Nieuws

21 nov 16: Persbericht: KNAW: genome editing vraagt om publiek debat en heldere regelgeving
18 nov 16: Volkswagen schrapt 30.000 banen door dieselschandaal en transitie naar elektrische auto
16 nov 16: 100.000e elektrische auto rijdt op de Nederlandse weg (AD)
10 nov 16: Is Erik Verlinde de nieuwe Einstein? Sterrenkundige Margot Brouwers resultaten wijzen er op dat Verlindes theorie klopt!
8 nov 16: Nederlander Erik Verlinde komt met baanbrekende theorie over zwaartekracht
8 nov 16: Chimpansees winden draderige algen als spaghetti om een stokje nrc
6 nov 16: The Origami Code. NPO 2 Zondag 6 nov 2016 19:15. Kijk de aflevering hier terug. Is zeer de moeite waard!

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

04 maart 2011

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 karaktersitiek zijn voor eukaryoten.

Evolutiehandboeken


Futuyma (2005)


Strickberger (2000)
(voor volledige lijst
van handboeken
zie: WDW website)

Een aparte catergorie 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 phylogenie, 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:

15 opmerkingen:

Rob van der Vlugt zei

Sean B. Carroll en de anderen die je noemt wilden hun handen misschien niet branden aan al te nieuwe inzichten. Of ze weten meer en achten de introns toch van ondergeschikt belang.
Iets wat ik me na lezing van jouw prachtige serie niet voor kan stellen.

Carroll kreeg wel de 2010 Stephen Jay Gould Prize van de Evolution Society, de 2010 Theodosius Dobzhansky Prize ging naar Fyodor Kondrashov, ondermeer vanwege zijn onderzoek naar introns.



"Kondrashov has been among the first to use newly available genomic data to address central questions in evolutionary genomics. For example, he has examined the origin and evolution of introns, demonstrating that selection limits intron length in highly expressed genes."

Rob van der Vlugt zei

Dat van die prijzen valt hierop te lezen.

http://www.evolutionsociety.org/awards.asp

gert korthof zei

Rob, bedankt voor de verwijzing naar Kondrashov. Het artikel is: Selection for short introns in highly expressed genes.
"Thus, natural selection appears to favor short introns in highly expressed genes to minimize the cost of transcription and other molecular processes, such as splicing."
Dit ondersteunt precies wat ik al dacht: introns zijn (energetisch, metabolisch) kostbaar, het bestaan van introns schreeuwt om een verklaring! Prachtig onderzoek van Kondrashov!

Rob van der Vlugt zei

---CRACKPOT ALLERT !!---

Dat spliceosome blijft me erg bezig houden. Wat als introns nu eens een buffertje vormen tegen de verwoestende werking van zo'n akelig knippertje ? Een afleidingsmanoeuvre zogezegd. Een om-de-tuin-leidertje.
Met als bijkomende voordelen voldoende reserveonderdelen en extra tijd om de boel in elkaar te sleutelen ?

Het hele systeem lijkt me voor een creationist trouwens iets om van de watertanden. Kom je daar nog op terug ?

gert korthof zei

Rob, ja ik kom nog terug op wat creationisten over introns zeggen.
Het spliceosome blijft me erg bezig houden: het spliceosome is de machinerie die introns uit mRNA knipt. Dus, zolang introns maar de correcte base volgorde hebben die herkend wordt door het spliceosome, worden ze eruit geknipt, en heeft het geen gevolg voor eiwitten.
Je zou kunnen speculuren dat juist door fouten in het uitknippen opeens een betekenisloos intron blijft zitten en geheel onbedoeld vertaald wordt naar eiwit. Dat zal meestal een nutteloos eiwit opleveren, maar misschien ook wel eens een verrassend nuttig eitwit...

gert korthof zei

Nand Braam stuurde mij per email info over:
Handbook of Human Molecular Evolution, 2008 (2 Volume Set) waarin vele hoofdstukken over introns in mensen, waaronder: 'The Evolution of Introns in Human Genes' en nog veel meer.
Het boekwerk is online, alleen de abstracts zijn gratis. Bedankt Nand voor de tip!

Nand: probeer Name/URL en geef een (willekeurig) url, dan moet het werken!

Bart Klink zei

Gert,

Futuyma gaat in de tweede editie van zijn boek (2009) relatief uitgebreid in op introns. Hij bespreek ze bij de werking van genen (incl. alternative splicing), de samenstelling van genomen en intron late vs. intron early.

Van Strickberger is ook al een tijdje (2007) een nieuwe uitgave; nu niet meer van Strickberger zelf (met pensioen/dood?), maar van Hall&Hallgrimsson. Wat zij zeggen over inrons weet ik zo niet; dit boek heb ik niet thuis.

gert korthof zei

Bart, bedankt voor de aanvulling. Ik heb Futuyma (2009) niet in huis. Wel heb ik Futuyma 2005 en 1998: beide edities komen goed uit de bus, zoals ik schreef. Futuyma (2009) zou dus de derde editie moeten heten.
Strickberger heeft in 2008 een nieuwe editie. De vorige was van 2000 en die was iets beter wat betreft introns dan de nieuwe bewerking door Hall&Hallgrimsson.

Ik vind de exon-intron structuur zo'n fundamentele eigenschap van een genoom, dat het bovenaan de lijst van te verklaren verschijnselen in de evolutiehandboeken zou moeten zijn. En dan vallen een aantal handboeken wel tegen...

Bart Klink zei

Gert, Futuyma uit 1998 heet “Evolutionary biology” en die uit 2005 (1e ed.) en 2009 (2e ed.) “Evolution”. De “Evolutionary biology” serie (3 drukken, ik heb die uit 1986) is technischer (vooral meer wiskunde) dan Evolution. Het handboek van Futuyma is overigens erg goed, net als die van Strickberger (ik heb de editie uit 2000 gebruikt voor het vak evolutiebiologie). Strickberger vind ik het meest volledig, vooral door zijn uitgebreide behandeling van de morfologie en paleontologie, wat in alle handboeken relatief weinig behandeld wordt.

De inzichten over introns stammen grotendeels uit de afgelopen paar jaar, nu genomics echt begint op te komen. Handboeken lopen altijd wat achter op de nieuwste ontwikkelingen, dus het zal een kwestie van tijd zijn voordat de evolutie van genomen een prominentere rol in de handboeken zal gaan krijgen. De Futuyma uit 2009 heeft hier zelfs al een heel hoofdstuk over, geschreven door een expert (Scott Edwards)!

gert korthof zei

Bart, ik kan op het internet geen complete inhoudsopgave vinden van Futuyma 2009 en ook geen google preview (zoals bij Evolution: Principles and Processes van Brian Hall, waar je zelfs kunt zoeken op woorden in het hele boek. Zo kun je zonder het boek te bezitten nagaan hoeveel er over introns geschreven is. Bijzonder handig!). Welk hoofdtuk is van Scott Edwards?

gert korthof zei

Vanavond boekpresentatie 'Genen, wat willen we er mee?' UvH woensdagavond 9 maart.

Bart Klink zei

Gert, hoofdstuk 14 (Evolution of genes and genomes) is van Edwards

Bart Klink zei

Foutje: hoofdstuk 20

gert korthof zei

OK. Ik denk dat ik het ga aanschaffen. Overigens is het niet zo dat evolutie boeken een goede representatie geven van de stand van zaken op moment van verschijnen en dat het in nieuwe drukken alleen maar toeneemt. De handboeken in dezelfde tijd verschenen verschillen gewoon teveel van elkaar. Peter Skelton had in 1993, 1996 al een behandeling van introns en splicing opgenomen. En Christian de Duve had in 1995 een goed verhaal over introns en in zijn latere boeken is dat minder geworden, of zelfs verdwenen. Een nog opvallender voorbeeld (niet genoemd in blog) is Maynard Smith & Szathmáry 1999 in hun bekende The Origins of Life wordt introns geheel niet genoemd, terwijl in hun The Major Transitions in Evolution 1995 er wel aandacht besteedt werd aan introns. In hun nieuwe en populaire samenvatting van 4 jaar later laten ze introns dus totaal weg. Dat begrijp ik niet. Dan hebben ze toch een totaal andere (foute?) inschatting over het belang van introns gemaakt. De kennis hadden ze wel. Natuurlijk is het wel zo dat met genomics kennis toeneemt. Maar de basisfeiten en vooral de fundamentele vragen waren eigenlijk al direct na de ontdekking in 1977 bekend (Inrons-Early/Late hypothesis).

Ik denk dat hét grote verschil is of je je wel of niet verbaast over het bestaan van introns in genen! Doe je dat wel, dan besteedt je er aandacht aan, en anders niet. Ongeacht de kennis van dat moment.

gert korthof zei

PS: ikzelf heb het belang van introns tot nu toe over het hoofd gezien! (misschien mede door de manier waarop evolutieboeken erover schreven)