Lezione 12

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

L’ipotesi introns-early (la teoria esonica dei geni)

Geni ancestrali possedevano introni self-splicing. 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

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

Russell Doolittle

Ipotesi sull’origine degli introni

L’ipotesi introns-late

Spliceosomal introns nucleari sono derivati da introni del gruppo II (self-splicing) 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) 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?