Introny to niekodujące regiony DNA występujące w genach organizmów eukariotycznych. Są one transkrybowane na RNA, ale są później usuwane w procesie zwanym splicingiem, zanim powstanie ostateczny mRNA. Introny odgrywają kluczową rolę w regulacji ekspresji genów i uważa się, że wyewoluowały jako sposób na zwiększenie różnorodności i złożoności białek, które mogą być wytwarzane z pojedynczego genu.

Naukowcy z UCSC sugerują, że introny, źródło złożoności molekularnej unikalnej dla eukariontów, pochodzą głównie z intronerów.

Pochodzenie intronów, segmentów niekodujących[{” attribute=””>DNA that must be removed from genetic code before protein synthesis, are one of the most enduring mysteries in biology. Introns are a universal feature of eukaryotic genomes, found in all animals, plants, fungi, and protists, but not in prokaryotic genomes, such as those of bacteria. Despite their ubiquity, there is significant variation in the number of introns found in different species’ genomes, even among closely related species. This has made understanding the origins and evolution of introns a long-standing, fundamental mystery in biology.

Now, a new study led by scientists at the University of California, Santa Cruz and published in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) points to introners, one of several proposed mechanisms for the creation of introns discovered in 2009, as an explanation for the origins of most introns across species. The researchers believe that introners are the only likely explanation for intron burst events, in which thousands of introns show up in a genome seemingly all at once, and they find evidence of this in species across the tree of life.

“[This study] dostarcza wiarygodnego wyjaśnienia ogromnej większości pochodzenia intronów” – powiedział Russell Corbett-Detig, profesor nadzwyczajny inżynierii biomolekularnej i główny autor badania.

„Istnieją inne mechanizmy, ale jest to jedyny znany mi mechanizm, który może generować tysiące intronów jednocześnie w genomie. Jeśli to prawda, sugeruje to, że odkryliśmy podstawowy proces kierujący czymś naprawdę wyjątkowym w genomach eukariotycznych – mamy te introny, mamy złożoność genomową”.

Introny są ważne, ponieważ umożliwiają alternatywny splicing, co z kolei pozwala jednemu genowi kodować wiele transkryptów, a tym samym służyć wielu złożonym funkcjom komórkowym. Introny mogą również wpływać na ekspresję genów, szybkość, z jaką geny są włączane w celu wytworzenia białek i innych niekodujących[{” attribute=””>RNA. Introns ultimately have a neutral to slightly negative effect on the species they exist in because when the splicing of introns is not carried out correctly, the gene they live in can be harmed and even die. Such missed splicing instances are the cause of some cancers.

Corbett-Detig and his colleagues searched the genomes of 3,325 eukaryotic species – all of the species for which we have access to high-quality reference genomes – to find out how common introner-derived introns are, and in which groups of species they are seen most frequently. They found a total of 27,563 introner-derived introns in the genomes of 175 species, meaning evidence of introners could be seen in 5.2% of surveyed species.

This evidence was found in species of all types, from animals to single-cell protists – organisms whose last common ancestor lived over 1.7 billion years ago. The diversity of species in which they are found suggests introners are both the fundamental and most widespread source of introns across the tree of life.

“It’s diverse – it isn’t like there’s one little chunk of the tree of life that has this going on,” Corbett-Detig said. “You see this in a pretty big range of species, which suggests it’s a pretty general mechanism.”

This analysis can only detect evidence of introners going back some millions of years, a relatively short time span when it comes to evolutionary history. It’s likely that intron bursts could have occurred in some species, such as humans, at a time beyond the scope of this analysis – meaning this study probably vastly underestimates the true scope of introner-dervied introns across all eukaryotes.

Introners as genomic parasites

In the ecosystem of the genome, introners can be thought of as a parasite with the goal to survive and replicate themselves. When an introner enters a new organism, that new host has never seen that element before and has no way to defend itself, allowing it to proliferate in a new species.

“Everything in evolution is a conflict and these elements, [including introners], to samolubne fragmenty DNA” – powiedział Landen Gozashti, pierwszy autor artykułu, który opracował metody analizy badania jako student studiów licencjackich na UCSC, a obecnie jest doktorantem na Uniwersytecie Harvarda. „Chcą tylko replikować, a jedynym powodem, dla którego nie chcą zabić swojego żywiciela, jest to, że to je zabija”.

Będąc wyciętymi z sekwencji DNA przed translacją genu na białka, intronery znalazły sposób na mniejszy wpływ na sprawność genu gospodarza, pozwalając im przetrwać przez pokolenia ewolucji gatunku gospodarza. Naukowcy odkryli, że introny pochodzące z intronerów wydają się łączyć lepiej niż inne typy intronów, aby ograniczyć ich negatywny wpływ na gen, tak aby zarówno introner, jak i gospodarz mogli lepiej przetrwać.

Więcej intronerów w morzu

Chociaż wszystkie intronery znaleziono u wszystkich typów gatunków, wyniki pokazały, że organizmy morskie miały 6,5 razy większe prawdopodobieństwo posiadania intronerów niż gatunki lądowe.

Naukowcy uważają, że jest to prawdopodobnie spowodowane zjawiskiem zwanym poziomym transferem genów, w którym geny przechodzą z jednego gatunku do innego, w przeciwieństwie do typowego transferu pionowego poprzez krycie i przekazywanie genów z rodzica na dziecko. Wiadomo już, że poziomy transfer genów występuje częściej w środowiskach morskich, zwłaszcza między gatunkami jednokomórkowymi o złożonej ekologii.

Intronery mogą podróżować w ten sposób, ponieważ należą do klasy elementów genomowych zwanych elementami transpozycyjnymi, które mają zdolność przemieszczania się poza środowisko komórkowe, w którym żyją, co czyni je mechanistycznie dobrze wyposażonymi do podróżowania między gatunkami poprzez poziomy transfer genów. Gdy intronery przenosiły się z jednego gatunku do drugiego w środowiskach morskich, znacznie rozszerzyły swoją obecność na drzewie życia.

Biorąc pod uwagę, że wiemy, że wszystkie gatunki wyewoluowały z organizmów morskich, możliwe, że gatunki lądowe uzyskały introny z wybuchów intronów daleko w swojej historii ewolucyjnej.

„Jeśli twoi przodkowie byli organizmami morskimi, którymi byli wszyscy, istnieje duża szansa, że ​​wiele twoich intronów jest w pewnym sensie odziedziczonych po podobnych [introner burst] wydarzenie w tamtych czasach” – powiedział Corbett-Detig. „Mogło to być bardzo ważne w naszej ewolucyjnej przeszłości”.

Więcej intronerów znaleziono także wśród gatunków grzybów, o których wiadomo również, że mają wyższe wskaźniki poziomego transferu genów, co dodatkowo potwierdza pogląd, że to zjawisko napędza przyrost intronerów.

W przyszłych badaniach Corbett-Detig planuje szukać dowodów na poziomy transfer genów w postaci prawie identycznych intronerów u dwóch różnych gatunków. Skonfigurował potoki eksploracji danych, aby w miarę jak globalna społeczność badaczy genomiki wnosiła genomy nowych gatunków do repozytoriów danych, jego algorytm przeszukiwał intronery każdego nowego genomu i porównywał je ze wszystkimi znanymi intronerami w poszukiwaniu podobieństw.

Zrozumienie, jak ewoluuje złożoność

To badanie stanowi wyzwanie dla jednej z nadrzędnych teorii ewolucji genomu, co napędza złożoność genomu u eukariontów. Teoria zakłada również, że w pewnym momencie ewolucji wiele gatunków miało niską efektywną wielkość populacji, co oznacza, że ​​bardzo niewiele organizmów w gatunku produkowało potomstwo, aby stworzyć następne pokolenie. Pozwoliło to na akumulację w genomie elementów, o których wiadomo, że mają nieco negatywny wpływ na populację.

Zgodnie z tą teorią intronery, które są neutralne lub nieco szkodliwe, byłyby częściej spotykane w populacjach o niższych populacjach efektywnych – ale naukowcy odkryli coś przeciwnego. Na przykład odkryli, że Symbiodinium, protista, o którym wiadomo, że ma znacznie większą efektywną wielkość populacji niż ludzie, rośliny lądowe i inne[{” attribute=””>invertebrates, is the species that seems to be gaining the most introns of those surveyed.

But this research points toward complexity arising not from an adaptation created by the genome itself but as a response to conflict caused by the invading transposable element, the introner, as it tries to proliferate. As introners and other elements struggle to survive and persist, this conflict drives genome complexity.

Introners and gene expression

The neutral to negative effects of introns is also evidenced by their effect on gene expression. When comparing genes with introners inserted into them to genes without, those that do have introners had a lower overall expression level, meaning they are turned on less often to perform functions in the body.

The researchers believe that introners are not necessarily directly causing this lower expression, but that genes that are expressed less have a higher tolerance for an element that may be affecting them negatively because they matter less for the species’ survival. Meanwhile, genes that are highly expressed and may be coding for key functions in the body likely can’t tolerate the introduction of new introns that could cause them to perform their task less effectively.

Corbett-Detig’s ongoing research on this topic also involves looking at direct evidence of how the appearance of introns in a genome affects individuals within a species. He has identified several species that are experiencing ongoing intron bursts and is looking at the effect of introners on the DNA and RNA of the cell, and how this affects the species’ evolutionary fitness.

Reference: “Transposable elements drive intron gain in diverse eukaryotes” by Landen Gozashti, Scott W. Roy, Bryan Thornlow, Alexander Kramer, Manuel Ares Jr. and Russell Corbett-Detig, 19 October 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2209766119