Langjähriges genomisches Rätsel um die Ursprünge von Introns in neuer Studie erklärt

Eines der am längsten bestehenden grundlegenden Rätsel der Biologie umgibt die kaum verstandenen Ursprünge von Introns. Introns sind Segmente nichtkodierender DNA, die aus dem genetischen Code entfernt werden müssen, bevor sie im Prozess der Proteinherstellung übersetzt werden. Introns sind ein uraltes Merkmal, das in allem eukaryotischen Leben zu finden ist, einer breiten Palette von Organismen, die alle Tiere, Pflanzen, Pilze und Protisten umfasst, aber in prokaryotischen Genomen wie denen von Bakterien fehlen. Es gibt eine massive Variation in der Anzahl der Introns, die in den Genomen verschiedener Arten gefunden werden, selbst zwischen eng verwandten Arten.

Jetzt eine neue Studie, die von Wissenschaftlern der UC Santa Cruz geleitet und in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) weist auf Introner hin, einen von mehreren vorgeschlagenen Mechanismen für die Erzeugung von Introns, die 2009 entdeckt wurden, als Erklärung für die Ursprünge der meisten Introns über Arten hinweg. Die Forscher glauben, dass Introner die einzig wahrscheinliche Erklärung für Intron-Burst-Ereignisse sind, bei denen Tausende von Introns scheinbar gleichzeitig in einem Genom auftauchen, und sie finden Beweise dafür in Arten im gesamten Baum des Lebens.

„[This study] liefert eine plausible Erklärung für die überwiegende Mehrheit der Ursprünge von Introns“, sagte Russell Corbett-Detig, außerordentlicher Professor für Biomolekulartechnik und leitender Autor der Studie. „Es gibt andere Mechanismen da draußen, aber dies ist der einzige, den ich kenne Tausende und Abertausende von Introns auf einmal im Genom erzeugen könnten. Wenn das stimmt, deutet dies darauf hin, dass wir einen Kernprozess entdeckt haben, der etwas wirklich Besonderes an eukaryotischen Genomen antreibt – wir haben diese Introns, wir haben genomische Komplexität.“

Introns sind wichtig, weil sie ein alternatives Spleißen ermöglichen, was es wiederum einem Gen ermöglicht, für mehrere Transkripte zu kodieren und somit mehreren komplexen Zellfunktionen zu dienen. Introns können auch die Genexpression beeinflussen, also die Rate, mit der Gene angeschaltet werden, um Proteine ​​und andere nicht-kodierende RNA herzustellen. Introns wirken sich letztendlich neutral bis leicht negativ auf die Spezies aus, in der sie vorkommen, denn wenn das Spleißen von Introns nicht korrekt durchgeführt wird, kann das Gen, in dem sie leben, geschädigt werden und sogar sterben. Solche verpassten Splicing-Instanzen sind die Ursache einiger Krebsarten.

Corbett-Detig und seine Kollegen durchsuchten die Genome von 3.325 eukaryotischen Arten – alle Arten, für die wir Zugang zu qualitativ hochwertigen Referenzgenomen haben – um herauszufinden, wie häufig von Intronern abgeleitete Introns sind und in welchen Gruppen von Arten sie vorkommen am häufigsten. Sie fanden insgesamt 27.563 von Intronern abgeleitete Introns in den Genomen von 175 Arten, was bedeutet, dass Hinweise auf Introner bei 5,2 % der untersuchten Arten zu sehen waren.

Diese Beweise wurden bei Arten aller Art gefunden, von Tieren bis hin zu einzelligen Protisten – Organismen, deren letzter gemeinsamer Vorfahre vor über 1,7 Milliarden Jahren lebte. Die Vielfalt der Arten, in denen sie gefunden werden, legt nahe, dass Introner sowohl die grundlegende als auch die am weitesten verbreitete Quelle von Introns im gesamten Baum des Lebens sind.

„Es ist vielfältig – es ist nicht so, dass es einen kleinen Teil des Baums des Lebens gibt, der so vor sich geht“, sagte Corbett-Detig. „Sie sehen dies in einer ziemlich großen Auswahl an Arten, was darauf hindeutet, dass es sich um einen ziemlich allgemeinen Mechanismus handelt.“

Diese Analyse kann nur Hinweise auf Introner finden, die einige Millionen Jahre zurückreichen, eine relativ kurze Zeitspanne, wenn es um die Evolutionsgeschichte geht. Es ist wahrscheinlich, dass Intron-Bursts in einigen Arten, wie Menschen, zu einem Zeitpunkt aufgetreten sein könnten, der über den Rahmen dieser Analyse hinausgeht – was bedeutet, dass diese Studie wahrscheinlich den wahren Umfang von Introner-abgeleiteten Introns bei allen Eukaryoten stark unterschätzt.

Introner als genomische Parasiten

Im Ökosystem des Genoms kann man sich Introner als Parasiten mit dem Ziel vorstellen, zu überleben und sich selbst zu replizieren. Wenn ein Introner in einen neuen Organismus eindringt, hat dieser neue Wirt dieses Element noch nie zuvor gesehen und hat keine Möglichkeit, sich zu verteidigen, wodurch es sich in einer neuen Art vermehren kann.

„Alles in der Evolution ist ein Konflikt und diese Elemente, [including introners]sind selbstsüchtige DNA-Stücke“, sagte Landen Gozashti, der Erstautor des Papiers, der die Analysemethoden der Studie als Student an der UCSC entwickelte und jetzt Doktorand an der Harvard University ist. „Sie wollen nur replizieren, und der einzige Grund, warum sie es tun Sie wollen ihren Wirt nicht töten, weil das sie tötet.

Indem sie aus der DNA-Sequenz herausgespleißt wurden, bevor die Übersetzung des Gens in Proteine ​​erfolgte, fanden die Introner einen Weg, die Fitness des Wirtsgens weniger zu beeinflussen, wodurch sie über die Generationen der Evolution der Wirtsspezies bestehen bleiben konnten. Die Forscher fanden heraus, dass von Intronern abgeleitete Introns anscheinend besser gespleißt werden als andere Arten von Introns, um ihre negativen Auswirkungen auf das Gen zu begrenzen, sodass sowohl der Introner als auch der Wirt besser überleben können.

Mehr Introner im Meer

Während alle Arten von Intronern gefunden wurden, zeigten die Ergebnisse, dass Meeresorganismen mit 6,5-mal höherer Wahrscheinlichkeit Introner haben als Landarten.

Die Forscher glauben, dass dies wahrscheinlich auf ein Phänomen zurückzuführen ist, das als horizontaler Gentransfer bezeichnet wird, bei dem Gene von einer Art auf eine andere übertragen werden, im Gegensatz zu der typischen vertikalen Übertragung durch Paarung und der Weitergabe von Genen von den Eltern an das Kind. Es ist bereits bekannt, dass horizontaler Gentransfer in marinen Umgebungen häufiger auftritt, insbesondere zwischen einzelligen Arten mit komplexen Ökologien.

Introner können auf diese Weise reisen, weil sie zu einer Klasse von genomischen Elementen gehören, die als transponierbare Elemente bezeichnet werden und die Fähigkeit haben, sich über die Zellumgebung, in der sie leben, hinauszubewegen, wodurch sie mechanisch gut gerüstet sind, um sich über horizontalen Gentransfer zwischen Arten zu bewegen. Als Introner in Meeresumgebungen von einer Art zu einer anderen wechselten, dehnten sie ihre Präsenz im Baum des Lebens erheblich aus.

In Anbetracht dessen, dass wir wissen, dass sich alle Arten aus Meeresorganismen entwickelt haben, könnte es sein, dass Landarten weit zurück in ihrer Evolutionsgeschichte Introns aus Intron-Bursts gewonnen haben.

„Wenn Ihre Vorfahren Meeresorganismen waren, was sie alle waren, besteht eine gute Chance, dass viele Ihrer Introns von einem ähnlichen geerbt wurden [introner burst] Ereignis damals“, sagte Corbett-Detig. „Das könnte in unserer evolutionären Vergangenheit sehr wichtig gewesen sein.“

Es wurden auch mehr Introner bei Pilzarten gefunden, von denen auch bekannt ist, dass sie höhere Raten des horizontalen Gentransfers aufweisen, was die Idee weiter stützt, dass dieses Phänomen den Itroner-Gewinn antreibt.

In zukünftigen Forschungen will Corbett-Detig nach Beweisen für einen horizontalen Gentransfer in Form nahezu identischer Introner in zwei verschiedenen Arten suchen. Er hat Data-Mining-Pipelines eingerichtet, sodass sein Algorithmus, wenn die globale Gemeinschaft von Genomforschern die Genome neuer Arten zu Datenspeichern hinzufügt, die Introner jedes neuen Genoms durchsucht und sie mit allen bekannten Intronern vergleicht, um nach Ähnlichkeiten zu suchen.

Verstehen, wie sich Komplexität entwickelt

Diese Studie stellt eine der übergreifenden Theorien der Genomentwicklung in Frage, was die genomische Komplexität in Eukaryoten antreibt. Die Theorie geht auch davon aus, dass viele Arten zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Evolution eine geringe effektive Populationsgröße hatten, was bedeutet, dass nur sehr wenige Organismen einer Art Nachkommen hervorbrachten, um ihre nächste Generation zu schaffen. Dadurch konnten sich Elemente im Genom anreichern, von denen bekannt ist, dass sie leicht negative Auswirkungen auf die Population haben.

Nach dieser Theorie würden Itroner, die neutral bis leicht schädlich sind, häufiger in Populationen mit weniger effektiven Populationen gesehen – aber die Forscher fanden das Gegenteil heraus. Das haben sie zum Beispiel gefunden Symbiodiniumein Protist, von dem bekannt ist, dass er eine viel höhere effektive Populationsgröße hat als Menschen, Landpflanzen und andere wirbellose Tiere, ist die Art, die von den Befragten die meisten Introns zu gewinnen scheint.

Aber diese Forschung weist auf Komplexität hin, die nicht aus einer vom Genom selbst geschaffenen Anpassung entsteht, sondern als Reaktion auf Konflikte, die durch das eindringende transponierbare Element, den Introner, bei seinem Versuch, sich zu vermehren, verursacht werden. Während Introner und andere Elemente ums Überleben und Überleben kämpfen, treibt dieser Konflikt die Komplexität des Genoms voran.

Introner und Genexpression

Die neutralen bis negativen Wirkungen von Introns werden auch durch ihre Wirkung auf die Genexpression belegt. Beim Vergleich von Genen mit in sie eingefügten Intronern mit Genen ohne Introner hatten diejenigen, die Introner haben, ein niedrigeres Gesamtexpressionsniveau, was bedeutet, dass sie weniger oft eingeschaltet werden, um Funktionen im Körper auszuführen.

Die Forscher glauben, dass Introner diese geringere Expression nicht unbedingt direkt verursachen, aber dass Gene, die weniger exprimiert werden, eine höhere Toleranz für ein Element haben, das sie möglicherweise negativ beeinflusst, weil sie für das Überleben der Art weniger wichtig sind. In der Zwischenzeit können Gene, die stark exprimiert sind und Schlüsselfunktionen im Körper codieren, wahrscheinlich die Einführung neuer Introns nicht tolerieren, die dazu führen könnten, dass sie ihre Aufgabe weniger effektiv erfüllen.

Corbett-Detigs laufende Forschung zu diesem Thema umfasst auch die Untersuchung direkter Beweise dafür, wie sich das Auftreten von Introns in einem Genom auf Individuen innerhalb einer Art auswirkt. Er hat mehrere Arten identifiziert, die anhaltende Intron-Bursts erfahren, und untersucht die Wirkung von Intronern auf die DNA und RNA der Zelle und wie sich dies auf die evolutionäre Fitness der Arten auswirkt.