内含子

内含子是基因内部的一段序列，会被转录为前体RNA分子的一部分，但在RNA剪接过程中被移除。内含子移除后连接在一起的序列称为外显子。“内含子”既可指脱氧核糖核酸中的介入序列，也可指其对应的RNA序列。内含子最为人熟知的身份是蛋白质编码基因的组成部分；在这些基因中，移除内含子有助于生成成熟的信使RNA（mRNA）。不过，产物为功能性RNA的基因中也存在内含子。(genome.gov)

与基因结构的关系

含有内含子的基因在转录（生物学）过程中，最初生成的RNA同时包含外显子和内含子。剪接会移除内含子，并将相邻的外显子连接起来。这一过程通常改变的是RNA，而不是作为模板的DNA：内含子仍然是基因的一部分，可以再次被转录。在蛋白质编码基因中，加工后的mRNA随后指导翻译（生物学），合成蛋白质。(genome.gov)

因此，“内含子”描述的是一段序列如何被加工，而不是所有非蛋白质编码DNA的统称。内含子位于转录单位内部，而基因间序列位于基因之间。反过来，外显子也不一定编码蛋白质：外显子可以包含mRNA中不被翻译的部分。内含子序列还可能含有调控转录或RNA加工的信息，因此，从某种RNA产物中被移除并不意味着它没有生物学活性。(genome.gov)

内含子与外显子的区分可能取决于所考察的RNA产物。通过可变剪接，在一种转录本中被移除的序列，可能在另一种转录本中被保留。内含子保留指原本可以被移除的内含子仍留在RNA产物中的现象；它可能是受调控的过程，而不只是加工错误。(nature.com)

主要类型

内含子包含若干机制各异的类别，并非一个完全同质的类别。

这些类别在RNA结构、识别信号和催化机制上有所不同。I类和II类内含子可作为核酶发挥作用，但在活细胞中，蛋白质往往会协助其折叠并发挥活性。一些II类内含子还编码参与自身剪接以及向基因组中新位点移动的蛋白质。(nature.com)

剪接体对内含子的识别与移除

剪接体型内含子的识别依赖多种序列信号的组合，包括5′剪接位点、分支点和3′剪接位点。许多主要类内含子在3′剪接位点上游还具有富含嘧啶的区域。常见的边界模式是RNA内含子以GU开头、以AG结尾，对应DNA编码链上的GT和AG。仅凭这些短边界序列，并不足以确定哪些位点会被使用。(ncbi.nlm.nih.gov)

内含子的移除通常涉及两个化学步骤：

1. 分支点处一个腺苷的2′羟基进攻5′剪接位点处的化学键，使上游外显子与内含子分离，并在内含子内部形成一种特殊的2′–5′连接。
2. 上游外显子新暴露出的3′羟基进攻3′剪接位点处的化学键。两个外显子由此连接，内含子则以套索形式释放；这种结构由一个环和一段伸出的尾部组成。(ncbi.nlm.nih.gov)

剪接往往与转录协调进行，因此在前体RNA仍在合成时，识别和移除过程就可以开始。准确加工依赖周围的RNA序列以及RNA与蛋白质组分之间的相互作用，而不只是寻找相匹配的末端二核苷酸。(ncbi.nlm.nih.gov)

主要剪接体与次要剪接体所用的RNA组分彼此相关，但并不相同。次要类内含子有时具有AU–AC边界，但其中许多具有GU–AG边界。因此，这类内含子的分类取决于更广泛的识别信号及移除它们的分子机制，而不只是末端碱基。(nature.com)

分布与生物学作用

内含子广泛存在于真核生物中，但其丰度在不同生物和不同基因之间差异很大。人类大多数蛋白质编码基因都含有内含子；许多内含子比相邻的外显子长得多。有些真核生物基因不含内含子，另一些则含有大量介入序列。自剪接内含子也存在于细菌中，以及线粒体和叶绿体的基因中。因此，内含子并非细胞核内蛋白质编码基因所独有。(genome.gov)

内含子可通过多种方式参与基因表达：

• 使RNA产物多样化。 对剪接位点的选择或内含子的保留，可以改变一个基因所生成的RNA产物。
• 提供调控信息。 内含子序列可以影响转录和剪接位点的识别。
• 内含子介导的表达增强。 在某些实验体系中，与其他条件相当但不含内含子的构建体相比，加入内含子可以提高表达水平。

这些效应取决于具体情境。例如，在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）中进行的报告基因实验发现，靠近5′端的单个内含子可以提高蛋白质表达量，而靠近3′端的内含子并未产生相同效应。在拟南芥属（Arabidopsis）植物中进行的实验则表明，RNA积累量的增加并不要求所测试的内含子成功完成剪接。这些发现并不能证明每个内含子都会增强表达，也不能证明表达增强总是遵循同一种机制。(genome.gov)

保留下来的内含子可能在蛋白质编码转录本中引入提前终止信号。这些RNA可能被细胞监控机制清除，其中包括无义介导的mRNA降解，从而将内含子加工与RNA丰度的调控联系起来。(nature.com)

发现与进化意义

对内含子的认识源于1977年对腺病毒RNA的研究。研究人员发现，成熟病毒mRNA中连接在一起的序列，对应于病毒DNA中彼此分隔的区域。这些观察确立了这样一个事实：RNA产物不一定是某一段连续、未被打断的DNA序列的完整连续拷贝。理查德·J.罗伯茨和菲利普·A.夏普因有关断裂基因的发现，获得了1993年诺贝尔生理学或医学奖。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)

II类内含子剪接与剪接体介导的剪接高度相似，为两者之间的进化关系提供了证据。两者都可以利用内部的一个腺苷形成套索，其催化体系也具有共同的结构特征。一种重要模型认为，剪接体体系由祖先的、类似II类内含子的体系演化而来。这是得到机制证据支持的进化解释，而不是直接观察到的历史事件。(ncbi.nlm.nih.gov)

研究与解读

内含子的存在使得仅凭基因组序列推断完整的RNA和蛋白质产物变得困难。正确解读需要识别剪接边界，并确定特定转录本中出现了哪些外显子组合。可变剪接进一步增加了不确定性，因为一个基因可以产生多种经过加工的RNA。(ncbi.nlm.nih.gov)

内含子中的突变即使不改变蛋白质编码外显子，也可能产生影响。影响剪接识别的变化可导致异常的内含子保留或其他加工缺陷。例如，已有原始研究发现，LZTR1中的某些内含子突变会妨碍一个次要类内含子的移除。因此，内含子变异的意义取决于其具体序列以及有实验支持的效应；仅凭它位于编码外显子之外，既不能断定它无害，也不能断定它有害。(nature.com)

参考来源

1. Introngenome.gov
2. Exongenome.gov
3. RNA Processing and Turnover — The Cellncbi.nlm.nih.gov
4. From DNA to RNA — Molecular Biology of the Cellncbi.nlm.nih.gov
5. Synthesis and Processing of RNA — Genomesncbi.nlm.nih.gov
6. Synthesis and Processing of RNA — Genomesncbi.nlm.nih.gov
7. Defective minor spliceosomes induce SMA-associated phenotypes through sensitive intron-containing neural genes in Drosophilanature.com
8. Structural insights into intron catalysis and dynamics during splicingnature.com
9. Article: tRNA splicing endonuclease complexnature.com
10. In vivo measurements reveal a single 5′-intron is sufficient to increase protein expression level in Caenorhabditis elegansnature.com
11. Intron-Mediated Enhancement of Gene Expression Independent of Unique Intron Sequences and Splicingpmc.ncbi.nlm.nih.gov
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