外显子识别与内含子密度

Deng-Ke Niu, Exon definition as a potential negative force against intron losses in evolution. Biology Direct 2008, 3:46

不同真核生物中内含子数量（密度）差异巨大。已有证据显示原始真核生物祖先有高密度的内含子，现代生物内含子密度的多样化是演化历程中内含子丢失速率有差异的结果。至于为何存在这种差异，尚无定论。

关于内含子丢失的机理，有两个假说：（一）cDNA与对应的基因组DNA间的同源重组导致内含子丢失。（二）2个基因组DNA通过不等交换导致基因删减。不过后者很少能解释内含子丢失速率差异，所以人们多是根据前者来解释。有人认为：产生cDNA需要反转座子，反转座子活性低的生物（如Plasmodium），内含子丢失速率就低。但是脊椎动物的反转座子活性很高，而它们丢失内含子的速率和Plasmodium相当，故这个观点有些站不住脚。还有人认为：由于发育过程中体细胞和性细胞的分化，在性细胞中只表达少量的基因，只有在这些基因中丢失内含子才是在进化上有效的。但这也只在低等生物中成立，Huntington等人发现在高等动物中内含子丢失主要发生在管家基因中，而管家基因的内含子仍比组织特异性基因多。本文将针对脊椎动物提出一个抑制内含子丢失的机制：外显子识别。

在转录后加工过程中存在两种剪接位点识别机制：外显子识别和内含子识别。前者的特点是剪接体识别一定长度以下的外显子，并把之间的区域（被认为是内含子）切去；后者的特点是剪接体识别一定长度一下的内含子，并直接把它剪去。由于生物越高等，内含子越多、越长，所以脊椎动物常使用外显子识别机制，而低等生物常使用内含子识别机制。

之前有证据显示：临近内含子一齐丢失会导致几个外显子合并文一个较长的外显子，这类长外显子的存在将导致剪接位点识别错误，从而产生不正常的mRNA产物，这就是内含子丢失突变。

如图所示，假设一个基因有6个外显子（1、4、5、6、7、3）和5个内含子（a、c、d、e、b）。现在发生了一次内含子丢失突变，内含子c,d,e丢失，外显子4、5、6、7合并成外显子2，在之后进行转录及转录后加工过程中根据剪接位点识别机制、外显子大小、内含子大小可分为以下四种情况：

也就是说，决定内含子丢失后果的因素，要看剪接位点识别机制、外显子大小、内含子大小等因素，事实上还有其他因素，例如丢失的内含子是否有重要调控功能等。

根据这个假说，脊椎动物主要使用外显子识别（情况1），故内含子丢失一般是不利的，所以它们内含子密度比较高。至于偶然发生的内含子丢失，是因为个别mRNA剪接采用内含子识别机制，所以基因组中遗留下来的内含子都不超过一个阈值。在脊椎动物中允许内含子丢失的情况有：
（1）内含子丢失后产生的外显子不大，仍可被剪接体正确识别。
（2）内含子丢失后产生的外显子位于头或尾。
（3）内含子丢失发生在机体非必需基因中。
（4）内含子丢失发生在多拷贝基因中，故对机体无显著影响。

但是，Plasmodium是一个例外情况，它主要使用内含子定义，但是内含子丢失速率却很低。在上文曾提到，影响内含子丢失的速率很多，至于外显子定义机制在决定内含子丢失速率中有多大贡献还有待研究。