Het intron-mysterie voor gevorderden (2) Evolutie van introns

In vorige blogs over introns heb ik gekeken naar de mogelijke voor- en nadelen van introns en bij welke organismen ze voorkomen. In dit blog probeer ik de vraag te beantwoorden waar introns evolutionair gezien vandaan komen. Hoe oud zijn ze? Wat is hun afstamming? Het blijkt dat deze simpele vragen nog niet zo makkelijk te beantwoorden zijn en soms paradoxale resultaten opleveren.

Laten we gaan kijken naar het voorkomen van introns in de stamboom van het leven. Met introns bedoel ik de meest algemeen voorkomende introns (zgn spliceosomal introns) zoals die we aantreffen bij planten en dieren (Eukaryoten). Er zijn in principe twee evolutionaire mogelijkheden: introns zijn laat (Introns Late) of vroeg ontstaan (Introns Early hypothesis):

L: Introns Late theory; E: Introns-Early; F: Introns-First theory.
Eukaryotes = planten + dieren + schimmels
Archaea = eencellige organismen, maar géén bacterieën/Eukaryoten
LUCA = Last Universal Common Ancestor
intron invasie; intron verlies
RNA-world = stadium met alléén RNA, nog geen DNA.
Figuur afkomstig uit (1)

 

Gezien de afwezigheid van introns in Bacteria en Archaea lijkt de meest voor de hand liggende mogelijkheid (a) dat ze evolutionair 'recent' ontstaan zijn, d.w.z. nádat Bacteria en Archaea afgeplitst zijn. Vlak voor het ontstaan van de Eukaryoten moet er een invasie van introns plaatsgevonden hebben. Bacteria en Archaea hebben nooit (spliceosomal) introns gehad. (er komt wel een zeldzamere soort introns voor)
Volgens de Introns Early hypothese (b) zijn introns héél oud, ze zijn ontstaan in de gemeenschappelijke voorouder (LUCA) van Bacteria, Archaea en Eukaryoten (E) of zelfs nog eerder (F). In het laatste geval (F) zijn introns zo oud als het leven zelf! Zo oud als de oudste genen. Dat was in een tijd dat RNA in plaats van DNA de drager van erfelijke informatie was. Daarom heet die fase de 'RNA-world'. In optie (b) hebben Bacteria en Archaea alle introns verloren.

Dilemma
Het dilemma is nu dat als je uitgaat van het laat ontstaan van introns (IL=Introns Late), je wel een verklaring hebt voor het ontbreken van introns in Bacteria en Archaea, maar dat je een grote intron invasie moet veronderstellen in de directe voorouder van de Eukaryoten (planten + dieren + schimmels). Gelijktijdig met de intron invasie moet je de evolutie van de complexe knipmachinerie (spliceosome, spliceosoom) aannemen. Bovendien moet je een ingewikkeld mengsel van intron afname en toename aannemen in de Eukaryoten, want de verspreiding binnen de Eukaryoten is nogal verschillend.
Als je het vroege ontstaan van introns (IE=Introns Early) aanneemt, moet je een totaal verlies van introns in Bacteria en Archaea aannemen. Dat is niet onmogelijk. Het kan onderdeel zijn van streamlining van het genoom van eencelligen. Maar, hoe waarschijnlijk is het? Ik weet niet of er bewijs bestaat of Bacteria ooit spliceosomal introns gehad hebben. Voorstanders van Introns Early interpreteren introns als overblijfselen van de ruimte tussen genen (spacers) en interpreteren exons als de oorspronkelijke mini genen. In de loop van de evolutie zou een serie exons compleet met introns één gen geworden zijn. Zo zien genen er tegenwoordig uit (3).

Catastrofaal
Aan de andere kant (Introns Late) moet de invasie van introns in eukaryoten catastrofaal zijn geweest. Genen overleven dat niet, als er geen betrouwbaar mechanisme is dat introns er weer uitknipt. Is dat mechanisme eenmaal aanwezig, dan kan ik me voorstellen dat introns zich makkelijker kunnen uitbreiden. We zien dat ook grofweg gebeuren in de loop van de evolutie van eencellige naar meercellige Eukaryoten (zie ook figuur in vorige blog over introns). Sommigen suggereren dat er samenhang bestaat tussen twee typerende eigenschappen van eukaryoten: introns en de celkern.

Celkern
Er zijn twee redenen waarom bacteriën nooit het type introns (spliceosomal introns) gehad kunnen hebben dat Eukaryoten nu hebben: het uitknippen van introns uit het mRNA moet in de celkern (nucleus) gebeuren, en bacteriën hebben geen celkern! Ten tweede: Bacteria en Archaea hebben geen spliceosoom en kunnen dit type introns dus überhaupt niet uitknippen. In Eukaryoten worden eiwitten in het cytoplasma (buiten de kern) gemaakt op basis van mRNA dat in de kern wordt 'opgeschoond'. In Bacteria en Archaea vinden mRNA synthese en eiwitsynthese in hetzelfde compartiment (= de cel) plaats. Dit alles lijkt mij een aardig argument tegen IE...

Zeldzame introns
Bacteria en Archaea hebben een zeldzaam soort introns: introns die zichzelf uitknippen! (= self-splicing).

type intron	Eukaryotes	Prokaryotes
Spliceosomal	+	-
Self-splicing	+	+
tRNA	+	+

 (bron: wikipedia)

Maar ze zijn zeldzaam i.v.m. hun compacte, gestroomlijnde genoom. Self-splicing introns hebben geen hulp nodig van enzymen. Ik kan me dus voorstellen dat ze voorkomen in zeer oude levensvormen dicht bij de oorsprong van het leven. Die self-splicing introns komen ook bij de mens voor (zeldzaam), maar niet in de eiwit-coderende genen (in de kern). Waarom weet ik niet. Ik heb geen verklaring kunnen vinden. Het grote verschil is dat de base volgorde van bacteriële introns er wél toe doet: het is een self-splicing RNA (het codeert niet voor een eiwit). In tegenstelling tot de eukaryotische introns waarvan de base volgorde niets betekent (zie Patthy-grafiek hier onder). Dat is nogal een groot verschil! Toch zie je in de literatuur dat men aanneemt dat de eukaryotische introns afstammen van bacteriële introns. Het idee is dat eiwitten langzamerhand zijn gaan assisteren met het uitknippen totdat ze daarin zo goed waren dat het self-splicende vermogen verloren is gegaan.Toen dat verloren was, stond de weg open voor onbeperkte accumulatie van mutaties in de base volgorde van de eukaryotische spliceosomal introns...

De base volgorde van introns
Het grote verschil van bacteriële introns en eukaryotische introns is dat de bacteriële voor een functioneel RNA coderen en de eukaryotische introns coderen niet voor een functioneel RNA of eiwit.

Patthy (1999) Fig 4.1 (5) Gemiddelde substitutie snelheid in verschillend DNA
(gebaseerd op Li & Grauer 1991)

 

Een sterke aanwijzing voor afwezigheid van een functie is de accumulatie van mutaties. Introns blijken bijna dezelfde substitutie snelheid te hebben als pseudogenen (pseudogenen zijn stukken DNA waarvan de base volgorde er niet toe doet omdat ze selectief neutraal zijn). In andere woorden: de base volgorde evolueert even snel als pseudogenen. De base volgorde van introns doet er nauwelijks toe. Die base volgorde gaat op den duur lijken op een random volgorde (randomisatie). De base volgorde is selectief neutraal. Het enige wat telt zijn een tiental bases aan het begin en einde van het intron die er voor zorgen dat introns uitgeknipt worden (splicing). Die blijven geconserveerd. Mutaties in splicing sites (= herkenning sites) zijn fataal. Omdat introns vaak groot zijn, valt het kleine aantal functionele bases in splicing sites in het niet bij het grote aantal bases die vrijelijk muteren. Daarom lijken introns (met pijltje) in figuur 4.1 op pseudogenen. Patthy wijst er op dat introns zeer tolerant zijn voor substituties, deleties en inserties. En dat zien we ook: introns variëren veel meer in grootte dan exons. In vergelijking met exons is de spreiding in grootte van introns is veel groter.
Een recente publicatie (2006) vindt dat over relatief korte evolutionaire periodes introns korter of langer kunnen worden, maar het aantal en positie van introns in overeenkomstige genen kunnen over langere evolutionaire periodes veranderen. Wanneer je dus leest dat er introns zijn in vertebraten met dezelfde positie als eenvoudige meercellige dieren, dus 100 miljoen jaar constant zijn gebleven, dan wil dat niet zeggen dat de introns zélf identiek zijn gebleven. Het gaat om hun posities in genen.

Alternative splicing voor gevorderden
Dat de inhoud van introns grotendeels random is, is goed verenigbaar met het feit dat er bij alternative splicing zelden introns blijven zitten en vertaald worden naar eiwit (4). Als ze niet naar eiwit vertaald worden, worden ze ook niet getest door natuurlijke selectie. Het is nuttig om de 20 jaar oude test van Li & Grauer (1991) in bovenstaande figuur opnieuw uit te voeren met het oog op introns die niet uitgeknipt worden en dus wel in eiwitten terecht komen (zoals in sommige planten en eencellige eukaryoten). Te verwachten is dat die introns net zo langzaam evolueren als exons. Het zijn in feite exons.
Een toename van het aantal genen met alternative splicing in gewervelden (vertebraten) ten opzichte van ongewervelden (invertebraten) moet ongeveer 300 miljoen jaar geleden opgetreden zijn (4). Dit kan natuurlijk niet als argument gebruikt worden voor het ontstaan van introns miljoenen jaren eerder! Natuurlijke selectie heeft geen vooruitziende blik.

 

Voorlopige conclusie

Er valt niet te ontkomen aan de volgende conclusies (2):

• de allereerste eukaryoten (= planten + dieren + schimmels) hadden introns
• een aantal introns zijn 1,5 tot 2 miljard jaar oud
• dat er in iedere afstammingslijn introns zijn bijgekomen en verdwenen
• de meerderheid van introns in gewervelden (vertebraten) en planten zijn evolutionair recent
• paradoxaal: de mens heeft méér introns gemeenschappelijk met de plant Arabidopsis thaliana dan met de fruitvlieg en worm.

Dat laatste paradoxale resultaat maakt de studie van introns zo boeiend. Het veld zit vol verrassingen en (nog) onverklaarde verschijnselen. Het maakt duidelijk dat we nog zo weinig weten van het hoe en waarom van introns. Verder blijkt uit de voorlopige conclusies dat zowel de Introns Early als de Introns Late theorie beide waar te zijn. Het is eigenlijk een valse tegenstelling.
Ik heb nog vele zaken laten liggen: de connectie van introns en de oorsprong van het leven, en creationisten (!) over introns, wat de (evolutie)handboeken schrijven over introns, en de nieuwste wetenschappelijke ontwikkelingen. Daar ga ik in volgende blogs op in.

Vorige blogs

• Het intron-mysterie voor gevorderden (1) 
• Introns voor beginuitknippenners

Noten

1. Jeffares, Mourier, Penny (2006) The biology of intron gain and loss, TRENDS in Genetics Vol.22 No.1 January 2006
2. Rogozin IB, Wolf YI, Sorokin AV, Mirkin BG, Koonin EV. (2003) 'Remarkable interkingdom conservation of intron positions and massive, lineage-specific intron loss and gain in eukaryotic evolution', Current Biology.
3. Alternatieve splicing doet eigenlijk net zoiets als exon shuffling: exons op verschillende manieren combineren. Combinatie's van exons worden op die manier getest op nut. 
4. Eddo Kim (2007) Different levels of alternative splicing among eukaryotes, Nucleic Acids Res. 2007 January; 35(1): 125–131 
5. László Patthy (1999) 'Protein Evolution', Blackwell Science. p.57.