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Lezione 13

Origine degli introni


Ipotesi sull’origine degli introni

Nature Reviews Genetics 2006


Ipotesi sull’origine degli introni

Introni di gruppo I batteri, organelli identificati circa 1500

Introni di gruppo II “ identificati circa 200

Introni con spliceosomi

genoma nucleare di eucarioti

Assenti nei procarioti,

molto variabili in

numero negli eucarioti


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


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)

Buona densità intronica in antenati di

eucarioti

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’

Intron late (IL)

Non ci sono spliceosomal introns nei

procarioti

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 saranno meno

frequenti in popolazioni con N grandi → mol 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


Genome Res. 2007 Jan;17(1):23‐32.

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