Los intrones son segmentos de genes, que se encuentran en los eucariotas, que no codifican proteínas. Los intrones se eliminan del transcrito de pre-ARNm mediante un complejo de proteínas llamado espliceosoma [complejo de corte y empalme], y ​​las regiones codificantes de proteínas (llamadas exones) se pegan entre sí por otra enzima, la ARN-ligasa.

Los intrones fueron identificados por primera vez en 1977 por el laboratorio de Richard Roberts y Phil Sharp (Chow et al., 1977; Berk y Sharp, 1977; Berget y Sharp, 1977). Los intrones de los eucariotas superiores a menudo pueden ser muy largos, en muchos casos abarcan cientos de miles o incluso millones de bases. Los eucariotas inferiores (por ejemplo, la levadura) tienden a tener intrones más cortos y menos. Mientras se pensaba que eran basura – restos genéticos de millones de años de evolución – evidencia más reciente ha revelado muchas funciones importantes para estas regiones no codificantes de genes.

Por ejemplo, se ha establecido que los intrones contienen códigos involucrados en la regulación del empalme alternativo (por ejemplo, Kabat et al., 2006). También se ha demostrado que la duración de los intrones (y, en consecuencia, el tiempo necesario para transcribirlos) puede contribuir a los mecanismos de sincronización durante el desarrollo (Swinburne y Silver, 2010). Los intrones también pueden codificar moléculas de ARN como los microARN (que son necesarios para la expresión de los ARNm durante el desarrollo) y los pequeños ARN nucleolar (que desempeñan un papel importante en el procesamiento de los ARN ribosómicos) (por ejemplo, Qi et al., 2010; Kiss y Filipowicz, 1995). Se podrían discutir muchas otras funciones de las secuencias intrónicas.

Intrones en levadura de cerveza

Saccharomyces cerevisiae posee un genoma compacto, que contiene solo 295 intrones que se encuentran en 280 genes (Hooks et al., 2014; Neuvéglise et al., 2011). La mayoría de estos intrones tienen una longitud inferior a 500 nucleótidos y solo nueve genes de levadura poseen más de un intrón (Neuvéglise et al., 2011; Spingola et al., 1999).

El último número de Nature contiene un artículo sobre las funciones de los intrones en la levadura en ciernes (Parenteau et al., 2019). Aquí está el resumen:

Los intrones son características ubicuas de todas las células eucariotas. Los intrones deben eliminarse del ARN mensajero naciente a través del proceso de empalme para producir proteínas funcionales. Aquí mostramos que la presencia física de los intrones en el genoma promueve la supervivencia celular en condiciones de inanición. Un conjunto de eliminación sistemática de todos los intrones conocidos en los genes de levadura en cerveza indica que, en la mayoría de los casos, las células con una eliminación de intrones se deterioran cuando los nutrientes se agotan. Este efecto de los intrones sobre el crecimiento no está vinculado a la expresión del gen huésped, y se reprodujo incluso cuando se bloqueó la traducción del ARNm huésped. Los análisis transcriptómicos y genéticos indican que los intrones promueven la resistencia a la inanición al mejorar la represión de los genes de las proteínas ribosómicas que se encuentran corriente abajo de las vías de detección de nutrientes TORC1 y PKA. Nuestros resultados revelan funciones de los intrones que pueden ayudar a explicar su preservación evolutiva en los genes y descubrir los mecanismos reguladores de las adaptaciones de las células a la inanición. [Énfasis añadido.]

El documento explica con más detalle:

En este estudio, presentamos lo que es, a nuestro entender, la primera colección completa de cepas de levadura, cada una con una eliminación de un intrón específico. Los análisis de esta colección proporcionan evidencia directa de las funciones globales de los intrones que pueden explicar su conservación durante la evolución, independientemente de la función o expresión del gen huésped del intrón.

Una biblioteca de cepas de levadura

Los investigadores, liderados por Sherif Abou Elela de la Universidad de Sherbrooke, construyeron sistemáticamente una biblioteca de cepas de levadura, eliminando un intrón diferente de cada una de las 295 cepas. El resultado de eliminar los intrones fue un retraso en el crecimiento celular en ambientes con escasez de nutrientes, aunque no hubo mucho impacto en las células cuyo ambiente no se agotó de nutrientes. Elela y su equipo determinaron que aproximadamente el 90 por ciento de los intrones en el genoma de Saccharomyces tuvieron este resultado cuando se eliminaron. En sus propias palabras, «Llegamos a la conclusión de que los intrones son específicamente necesarios para el crecimiento en la fase estacionaria del cultivo cuando se agotan los nutrientes».

En su discusión, señalan:

Hemos demostrado que los intrones afectan el crecimiento celular en respuesta al agotamiento de nutrientes, independientemente de la función del gen huésped. Eliminar un solo intrón reduce la capacidad de las células para soportar el agotamiento de nutrientes o la inanición (Figs. 1, 2). En particular, los intrones podrían rescatar independientemente los defectos causados ​​por la eliminación del intrón, incluso cuando su proteína huésped no se produjo (Fig. 3). Los análisis del transcriptoma indican que los intrones promueven la resistencia al agotamiento de los nutrientes al inhibir un conjunto común de genes que están asociados con la traducción y la respiración (Fig. 5). Estos efectos intrónicos parecen acoplar las rutas TOR y PKA a la represión de la biogénesis del ribosoma, sobre la base de la concentración de nutrientes (Fig. 6 y Datos ampliados Fig. 10b, c). Juntos, los datos presentan un paradigma de función intrón en el que la presencia de intrones contribuye directamente al crecimiento celular de una manera que es independiente de la función de su gen huésped.

En el mismo número de Nature, un equipo diferente liderado por el biólogo de ARN David Bartel del Instituto de Tecnología de Massachusetts, informó sobre 34 intrones en Saccharomyces cerevisiae que «se acumulan como ARN lineales en condiciones de crecimiento saturado u otras tensiones que causan una inhibición prolongada de TORC1, que es un integrador clave de la señalización de crecimiento ”(Morgan et al., 2019). Generalmente, las células se han analizado durante el crecimiento de la fase logarítmica, donde la proliferación celular no está limitada y la división tiene lugar a una velocidad constante. Como esto normalmente no refleja la situación de la levadura de cerveza en un entorno natural, los investigadores buscaron investigar su regulación genética en un contexto distinto al del crecimiento en fase logarítmica.

Los investigadores eliminaron un subconjunto de estos intrones del genoma de Saccharomyces utilizando CRISPR, y compararon las células resultantes con células de tipo salvaje para determinar el efecto sobre el crecimiento celular. De acuerdo con los resultados de Elela y sus colegas, descubrieron que las células de tipo salvaje se desempeñaban bien en ambientes con escasez de nutrientes, pero no tan bien cuando había una gran cantidad de recursos. Las células alteradas (con los intrones eliminados), por el contrario, funcionaron bien cuando había recursos abundantes, pero no cuando los recursos eran escasos.


Supervivencia en entornos de recursos agotados

¿Cómo los intrones promueven la supervivencia celular en condiciones de recursos agotados? Una posibilidad, sugerida por los investigadores, es que los spliceosomas son secuestrados por intrones estables. Es decir, el complejo de corte y empalme está «saturado» por los intrones, de manera que se inhibe de la unión de los intrones recién transcritos. Los investigadores propusieron un modelo en el que la ruta TORC1, una cascada de señalización responsable de regular el crecimiento de las células de levadura en respuesta a la disponibilidad de nutrientes, provoca la acumulación de intrones en entornos con recursos reducidos. Esto sería una ventaja, ya que evitaría que la energía se desperdicie al intentar crecer en entornos donde los recursos son escasos. De hecho, ya se sabe que TORC1 regula, de manera dependiente de los nutrientes, la expresión de proteínas ribosómicas (Li et al., 2006).

El equipo de Elela ha realizado experimentos adicionales para sugerir que en las células carentes de nutrientes, la expresión de las proteínas ribosómicas necesarias para la traducción de proteínas se suprime por los intrones. Esto sugiere que los intrones están inhibiendo el empalme y la traducción, lo que reduce la tasa de metabolismo celular y el consumo de energía.

Todo esto recuerda un comentario del biólogo John Mattick, un crítico del paradigma del ADN basura. En 2003, en Scientific American (Gibbs, 2003), escribió:

El hecho de no reconocer las implicaciones completas de esto, especialmente la posibilidad de que las secuencias no codificantes intermedias puedan estar transmitiendo información paralela en forma de moléculas de ARN, bien puede ser uno de los errores más grandes en la historia de la biología molecular.

Bastante asi

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) Intron 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) Intronic 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 introns regulate growth in yeast. Nature.

Neuvéglise, C., Marck, C. and Gaillardin, C. (2011). The intronome of budding yeasts. Comptes Rendus Biologies 334:662-670.

Parenteau, J. et al. (2019), “Introns 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 introns in Saccharomyces cerevisiae. RNA 5, 221–234.

Monteys, A.M. et al. (2010) Structure and activity of putative intronic miRNA promoters. RNA 25(2):495-505.

Swinburne, I.A. and Silver, P.A. (2008) Intron 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.

Foto: Saccharomyces cerevisiae, por Rainis Venta [CC BY-SA 3.0], de Wikimedia Commons.