مروری بر عملکرد اینترون و اگزون

اینترون و اگزون مناطقی از ژن هستند که در ایجاد پروتئین ‌های مختلف در بدن نقشی اساسی ایفا می‌کنند.

اگزون‌ها (Exons) مناطقی از یک ژن هستند که حاوی اطلاعات رمزگذاری برای سنتز پروتئین‌ها هستند. در طی فرآیند بیان ژن، اگزون‌ها به mRNA رونویسی شده  و در نهایت به پروتئین ترجمه می‌شوند.

اینترون‌ها (introns) نواحی غیر کد کننده یک ژن هستند که توالی‌های کد کننده یا اگزون‌‌های درون ژن را قطع می‌کنند. در طی فرآیند بیان ژن، اینترون‌ها همراه با اگزون‌ها به mRNA رونویسی می‌شوند. با این حال، برخلاف اگزون‌ها، اینترون‌ها معمولاً قبل از اینکه mRNA به پروتئین ترجمه شود، از طریق پیوند ژن (splicing) از pre-mRNA حذف می‌شوند.

در این مطلب قصد داریم به بررسی نقش و اهمیت اینترون و اگزون در بدن بپردازیم.

مروری بر اینترون و اگزون

اگزون‌ها نقش مهمی در تعیین ساختار و عملکرد پروتئین‌ها دارند. جهش‌های درون اگزون‌ها بسته به اینکه چگونه بر ساختار یا عملکرد پروتئین حاصل تأثیر می‌گذارند، می‌توانند منجر به اختلالات یا بیماری‌های ژنتیکی شود. علاوه بر این پیوند ترکیبات مختلف اگزون‌ها، می‌تواند ایزوفرم‌های پروتئینی متعدد را از یک ژن تولید کند. این باعث افزایش تنوع پروتئین‌های تولید شده از ژنوم می‌شود.

اینترون‌ها توالی‌های پروتئینی را رمزگذاری نمی‌کنند. اما می‌توانند نقش‌های تنظیمی حیاتی در بیان ژن ایفا کنند. برای مثال، اینترون‌ها ممکن است حاوی عناصر تنظیم‌کننده‌ای مانند تقویت‌کننده‌ها باشند که بر فعالیت رونویسی تأثیر می‌گذارند. برخی از اینترون‌ها همچنین حاوی توالی‌هایی هستند که در تنظیم جایگزینی پیوند یا سایر فرآیندهای پس از رونویسی نقش دارند.

وجود اینترون در ژن‌ها یک ویژگی مشترک در ژنوم‌های یوکاریوتی است. این ویژگی آن‌ها را از ژنوم‌های پروکاریوتی متمایز می‌کند که معمولاً فاقد اینترون در ژن‌هایشان هستند. منشاء تکاملی و عملکرد اینترون‌ها هنوز حوزه‌های تحقیقات فعال در زیست شناسی مولکولی و ژنتیک هستند.

عملکرد اینترون و اگزون در بدن

در ادامه قصد داریم به تفکیک به بررسی عملکرد اینترون و اگزون در بدن بپردازیم.

عملکرد اگزون‌ها

اگزون‌ها اجزای ضروری ژن‌ها هستند که اطلاعات لازم برای سنتز و عملکرد پروتئین را رمزگذاری می‌کنند. آن‌ها نه تنها ساختار و عملکرد پروتئین‌ها را تعیین می‌کنند، بلکه در تنظیم ژن، پردازش mRNA، یکپارچگی ژنتیکی و نوآوری تکاملی نیز نقش دارند. از نقش‌های اصلی اگزون‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

رمزگذاری توالی پروتئین

وظیفه اصلی اگزون‌ها رمزگذاری توالی اسید آمینه‌ای است که پروتئین‌ها را می‌سازند. هر اگزون مربوط به بخش خاصی از توالی پروتئین است. ترکیب اگزون‌ها ساختار و عملکرد پروتئین نهایی را تعیین می‌کند.

تعیین ساختار و عملکرد پروتئین

توالی اگزون‌ها در یک ژن مستقیماً بر ساختار و عملکرد پروتئین حاصل تأثیر می‌گذارد. ترکیب‌های مختلف اگزون‌ها، از طریق فرآیندهایی مانند پیوند جایگزین، می‌توانند ایزوفرم‌های پروتئینی با ویژگی‌های متمایز تولید کنند که تنوع عملکردی را امکان‌پذیر می‌کند.

تنظیم بیان ژن

اگزون‌ها می‌توانند حاوی عناصر تنظیمی موثر بر بیان ژن باشند. برای مثال، توالی‌های خاص درون اگزون‌ها ممکن است به‌عنوان مکان‌های اتصال برای فاکتورهای رونویسی یا سایر پروتئین‌های تنظیم‌کننده عمل کنند و نرخ رونویسی ژن را تعدیل کنند.

تشخیص سیگنال‌های اتصال

 اگزون‌ها حاوی توالی‌های خاصی مانند مکان‌های اتصال هستند که دستگاه اسپلایسینگ در طول پردازش mRNA آنها را تشخیص می‌دهد. این توالی ها کمک می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که اتصال اگزون‌ها به یکدیگر صحیح است و اینترون‌ها حذف می‌شوند تا mRNA بالغ تولید می‌شود.

حفظ یکپارچگی ژنتیکی

 اگزون‌ها اغلب در بین گونه‌ها بیشتر از اینترون‌ها محافظت می‌شوند. این امر نشان دهنده اهمیت آن‌ها در حفظ یکپارچگی اطلاعات ژنتیکی است. جهش در اگزون‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی بر ساختار و عملکرد پروتئین تأثیر بگذارد و منجر به اختلالات یا بیماری‌های ژنتیکی مختلف شود.

حفاظت و نوآوری تکاملی

 اگزون‌ها نقش مهمی در فرآیندهای تکاملی دارند. اگزون‌های حفاظت شده اغلب حوزه‌های پروتئینی ضروری یا نقوش عملکردی حفظ شده در طول تاریخ تکامل را رمزگذاری می‌کنند. برعکس، ظهور اگزون‌های جدید از طریق فرآیندهایی مانند به هم زدن اگزون یا تکثیر ژن می‌تواند به تکامل عملکردهای جدید پروتئین کمک کند.

عملکرد اینترون‌ها

زمانی تصور می‌شد که اینترون‌ها در واقع نوعی DNA ناخواسته در بدن هستند که عملکرد خاصی ندارند. اما تحقیقات در طول سال‌ها چندین عملکرد اساسی را نشان داده است که اینترون‌ها می‌توانند انجام دهند:

تنظیم بیان ژن

اینترون‌ها می‌توانند حاوی عناصر تنظیمی مانند تقویت کننده‌ها و محل‌های اتصال برای فاکتورهای رونویسی باشند. این عناصر می‌توانند بر فعالیت رونویسی ژن و نیز بر سرعت تولید mRNA تأثیر بگذارند.

تسهیل سازگاری تکاملی

اینترون‌ها می‌توانند انعطاف پذیری ژنومی را فراهم کنند و تغییرات تکاملی را تسهیل کنند. به عنوان مثال، اینترون‌ها می‌توانند جهش‌ها را بدون اینکه لزوماً بر مناطق کدکننده ژن تأثیر بگذارند، انباشته کنند. این امر امکان تغییرات ژنتیکی جدید را فراهم می‌کند.

تنظیم ثبات و انتقال mRNA

برخی از اینترون‌ها حاوی توالی‌هایی هستند که ثبات یا انتقال mRNA را تنظیم می‌کنند. این توالی‌ها می‌توانند بر مدت زمانی که مولکول‌های mRNA قبل از تجزیه در سلول باقی می‌مانند، تأثیر بگذارند.

انواع اگزون‌ها

تا به اینجا در رابطه با عملکرد اینترون و اگزون صحبت کردیم.

اگزون‌ها را می‌توان بر اساس ویژگی‌های عملکردی و سهم آن‌ها در بیان ژن و سنتز پروتئین به انواع مختلفی طبقه بندی کرد. در ادامه چند نوع رایج اگزون آورده شده است.

اگزون‌های سازنده: این اگزون‌ها در mRNA بالغ یک ژن در شرایط عادی وجود دارند و به طور اساسی در رونوشت گنجانده می‌شوند. آن‌ها برای ساختار اولیه و عملکرد پروتئین ضروری هستند.

اگزون‌های جایگزین: گنجاندن و حذف اگزون‌های جایگزین از mRNA بالغ می‌تواند از طریق پیوند جایگزین رخ دهد. گنجاندن یا حذف اگزون‌های جایگزین می‌تواند باعث ایجاد ایزوفرم‌های mRNA مختلف شود که منجر به انواع پروتئین‌ها با ساختارها و عملکردهای متمایز می‌شود.

اگزون‌های کاست: اگزون‌های کاست (Cassette Exons) یک اگزون جایگزین هستند که می‌توانند به عنوان یک واحد در رونوشت mRNA بالغ گنجانده شوند یا از آن صرفنظر کنند. گنجاندن یا حذف اگزون‌های کاست می‌تواند ایزوفرم‌های پروتئینی مختلف تولید کند.

اگزون‌های انحصاری متقابل: این‌ها زیرمجموعه‌ای از اگزون‌های کاست هستند که تنها یک اگزون از مجموعه‌ای از اگزون‌ها در رونوشت mRNA بالغ گنجانده می‌شود. انتخاب اگزون متقابلاً منحصر به فرد است.

اگزون‌های داخلی: اگزون‌های داخلی اگزون‌هایی هستند که در ناحیه کد کننده یک ژن قرار دارند. برخلاف سایر اگزون‌ها که در ابتدا (۵′ انتهای) یا انتهای (۳′ انتهای) ژن هستند. آن‌ها به دنباله کد کننده رونوشت mRNA بالغ کمک می‌کنند.

اگزون‌های ترمینال: اگزون‌های ترمینال اگزون‌هایی هستند که در انتهای یک ژن، یا در انتهای ۵′ (اگزون های انتهایی ۵′) یا انتهای ۳′ (اگزون های انتهایی ۳′) قرار دارند. آن‌ها معمولاً در مناطق ترجمه نشده mRNA (UTRs) درگیر هستند و ممکن است حاوی عناصر تنظیمی ضروری برای پایداری، محلی سازی یا ترجمه mRNA باشند.

وجود اگزون های جایگزین و پیرایش جایگزین به طور قابل توجهی تنوع ایزوفرم های پروتئین تولید شده از یک ژن را افزایش می دهد.

انواع اینترون‌ها

اینترون‌ها اغلب بر اساس طول یا موقعیت در یک ژن دسته بندی می‌شوند.

اینترون های متعارف یا نوع U2: رایج ترین اینترون‌های موجود در ژن‌های یوکاریوتی هستند. اتصال این اینترون‌ها معمولاً توسط اسپلایسوزوم اصلی (major spliceosome) اتفاق می‌افتد که مجموعه‌ای از ریبونوکلئوپروتئین‌های هسته‌ای کوچک (snRNPs) و پروتئین‌های دیگر است.

اینترون های مینور یا نوع U12: در برخی ارگانیسم‌های یوکاریوتی از جمله انسان وجود دارند. آن‌ها توالی‌های اجماع متمایزی را در مکان‌های پیوندشان در مقایسه با اینترون‌های متعارف دارند و توسط یک اسپلایسوزوم  کوچک حاوی snRNP‌های مختلف جدا می‌شوند. اینترون های نوع U12 معمولا کوتاه تر و کمتر از اینترون‌های نوع U2 هستند.

اینترون‌های گروه I و II: این نوع اینترون‌ها در ژنوم‌های اندامکی (مانند میتوکندری‌ها و کلروپلاست ها) و برخی از باکتری ها وجود دارند. می‌توانند حذف خود را از مولکول‌های پیش ساز RNA بدون کمک اسپلایسوزوم‌ها کاتالیز کنند. اینترون‌های گروه I معمولاً به ساختارهای ثانویه پیچیده می‌رسند و از گوانوزین به عنوان کوفاکتور برای اتصال استفاده می‌کنند. در حالی که اینترون های گروه II دارای ساختار ثانویه حفاظت شده شبیه snRNA های اسپلایسوزومی هستند.

اینترون های tRNA: ژن‌های انتقالی (tRNA) اغلب حاوی یک یا چند اینترون هستند که در طول پردازش tRNA حذف می‌شوند. این اینترون‌ها معمولاً توسط آنزیم‌هایی به نام اندونوکلئازهای پیوند دهنده tRNA جدا می‌شوند و توسط اسپلایسوزوم پردازش نمی‌شوند.

عناصر متحرک: برخی از اینترون‌ها از عناصر ژنتیکی متحرک، مانند رتروترانسپوزون‌ها یا ترانسپوزون های DNA که خود را وارد ژن‌ها می‌کنند، مشتق شده‌اند. این اینترون‌ها ممکن است حاوی توالی‌های مرتبط با عنصر قابل انتقال باشند و در صورت عدم اتصال صحیح، گاهی اوقات عملکرد ژن را مختل می‌کنند.

اینترون های بین ژنی: بین ژن‌ها قرار دارند. توالی کد کننده را قطع نمی‌کنند. اما می‌توانند حاوی عناصر تنظیمی باشند که می‌توانند بر بیان ژن یا ساختار کروماتین تأثیر بگذارند.

تفاوت بین اینترون و اگزون

در جدول زیر به طور خلاصه تمایزات اصلی بین اینترون و اگزون، از جمله مکان، عملکرد و اهمیت تکاملی آن‌ها را مرور بیان شده است.