Eukaryotic gene structure is a combination of exons generally interrupted by intragenic non-coding DNA regions termed introns removed by RNA splicing to generate the mature mRNA. Thus, eukaryotic genes can be either single exon genes (SEGs) or multiple exon genes (MEGs). Among SEGs, intronless genes (IGs) are a subgroup that additionally lacks introns at their UTRs, and code for proteins essentially involved in development, growth, and cell proliferation. Gene expression of IGs has been proposed to be highly specialized for neuro-specific functions and linked to cancer, neuropathies, and developmental disorders. The abundant presence of introns in eukaryotic genomes is pivotal for the precise control of gene expression. Notwithstanding, IGs exempting splicing events entail a higher transcriptional fidelity, making them even more valuable for regulatory roles. This work aimed to infer the functional role and evolutionary history of IGs using the mouse genome. Intronless protein-coding genes consist of a subgroup of ~6 % of a total of 21,527 genes with one exon. To understand the prevalence, biological relevance, and evolution, we identified and studied their 1,116 functional proteins. We validated differential expression in transcriptomics data of early embryo stages using mouse telencephalon tissue. Our results showed that expression levels of IGs are lower compared to MEGs. However, strongly upregulated IGs include transcription factors (TFs) such as the class 3 of POU (HMG Box), Neurog1, Olig1, and BHLHe22, BHLHe23, among other essential genes including the beta cluster of protocadherins. Most striking was the finding that IG-encoded BHLH TFs qualify the criteria to be referred to as microprotein candidates. Finally, predicted protein orthologs in other six genomes confirmed a high conservancy of IGs associated with regulating neurobiological processes and with chromatin organization and epigenetic regulation in Vertebrata. Moreover, this study highlights that IGs are essential modulators of regulatory processes, as Wnt signaling pathway and biological processes as pivotal as sensory organs developing at a transcriptional and post-translational level. Overall, our results suggest that IG proteins have specialized, prevalent, and unique biological roles and that functional divergence between IGs and MEGs is likely to be the result of specific evolutionary constraints.

中文翻译：

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无内含子基因的进化观点和表达分析突出了其调控作用的保守性

真核基因结构是外显子的组合，这些外显子通常被称为内含子的基因内非编码DNA区域打断，这些区域被RNA剪接去除以生成成熟的mRNA。因此，真核基因可以是单个外显子基因（SEG）或多个外显子基因（MEG）。在SEG中，无内含子基因（IGs）是一个子群，在其UTR处另外缺少内含子，并编码本质上参与发育，生长和细胞增殖的蛋白质。已经提出IG的基因表达高度专门用于神经特异性功能，并与癌症，神经病和发育障碍有关。真核生物基因组中内含子的大量存在对于精确控制基因表达至关重要。尽管如此，免除剪接事件的IG需要更高的转录保真度，使它们对于监管角色更具价值。这项工作旨在推断使用小鼠基因组的IGs的功能作用和进化史。无内含子的蛋白质编码基因由具有一个外显子的21,527个基因中约6％的亚组组成。为了了解患病率，生物学意义和进化，我们鉴定并研究了它们的1,116个功能蛋白。我们使用小鼠端脑组织验证了胚胎早期阶段的转录组学数据中的差异表达。我们的结果表明，与MEG相比，IG的表达水平更低。但是，强烈上调的IGs包括转录因子（TF），例如POU的3类（HMG Box），Neurog1，Olig1和BHLHe22，BHLHe23，以及其他必需基因，包括原钙粘蛋白的β簇。最惊人的发现是IG编码的BHLH TF符合被称为微蛋白候选物的标准。最终，在其他六个基因组中预测的蛋白质直系同源物证实了与椎体中调节神经生物学过程以及染色质组织和表观遗传调控有关的IGs高度保守。此外，这项研究强调，IGs是调节过程的重要调节剂，因为Wnt信号通路和生物学过程对于感觉器官在转录和翻译后水平的发展至关重要。总体而言，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。最终，在其他六个基因组中预测的蛋白质直系同源物证实了与椎体中调节神经生物学过程以及染色质组织和表观遗传调控有关的IGs高度保守。此外，这项研究强调，IGs是调节过程的重要调节剂，因为Wnt信号通路和生物学过程对于感觉器官在转录和翻译后水平的发展至关重要。总体而言，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。最终，在其他六个基因组中预测的蛋白质直系同源物证实了与椎体中调节神经生物学过程以及染色质组织和表观遗传调控有关的IGs高度保守。此外，这项研究强调，IGs是调节过程的重要调节剂，因为Wnt信号通路和生物学过程对于感觉器官在转录和翻译后水平的发展至关重要。总的来说，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。预测的其他六个基因组中的蛋白质直系同源物证实了IG的高度保守性，该IG与调节脊椎动物的神经生物学过程以及染色质组织和表观遗传调控有关。此外，这项研究强调，IGs是调节过程的重要调节剂，因为Wnt信号通路和生物学过程对于感觉器官在转录和翻译后水平的发展至关重要。总体而言，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。预测的其他六个基因组中的蛋白质直系同源物证实了IG的高度保守性，该IG与调节脊椎动物的神经生物学过程以及染色质组织和表观遗传调控有关。此外，这项研究强调，IGs是调节过程的重要调节剂，因为Wnt信号通路和生物学过程对于感觉器官在转录和翻译后水平的发展至关重要。总体而言，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。Wnt信号通路和生物过程至关重要，因为感觉器官在转录和翻译后水平发展。总体而言，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。Wnt信号通路和生物过程至关重要，因为感觉器官在转录和翻译后水平发展。总体而言，我们的结果表明IG蛋白具有专门的，普遍的和独特的生物学作用，并且IG和MEG之间的功能差异可能是特定进化限制的结果。