Os íntrons são segmentos de genes encontrados em eucariontes que não codificam proteínas. Os íntrons são removidos do pré-mRNA transcrito por um complexo de proteínas chamado spliceossoma, e as regiões codificadoras de proteínas (chamadas exons) são coladas por outra enzima, a RNA ligase.
Os íntrons foram identificados pela primeira vez em 1977 pelo laboratório de Richard Roberts e Phil Sharp (Chow et al., 1977; Berk e Sharp, 1977; Berget e Sharp, 1977). Os íntrons de eucariontes superiores podem, com frequência, ser muito longos – em muitos casos, abrangendo centenas de milhares ou até milhões de bases. Eucariontes inferiores (por exemplo, levedura) tendem a ter íntrons mais curtos e em menor número. Enquanto eles já foram considerados lixo – detritos genéticos que sobraram de milhões de anos de evolução – evidências mais recentes revelaram muitas funções importantes para essas regiões não-codificantes dos genes.
Por exemplo, foi estabelecido que os íntrons contêm códigos envolvidos na regulação de splicing alternativo (por exemplo, Kabat et al., 2006). Também foi demonstrado que o comprimento dos íntrons (e, consequentemente, o tempo necessário para transcrevê-los) pode contribuir para mecanismos de timing durante o desenvolvimento (Swinburne e Silver, 2010). Os íntrons também podem codificar moléculas de RNA, como microRNAs (que são necessários para a expressão de mRNAs durante o desenvolvimento) e pequenos RNAs nucleolares (que desempenham um papel importante no processamento de RNAs ribossômicos) (por exemplo, Qi et al., 2010; Kiss e Filipowicz, 1995). Muitas outras funções de sequências íntronicas poderiam ser discutidas.
íntrons em levedura de brotamento
Saccharomyces cerevisiae possui um genoma compacto, contendo apenas 295 íntrons que são encontrados em 280 genes (Hooks et al ., 2014; Neuvéglise et al ., 2011). A maioria destes íntrons tem comprimento inferior a 500 nucleótidos e apenas nove genes de levedura possuem mais do que um íntron (Neuvéglise et al ., 2011; Spingola et al ., 1999).
A última edição da Nature traz um artigo sobre as funções dos íntrons em levedura de brotamento (Parenteau et al ., 2019). Aqui está o resumo:
Íntrons são características onipresentes de todas as células eucarióticas. Íntrons precisam ser removidos do RNA mensageiro nascente através do processo de splicing para produzir proteínas funcionais. Aqui mostramos que a presença física de íntrons no genoma promove a sobrevivência das células sob condições de fome . Um conjunto de deleção sistemático de todos os íntrons conhecidos nos genes de levedura de brotamento indica que, na maioria dos casos, as células com uma deleção de íntron são prejudicadas quando os nutrientes são esgotados . Este efeito de íntrons no crescimento não está ligado à expressão do gene hospedeiro e foi reproduzido mesmo quando a tradução do mRNA do hospedeiro foi bloqueada. Análises transcriptômicas e genéticas indicam que íntrons promovem resistência à fome, aumentando a repressão de genes de proteínas ribossômicas que estão a jusante das vias TORC1 e PKA sensíveis a nutrientes. Nossos resultados revelam funções de íntrons que podem ajudar a explicar sua preservação evolutiva¹ em genes, e descobrir mecanismos reguladores de adaptações celulares à inanição. [Enfase adicionada.]
Nota do tradutor ¹: Perceba que a interpretação do que era lixo evolutivo agora é a razão para ser “preservado” evolutivamente.
O documento explica ainda:
Neste estudo, apresentamos o que é – até onde sabemos – a primeira coleção completa de linhagens de leveduras, cada uma com uma deleção de um íntron específico. A análise desta coleção fornecem evidências diretas de funções globais de íntrons que podem explicar sua preservação durante a evolução, independentemente da função ou expressão do gene hospedeiro do íntron.
Uma biblioteca de cepas de levedura
Os pesquisadores, liderados por Sherif Abou Elela, da Universidade de Sherbrooke, construíram sistematicamente uma biblioteca de cepas de levedura, excluindo um íntron diferente de cada uma das 295 cepas. O resultado da exclusão de íntrons foi um retardo no crescimento celular em ambientes com depleção de nutrientes, embora não tenha havido muito impacto sobre as células cujo ambiente não foi esgotado de nutrientes. Elela e sua equipe determinaram que aproximadamente 90% dos íntrons no genoma de Saccharomyces tiveram esse resultado quando removidos. Em suas próprias palavras, “concluímos que os íntrons são especificamente necessários para o crescimento na fase estacionária da cultura quando os nutrientes são esgotados”.
Em sua discussão, eles observam:
Nós mostramos que os íntrons afetam o crescimento celular em resposta ao esgotamento de nutrientes, independentemente da função do gene hospedeiro. A exclusão de um único intrão reduz a capacidade das células de resistirem à depleção ou à privação de nutrientes (Figs. 1, 2). Notavelmente, os íntrons poderiam resgatar independentemente os defeitos causados pela deleção, mesmo quando sua proteína hospedeira não fosse produzida (Fig. 3). Análises de transcriptoma indicam que os íntrons promovem resistência à depleção de nutrientes inibindo um conjunto comum de genes associados à tradução e respiração (Fig. 5). Esses efeitos intrônicos parecem acoplar as vias TOR e PKA à repressão da biogênese do ribossomo, com base na concentração de nutrientes (Fig. 6 e Dados Estendidos Fig. 10b, c). Juntos, os dados apresentam um paradigma de função intrônica em que a presença de íntrons contribui diretamente para o crescimento celular de forma independente da função de seu gene hospedeiro.
Na mesma edição da Nature , uma equipe diferente, liderada pelo biólogo de RNA David Bartel, do Massachusetts Institute of Technology, relatou 34 íntrons na Saccharomyces cerevisiae que “se acumulam como RNAs lineares sob condições de crescimento saturado ou outras tensões que causam inibição prolongada de TORC1, que é um integrador chave da sinalização de crescimento” (Morgan et al., 2019). Normalmente, as células foram testadas durante o crescimento log-phase, onde a proliferação celular não é limitada e a divisão ocorre a uma taxa constante. Como isso normalmente não reflete a situação da levedura em um ambiente natural, os pesquisadores procuraram investigar sua regulação gênica em um contexto diferente daquele do crescimento da fase logarítmica.
Os investigadores eliminaram um subconjunto destes intrões do genoma de Saccharomyces utilizando CRISPR e compararam as células resultantes com células do tipo selvagem, a fim de determinar o efeito no crescimento celular. Consistente com os resultados de Elela e seus colegas, eles descobriram que as células do tipo selvagem tiveram um bom desempenho em ambientes de depleção de nutrientes, mas não tão bem quando havia abundância de recursos. As células alteradas (com os íntrons deletados), por outro lado, tiveram um bom desempenho quando havia recursos abundantes, mas não quando os recursos eram escassos.
Sobrevivência em ambientes com recursos esgotados
Como os íntrons promovem a sobrevivência das células em condições de recursos esgotados? Uma possibilidade, sugerida pelos pesquisadores, é que os spliceossomas são sequestrados por íntrons estáveis. Ou seja, o aparelho de spliceosome é “entulhado” por íntrons, de tal modo que é inibido de unir íntrons recém-transcritos. Os pesquisadores propuseram um modelo no qual a via TORC1, uma cascata de sinalização responsável por regular o crescimento de células de levedura em resposta à disponibilidade de nutrientes, causa o acúmulo de íntrons em ambientes esgotados de recursos. Isso seria uma vantagem, pois impediria que a energia fosse desperdiçada na tentativa de crescer em ambientes onde os recursos são escassos. De fato, o TORC1 já é conhecido por regular, de maneira dependente de nutrientes, a expressão de proteínas ribossômicas (Li et al ., 2006).
A equipe de Elela realizou mais experimentos para sugerir que, em células com depleção de nutrientes, a expressão das proteínas ribossômicas necessárias para a tradução da proteína é suprimida pelos íntrons. Isto sugere que os introns estão inibindo o splicing e a tradução, reduzindo assim a taxa de metabolismo celular e o consumo de energia.
Tudo isso faz lembrar um comentário do biólogo John Mattick, um crítico do paradigma do DNA lixo. Em 2003, na Scientific American (Gibbs, 2003), ele escreveu:
O fracasso em reconhecer todas as implicações disso – particularmente a possibilidade de que as sequências não codificadoras intervenientes possam estar transmitindo informações paralelas na forma de moléculas de RNA – pode muito bem ser considerado um dos maiores erros da história da biologia molecular.
Bem assim.
Original: Evolution News. “Junk DNA” Suffers a Blow as Nature Papers Find “Global Function” for íntrons in Budding Yeast. January 21, 2019.
Literatura citada
Berget, S.M., Sharp, P.A. (1977) A spliced sequence at the 5′-terminus of adenovirus late mRNA. Brookhaven Symp Biol, 29:332-44.
Berk, A.J., Sharp, P.A. (1977) Sizing and mapping of early adenovirus mRNAs by gel electrophoresis of S1 endonuclease-digested hybrids. Cell 12(3): 721-32.
Chow, L.T., Roberts, J.M., Lewis, J.B., Broker, T.R. (1977) A map of cytoplasmic RNA transcripts from lytic adenovirus type 2, determined by electron microscopy of RNA:DNA hybrids. Cell, 11(4): 819-36.
Gibbs, W.W. (2003) The unseen genome: gems among the junk. Scientific American 289(5):26-33.
Hooks, K. B., Delneri, D. & Grifths-Jones, S. (2014) íntron evolution in Saccharomycetaceae. Genome Biol. Evol. 6, 2543–2556.
Kabat, J.L., Barberan-Soler, S., McKenna, P., Clawson, H., Farrer, T., and Zahler, A.M. (2006) íntronic Alternative Splicing Regulators Identified by Comparative Genomics in Nematodes. PLoS Computational Biology 2(7):734-747.
Kiss, T. and Filipowicz, W. (1995) Genes and Development 9(11):1411-1424.
Li, H., Tsang, C.K., Watkins, M., Bertram, P.G., and Zheng, X.F. (2006). Nutrient regulates Tor1 nuclear localization and association with rDNA promoter. Nature 442, 1058–1061.
Morgan, J.T., Fink, G.R., and Bartel, D.P. (2019) Excited linear íntrons regulate growth in yeast. Nature.
Neuvéglise, C., Marck, C. and Gaillardin, C. (2011). The íntronome of budding yeasts. Comptes Rendus Biologies 334:662-670.
Parenteau, J. et al. (2019), “íntrons are mediators of cell response to starvation,” Nature.
Spingola, M., Grate, L., Haussler, D. & Ares, M. Jr. (1999) Genome-wide bioinformatic and molecular analysis of íntrons in Saccharomyces cerevisiae. RNA 5, 221–234.
Monteys, A.M. et al. (2010) Structure and activity of putative íntronic miRNA promoters. RNA 25(2):495-505.
Swinburne, I.A. and Silver, P.A. (2008) íntron Delays and Transcriptional Timing during Development. Developmental Cell 14(3):324-330.
Qi, Y. et al (2010) High-Throughput Sequencing of MicroRNAs in Adenovirus Type 3 Infected Human Laryngeal Epithelial Cells. Journal of Biomedicine and Biotechnology 2010.
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