Eukaryote genen bestaan uit coderende en niet-coderende segmenten van DNA, die respectievelijk exonen en intronen worden genoemd.Op het eerste gezicht lijkt het een onnodige last om DNA zonder duidelijke functies binnen een gen te dragen. Men heeft echter ingezien dat dit grote evolutionaire voordelen heeft. Wanneer delen van verschillende genen tijdens de evolutie op nieuwe chromosomale plaatsen worden herschikt, kunnen nieuwe genen worden geconstrueerd uit delen van eerder bestaande genen.
Exons en introns
In 1977 werd onverwacht ontdekt dat het DNA van een eukaryotisch gen langer is dan het corresponderende mRNA. De reden hiervoor is dat bepaalde delen van het aanvankelijk gevormde primaire RNA-transcript worden verwijderd voordat de translatie plaatsvindt. Elektronenmicrofoto’s laten zien dat DNA en het bijbehorende transcript (RNA) van verschillende lengte zijn (1). Wanneer mRNA en zijn complementaire enkelstrengs DNA worden gehybridiseerd, ontstaan er lussen van enkelstrengs DNA omdat mRNA alleen hybridiseert met bepaalde secties van het enkelstrengs DNA. In (2) zijn zeven lussen (A tot G) en acht hybridiserende secties te zien (1 tot 7 en de leidende sectie L). Van de in totaal 7700 DNA basenparen van dit gen (3), hybridiseren er slechts 1825 met mRNA. Een hybridiserend segment wordt een exon genoemd. Een aanvankelijk getranscribeerd DNA-deel dat vervolgens uit het primaire transcript wordt verwijderd, is een intron. De grootte en rangschikking van exonen en intronen zijn kenmerkend voor elk eukaryotisch gen (exon/intron structuur). (Elektronenmicrografiek uit Watson et al., 1987).
Internende DNA-sequenties (intronen)
In prokaryoten is het DNA colineair met het mRNA en bevat het geen intronen (1). Bij eukaryoten is het rijpe mRNA complementair aan slechts bepaalde delen van het DNA, omdat het laatste intronen bevat (2). (Figuur aangepast van Stryer, 1995).
Basisstructuur van eukaryote genen
Exonen en intronen zijn genummerd in de 5′ tot 3′ richting van de coderende streng. Zowel exonen als intronen worden getranscribeerd in een precursor-RNA (primair transcript). De eerste en de laatste exonen bevatten gewoonlijk sequenties die niet worden vertaald. Deze worden de 5′ niet-vertaalde regio (5′ UTR) van exon 1 genoemd en de 3′ UTR aan het 3′-uiteinde van het laatste exon. De niet-coderende segmenten (introns) worden verwijderd uit het primaire transcript en de exonen aan weerszijden worden verbonden door een proces dat splicing wordt genoemd. Splicing moet zeer nauwkeurig gebeuren om een ongewenste verandering van het juiste leeskader te voorkomen. Introns beginnen bijna altijd met de nucleotiden GT in de 5′ tot 3′ streng (GU in RNA) en eindigen met AG. De sequenties aan het 5′-uiteinde van het intron die beginnen met GT worden splice donor site genoemd en aan het 3′-uiteinde, eindigend met AG, worden de splice acceptor site genoemd. Volgroeid mRNA wordt aan het 5′-uiteinde gewijzigd door toevoeging van een stabiliserende structuur die “cap” wordt genoemd en door toevoeging van veel adenines aan het 3′-uiteinde (polyadenylering).
Splitsingsroute in GU-AG-introns
RNA-splicing is een complex proces dat wordt bemiddeld door een groot RNA-bevattend eiwit dat een spliceosoom wordt genoemd. Dit bestaat uit vijf soorten kleine nucleaire RNA-moleculen (snRNA) en meer dan 50 eiwitten (kleine nucleaire riboproteïnedeeltjes). Het basismechanisme van de splitsing bestaat schematisch uit autokatalytische splitsing aan het 5′-uiteinde van het intron, wat leidt tot lariatvorming. Dit is een tussenliggende cirkelvormige structuur die wordt gevormd door de 5′-terminus (UG) te verbinden met een base (A) binnen het intron. Deze plaats wordt de vertakkingsplaats genoemd. In de volgende fase wordt door splitsing op de 3′-positie het intron in lariatvorm vrijgemaakt. Tegelijkertijd wordt het rechter exon geligeerd (gespliced) aan het linker exon. Het lariat wordt afgebroken tot een lineair intron en dit wordt snel afgebroken. De vertakkingsplaats identificeert het 3′-uiteinde voor precieze splitsing op de splitsingsacceptorplaats. Het ligt 18-40 nucleotiden stroomopwaarts (in 5′-richting) van de 3′ splitsingsplaats. (Figuur aangepast van Strachan en Read, 1999)