Oude en nieuwe inzichten in de functie van introns

Er lijkt geen twijfel meer te bestaan in de wetenschappelijke wereld over het feit dat introns maar vooral splicing belangrijke functies vervullen. Maar laten we eerst even stilstaan bij hoe extravagant introns zijn, en hoe recent eigenlijk de wetenschappelijke kennis over de functie van introns is. Ik heb een aantal evolutie leerboeken nagekeken op het voorkomen van introns. Tenslotte zijn introns al in 1977 ontdekt en van groot belang voor evolutie.

Nobelprijswinnaar Christian de Duve schreef in 2002 in Life Evolving:
"In 1977, two investigators working independently in two different American laboratories, the American Philip Sharp and the Englishman Richard Roberts, made one of the most stunningly unexpected discoveries ever made in biology" (p.34). Dat is nogal wat! Introns zijn één van de meest krankzinnig onverwachtte ontdekkingen ooit gedaan in de biologie! De Duve dacht dat introns wel enig nut moesten hebben (welk?), anders zouden ze wel geëlimineerd zijn door natuurlijke selectie. Dit is een grappige, intrigerende redenering. Merkwaardig genoeg, in zijn meer op wetenschappelijk publiek gerichte recente boek Singularities. Landmarks on the Pathways of Life (2005) komt introns niet in de index voor, wordt 1x kort in de tekst genoemd (p.107), terwijl er veel aandacht gegeven wordt aan RNA, de RNA-world en de oorsprong en de typische kenmerken van eukaryoten. Verbazingwekkend! Nog verbazingwekkender was het toen ik ontdekte dat hij in een ouder boek Vital Dust. The Origin and Evolution of Life on Earth (1995) uitgebreide aandacht gaf aan introns! Raadselachtig dat hij dat in latere boeken achterwege laat.

Een andere Nobelprijswinnaar Manfred Eigen schreef in 1992 (dus 15 jaar na de ontdekking van introns): "The function of introns, if they possess one, is still unknown" (p.45 Steps towards Life).

Ook schreef hij dat men toen niet wist met zekerheid of introns een overblijfsel waren van de tijd dat eukaryoten ontstonden. Intrigerend!  De onwetendheid over de functie van introns is waarschijnlijk de verklaring dat men er in die tijd niet veel over schreef.

Christiane Nüsslein-Volhard, ook Nobelprijswinnaar, beschrijft in 2006 in het boek Coming to Life de genetische basis van de embryonale ontwikkeling van dieren zónder enige rol aan introns toe te schrijven. In de figuur 15 op pagina 34 (transcription and translation) wordt splicing helemaal weggelaten alsof het niet bestond. Op pagina 39 wordt het bestaan van introns kort genoemd. Dit is opvallend, want zij zou nooit om een begrijpelijk verhaal te kunnen vertellen wetenschappelijke inzichten geweld aan doen. Als introns en alternatieve splicing van cruciaal belang zouden zijn voor de embryonale ontwikkeling dan zou het hier tevoorschijn moeten komen. Niet dus. Terwijl mRNA wel degelijk een belangrijke rol in haar verhaal speelt (b.v. bicoid mRNA in Drosophila eicel, p.66).

Een andere bekende onderzoeker van de genetische regulatie van embryonale ontwikkelingsprocessen is Sean Carroll. In het bekende en rijk geïllustreerde From DNA to Diversity. Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design (2001) spelen RNA, splicing en introns helemaal geen rol! In zijn populaire Endless Forms Most Beautiful. The New Science of Evo Devo (2005) staat zelfs een diagram van 'transcription' en 'translation' (Fig. 3.2) waar notabene mRNA direct naar het ribosoom gaat zonder splicing! Introns, exons en splicing worden weggelaten. Het is bijna misleidend te noemen.
Ik heb in het bekende boek van Lynn Margulis (1998) Five Kingdoms de lijst van karakteristieke verschillen (het zijn er tientallen) tussen prokaryoten en eukaryoten opgezocht om te kijken of spliced genes (introns) genoemd werd. Die kwamen er niet in voor! Terwijl spliceosomal introns karakteristiek zijn voor eukaryoten. 

 

Evolutiehandboeken

 

Futuyma (2005)

Strickberger (2000)

(voor volledige lijst van handboeken zie: WDW website)

Een aparte categorie vormen de evolutiehandboeken. Deze proberen een volledig overzicht te geven van de evolutiebiologie. Ik heb 10 handboeken van de laatste 15 jaar nagekeken op introns. Het resultaat is wisselend, maar over het algemeen zeer incompleet. Minimaal moet er een schema van de exon-intron gen structuur, splicing, mogelijke functie van introns, de fylogenie, de Introns-Early/Late hypothese (uiteraard!), en als het even kan alternative splicing behandeld worden en uiteraard moet 'intron' in de index voorkomen. Het beste komen Strickberger (2000) en Futuyma (1998, 2005) uit de bus. Strickberger beschrijft positieve/negatieve aspecten, de Introns-Early/Late controverse en stelt goede vragen zoals: Hoe kan kwamen introns in eukaryotische genen terecht? Waarom werden ze zo algemeen? Hoe kunnen ze zich handhaven? Ook al worden niet alle vragen beantwoord, het zet je toch aan het denken en maakt het spannend. Anderen laten het bij het opsommen van droge feiten. Het slechtste zijn (in dit opzicht!) Freeman/Herron (2007), Stearns/Hoekstra (2005) en Ridley (1996, 2004): incompleet, soms staat 'intron' niet eens in de index, en het ergste is als je een misleidend schema geeft: DNA --  RNA -- eiwit waarbij zelfs in de beschrijving van het transcriptie en translatie proces, mRNA rechtstreeks naar het cytoplasma gaat en een eiwit gemaakt wordt, alsof er geen splicing bestaat! Niemand noemt het aantal introns per gen in verschillende systematische groepen. De behandeling van introns hangt van de persoonlijke voorkeuren van de auteurs af. Een positieve verrassing was het handboek van Peter Skelton Evolution - A Biological and Palaeontological Approach (1996) wat een herdruk is van 1993. Juist omdat je het niet verwacht. Er komt een net schema in voor (inclusief exons, introns, splicing) en alternative splicing wordt goed uitgelegd.

Nieuwe inzichten over introns

Ik geef één voorbeeld van nieuwe inzichten in introns en splicing (dat uiteraard nog niet in de handboeken voorkomt). Wanneer er introns uit mRNA geknipt worden, ontstaat er de gelegenheid om ook een exon eruit te knippen. Dit kan doordat de grens tussen exon en intron niet scherp is en eiwitten die moeten knippen soms wel en soms niet de grens herkennen. Daardoor krijg je vanuit één gen meerdere eiwitten varianten. Het proces heet alternative splicing en de resulterende eiwitten heten splice isoforms. Tot nu toe dacht ik dat dat een toevals gebeurtenis was. Maar het blijkt nu dat de verhouding waarin de verschillende isoforms geproduceerd worden een sterk gereguleerd proces is (1). En het verschilt per celtype en ontwikkelingsstadium van het embryo. Het lijkt er op dat afwijkende verhoudingen in de normale productie van isoforms met ziekte geassocieerd is. De isoformen kunnen dus functioneel te zijn.

Meestal worden verschillende exons tot expressie gebracht (exon-skipping), maar in een minderheid van de gevallen wordt een klein intron meegenomen: 30 bp en 9 bp (dit heet: intron retention). Introns accumuleren mutaties (grafiek Patthy vorige blogs). De meerderheid van de introns is veel groter en worden (voor zover ik weet) altijd uitgeknipt. Dat is maar goed ook vanwege de random base volgorde.

Zeer recentelijk (2) is er ook kritiek geweest (zo gaat dat in de wetenschap) op de opvatting dat streng gereguleerde productie van verschillende splice isoforms automatisch betekent dat ze functioneel zijn. Van de meerderheid van isoformen is niet bekend wat voor functie ze hebben. De auteur claimt zelfs dat isoforms die in vaste verhoudingen geproduceerd worden geen functie hoeven te hebben. Een onverwachts resultaat.

Noten

1. Jennifer L. Chisa and David T. Burke (2007) Mammalian mRNA Splice-Isoform Selection Is Tightly Controlled. Genetics, Vol. 175, 1079-1087, March 2007
2. Marcel Kramer (2011) Constant Splice Isoform Ratios in Human Lymphoblastoid Cells Support the Concept of a Splico-Stat, Genetics. Advance Online Publication: January 10, 2011

Vorige blogs over introns:

• Introns voor beginuitknippenners
• Het intron-mysterie voor gevorderden (1) 
• Het intron-mysterie voor gevorderden (2) Evolutie van introns