Экзон-интронная структура эукариотических генов Лекция 7

Экзон-интронная структура эукариотических генов Лекция № 7 – Свойства эукариотических геномов В. Н. Бабенко

Введение • Экзон-интронная структура присуща только эукариотическим генам (генам в клетке с ядерной оболочкой) • Структура (размер) гена непостредственно связана со структурой (размером) генома • Прокариотические гены не содержат интронов, организованы в опероны и содержат один промотор на «взвод» (несколько генов).

Ген в эукариотических геномах состоит из экзонов, разделенных некодирующими интронами

Фундаментальные вопросы • Происхождение интронов? Интроны «сначала» или «потом» ? /при инвазии митохондрий и возникновении ядра/ • Почему они нужны (важны)? /содержат регуляторы сплайсинга; источник вариабельности/ • Как может геном эукариот выдерживать такую эволюционную нагрузку ? /он существует, значит может/ • Зачем нужен льтернативный сплайсинг ? (координированная экспрессия нужной изоформы)

Характеристики экзонов и интронов • ЭКЗОН: Средняя длина экзона ~100 пн, медиана ~120 пн (характерна для всех эукариотических геномов) распределение длины нормальное • ИНТРОН: Средняя длина ~2000 пн, медиана ~200 пн. Распределение практически бесконечное (до 600 кб). Средняя длина интрона варьирует пропорционально размеру генома.

Далее рассмотрим два пункта: • Механизм сплайсинга, сплайсосома, альтернативный сплайсинг • Происхождение и эволюция интронов

Основные сигналы сплайсинга в интроне • 5’ сайт сплайсинга • Бранч сайт YTRAY • Полипиримидиновый тракт CTTCTTT • 3’ сайт сплайсинга NCAG

Донорный и акцепторный сайты сплайсинга I = Σαwαi log(4 wαi). the frequency wαi of each nucleotide α at position i.

Основные типы альтернативного сплайсинга

Механизмы возникновения альтернативного сплайсинга

укариоты обладают вариацией сплайсинга

Figure 1 Assembly of the U sn. RNPs into the spliceosome and the rearrangement of RNA-RNA interactions during the spliceosome assembly Сборка sn. RNP в сплайсосому и процесс сплайсинга Biochemical Society Transactions www. biochemsoctrans. org 26 Biochem. Soc. Trans. (2001) 29, 15 -

Figure 3 Diagrammatic representation of the structure of human U 1 and U 2 sn. RNPs Biochemical Society Transactions www. biochemsoctrans. org 26 Biochem. Soc. Trans. (2001) 29, 15 -

Происхождение интронов • The "intron-early" hypothesis suggests that introns existed before the divergence of prokaryotes and eukaryotes (W. Gilbert). Loss and sliding • The "intron-late" hypothesis claims that introns were inserted into eukaryotic genes after this divergence (T. Cavalier-Smith, Doolittles, J. Palmer) Gain and loss

Консервативность позиций интронов Elongation factor EF-1 (2 paralogs in bees) Introns Apis_1 MGKEKIHINIVVIGHVDSGKSTTTGHLIYKCGGIDKRTIEKFEKEAQEMGKGSFKYAWVL : : : : : : : : : : : : : : : Apis_2 MGKEKIHINIVVIGHVDSGKSTTTGHLIYKCGGIDKRTIEKFEKEAQEMGKGSFKYAWVL Apis_1 DKLKAERERGITIDIALWKFETSKYYVTIIDAPGHRDFIKNMITGTSQADCAVLIVAAGT : : : : : : : : : Apis_2 DKLKAERERGITIDIALWKFETAKYYVTIIDAPGHRDFIKNMITGTSQADCAVLIVAAGI Apis_1 GEFEAGISKNGQTREHALLAFTLGVKQLIVGVNKMDSTEPPYSETRFEEIKKEVSSYIKK : : : : : : : : : : Apis_2 GEFEAGISKNGQTREHALLAFTLGVKQLIVGVNKMDMTDPPYSEARFEEIKKEVSSYIKK Apis_1 PTDKALRLPLQDVYKIGGIGTVPVGRVETGVLKPGMVVTFAPAGLTTEVKSVEMHHEALQ : : : : : : : : Apis_2 PTDKALRLPLQDVYKIGGIGTVPVGRVETGILKPGMLVTFAPAALTTEVKSVEMHHEALT Apis_1 EAVPGDNVGFNVKNVSVKELRRGYVAGDSKNNPPKGAADFTAQVIVLNHPGQISNGYTPV : : : : : : : : Apis_2 EALPGDNVGFNVKNISVKELRRGYVAGDSKNQPPRGAADFTAQVIVLNHPGQISNGYTPV Apis_1 LDCHTAHIACKFADIKEKCDRRNGKTTEENPKSIKSGDAAIVMLVPSKPMCAEAFQEFPP : : : : : : : : Apis_2 LDCHTAHIACKFAEIKEKCDRRTGKTTEENPKSIKSGDAAIVMLQPTKPMCVEAFQEFPP Apis_1 LGRFAVRDMRQTVAVGVIKAVTFKDAAGKVTKAAEKAQKKK : : : : : Apis_2 LGRFAVRDMRQTVAVGVIKSVTFKDTQGKVTKAAEKAQKKK Introns

Консервативность интронов (или ее отсутствие) может быть представлена как матрица присутствия (1) или отсутствия (0) The data matrix for EF-1 genes in bees: _________________ Position 147 756 826 1032 1320 (nucleotides) _________________ Apis_1 0 0 1 Apis_2 1 1 0 _________________

Observed and expected numbers of shared introns SC SP AT CE DM HS SC 23 2 1 1 1 2 SP AT CE DM HS 0 1 1 0 2 74 2 0 0 3 21 420 1 2 8 Expected 15 46 236 1 5 (Monte Carlo) 17 42 46 139 4 30 131 99 95 523 observed The total number of introns in the 98 analyzed genes from the given species.

Differential loss Dm Hs 38/136 Ce 292/6 Sc 117/108 26/16 Sp 28/33 39/1 At 269/0 0/129 66/4 Massive loss 14/0 151/0 Intron gain/loss Massive loss

Figure 2 Crystal structure and assembly of the Sm proteins Biochemical Society Transactions www. biochemsoctrans. org 26 Biochem. Soc. Trans. (2001) 29, 15 -

Figure 4 Crystal structure of the U 1 A protein and the U 2 B[acute]-U 2 A[acute] protein complex bound to their cognate RNA hairpin-binding sites Biochemical Society Transactions www. biochemsoctrans. org 26 Biochem. Soc. Trans. (2001) 29, 15 -

Различие в экспрессии в норме и раковой ткани

Генная сеть, содержащая продукты альтернативного сплайсинга в раке кишечника