Інтрон — гэта паслядоўнасць нуклеатыдаў у гене, якая не экспрэсуецца і не прысутная ў канчатковым прадукце РНК. Слова інтрон паходзіць ад тэрміна intragenic region, то-бок вобласць унутры гена.«The notion of the cistron [i.e., gene] … must be replaced by that of a transcription unit containing regions which will be lost from the mature messenger — which I suggest we call introns (for intragenic regions) — alternating with regions which will be expressed — exons.» (Gilbert 1978) Тэрмін інтрон адносіцца як да паслядоўнасці ДНК у гене, так і да адпаведнай паслядоўнасці РНК у транскрыптах РНК. Неінтронныя паслядоўнасці, якія злучаюцца падчас працэсінгу РНК з фармаваннем спелай РНК, называюцца экзонамі.
Інтроны знаходзяцца ў генах большасці арганізмаў і многіх вірусаў, і яны могуць знаходзіцца як у генах, што кадуюць бялок, так і ў генах, якія функцыянуюць як РНК (некадуючыя гены). Існуе чатыры асноўных тыпа інтронаў: інтроны тРНК, інтроны групы I, інтроны групы II і сплайсасомныя інтроны (гл. ніжэй). Інтроны рэдка сустракаюцца ў бактэрый і архей (пракарыёт), але большасць эўкарыятычных генаў змяшчае некалькі сплайсасомных інтронаў.
Адкрыццё і этымалогія Упершыню інтроны былі выяўлены ў бялок-кадуючых генах адэнавірусу, а потым ідэнтыфікаваныя ў генах транспартнай і рыбасомнай РНК. Зараз вядома, што інтроны сустракаюцца ў самых розных генах арганізмаў, бактэрый і вірусаў ва ўсіх біялагічных царствах.
Той факт, што гены расшчапляюцца або перарываюцца інтронамі, быў адкрыты незалежна адзін ад аднаго ў 1977 годзе Філіпам Аленам Шарпам і Рычардам Дж. Робертсам, за што яны разам атрымалі Нобелеўскую прэмію па фізіялогіі і медыцыне ў 1993 годзе. Тэрмін інтрон быў уведзены амерыканскім біяхімікам Уолтэрам Гілбертам:«Паняцце цыстрона [г.зн. гена] … павінна быць заменена на паняцце адзінкі транскрыпцыі, якая змяшчае вобласці, што будуць страчаны ад спелага мэсэнджара — іх я прапаную называць інтронамі (для ўнутрыгенных абласцей) — якія чаргуюцца з абласцямі, што будуць экспрэсаваныя — экзонамі». (Гілберт 1978)Тэрмін інтрон таксама адносіцца да інтрацыстрона, то-бок дадатковай часткі ДНК, якая ўзнікае ў цыстроне.
Хоць інтроны часам называюць прамежкавымі паслядоўнасцямі, тэрмін «прамежкавая паслядоўнасць» можа адносіцца да любога з некалькіх сямействаў унутраных паслядоўнасцей нуклеінавых кіслот, якія не прысутнічаюць у канчатковым прадукце гена, уключаючы інтэіны, нетранслюемыя вобласці (UTR) і нуклеатыды, што выдаляюцца шляхам рэдагавання РНК.
Размеркаванне Назіраецца, што частата інтронаў у розных геномах моцна адрозніваецца сярод біялагічных арганізмаў. Напрыклад, інтроны надзвычай часта сустракаюцца ў ядзерным геноме пазваночных з сківіцай (напрыклад, чалавека, мышэй і рыб-фугу), дзе кадуючыя бялок гены амаль заўсёды маюць некалькі інтронаў, у той час як інтроны рэдка сустракаюцца ў ядзерных генах некаторых эўкарыятычных мікраарганізмаў, напрыклад, у пякарскіх/піўных дражджах (Saccharomyces cerevisiae). Мітахандрыяльныя геномы пазваночных увогуле не маюць інтронаў.
Асабліва экстрэмальны выпадак — ген dhc7 дразафілы, які змяшчае інтрон памерам ≥3,6 мегабазы (Mb), транскрыпцыя якога займае прыкладна тры дні. З іншага боку, даследаванне 2015 г. паказвае, што самая кароткая вядомая даўжыня інтрона ў жывёл складае 30 пар асноў (п.н.), якія знаходзяцца ў гене MST1L чалавека. Самыя кароткія вядомыя інтроны належаць рознарэснічным інфузорыям, такім як Stentor coeruleus, у якіх большасць (> 95 %) інтронаў даўжынёй 15 або 16 п.н.
Класіфікацыя Сплайсінг усіх інтронзмяшчальных малекул РНК вонкава падобны. Тым не менш, розныя тыпы інтронаў былі ідэнтыфікаваныя шляхам вывучэння структуры інтронаў з дапамогай аналізу паслядоўнасці ДНК разам з генетычным і біяхімічным аналізам рэакцый сплайсінгу РНК. Вылучана як мінімум чатыры розныя класы інтронаў:
Інтроны ў ядзерных кадуючых бялок генах, якія выдаляюцца сплайсасомамі (сплайсасомныя інтроны) Інтроны ў ядзерных і архейных генах транспартнай РНК, якія выдаляюцца бялкамі (інтроны тРНК) Інтроны групы I, якія выдаляюцца самастойна РНК-каталізам Інтроны групы II, якім характэрны аўтасплайсінг, як і інтронам I групы.
Мяркуецца, што інтроны III групы з’яўляюцца пятым класам, але мала што вядома пра біяхімічны апарат, які забяспечвае іх сплайсінг. Іх часта адносяць да II групы праз структурнае і функцыянальнае падабенства. Інтроны I, II, III груп самастойна выразаюцца з мРНК і менш распаўсюджаныя, чым сплайсасомныя інтроны.
Сплайсасомныя інтроны Ядзерныя інтроны ў прэ-мРНК (сплайсасомныя інтроны) характарызуюцца спецыфічнымі паслядоўнасцямі, размешчанымі на межах паміж інтронамі і экзонамі. Гэтыя паслядоўнасці распазнаюцца малекуламі сплайсасомнай РНК, калі ініцыююцца рэакцыі сплайсінгу. Акрамя таго, яны маюць кропку разгалінавання, пэўную паслядоўнасць нуклеатыдаў паблізу 3'-канца інтрона, якая кавалентна злучаецца з 5'-канцом інтрона ў працэсе сплайсінгу, утвараючы разгалінаваны інтрон. Акрамя гэтых трох кароткіх кансерватыўных элементаў, паслядоўнасці інтронаў ядзернай прэ-мРНК вельмі зменлівыя. Ядзерныя інтроны прэ-мРНК часта значна даўжэйшыя за суседнія экзоны.
Выдаленне інтронаў транспартнай РНК залежыць ад бялкоў. Выразанне адбываецца ў пэўным месцы ўнутры антыкадонавай пятлі несплайсаваных папярэднікаў тРНК і выдаляюцца інтроны эндануклеазай сплайсінгу тРНК. Затым экзоны злучаюцца разам другім бялком, тРНК-лігазай сплайсінгу. Інтроны, якім характерны самасплайсінг, таксама часам сустракаюцца ў генах тРНК.
Інтроны I і II групы Інтроны групы I і групы II знаходзяцца ў генах, якія кадуюць бялкі (інфармацыйная РНК), транспартную РНК і рыбасамальную РНК у вельмі шырокім дыяпазоне жывых арганізмаў. Пасля транскрыпцыі ў РНК інтроны груп I і II таксама ўступаюць у шырокія ўнутраныя ўзаемадзеянні, якія дазваляюць ім згортвацца ў спецыфічную складаную трохмерную архітэктуру. Гэтыя складаныя архітэктуры дазваляюць некаторым інтронам групы I і групы II самастойна выдаляцца, гэта значыць малекула РНК, якая змяшчае інтрон, можа перабудоўваць сваю ўласную кавалентную структуру так, каб дакладна выдаліць інтрон і злучыць экзоны разам у правільным парадку. У некаторых выпадках пэўныя бялкі, якія звязваюць інтроны, удзельнічаюць у сплайсінгу, дапамагаючы інтрону згортвацца ў трохмерную структуру, неабходную для аўтасплайсінгу. Інтроны групы I і групы II адрозніваюцца рознымі наборамі ўнутраных кансерватыўных паслядоўнасцей і трохмерных структур. Таксама падчас сплайсінгу малекул РНК, што маюць інтроны групы II, ствараюцца разгалінаваныя інтроны (як і інтроны сплайсасомных РНК), у той час як інтроны групы I выкарыстоўваюць некадуемы гуаназінавы нуклеатыд (звычайна GTP), каб ініцыяваць сплайсінг, дадаючы яго да 5'-канца выдаленага інтрона.
Дакладнасць сплайсінгу Сплайсасома — гэта вельмі складаная структура, у якую ўваходзіць да ста бялкоў і пяць розных РНК. Субстратам рэакцыі з’яўляецца доўгая малекула РНК, і рэакцыі трансэтэрыфікацыі, якія каталізуюцца сплайсасомай, патрабуюць аб’яднання сайтаў, якія могуць знаходзіцца на тысячах нуклеатыдаў адзін ад аднаго. Усе біяхімічныя рэакцыі звязаны з вядомай частатой памылак, і чым больш складаная рэакцыя, тым вышэй верагоднасць памылкі. Такім чынам, не дзіўна, што рэакцыя сплайсінгу, каталізуемая сплайсасомай, мае значную долю памылак, нават калі існуюць дадатковыя фактары сплайсасомы, якія падаюляўць выпадковае расшчапленне скрытых сайтаў сплайсінгу.
У ідэальных умовах рэакцыя сплайсінгу, верагодна, будзе дакладнай на 99,999 % (частата памылак 10−5), правільныя экзоны будуць аб’яднаны, а правільны інтрон будзе выдалены. Аднак гэтыя ідэальныя ўмовы патрабуюць вельмі блізкага супадзення з найлепшымі паслядоўнасцямі сайтаў сплайсінгу і адсутнасці якіх-небудзь канкуруючых скрытых паслядоўнасцей сайтаў сплайсінгу ў інтронах, і гэтыя ўмовы рэдка сустракаюцца ў вялікіх эукарыятычных генах, якія могуць ахопліваць больш за 40 тысяч пар асноў. Нядаўнія даследаванні паказалі, што фактычны ўзровень памылак можа быць значна вышэйшым за 10−5 і дасягаць 2 % або 3 % памылак (частата памылак 2 або 3 x 10−2) на ген. Дадатковыя даследаванні паказваюць, што доля памылак складае не менш за 0,1 % на інтрон. Гэты адносна высокі ўзровень памылак сплайсінгу тлумачыць, чаму большасць варыянтаў сплайсінгу хутка разбураюцца нонсэнс-апасродкаваным распадам.
Наяўнасць неакуратных сайтаў звязвання ў генах выклікае памылкі сплайсінгу, і можа здацца дзіўным, што гэтыя сайты не былі ліквідаваны натуральным адборам. Аргумент аб іх устойлівасці падобны на аргумент аб прычыне існавання «смеццевай» ДНК.Хаця мутацыі, якія ствараюць або разбураюць сайты звязвання, могуць быць крыху шкоднымі, вялікая колькасць магчымых такіх мутацый робіць непазбежным тое, што некаторыя з іх дасягнуць фіксацыі ў папуляцыі. Гэта асабліва актуальна для такіх відаў, як людзі, з адносна невялікімі доўгатэрміновымі эфектыўнымі памерамі папуляцыі. Такім чынам, праўдападобна, што геном чалавека нясе значную нагрузку субаптымальных паслядоўнасцей, якія выклікаюць генерацыю аберантных ізаформ транскрыптаў.У той час як каталітычная рэакцыя можа быць дастаткова дакладнай для эфектыўнага працэсінгу большую частку часу, агульны ўзровень памылак можа быць часткова абмежаваны дакладнасцю транскрыпцыі, таму што памылкі транскрыпцыі прывядуць да мутацыі, якія ствараюць скрытыя сайты сплайсінгу. Акрамя таго, частата памылак транскрыпцыі 10−5 — 10−6 дастаткова высокая, каб адзін з кожных 25 000 транскрыбаваных экзонаў меў памылку ўключэння ў адным з сайтаў сплайсінгу, што вядзе да прапушчанага інтрона або экзона. Амаль усе гены з вялікай колькасцю экзонаў будуць ствараць няправільна сплайсаваныя транскрыпты, але частата гэтага фонавага шуму будзе залежаць ад памеру генаў, колькасці інтронаў і якасці паслядоўнасцей сайтаў сплайсінгу.
У некаторых выпадках варыянты сплайсінгу ўтвараюцца ў выніку мутацый у гене. Гэта могуць быць SNP-палімарфізмы, якія ствараюць схаваны сайт сплайсінгу або муціруюць функцыянальны сайт. Таксама могуць адбывацца мутацыі саматычных клетак, якія ўплываюць на сплайсінг ў пэўнай тканцы або цэлявай лініі. Калі мутантны алель знаходзіцца ў гетэразіготным стане, гэта прыводзіць да ўтварэння двух распаўсюджаных варыянтаў сплайсінгу: аднаго функцыянальнага і аднаго нефункцыянальнага. У гомазіготным стане мутантныя алелі могуць выклікаць генетычныя захворванні, такія як гемафілія, якая выявілася ў нашчадкаў каралевы Вікторыі, калі мутацыя ў адным з інтронаў гена фактару згортвання крыві стварае схаваны 3'-сайт сплайсінгу, які прыводзіць да аберантнага сплайсінгу. Значная частка смерцяў людзей ад хвароб можа быць выклікана мутацыямі, што парушаюць нармальны сплайсінг; галоўным чынам, шляхам стварэння схаваных сайтаў сплайсінгу.
Няправільна сплайсаваныя транскрыпты могуць быць лёгка выяўленыя, і іх паслядоўнасці могуць быць занесены ў анлайн базы даных. Звычайна іх апісваюць як «альтэрнатыўна сплайсаваныя» транскрыпты, што можа прывесці да блытаніны, паколькі гэты тэрмін не праводзіць адрозненні паміж рэальным, біялагічна значным альтэрнатыўным сплайсінгам і шумам апрацоўкі праз памылкі сплайсінгу. Адным з цэнтральных пытанняў у галіне альтэрнатыўнага сплайсінгу з’яўляецца высвятленне адрозненняў паміж гэтымі двума працэсамі. Многія навукоўцы сцвярджалі, што нулявая гіпотэза павінна быць сплайсінгавым шумам, ускладаючы цяжар даказвання на тых, хто сцвярджае аб біялагічна значным альтэрнатыўным сплайсінгу. На думку гэтых навукоўцаў, сцвярджэнне аб функцыянальнасці павінна суправаджацца пераканаўчымі доказамі таго, што з аднаго і таго ж гена кадуецца мноства функцыянальных прадуктаў.
Біялагічныя функцыі і эвалюцыя