Lezione 12
Origine degli introni
Ipotesi sull’origine degli introni
Nature Reviews Genetics 2006
Ipotesi sull’origine degli introni
Introni di gruppo I
Introni di gruppo II
Introni con spliceosomi
Assenti nei procarioti,
molto variabili in
numero negli eucarioti
batteri, organelli
“
genoma nucleare di eucarioti
identificati circa 1500
identificati circa 200
Ipotesi sull’origine degli introni
L’ipotesi introns-early
(la teoria esonica dei geni)
Geni ancestrali possedevano introni selfsplicing.
La maggioranza di questi furono persi
negli Eubatteri e negli Archaea.
Negli Eucarioti, gli introni self-splicing si
sono evoluti in ‘spliceosomal introns’.
Walter Gilbert
Ipotesi sull’origine degli introni
L’ipotesi introns-late
I geni ancestrali non possedevano introni
L’aggiunta degli introni è avvenuta dopo
la formazione delle cellule ecucariotiche
e il processo di endosimbiosi che ha dato
origine ai mitocondri
Spliceosomal introns nucleari sono
derivati da introni del gruppo II (selfsplicing) che a loro volta sono derivati da
elementi trasponibili
Russell
Doolittle
Ipotesi sull’origine degli introni
Modelli di mantenimento, guadagno e perdita di introni
•Non c’è un semplice modello filogenetico (specie con molti e
pochi introni sono sparse nell’albero filogenetico degli eucarioti)
•Se l’antenato comune fosse stato povero di introni (questi
ultimi dunque derivassero da recenti inserzioni: intron late) ci
aspetteremmo POCA corrispondenza nella posizione degli
introni in specie distanti
•Se l’antenato fosse stato ricco di introni (specie povere per via
di massicce perdite di sequenze introniche: intron early) ci
aspetteremmo MOLTA corrispondenza nella posizione degli
introni in specie distanti
Ipotesi sull’origine degli introni
Le stime indicano una perdita di introni
lungo molte linee
Ipotesi sull’origine degli introni
Intron early (IE)
Intron late (IL)
Buona densità intronica in antenati di
eucarioti
Non ci sono spliceosomal introns nei
procarioti
Un numero significativo viene datato a
centinaia di milioni di anni fa
Le linee eucariote quasi senza introni
avrebbero subito una massiccia perdita:
questo supporta la possibilità che nei
procarioti sia successo lo stesso
La maggior parte degli introni dovrebbe
essere di ‘fase 0’: vero soprattutto in
introni ‘antichi’
Se la sopravvivenza di un introne che si
inserisce in un gene integro dipende dal
mantenimento della fase, allora la
presenza di fase 0 supporta anche
l’ipotesi IL
Questo vale soprattutto se avviene un
salto di esone (exon skipping)
Ipotesi sull’origine degli introni
Ipotesi sull’origine degli introni
Ipotesi sull’origine degli introni
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Ipotesi sull’origine degli introni
Il costo degli introni
1. Diminuiscono la fedeltà e l’efficienza della trascrizione:
allungamento dei trascritti eucarioti= 20-40 bp / secondo
Un gene umano 1.3 Kb DNA codificante totale con 8 introni di 4.8Kb
l’uno = 22 minuti
→ 30x allele senza introni
2. Pericolose mutazioni ai siti di splicing (GT 5’ ; AG 3’ ; una A centrale
e anche altre sequenze): numero di basi precise necessarie per ogni
introne ≈25
Se il tasso di mutazione è di 10-9- 10-7 per sito per generazione, gli
introni aumentano di 25x 10-9- 10-7 volte la probabilità di subire
una mutazione deleteria
Ipotesi sull’origine degli introni
Organismi multicellulari: 5-7 introni per gene codificante
Organismi unicellulari: pochi introni in tutto il genoma
Il successo di nuovi alleli che hanno guadagnato o perso introni
dipende dalle dimensioni delle popolazioni!
Possibili spiegazioni (Lynch)
1. Selezione meno efficiente in popolazioni piccole, mantenimento di
nuovi introni potenzialmente dannosi, barriera alla colonizzazione
intronica in specie con N grandi
2. Da qui consegue che introni con più sito-specificità (più esigenti)
hanno un coefficiente di selezione più alto, quindi a parità di N
saranno meno frequenti→ molti esempi!
Ipotesi sull’origine degli introni
Possibili spiegazioni (Roy and Gilbert)
Sostengono che l’evoluzione degli eucarioti sia stata caratterizzata da
più perdite che guadagni di introni → Intron Early
Ne consegue che le differenze tra specie in numero di introni
sarebbero dovute a differenti tassi di perdita di introni ancestrali
Organismi che
evolvono
lentamente tendono
a mantenere più
introni ancestrali
Organismi che
evolvono
velocemente
tendono a perdere
più velocemente
introni ancestrali
Ipotesi sull’origine degli introni
Possibili spiegazioni (Roy and Gilbert)
Se le ricombinazioni avvengono durante la meiosi specie con tempi di
generazione più lunghi devono avere mantenuto più introni
Alcune osservazioni supportano questa conclusione, ma altre sembrano
suggerire che ci siano specie con tassi rapidi di perdita e guadagno, e specie
con tassi lenti di perdita e guadagno (anche di 10x!) → differenze dovute a
specificità biomolecolari
Domande ancora aperte:
1. Come si creano nuovi introni? Quanto omogeneo tra diverse specie è il
meccanismo?
2. Perché si crearono gli introni? Ruolo attivo nel formare nuovi geni? Massiccio
evento di trasposizione? Creazione di un coordinamento tra trascrizione e
traduzione?
3. Perché diverse specie mostrano numeri di introni così differenti?
