spleißen immer in Zellen vorhanden sind, in voller Länge oder in linearer Form. Sie werden durch den klassischen TOR-Stoffwechselweg reguliert und können die Wachstumsrate der Hefe bei Nährstoffknappheit verlangsamen und so die Anpassungsfähigkeit und Überlebensrate der Hefe verbessern. Diese Introns spielen eine Rolle bei der Stressbewältigung und sind unabhängig von der Funktion der Gene, in denen sie lokalisiert sind. Introns stehen mit dem Leben und Tod des Organismus in Zusammenhang, daher ist es verständlich, dass sie während des Prozesses der biologischen Evolution erhalten bleiben.

Introns können in vier Kategorien unterteilt werden: Typ-I-Introns, Typ-II-Introns, Spleißosom-Introns und tRNA-Introns. Zu den Introns im allgemeinen Sinne zählen Spleißosom-Introns, die, wie der Name schon sagt, mit ihren eigenen Spleißosomen ausgestattet sind. Die dreidimensionale Proteinstruktur des „Spleißosoms“ wurde aufgeklärt. Die Spleißreaktion, bei der mRNA produziert wird, ist sehr präzise und weist eine extrem niedrige Fehlerrate auf. Wenn eine Base falsch platziert ist, verläuft der nachfolgende Transkriptionsprozess abnormal und das Protein wird nicht oder das falsche Protein produziert.

Introns der Gruppe I kommen in Bakterien, Bakteriophagen, Protisten und Pilzen vor und sind zum Selbstspleißen fähig. Introns der Gruppe II kommen in Bakterien- und Organellengenomen vor und sind ebenfalls zum Selbstspleißen fähig, der Mechanismus unterscheidet sich jedoch von dem der Introns des Typs 1 und ähnelt dem Spleißmechanismus von Introns im Spleißosom. tRNA-Introns sind in eukaryotischen Zellen und Archaeen vorhanden und der Spleißprozess erfordert Endonukleasen und ATP.

Der Mechanismus der Intronproduktion

Wie erscheinen Introns in eukaryotischen Zellen?

Was den Mechanismus der Intronenbildung betrifft, ist die am weitesten verbreitete Erklärung die „Introner-Theorie“ [6] , die den Ursprung der Intronen im Spleißosom erklären kann. Introner können als „Parasiten“ im Genom betrachtet werden, die durch „Kopieren“ und „Einfügen“ eine große Anzahl von Introns im Genom „produzieren“. Im Jahr 2009 entdeckten Wissenschaftler Introner in Micromonas und fanden anschließend Spuren davon in Dinoflagellaten, bestimmten Pilzen und Urochordaten.

Zahlreiche Studien von Wissenschaftlern haben gezeigt, dass dieser „Kopieren“- und „Einfügen“-Prozess im gesamten Genom in großem Maßstab wiederholt werden kann: Im Verlauf der biologischen Evolution produzieren Introner kontinuierlich Introns in verschiedenen eukaryotischen Organismen. Beispielsweise wurden die meisten Introns in Pilzgenomen im Laufe der letzten 100.000 Jahre von Intronern eingeführt[7]**.

Abbildung 3. Wie „erstellt“ Introner Introns? Introner fügt die Intronsequenz in das Genom ein, wodurch die ursprüngliche DNA-Sequenz „aufgespalten“ und neue Exons erzeugt werden. Bildnachweis: Merrill Sherman

Die Studie ergab, dass bei einigen Arten, wie Polarella glacialis und Micromonas, die von Intronern produzierten Sequenzen starke Ähnlichkeiten mit DNA-Transposons aufweisen. DNA-Transposons stellen eine größere Familie genetischer Elemente dar, die auch als transponierbare Elemente oder „springende Gene“ bezeichnet werden und große Kopien ihrer eigenen Sequenzen erstellen und in das Genom einfügen können. Diese Ähnlichkeit zwischen Intronen und Transposons lässt darauf schließen, dass einige Intronen von Transposons stammen könnten. Durch den Introner-Mechanismus erzeugte Introns tauchen im Genom oft in großer Zahl und innerhalb kurzer Zeit auf, wobei die Zufälligkeit stark ausgeprägt ist. Dies könnte erklären, warum die Verteilung der Introns im Genom von Eukaryoten nicht gleichmäßig ist.

Allerdings wurden Introner bisher nur bei einigen Arten gefunden. Beispielsweise scheint die Entstehung von Introns bei Wasserorganismen häufiger vorzukommen: In aquatischen Genomen ist die Wahrscheinlichkeit, dass Introns auftreten, mehr als sechsmal höher als in terrestrischen Genomen. Darüber hinaus verfügen fast drei Viertel der im Wasser lebenden Arten, die Introns enthalten, über Genome mit mehreren Introns ähnlicher Sequenz. Bei diesem Phänomen der Sequenzähnlichkeit handelt es sich eigentlich um einen horizontalen Gentransfer, also die Übertragung von Gensequenzen von einer Art auf eine andere. Diese Form des Gentransfers tritt häufig in aquatischen Umgebungen oder in Situationen der Artensymbiose auf, beispielsweise zwischen Wirten und Parasiten.

Wasserumgebungen erleichtern den horizontalen Gentransfer, da verschiedene genetische Materialien im wässrigen Medium frei fließen können. Einzellige Organismen können fremde DNA im Wasser leicht aufnehmen oder verschmelzen; Komplexere mehrzellige Organismen legen Eier oder befruchten sich im Wasser und haben dabei auch die Möglichkeit, mit fremder DNA oder RNA in Kontakt zu kommen. Studien haben ergeben, dass in fast 300 Knochenfischgenomen nahezu 1.000 horizontale Gentransfers oder Introninsertionen stattgefunden haben[8]**. Im Gegensatz dazu kommt der horizontale Gentransfer zwischen terrestrischen Organismen viel seltener vor.

Die Bedeutung von Introns für die biologische Evolution

Obwohl beide eukaryotische Organismen sind, haben Säugetiere mehr und längere Introns als Hefen. Beispielsweise beträgt die Länge der menschlichen Intronsequenzen etwa 25 % des Genoms, und jedes Gen verfügt im Durchschnitt über etwa 9 Introns, die den Genen dabei helfen, komplexe und vielfältige Funktionen zu erfüllen. Die Länge der Introns in menschlicher prä-mRNA variiert stark und reicht von 50 Basen bis zu Millionen von Basen.

Auch die Verteilung der Introns ist zwischen und innerhalb der Arten ungleichmäßig. Dasselbe Gen kann bei verschiedenen Individuen derselben Art Introns haben oder nicht. Länge, Anzahl und Lage der Introns im gleichen Gen verschiedener Arten sind unterschiedlich. Beispielsweise weisen die Introns der beiden homologen Gene Sccoxl.2b und Ancoxl.3 eine zu 70 % identische Sequenz auf, die Reihenfolge der Exons neben den Introns ist jedoch sehr unterschiedlich, was auf die Übertragung von Introns in verschiedenen Arten zurückzuführen sein kann.

Die Existenz von Introns muss durch entsprechende Mechanismen gewährleistet werden. Da eukaryotische Zellen über Kernmembranen verfügen, die eine Grundlage für die räumliche Trennung von Gentranskriptions- und Translationsprozessen bieten, und die große Anzahl an Mitochondrien in den Zellen Energie liefern kann, hat die Existenz von Introns eine materielle Grundlage. Prokaryoten hingegen besitzen keine Kernmembranstruktur und Transkription und Translation sind synchronisiert, sodass Prokaryoten keine Introns benötigen, um die Stabilität der DNA-Sequenzen aufrechtzuerhalten.

Wissenschaftler glauben, dass Introns die Evolution von Genfamilien oder Arten vorantreiben. Das Genom kombiniert Exons und Introns, um durch den Mechanismus des alternativen Spleißens neue Mutationen zu erzeugen und so neue regulatorische Muster oder Funktionsmodule (Enzyme, Proteine, Signalwege usw.) zu generieren. Beispielsweise müssen Arten, die Giftstoffe produzieren können, sich auf genetischer Ebene häufig rasch neu organisieren, um neue Gifte (komplexe Peptidmischungen) zu erzeugen und sich so an unterschiedliche Beutetiere anzupassen oder natürlichen Feinden entgegenzuwirken. Das Immunsystem des Tieres muss die MHC-Gene schnell neu anordnen und kontinuierlich neue Antikörper oder Antigen-präsentierende Zellen produzieren, um mit den sich ändernden Antigenen in der Lebensumgebung fertig zu werden. Solche schnellen Evolutionsmechanismen kommen in der Natur häufig vor und Introns sind oft an diesen Mechanismen beteiligt.

Verweise

[1] Berget SM et al. Gespleißte Segmente am 5'-Terminus der späten mRNA des Adenovirus 2. PNAS. 1977, 74 (8): 3171–3175.

[2] Chow LT, et al. „Eine erstaunliche Sequenzanordnung an den 5'-Enden der Adenovirus-2-Messenger-RNA“. Zelle. 1977, 12 (1): 1–8.

[3] Gilbert W. Warum Gene in Stücken. Natur. 1978, 271 (5645): 501.

[4] Elela AS et al. Introns sind Mediatoren der Zellreaktion auf Hunger. Natur. 2019, 565(7741): 612-617.

[5] Bartel DP. Herausgeschnittene lineare Introns regulieren das Wachstum in Hefe. Nature 2019, 565(7741): 606-611

[6] AZ Worden, et al. Grüne Evolution und dynamische Anpassungen, aufgedeckt durch Genome des marinen Picoeukaryoten Micromonas. Science, 2009, 324 (5924), 268-272

[7] Ate van der Burgt et al. Entstehung neuer spliceosomaler Introns in Pilzen durch Vervielfältigung intronerähnlicher Elemente. Current Biology, 2012: 22(13), 1260-1265

[8] Zhang HH et al. Horizontaler Transfer und Evolution transponierbarer Elemente bei Wirbeltieren. Nat. Kommun. 2020, 11(1):1362.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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