Экзон-интронная структура эукариотических генов В. Н. Бабенко Лекция

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

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 ~100пн, медиана ~120пн (характерна для всех эукариотических геномов) распределение длины нормальное ИНТРОН: Средняя длина ~2000пн, медиана ~200пн. Распределение практически бесконечное (до 600кб). 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(4wαi). the frequency wαi of each nucleotide α at position i.

Основные типы альтернативного сплайсинга

Механизмы возникновения альтернативного сплайсинга

Все эукариоты обладают вариацией сплайсинга

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

Figure 3 Diagrammatic representation of the structure of human U1 and U2 snRNPs Biochemical Society Transactions www.biochemsoctrans.org Biochem. Soc. Trans. (2001) 29, 15-26

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

Консервативность позиций интронов Elongation factor EF-1 (2 paralogs in bees) 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 Introns

Консервативность интронов 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 0 1 Apis_2 1 1 0 1 0 __________________________________

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

Dm 269/0 Intron gain/loss Massive loss Massive loss Differential loss

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

Figure 4 Crystal structure of the U1A protein and the U2B[acute]-U2A[acute] protein complex bound to their cognate RNA hairpin-binding sites Biochemical Society Transactions www.biochemsoctrans.org Biochem. Soc. Trans. (2001) 29, 15-26

Различие в экспрессии в норме и раковой ткани

Генная сеть, содержащая продукты альтернативного сплайсинга в раке кишечника