Warum haben eukaryotische Organismen Introns in ihrer DNA?

Wir haben Introns und Exons in meinem Bio-Kurs angesprochen, aber leider haben wir nicht wirklich darüber gesprochen, warum Eukaryoten Introns haben. Es scheint, dass sie einen Zweck haben müssten, da Prokaryoten sie nicht haben und sie sich zuerst chronologisch entwickelt haben, aber ich könnte mich leicht irren. Haben sich die Junk-DNA-Abschnitte dort nur durch eine Art Zufall oder Notwendigkeit entwickelt, im Gegensatz zu einem tatsächlichen evolutionären Vorteil? Warum hat uns die Evolution nicht davon abgehalten, Introns zu haben, da sie eine „Verschwendung“ von Zeit und DNA zu sein scheinen? Warum haben Prokaryoten keine Introns?

Nicht alles braucht eine Funktion, um in der Biologie zu existieren. Eine Möglichkeit, diese Frage zu beantworten, besteht darin, zu sehen, welche Art von Selektionsdruck auf Introns wirkt. Entwickeln sie sich neutral?
Ich denke, eine bessere Antwort auf Ihre Frage ist: Warum keine Introns haben? Schauen Sie sich die neutrale Theorie an: en.wikipedia.org/wiki/Neutral_theory_of_molecular_evolution

Antworten (4)

Es gibt noch viel zu lernen über die Rolle, die Introns in biologischen Prozessen spielen, aber es gibt ein paar Dinge, die ziemlich gut etabliert sind.

  • Introns ermöglichen alternatives Spleißen , wodurch ein einzelnes Gen mehrere Proteine ​​kodieren kann, die unter verschiedenen Bedingungen unterschiedliche Funktionen erfüllen. Beispielsweise könnte ein Signal, das die Zelle empfängt, dazu führen, dass ein normalerweise enthaltenes Exon übersprungen oder ein normalerweise herausgespleißtes Intron zur Übersetzung belassen wird (der Wikipedia-Artikel zum Thema gibt einen grundlegenden Überblick über die Möglichkeiten). Dies wäre ohne die Anwesenheit von Introns nicht möglich oder zumindest viel schwieriger.
  • In den letzten Jahren haben wir entdeckt, dass RNA-Moleküle (insbesondere kleine RNAs wie siRNAs und miRNAs) viel stärker an der Regulierung der Genexpression beteiligt sind als bisher angenommen. Häufig werden die kleinen regulatorischen RNAs von gespleißten Introns abgeleitet.

Wahrscheinlich gibt es noch mehr, aber im Wesentlichen ermöglichen Introns eine feinere Regulierungsebene. Biologische Komplexität ist oft nicht das Ergebnis einer größeren Anzahl von Genen, sondern zusätzlicher Regulationsebenen, um Gene zum richtigen Zeitpunkt ein- und auszuschalten. Prokaryotische Gene sind oft in Operons organisiert, und eine einzelne polycistronische mRNA kodiert oft mehrere Proteine ​​aus mehreren benachbarten Genen. Da die biologischen Prozesse, die zur Aufrechterhaltung des mikrobiellen Lebens erforderlich sind, viel weniger kompliziert sind als diejenigen, die zur Aufrechterhaltung des eukaryotischen Lebens erforderlich sind, können sie mit viel weniger regulatorischer Kontrolle davonkommen.

Ich möchte hinzufügen, dass es eine allgemeine Annahme gibt, dass dies ein Grund dafür ist, dass Eukaryoten die Fähigkeit haben könnten, sich an Rollen anzupassen, die in der Nahrungskette höher liegen als Prokaryoten, wie mehrzellige Organismen (es gibt ein paar Ausnahmen, aber wirklich sehr wenige, und das sind sie). ziemlich einfach wie - Cyanobakterien, die Zellketten bilden).
Während dies eine gute „Wie“-Antwort ist, die das zusammenfasst, was wir jetzt wissen, ist es keineswegs eine „Warum“-Antwort. Was ist zum Beispiel die Einschränkung der prokariotischen Regulation, die Introns lösen? Warum muss die Natur mehr Proteine ​​in ein einziges Gen quetschen und dann 93 % Müll im Rest des Genoms haben? Ich denke, dass die Antwort von @apoz besser passt.
Ich hatte den Eindruck, dass viele unserer Introns nur von Retroviren stammen, die irgendwann in unserer evolutionären Vergangenheit in unser Genom gelangt sind. Da der Wettbewerbsnachteil, der durch das Tragen von nicht exprimierter Junk-DNA entsteht, sehr gering ist, besteht kein Selektionsdruck, um sie wieder herauszuholen.

Prokaryoten können keine Introns haben, weil sie Transkription an Translation gekoppelt haben. Dafür haben sie keine Zeit/Raum, da das Spleißen der Introns die Kopplung stoppt. Eukaryoten entwickelten den Zellkern, in dem gespleißt werden kann. Der Vorfahre der Eukaryoten, der den Kern entwickelte, konnte sich (aufgrund von Introns) mehr Variabilität leisten als Arten ohne ihn, sodass sie eine größere Fitness hatten.

Bakterien können sich keine hochkomplexe Kompartimentierung leisten, ein Prozess, der viel verfügbare Energie pro Gen erfordert. Eine eukaryotische Zelle kann Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende von Mitochondrien haben, die eine ähnliche Energieleistung wie eine Bakterienzelle haben, während sie ein Genom von etwa 100 haben -500-mal kleiner (16 kb einer menschlichen Mitochondrien im Vergleich zu 4.000 kb für eine E. coli-Zelle).

Ich hoffe, das klärt Ihre Zweifel, und Sie können sehen, dass dies eine umstrittene Antwort ist.

Entschuldigung für mein schlechtes Englisch.

Quellen:

Lane & Martin 2010 .

Martin 2011

Dies ist eine gute Antwort. Der Vergleich des Mangels an Introns zwischen Prokaryoten mit Eukaryoten, die Introns haben, bedeutet nicht, dass Introns in Eukaryoten existieren, weil es auf einen evolutionären Vorteil schließen lässt, sie zu haben. Ein wahrscheinlicherer Grund ist, dass Introns in Prokaryoten aufgrund von Genomgrößenbeschränkungen hochgradig schädlich sind, in Eukaryoten jedoch nicht schädlich. Siehe das C-Wert-Problem.
Aber Prokaryoten haben Introns – ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC177115 – wenn auch bei weitem nicht in der Größenordnung, die Eukaryoten haben.
Viele Archaea (die Prokaryoten sind) haben auch Introns.

Evolution - Douglas J. Futuyma, Kapitel 19, p. 461

Michael Lynch und John Conery (2003) haben darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von genomischen Merkmalen, die anscheinend wenig Fitnessvorteil für Organismen haben – Introns, transponierbare Elemente, große Abschnitte nichtkodierender DNA – bei Arten mit kleinen effektiven Populationsgrößen häufiger vorkommen können. Sie haben vorgeschlagen, dass Viren und Bakterien extrem große Populationsgrößen haben, die die Verbreitung vorteilhafter Mutationen erleichtern, die eine genomische Rationalisierung ermöglichen. Im Gegensatz dazu haben Eukaryoten kleinere Populationsgrößen, die die Fixierung nichtadaptiver Merkmale erleichtern. Dies ist die bisher beste Hypothese, die die Vielfalt der Genomgrößen und -strukturen erklären würde.

Ich habe es gerade meiner Freundin erklärt: Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Zimmer in Ihrem Zwei-und-eine-Küche-Haus voller Klebebandkassetten ... Sie brauchen es wirklich nicht, haben aber keine Möglichkeit, es loszuwerden. Jetzt ist der Schlauch des Staubsaugers kaputt, und Sie nehmen eine kleine Menge Klebeband (Sie haben so viel) und flicken es ... niemand würde ernsthaft glauben, dass Sie dafür so viel Klebeband aufbewahren, und du hättest lieber einen neuen schlauch bestellen sollen. Aber du hast das Beste aus deinen Umständen gemacht. So viel passiert in der eukariotischen Genetik: überall einfache und schmutzige Flecken.
Ich denke, das Lynch and ConeryPapier ist bisher die vernünftigste Erklärung zu originIntrons und gibt in Kombination mit der anderen Antwort ( biology.stackexchange.com/a/1725/658 ) eine vollständige Erklärung über den Ursprung und den aktuellen Fitnessvorteil von Introns in bestimmten Organismen haben, aber nicht in anderen.
Hallo Apoz - diese Antwort wird von der Community als nützlich angesehen, muss aber immer noch aus mehr als direkten Zitaten bestehen.
@ 149781-32509185: Das Lynch & Conery-Papier erklärt Introns nicht, indem es sagt, dass sie einen Fitnessvorteil haben. Eine kleine Populationsgröße, auf die sie sich beziehen, bedeutet, dass genetische Drift die Fixierung der Introns erzeugt.

Hier gibt es bereits einige gute Antworten. Daniel Standage weist auf den Wert des alternativen Spleißens hin. Als überzeugendes Beispiel für die Rolle bei der Regulation der Genexpression lesen Sie einen der Übersichtsartikel zur Geschlechtsbestimmung bei Drosophila melanogaster (sex-letal, transformator, doublesex).

Keiner erwähnt die Idee von Exons als "Kassetten" mit wiederverwendbarer Funktion, die während der Evolution in ein bestehendes Gen eingeführt werden können.

Die begrenzenden Introns stellen Regionen dar, in denen ein ungenaues "Pfropfen" stattfinden kann, ohne den bereits funktionierenden Leserahmen des neu eingeführten Xeno-Exons (ich habe diesen Neologismus gerade erfunden) oder des Empfängergens zu zerstören.

Mit anderen Worten stellen Introns Regionen bereit, die eine schlampige Transposition funktioneller Untereinheiten ermöglichen, während sie die Wahrscheinlichkeit eines umfassenden Chaos auf der Transkriptions-/Translationsebene verringern.

Die Evolution zeigt immer wieder, dass sie in der Lage ist, evolutionsfördernde Mechanismen zu fördern. Wie sonst lässt sich die Meiose erklären?

Sie müssen lesen, wie man eine gute Antwort für SE schreibt . Sie beziehen sich auf das Geschlechtsbestimmungssystem von Drosophila, geben jedoch keine Erklärung oder Referenz an. Wie soll das irgendjemand verstehen? Und wenn Sie von Exons als "Kassetten mit wiederverwendbaren Funktionen" sprechen, sollten Sie ein Beispiel liefern. Kennen Sie welche? Und Ihre Sprache ist, selbst wenn Sie keine neuen Begriffe erfinden, ein unverständliches Gobbldey Gook – „sloppy transposition of funktional subunits …“. Schlampige Ideen und schlampiges Schreiben eher.
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