Το Διακεκομμένο Γονίδιο

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το Διακεκομμένο Γονίδιο ΠΕΡΙΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 3.1 Εισαγωγή 3.2 Ένα διακεκομμένο γονίδιο διαθέτει εξόνια και ιντρόνια 3.3 Τα εξόνια και τα ιντρόνια διαφέρουν ως προς τη σύσταση των βάσεων 3.4 Η οργάνωση των διακεκομμένων γονιδίων μπορεί να είναι συντηρημένη 3.5 Οι αλληλουχίες των εξονίων υπό αρνητική επιλογή διατηρούνται όμως τα ιντρόνια μεταβάλλονται μεταβάλλονται όμως τα ιντρόνια διατηρούνται 3.7 Τα γονίδια εμφανίζουν μια ευρεία κατανομή μεγεθών κυρίως εξαιτίας της διακύμανσης του μεγέθους και του αριθμού των ιντρονίων 3.8 Ορισμένες αλληλουχίες DNA κωδικοποιούν περισσότερα του ενός πολυπεπτίδια 3.9 Ορισμένα εξόνια αντιστοιχούν σε λειτουργικές αυτοτελείς δομικές περιοχές πρωτεϊνών 3.10 Τα μέλη μιας γονιδιακής οικογένειας διαθέτουν κοινή οργάνωση 3.11 Στο DNA υπάρχουν πολλές μορφές πληροφοριών 3.6 Οι αλληλουχίες των εξονίων υπό θετική επιλογή 3.1 Εισαγωγή Η απλούστερη μορφή ενός γονιδίου είναι ένα τμήμα DNA που αντιστοιχεί άμεσα στο πολυπεπτιδικό του προϊόν. Τα βακτηριακά γονίδια είναι σχεδόν πάντα αυτού του τύπου, στον οποίο μια συνεχής αλληλουχία 3Ν βάσεων κωδικοποιεί ένα πολυπεπτίδιο Ν αμινοξέων. Ωστόσο, στους ευκαρυώτες, τα ριβοσωμικά RNA (rrna), τα μεταφορικά RNA (trna) και τα περισσότερα αγγελιαφόρα RNA (mrna) αρχικά συντίθενται ως μακριά πρόδρομα μετάγραφα τα οποία στη συνέχεια βραχύνονται (βλέπε το κεφάλαιο με τίτλο Συρραφή και Επεξεργασία του RNA). Συνεπώς, τα ευκαρυωτικά γονίδια συνήθως είναι πολύ μακρύτερα από τα λειτουργικά μετάγραφα που παράγουν. Είναι εύλογο να υποθέσουμε ότι η βράχυνση περιλαμβάνει μια περικοπή πρόσθετων, ενδεχομένως ρυθμιστικών, αλληλουχιών στα 5 και/ή 3 άκρα των μεταγράφων, η οποία αφήνει άθικτη την αλληλουχία του πρόδρομου μεταγράφου που κωδικοποιεί rrna ή πρωτεΐνη. Ωστόσο, ένα ευκαρυωτικό γονίδιο μπορεί να περιλαμβάνει πρόσθετες αλληλουχίες που βρίσκονται τόσο εντός όσο και εκτός της περιοχής που είναι λειτουργική όσον αφορά τον φαινότυπο. Οι αλληλουχίες που κωδικοποιούν πρωτεΐνες μπορούν να είναι διακεκομμένες, όπως και οι αλληλουχίες 5 και 3 (UTR) που πλαισιώνουν τις αλληλουχίες κωδικοποίησης πρωτεϊνών εντός του mrna. Οι παρεμβαλλόμενες αλληλουχίες απομακρύνονται από το πρωτογενές μετάγραφο (primary transcript) (RNA) (ή προ-mrna, pre-mrna) κατά 1

2 τη γονιδιακή έκφραση, δημιουργώντας ένα mrna που περιλαμβάνει μια συνεχή αλληλουχία βάσεων η οποία αντιστοιχεί στο πολυπεπτιδικό προϊόν όπως καθορίζεται από τον γενετικό κώδικα. Οι αλληλουχίες του DNA που συνιστούν ένα διακεκομμένο γονίδιο κωδικοποίησης πρωτεΐνης διαιρούνται σε δύο κατηγορίες (βλέπε ΕΙΚΟ- ΝΑ 3.1): Τα εξόνια (exons) είναι οι αλληλουχίες που διατηρούνται στο ώριμο RNA προϊόν. Ένα ώριμο μετάγραφο (mature transcript) αρχίζει και τελειώνει με εξόνια που αντιστοιχούν στα 5 και 3 άκρα του RNA. Τα ιντρόνια (introns) είναι οι παρεμβαλλόμενες αλληλουχίες που απομακρύνονται όταν το πρωτογενές μετάγραφο RNA υφίσταται επεξεργασία για την παραγωγή του ώριμου RNA προϊόντος. Οι αλληλουχίες των εξονίων έχουν την ίδια σειρά στο γονίδιο και στο RNA, ωστόσο ένα διακεκομμένο γονίδιο (interrupted gene) είναι μεγαλύτερο από το ώριμο RNA προϊόν του εξαιτίας της παρουσίας των ιντρονίων. Η επεξεργασία των διακεκομμένων γονιδίων απαιτεί ένα πρόσθετο βήμα που δεν είναι απαραίτητο στα μη διακεκομμένα γονίδια. Το DNA ενός διακεκομμένου γονιδίου μεταγράφεται σε ένα αντίγραφο RNA (ένα μετάγραφο) που είναι ακριβώς συμπληρωματικό με την αρχική αλληλουχία του DNA. Ωστόσο, αυτό το RNA είναι μόνο ένα πρόδρομο μόριο και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη για την παραγωγή ενός πολυπεπτιδίου. Αρχικά, από το RNA πρέπει να απομακρυνθούν τα ιντρόνια ώστε να παραχθεί ένα mrna αποτελούμενο μόνο από μια σειρά εξονίων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται συρραφή ή μάτισμα του RNA (RNA splicing) (βλέπε το κεφάλαιο με τίτλο Τα Γονίδια είναι DNA και Κωδικοποιούν DNA προ-mrna mrna ΕΞΟΝΙΟ 1 ΕΞΟΝΙΟ 2 ΕΞΟΝΙΟ 3 ΙΝΤΡΟΝΙΟ 1 ΙΝΤΡΟΝΙΟ 2 Πρωτεϊνοσύνθεση Σύνθεση RNA ΙΝΤΡΟΝΙΟ 1 ΙΝΤΡΟΝΙΟ 2 Η συρραφή απομακρύνει τα ιντρόνια Πρωτεϊνοσύνθεση Το μήκος του πρόδρομου RNA (όχι του mrna) καθορίζει την περιοχή του γονιδίου Στο γονίδιο οι επιμέρους κωδικές περιοχές είναι διαχωρισμένες Εικόνα 3.1 Τα διακεκομμένα γονίδια εκφράζονται μέσω ενός πρόδρομου RNA. Τα ιντρόνια απομακρύνονται κατά τη συρραφή των εξονίων. Το ώριμο mrna διαθέτει μόνο τις αλληλουχίες των εξονίων. RNA και Πολυπεπτίδια) και περιλαμβάνει την ακριβή απαλοιφή των ιντρονίων από το πρωτογενές μετάγραφο και στη συνέχεια τη συνένωση των άκρων του RNA στις δύο πλευρές κάθε ιντρονίου για τον σχηματισμό ενός ομοιοπολικά ανέπαφου μορίου (βλέπε το κεφάλαιο με τίτλο Συρραφή και Επεξεργασία του RNA). Το αρχικό ευκαρυωτικό γονίδιο περιλαμβάνει την περιοχή του γονιδιώματος που βρίσκεται μεταξύ των σημείων που αντιστοιχούν στις 5 και 3 τερματικές βάσεις του ώριμου RNA. Γνωρίζουμε ότι η μεταγραφή ξεκινά στο εκμαγείο DNA που αντιστοιχεί στο 5 άκρο του mrna και συνήθως εκτείνεται πέρα από το συμπλήρωμα έως το 3 άκρο του ώριμου RNA, το οποίο δημιουργείται με αποκοπή της 3 επέκτασης. Το γονίδιο θεωρείται επίσης ότι περιλαμβάνει τις ρυθμιστικές περιοχές εκατέρωθεν του γονιδίου οι οποίες είναι απαραίτητες για την έναρξη και (ορισμένες φορές) για τη λήξη της μεταγραφής. 3.2 Ένα διακεκομμένο γονίδιο διαθέτει εξόνια και ιντρόνια Τα ιντρόνια απομακρύνονται μέσω της συρραφής του RNA, η οποία πραγματοποιείται in cis σε ανεξάρτητα μόρια RNA. Οι μεταλλαγές των εξονίων μπορούν να επιδράσουν στην πολυπεπτιδική αλληλουχία. Οι μεταλλαγές των ιντρονίων μπορούν να επιδράσουν στην επεξεργασία του RNA και συνεπώς να επηρεάσουν την αλληλουχία και/ή την παραγωγή ενός πολυπεπτιδίου. Πώς η ύπαρξη ιντρονίων αλλάζει την άποψή μας για το γονίδιο; Κατά τη διάρκεια της συρραφής, τα εξόνια ενώνονται πάντα μεταξύ τους με την ίδια σειρά με την οποία απαντούν στο αρχικό DNA, διατηρώντας με τον τρόπο αυτό την αντιστοιχία μεταξύ των αλληλουχιών του γονιδίου και του πολυπεπτιδίου. Η ΕΙΚΟΝΑ 3.2 δείχνει ότι η σειρά των εξονίων σε ένα γονίδιο παραμένει η ίδια με τη σειρά των εξονίων στο επεξεργασμένο mrna, όμως οι αποστάσεις μεταξύ των θέσεων στο γονίδιο δεν αντιστοιχούν στις αποστάσεις μεταξύ των θέσεων στο επεξεργασμένο mrna. Το μήκος ενός γονιδίου καθορίζεται από το μήκος του πρωτογενούς μεταγράφου mrna και όχι από το μήκος του ώριμου mrna. Όλα τα εξόνια ενός γονιδίου βρίσκονται σε ένα μόριο RNA και η μεταξύ τους συρραφή αποτελεί μια ενδομοριακή αντίδραση. Συνήθως, δεν υπάρχει συνένωση εξονίων που να πραγματοποιείται από διαφορετικά μόρια RNA, επομένως, σπάνια υπάρχει διασταυρούμενη συρραφή των αλληλουχιών. (Ωστόσο, σε μια διαδικασία γνωστή ως trans-συρραφή, αλληλουχίες προερχόμενες από διαφορετικά mrna συνδέονται μεταξύ τους σε ένα και μοναδικό προς μετάφραση μόριο.) Οι μεταλλαγές που επηρεάζουν άμεσα την αλληλουχία ενός πολυπεπτιδίου πρέπει να συμβαίνουν στα εξόνια. Ποιες είναι οι επιδράσεις των μεταλλαγών στα 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το Διακεκομμένο Γονίδιο

3 Γονιδιωματικό DNA Εξόνιο 1 Ιντρόνιο 1 Εξόνιο 2 Ιντρόνιο 2 Εξόνιο 3 A B C A B B C mrna Εξόνιο 1 Εξόνιο 2 Εξόνιο 3 A B C A B B C Εικόνα 3.2 Στο mrna τα εξόνια διατηρούν την ίδια σειρά όπως στο DNA, αλλά οι αποστάσεις κατά μήκος του γονιδίου δεν αντιστοιχούν στις αποστάσεις κατά μήκος των mrna ή των πολυπεπτιδικών προϊόντων. Η απόσταση A B στο γονίδιο είναι μικρότερη από την απόσταση B C, όμως η απόσταση A B στο mrna (και στο πολυπεπτίδιο) είναι μεγαλύτερη από την απόσταση B C. ιντρόνια; Τα ιντρόνια δεν αποτελούν μέρος του ώριμου mrna, συνεπώς οι μεταλλαγές τους δεν επηρεάζουν άμεσα την πολυπεπτιδική αλληλουχία. Ωστόσο, μπορούν να επηρεάσουν την επεξεργασία της παραγωγής του mrna με αναστολή της συρραφής των εξονίων. Μια μεταλλαγή αυτού του είδους δρα μόνο στο αλληλόμορφο που τη φέρει. Οι μεταλλαγές που επηρεάζουν τη συρραφή είναι συνήθως επιβλαβείς. Στην πλειονότητά τους αποτελούν αντικαταστάσεις μίας βάσης στις συμβολές μεταξύ ιντρονίων και εξονίων και μπορεί να προκαλέσουν την παράλειψη ενός εξονίου από το προϊόν, τη συμπερίληψη ενός ιντρονίου ή την πραγματοποίηση της συρραφής σε διαφορετική θέση. Το πιο κοινό αποτέλεσμα είναι ένα κωδικόνιο λήξης που προκαλεί τη βράχυνση της πολυπεπτιδικής αλληλουχίας. Συνεπώς, οι μεταλλαγές των ιντρονίων μπορούν να επηρεάσουν όχι μόνο την παραγωγή ενός πολυπεπτιδίου αλλά και την αλληλουχία του. Περίπου το 15% των σημειακών μεταλλαγών που προκαλούν ανθρώπινες ασθένειες διαταράσσουν τη συρραφή. Ορισμένα ευκαρυωτικά γονίδια δεν είναι διακεκομμένα και αντιστοιχούν απευθείας στο πολυπεπτιδικό προϊόν, όπως τα προκαρυωτικά γονίδια. Στον ζυμομύκητα Saccharomyces cerevisiae, τα περισσότερα γονίδια είναι μη διακεκομμένα. Στους πολυκύτταρους ευκαρυώτες, τα περισσότερα γονίδια είναι διακεκομμένα και τα ιντρόνια είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερα από τα εξόνια, με αποτέλεσμα τα γονίδια να είναι σημαντικά μεγαλύτερα από τις κωδικές τους περιοχές. 3.3 Τα εξόνια και τα ιντρόνια διαφέρουν ως προς τη σύσταση των βάσεων Οι τέσσερις «κανόνες» που αφορούν τη σύσταση των βάσεων του DNA είναι ο πρώτος και ο δεύτερος κανόνας ισοδυναμίας (και οι δύο είναι επίσης γνωστοί ως κανόνες του Chargaff), ο κανόνας των συστάδων και ο κανόνας GC. Τα εξόνια και τα ιντρόνια μπορούν να διακριθούν με βάση όλους τους κανόνες εκτός από τον πρώτο. Ο δεύτερος κανόνας ισοδυναμίας προτείνει μια εξώθηση οργανωμένων τμημάτων στελέχους-βρόχου από το δίκλωνο DNA, η οποία θα ήταν μεγαλύτερη στα ιντρόνια. Οι κανόνες σχετίζονται με γονιδιωματικά χαρακτηριστικά ή «πιέσεις» που συνιστούν τον φαινότυπο του γονιδιώματος. Στη δεκαετία του 1940, ο Erwin Chargaff ξεκίνησε μελέτες σχετικά με τη σύσταση των βάσεων του DNA οι οποίες οδήγησαν σε τέσσερις «κανόνες», ξεκινώντας με τον πρώτο κανόνα ισοδυναμίας (first parity rule) για το δίκλωνο DNA (βλέπε το κεφάλαιο με τίτλο Τα Γονίδια Είναι DNA και Κωδικοποιούν RNA και Πολυπεπτίδια). Αυτός ο κανόνας ισχύει για τις περισσότερες περιοχές του DNA, συμπεριλαμβανομένων τόσο των εξονίων όσο και των ιντρονίων. Η βάση Α σε μια αλυσίδα του δίκλωνου μορίου συνδυάζεται με μια συμπληρωματική βάση (Τ) στην άλλη αλυσίδα, ενώ η βάση G στη μία αλυσίδα με μια συμπληρωματική βάση (C) στην άλλη αλυσίδα. Κατ επέκταση, ο κανόνας ισχύει όχι μόνο για τις μεμονωμένες βάσεις αλλά και για δινουκλεοτίδια, τρινουκλεοτίδια και ολιγονουκλεοτίδια. Συνεπώς, το GT ζευγαρώνει με το αντίστροφο συμπλήρωμά του AC και το ATG με το αντίστροφο συμπλήρωμά του CAT. Εκτός από τον ευρέως γνωστό πρώτο κανόνα ισοδυναμίας, μεταγενέστερες μελέτες του Chargaff τον οδήγησαν να προτείνει έναν δεύτερο κανόνα ισοδυναμίας (second parity rule). Ο λιγότερο γνωστός δεύτερος κανόνας ισοδυναμίας υποστηρίζει ότι, με μια πολύ καλή προσέγγιση, σε κάθε μονή αλυσίδα του δίκλωνου μορίου υπάρχουν ίσες ποσότητες Α και Τ και ίσες ποσότητες C και G. Όπως και ο πρώτος κανόνας ισοδυναμίας, αυτό επεκτείνεται και στις ολιγονουκλεοτιδικές αλληλουχίες: Για παράδειγμα, σε μια πολύ μακριά αλυσίδα υπάρχουν περίπου ίσοι αριθμοί δινουκλεοτιδίων AC και TG. Οι λόγοι για την ύπαρξη αυτού του κανόνα δεν είναι σαφείς, όμως η αλληλούχηση πολλών γονιδιωμάτων έχει δείξει ότι εμφανίζει σχεδόν καθολική ισχύ. Ο δεύτερος κανόνας ισοδυναμίας αφορά περισσότερα τα ιντρόνια παρά τα εξόνια, εν μέρει 3.3 Τα εξόνια και τα ιντρόνια διαφέρουν ως προς τη σύσταση των βάσεων 3

4 εξαιτίας ενός πρόσθετου κανόνα - οι πουρίνες τείνουν να συγκεντρώνονται στη μία αλυσίδα του DNA και οι πυριμιδίνες στην άλλη. Αυτός ο κανόνας συστάδων (cluster rule) όπως ισχύει για τα εξόνια είναι ότι οι πουρίνες, η Α και η G, εμφανίζουν την τάση να συγκεντρώνονται στη μία αλυσίδα DNA του δίκλωνου μορίου DNA (συνήθως την αλυσίδα μη εκμαγείο) και είναι συμπληρωματικές με συστάδες πυριμιδινών, T και C, στην αλυσίδα-εκμαγείο. Το γεγονός ότι στο μονόκλωνο DNA ένα ολιγονουκλεοτίδιο συνοδεύεται σε σειρά από ίσες ποσότητες του αντίστροφου συμπληρωματικού ολιγονουκλεοτιδίου του υποδηλώνει ότι το δίκλωνο DNA έχει τη δυνατότητα να εξωθεί αναδιπλωμένες δομές στελέχους-βρόχου, στις οποίες τα στελέχη μπορούν να εμφανίζουν ισοδυναμία βάσεων και οι βρόχοι κάποιο βαθμό συσταδοποίησης των βάσεων. Πράγματι, διαπιστώθηκε ότι η δυνατότητα για μια τέτοια δευτεροταγή δομή είναι μεγαλύτερη στα ιντρόνια παρά στα εξόνια, και ιδιαίτερα σε εξόνια υπό θετική πίεση επιλογής (βλέπε Ενότητα «Οι αλληλουχίες των εξονίων υπό θετική επιλογή μεταβάλλονται όμως τα ιντρόνια διατηρούνται» αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο). Τέλος, υπάρχει ο κανόνας GC (GC rule), σύμφωνα με τον οποίο η συνολική αναλογία των G+C σε ένα γονιδίωμα (περιεχόμενο GC) τείνει να αποτελεί έναν ειδικό για κάθε είδος χαρακτήρα (μολονότι τα επιμέρους γονίδια αυτού του γονιδιώματος τείνουν να εμφανίζουν χαρακτηριστικές τιμές). Το περιεχόμενο GC τείνει να είναι μεγαλύτερο στα εξόνια από ό, τι στα ιντρόνια. Οι τέσσερις κανόνες του Chargaff φαίνεται ότι σχετίζονται με χαρακτήρες ή «πιέσεις» που είναι ενδογενείς στο γονιδίωμα, συμβάλλοντας σε αυτό που ονομάστηκε φαινότυπος του γονιδιώματος (βλέπε την ενότητα Στο DNA υπάρχουν πολλές μορφές πληροφορίας αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο). 3.4 Η οργάνωση των διακεκομμένων γονιδίων μπορεί να είναι συντηρημένη άκρο του γονιδίου αντιστοιχεί στον χάρτη σε κάθε άκρο της αλληλουχίας του μηνύματος. Ωστόσο, στο εσωτερικό του γονιδίου, οι χάρτες αποκλίνουν διότι οι πρόσθετες περιοχές που απαντούν στο γονίδιο δεν αντιπροσωπεύονται στο ώριμο mrna. Κάθε τέτοια περιοχή αντιστοιχεί σε ένα ιντρόνιο. Το παράδειγμα στην ΕΙΚΟΝΑ 3.3 συγκρίνει τους χάρτες περιορισμού ενός γονιδίου β-σφαιρίνης και του mrna του. Υπάρχουν δύο ιντρόνια, καθένα εκ των οποίων περιέχει μια σειρά θέσεων περιορισμού που απουσιάζουν από το συμπληρωματικό DNA (cdna, complementary DNA). Το πρότυπο των θέσεων περιορισμού στα εξόνια είναι το ίδιο στο cdna και στο γονίδιο. Η λεπτομερέστερη σύγκριση των αλληλουχιών των βάσεων ενός γονιδίου και του mrna του επιτρέπει την ακριβή ταυτοποίηση των ιντρονίων. Ένα ιντρόνιο συνήθως δεν διαθέτει ανοικτό πλαίσιο ανάγνωσης. Ένα άθικτο πλαίσιο ανάγνωσης δημιουργείται σε μια αλληλουχία mrna μέσω της απομάκρυνσης των ιντρονίων από το πρωτογενές μετάγραφο. Οι δομές των ευκαρυωτικών γονιδίων παρουσιάζουν εκτεταμένη ποικιλομορφία. Ορισμένα γονίδια είναι μη διακεκομμένα και οι αλληλουχίες τους είναι συγγραμμικές με εκείνες των αντίστοιχων mrna. Τα περισσότερα ευκαρυωτικά γονίδια των πολυκύτταρων οργανισμών είναι διακεκομμένα, όμως τα ιντρόνια παρουσιάζουν τεράστιες διαφορές τόσο ως προς τον αριθμό όσο και ως προς το μέγεθός τους. Τα γονίδια που κωδικοποιούν πολυπεπτίδια, rrna ή trna μπορούν όλα να έχουν ιντρόνια. Ιντρόνια απαντούν επίσης σε μιτοχονδριακά γονίδια φυτών, μυκήτων, πρωτίστων και ενός μεταζώου (μιας θαλάσσιας ανεμώνης), καθώς και σε γονίδια χλωροπλαστών. Γονίδια με ιντρόνια έχουν διαπιστωθεί σε όλες τις κλάσεις των ευκαρυωτών, των Αρχαίων, των βακτηρίων και των βακτηριοφάγων, παρά το γεγονός ότι είναι εξαιρετικά σπάνια στα προκαρυωτικά γονιδιώματα. Ορισμένα διακεκομμένα γονίδια διαθέτουν μόνο ένα ή λίγα ιντρόνια. Τα γονίδια των σφαιρινών αποτελούν ένα ιδιαίτερα μελετημένο παράδειγμα (βλέπε την ενότητα Τα μέλη μιας γονιδιακής οικογένειας διαθέτουν κοινή οργάνωση αργότερα σε αυτό το κεφάλαιο). Οι δύο Τα ιντρόνια μπορούν να ανιχνευθούν κατά τη σύγκριση των γονιδίων με τα RNA προϊόντα της μεταγραφής τους μέσω αλληλούχησης. Όταν συγκρίνονται ομόλογα γονίδια μεταξύ διαφορετικών οργανισμών οι θέσεις των ιντρονίων είναι συνήθως συντηρημένες. Τα μήκη των αντίστοιχων ιντρονίων μπορούν να ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό. Τα ιντρόνια συνήθως δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Γονιδιωματικό DNA Εξόνιο 1 Ιντρόνιο 1 Εξόνιο 2 cdna Θέσεις που κόβονται από ένζυμα περιορισμού Ιντρόνιο 2 Εξόνιο 3 Ο χάρτης του cdna αντιστοιχεί στα εξόνιο1 + εξόνιο2 + εξόνιο3 του γονιδιωματικού χάρτη Όταν ένα γονίδιο είναι μη διακεκομμένο, ο χάρτης του DNA του αντιστοιχεί στον χάρτη του mrna του. Όταν ένα γονίδιο διαθέτει ένα ιντρόνιο, ο χάρτης σε κάθε Εικόνα 3.3 Η σύγκριση των χαρτών περιορισμού του cdna και του γονιδιωματικού DNA για τη β-σφαιρίνη του ποντικού δείχνει ότι το γονίδιο διαθέτει δύο ιντρόνια που δεν υπάρχουν στο cdna. Τα εξόνια μπορούν να στοιχηθούν επακριβώς μεταξύ του cdna και του γονιδίου. 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το Διακεκομμένο Γονίδιο

5 Μήκος ιντρονίου Εξόνιο 1 Ιντρόνιο 1 Εξόνιο 2 Ιντρόνιο 2 Εξόνιο 3 Μήκος εξονίου Περιέχει 5 UTR + κωδική περιοχή 1 30 Αμινοξέα Κωδική περιοχή 105-τέλος + 3 UTR Εικόνα 3.4 Όλα τα λειτουργικά γονίδια των σφαιρινών διαθέτουν μια διακεκομμένη δομή με τρία εξόνια. Τα μήκη που υποδεικνύονται στην εικόνα ισχύουν για τα γονίδια της β-σφαιρίνης των θηλαστικών. γενικές κατηγορίες του γονιδίου της σφαιρίνης, η α και η β, διαθέτουν κοινή οργάνωση: Προέκυψαν από ένα αρχαίο γεγονός γονιδιακού διπλασιασμού και περιγράφονται ως παράλογα γονίδια (paralogous genes) ή παράλογα (paralogs). Η σταθερή δομή των γονιδίων των σφαιρινών των θηλαστικών είναι εμφανής από το «γενικό» γονίδιο σφαιρίνης που παρουσιάζεται στην ΕΙΚΟΝΑ 3.4. Τα ιντρόνια απαντούν σε ομόλογες θέσεις (σε σχέση με την κωδική αλληλουχία) όλων των γνωστών ενεργών γονιδίων των σφαιρινών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των θηλαστικών, των πτηνών και των βατράχων. Παρά το γεγονός ότι τα μήκη των ιντρονίων ποικίλλουν, το πρώτο ιντρόνιο είναι πάντα αρκετά βραχύ ενώ το δεύτερο είναι συνήθως μακρύτερο. Το μεγαλύτερο μέρος της διακύμανσης στα μήκη των διαφορετικών γονιδίων των σφαιρινών προκύπτει από τη διακύμανση του μήκους του δεύτερου ιντρονίου. Για παράδειγμα, το δεύτερο ιντρόνιο στο γονίδιο της α-σφαιρίνης του ποντικού διαθέτει μόνο 150 ζεύγη βάσεων (bp) από το σύνολο των 850 bp του γονιδίου, ενώ το ομόλογο ιντρόνιο του κύριου γονιδίου της β-σφαιρίνης του ποντικού διαθέτει 585 bp από το σύνολο των bp. Η διαφορά στο μήκος των γονιδίων είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των mrna τους (mrna α-σφαιρίνης = 585 βάσεις, mrna β-σφαιρίνης = 620 βάσεις). Το παράδειγμα ενός σχετικά μεγαλύτερου γονιδίου, του γονιδίου για το ένζυμο αναγωγάση του διυδροφολικού (DHFR), παρουσιάζεται στην ΕΙΚΟΝΑ 3.5. Το γονίδιο DHFR των θηλαστικών οργανώνεται σε έξι εξόνια που αντιστοιχούν σε ένα mrna βάσεων. Το ίδιο το γονίδιο έχει μεγάλο μήκος, διότι τα ιντρόνια είναι πολύ μακριά. Σε τρία είδη θηλαστικών τα εξόνια είναι ουσιαστικά τα ίδια και οι σχετικές θέσεις των ιντρονίων είναι αμετάβλητες, όμως τα μήκη των μεμονωμένων ιντρονίων ποικίλλουν σημαντικά, οδηγώντας σε μια διακύμανση του μήκους του γονιδίου που κυμαίνεται από 25 έως 31 κιλοβάσεις (kb). Τα γονίδια των σφαιρινών και της DHFR αποτελούν παραδείγματα ενός γενικού φαινομένου: τα γονίδια που μοιράζονται μια κοινή καταγωγή διαθέτουν παρόμοια οργάνωση με διατήρηση των θέσεων (τουλάχιστον μερικών) των ιντρονίων Εξόνια kb Εικόνα 3.5 Τα γονίδια των θηλαστικών για την DHFR έχουν την ίδια συγγενική οργάνωση των μάλλον μικρών εξονίων και των πολύ μεγάλων ιντρονίων, αλλά διαφέρουν σημαντικά ως προς τα μήκη των ιντρονίων. 3.5 Οι αλληλουχίες των εξονίων υπό αρνητική επιλογή διατηρούνται όμως τα ιντρόνια μεταβάλλονται Οι συγκρίσεις συγγενικών γονιδίων σε διαφορετικά είδη δείχνουν ότι οι αλληλουχίες των αντίστοιχων εξονίων συνήθως διατηρούνται, όμως οι αλληλουχίες των ιντρονίων εμφανίζουν πολύ μικρότερη ομοιότητα. Τα ιντρόνια εξελίσσονται πολύ ταχύτερα σε σχέση με τα εξόνια λόγω της έλλειψης επιλεκτικής πίεσης για την παραγωγή ενός πολυπεπτιδίου με μια χρήσιμη αλληλουχία. Είναι ένα δομικό γονίδιο του ενός αντιγράφου εντελώς μοναδικό μεταξύ άλλων γονιδίων στο γονιδίωμά του; Η απάντηση εξαρτάται από το πώς ορίζεται το «εντελώς μοναδικό». Όταν εξετάζεται ως σύνολο, το γονίδιο είναι μοναδικό, όμως τα εξόνια του μπορεί να είναι συγγενικά με εκείνα άλλων γονιδίων. Κατά γενικό κανόνα, όταν δύο γονίδια είναι συγγενικά, η σχέση μεταξύ των εξονίων τους είναι στενότερη από τη σχέση μεταξύ των ιντρονίων τους. Σε μια ακραία περίπτωση, τα εξόνια δύο γονιδίων μπορεί να κωδικοποιούν την ίδια πολυπεπτιδική αλληλουχία, ενώ τα ιντρόνια να είναι διαφορετικά. 3.5 Οι αλληλουχίες των εξονίων υπό αρνητική επιλογή διατηρούνται όμως τα ιντρόνια μεταβάλλονται 5