The intron has been a big biological mystery since it was first discovered in several aspects. First, all of the completely sequenced eukaryotes harbor introns in the genomic structure, whereas no prokaryotes identified so far carry introns. Second, the amount of total introns varies in different species. Third, the length and number of introns vary in different genes, even within the same species genome. Fourth, all introns are copied into RNAs by transcription and DNAs by replication processes, but intron sequences do not participate in protein-coding sequences. The existence of introns in the genome should be a burden to some cells, because cells have to consume a great deal of energy to copy and excise them exactly at the correct positions with the help of complicated spliceosomal machineries. The existence throughout the long evolutionary history is explained, only if selective advantages of carrying introns are assumed to be given to cells to overcome the negative effect of introns. In that regard, we summarize previous research about the functional roles or benefits of introns. Additionally, several other studies strongly suggesting that introns should not be junk will be introduced.
Wang, Ah Rha;Jeong, Su Yeon;Jeong, Jun Seong;Kim, Seong Ryul;Choi, Yong Soo;Kim, Iksoo
International Journal of Industrial Entomology and Biomaterials
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v.31
no.2
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pp.62-69
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2015
The Asian cavity-nesting honeybee, Apis cerana (Hymenoptera: Apidae), has been extensively studied for its biogeography and genetic diversity, but the molecules utilized in past studies were mainly ~90 bp long mitochondrial non-coding sequences, located between $tRNA^{Leu}$ and COII. Thus, additional molecular markers may enrich our understanding of the biogeography and genetic diversity of this valuable bee species. In this study, we reviewed the public genome database to find introns of cDNA sequences, with the assumption that these introns may have less evolutionary constraints. The six introns selected were subjected to preliminary tests. Thereafter, two introns, titled White gene and MRJP9 gene, were selected. Sequencing of 552 clones from 184 individual bees showed a total of 222 and 141 sequence types in the White gene and MRJP9 gene introns, respectively. The sequence divergence ranged from 0.6% to 7.9% and from 0.26% to 17.6% in the White gene and the MRJP9 introns, respectively, indicating higher sequence divergence in both introns. Analysis of population genetic diversity for 16 populations originating from Korea, China, Vietnam, and Thailand shows that nucleotide diversity (π) ranges from 0.003117 to 0.025837 and from 0.016541 to 0.052468 in the White gene and MRJP9 introns, respectively. The highest π was found in a Vietnamese population for both intron sequences, whereas the nine Korean populations showed moderate to low sequence divergence. Considering the variability and diversity, these intron sequences can be useful as non-mitochondrial DNA-based molecular markers for future studies of population genetics.
Polygalacturonase (PG) gene is a typical gene family present in eukaryotes. Forty-nine PGs were mined from the genomes of Neurospora crassa and five Aspergillus species. The PGs were classified into 3 clades such as clade 1 for rhamno-PGs, clade 2 for exo-PGs and clade 3 for exo- and endo-PGs, which were further grouped into 13 sub-clades based on the polypeptide sequence similarity. In gene structure analysis, a total of 124 introns were present in 44 genes and five genes lacked introns to give an average of 2.5 introns per gene. Intron phase distribution was 64.5% for phase 0, 21.8% for phase 1, and 13.7% for phase 2, respectively. The introns varied in their sequences and their lengths ranged from 20 bp to 424 bp with an average of 65.9 bp, which is approximately half the size of introns in other fungal genes. There were 29 homologous intron blocks and 26 of those were sub-clade specific. Intron losses were counted in 18 introns in which no obvious phase preference for intron loss was observed. Eighteen introns were placed at novel positions, which is considerably higher than those of plant PGs. In an evolutionary sense both intron loss and gain must have taken place for shaping the current PGs in these fungi. Together with the small intron size, low conservation of homologous intron blocks and higher number of novel introns, PGs of fungal species seem to have recently undergone highly dynamic evolution.
Except for a group I intron in trnL-uaa occuring in eubacteria and plastids, group I introns are rarely documented in plastid genomes. Here, we report that a green alga, Caulerpa sertularioides, contains three group IA3 introns in the 16S gene (cpSSU), CS-cpSSU.i1, CS-cpSSU.i2 and CS-cpSSU.i3. Each intron has an open reading frame with LAGLIDADG motifs. CS-cpSSU.i1orf and CS-cpSSU.i3orf occur at Loop 6 in the intron secondary structure and CScpSSU. i2orf at Loop 8. CS-cpSSU.i1orf and CS-cpSSU.i2orf contain both LAGLI-DADG motifs but CS-cpSSU.i3orf has only one. CS-cpSSU.i1 and CS-cpSSU.i2 share the insetion sites and the ORFs at Loop 6 and 8 with CpSSU·1 and CpSSU·2 introns of Chlamydomonas pallidostigmatica (Chlorophyceae). In contrast, CS-cpSSU.i3, containing 28 copies of GAAATAT at Loop 6, is a novel intron found only in Caulerpa sertularioides. Possible scenarios of the evolution of the three introns and their possible use in systematic research are discussed.
We eliminated introns from replication independent chicken H3.3 histone gene using a H3.3 cDNA clone and a genomic H3.3 clone. After introduction into Rat 3 cells, we observed its pattern of expression by analyzing mRNA from different phases of the cell cycle. Even without introns, the H3.3 gene was expressed constitutively at a low level throughout the cell cycle. This indicates that the introns in the H3.3 gene are not responsible for the cell cycle-independent expression of the gene. This result contradicts previous reports that suggested their importance in cell cycle regulated expression. We believe that other regions of the gene, promoter, coding region, and/or 3'-end of the gene, are involved in its expression pattern.
Self-splicing group I introns in tRNA anticodon loops have been found in diverse groups of bacteria. In this work, we identified $tRNA^{fMet}$ group I introns in six strains of marine Synechococcus elongatus. Introns with sizes around 280 bp were consistently obtained in all the strains tested. In a phylogenetic analysis using the nucleotide sequence determined in this study with other cyanobacterial $tRNA^{fMet}$ and $tRNA^{Leu}$ intron sequences, the Synechococcus sequence was grouped together with the sequences from other unicellular cyanobacterial strains. Interestingly, the phylogenetic tree inferred from the intronic sequences clearly separates the different tRNA introns, suggesting that each family has its own evolutionary history.
Intron prediction is an important problem of the constantly updated genome annotation. Using two model plant (rice and $Arabidopsis$) genomes, we compared two well-known intron prediction tools: the Blast-Like Alignment Tool (BLAT) and Sim4cc. The results showed that each of the tools had its own advantages and disadvantages. BLAT predicted more than 99% introns of whole genomic introns with a small number of false-positive introns. Sim4cc was successful at finding the correct introns with a false-negative rate of 1.02% to 4.85%, and it needed a longer run time than BLAT. Further, we evaluated the intron information of 10 complete plant genomes. As non-coding sequences, intron lengths are not limited by a triplet codon frame; so, intron lengths have three phases: a multiple of three bases (3n), a multiple of three bases plus one (3n + 1), and a multiple of three bases plus two (3n + 2). It was widely accepted that the percentages of the 3n, 3n + 1, and 3n + 2 introns were quite similar in genomes. Our studies showed that 80% (8/10) of species were similar in terms of the number of three phases. The percentages of 3n introns in $Ostreococcus$$lucimarinus$ was excessive (47.7%), while in $Ostreococcus$$tauri$, it was deficient (29.1%). This discrepancy could have been the result of errors in intron prediction. It is suggested that a three-phase evaluation is a fast and effective method of detecting intron annotation problems.
In previous studies, we demonstrated that some sites in the first intron likely regulate gene expression. In the present work, we sought to further confirm the functional relevance of first intron sites by estimating the quantity of rare alleles in the first intron. A basic hypothesis posited herein is that genomic regions carrying more functionally important sites will have a higher proportion of rare alleles. We estimated the proportions of rare single nucleotide polymorphisms with a minor allele frequency < 0.01 located in several histone marks in the first introns of various genes, and compared them with those in other introns and those in 2-kb upstream regions. As expected, rare alleles were found to be significantly enriched in most of the regulatory sites located in the first introns. Meanwhile, transcription factor binding sites were significantly more enriched in the 2-kb upstream regions (i.e., the regions of putative promoters of genes) than in the first introns. These results strongly support our proposal that the first intron sites of genes may have important regulatory functions in gene expression independent of promoters.
A phylogenetic affinity between charophytes and embryophytes (land plants) has been explained by a few chloroplast genomic characters including gene and intron (Manhart and Palmer 1990; Baldauf et al. 1990; Lew and Manhart 1993). Here we show that a charophyte, Spirogyra maxima, has the largest operon of angiosperm chloroplast genomes, rpl23 operon (trnⅠ-rpl23-rpl2-rps19-rpl22-rps3-rpl16-rpl14-rps8-infA-rpl36-rps11-rpoA) containing both embryophyte introns, rpl16.i and rpl2.i. The rpl23 gene cluster of Spirogyra contains a distinct eubacterial promoter sequence upstream of rpl23, which is the first gene of the green algal rpl23 gene cluster. This sequence is completely absent in angiosperms but is present in non-flowering plants. The results imply that, in the rpl23 gene cluster, early charophytes had at least two promoters, one upstream of trnⅠ and and another upstream of rpl23, which partially or completely lost its function in land plants. A comparison of gene clusters of prokaryotes, algal chloroplast DNAs and land plant cpDNAs indicated a loss of numerous genes in chlorophyll a+b eukaryotes. A phylogenetic analysis using presence/absence of genes and introns as characters produced trees with a strongly supported clade containing chlorophyll a+b eukaryotes. Spirogyra and embryophytes formed a clade characterized by the loss of rpl5 and rps9 and the gain of trnⅠ (CAU) and introns in rpl2 and rpl16. The analyses support the hypothesis that the rpl23 gene cluster and the rpl2 and rpl16 introns of land plants originated from a common ancestor of Spirogyra and land plants.
The transition of plant life from aquatic algae to land to land plants was one of the major events in the history of life. However, in hypothesizing the exact evolutionary path of the transition, limited shared phenotypic characters in aquatic algae and land plants (embryophytes) have been a major hinderance. Chloroplast genomes contain characters useful in tracing evolutionary histories. Embryophyte chloroplast genomes are distinguished from algal cpDNAs by having over 20 group Ⅱ introns, some of which were gained during the transition from algae to embryophytes (Manhart and Palmer 1990; Lew and Manhart 1993;Lee and Manhart 2002). Here we examine a gene cluster that, in land plants, contains psbB, psbT, psbH, petB and petD with introns found in petB and petD (petB.i and petD.i). In addition the presence/absence of introns in trnA and trnI (trnA.i and trnI.i) were determined in all five major lineages of charophytes. We found that the psbB gene cluster occurs in most surveyed charophytes and embryophytes except Spirogyra (Zygnematales) which lacks it due to intra-genomic rearrangement. All four introns are absent in Chlorokybus but present in some or all of the other four charophyte lineages (Klebsormidiales, Zygnematales, Coleochaetales, and Charales). In addition, Chlorokybus is distinguished from other charophytes and embryophytes by having an unusually long spacer (over 2 kb) between psbH-petB. The results indicate that Chlorokybus diverged before the intron gains but after psbB gene cluster formation, placing the other charophyte lineages closer to embryophytes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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