Ewolucja informacji genetycznej

1

Czym jest życie?

metabolizm

+ informacja (replikacja)

Cząsteczki organiczne mogły powstać w atmosferze pierwotnej Ziemi

Oparin, Haldane

Miller, 1953

Co było najpierw?   Metabolizm (Oparin, Dyson)   Replikacja (Eigen)

Świat RNA: metabolizm + replikacja

RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną (metabolizm)

RNA może tworzyć różne struktury

Świat RNA

Problemy świata RNA   Ograniczona zdolność magazynowania informacji w

pojedynczym replikatorze (ilość informacji możliwej do zakodowania jest odwrotnie proporcjonalna do częstości błędów relikacji – granica Eigena)

  „Samolubne RNA” w sieci replikatorów   Abiotyczna synteza RNA

Jak powstała informacja genetyczna

Powstają pierwsze nici RNA

RNA replikuje RNA

RNA katalizuje reakcje z udziałem aminokwasów

RNA katalizuje tworzenie białek i DNA

DNA przejmuje rolę materiału genetycznego

Nukleotydy

Aminokwas

Polipeptydy

Kto naprawdę rządzi w komórce?

• DNA – replikacja informacji genetycznej – przekazywanie jej kolejnym pokoleniom

• RNA – ekspresja i regulacja informacji genetycznej – różne funkcje na różnych etapach

RNA w ekspresji genu

  Obraz klasyczny – cetralna hipoteza (“dogmat”)   mRNA – RNA informacyjny   tRNA – RNA transportujący (przenosi aminokwasy)   rRNA – RNA rybosomalny

Inne role RNA

  Sortowanie białek w komórce

Inne role RNA

  Elementy systemu obróbki RNA   snRNA – składanie mRNA

Inne role RNA   Elementy systemu obróbki RNA

  snoRNA – obróbka rRNA

RNA katalityczne   omas Cech (1982) – intron w Tetrahymena sam się

wycina

Nagroda Nobla 1989

RNA katalityczne

  Sidney Altman (1983) – RNaza P (enzym tnący prekursory tRNA) składa sie z białka i RNA, to RNA jest katalizatorem

Nagroda Nobla 1989

RNA syntetyzuje białko

Co potrafią rybozymy?

  Cięcie RNA, cięcie DNA   Ligacja (łączenie) cząsteczek RNA   Tworzenie wiązania peptydowego   Rybozymy selekcjonowane in vitro potrafią też

  polimeryzować RNA   fosforylować RNA i DNA   alkilować i aminoacylować RNA   tworzyć i przecinać wiązania amidowe i glikozydowe   dołączać kationy metali do grup porfirynowych

RNA jako elementy regulacyjne

  XIST – inaktywacja chromosomu X   siRNA, miRNA, stRNA itd... - małe cząsteczki RNA

regulujące działanie genów

Od świata RNA do pierwszych organizmów

Wczesny świat RNA (tRNA, rybozymy)

Proto-rybosomy (proto-rRNA, snoRNA, snRNA) Świat RNA

Początki syntezy białek – katalizatory RNP

Katalizatory białkowe, translacja Świat RNP

DNA

komórki

Ostatni wspólny przodek

proto-eukarionty prokarionty

eukarionty

Uproszczenie struktury i regulacji

Endosymbioza

Świat DP

Historia życia na Ziemi

21

Drzewo ewolucyjne życia

?

Powstanie mitochondriów i chloroplastów - endosymbioza

Biologia ewolucyjna?

Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution

Theodosius Dobzhansky (1900-1975)

Biologia ewolucyjna? “Wiêęc ja ju¿ż 40 przesz³ło lat mówiêę proz¹ą, nie maj¹ąc o tym najmniejszego pojêęcia!”

Molière

Każdy biolog korzysta z teorii ewolucji, nawet jeżeli nie zdaje sobie z tego sprawy!

Pierwsza synteza

  Darwinizm + genetyka klasyczna + genetyka populacji Syntetyczna teoria ewolucji

  Mutacje jako podstawa zmienności ewolucyjnej   W populacjach naturalnych występują rozmaite allele

wielu genów, nowe powstają w wyniku mutacji   Ewolucja jako zmiany częstości alleli w populacji

Pierwsza synteza

 4 główne siły ewolucji  Mutacje  Przepływ genów  Dobór naturalny  Dryf genetyczny

Druga synteza   Darwinizm + genetyka molekularna ewolucja

molekularna   Molekularne mechanizmy ewolucji

  Jak zachodzą zmiany sekwencji DNA (i białek), jak ewoluują genomy

  Jak działa dobór naturalny na poziomie sekwencji   Genetyczna kontrola rozwoju w ewolucji (“evo-devo”)

  Ewolucja molekularna jako narzędzie do poznawania funkcji genów i genomów

Podobieństwo i homologia

 Homologia: podobieństwo wynikające ze wspólnego pochodzenia ewolucyjnego – cecha odziedziczona od wspólnego przodka

Podobieństwo i homologia sekwencji   Przy dostatecznie dużym podobieństwie można

założyć, że sekwencje są homologiczne   Podobne struktury przestrzenne i/lub funkcje mogą być

determinowane przez różne sekwencje   Liczba możliwych sekwencji aminokwasowych o nietrywialnej

długości jest gigantyczna

  Na poziomie sekwencji praktycznie nie stwierdza się konwergencji, homoplazje są przypadkowe

Rozmiary genomów

31

Rozmiary genomów i liczba genów

32

Skąd się biorą nowe geny

33

  Liczba genów w trakcie ewolucji wzrasta   Jak powstaje nowa informacja (nowe geny)?

Paralogi i ortologi   Paralogi – geny homologiczne w tym samym genomie,

powstałe w wyniku duplikacji genu - np. α-globina i β-globina człowieka

  Ortologi – geny homologiczne powstałe w wyniku specjacji, pochodzące od genu u wspólnego przodka – np. α-globina człowieka i α-globina myszy

Nowe geny powstają dzięki duplikacji DNA

  Duplikacje wewnątrz genu   Tasowanie eksonów   Duplikacje całych genów   Duplikacje fragmentów i całych chromosomów

(aneuploidia)   Duplikacje genomu (poliploidia, hipoteza 2R)

Duplikacje

T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

Duplikacje wewnątrz genu

Gen glikoproteiny chroniącej przed zimnem Dissostichus mawsoni

1 2 3 4 5 6 5’ 3’

Pierwotny gen trypsynogenu

1 6’ 5’ 3’

Thr Ala Ala Gly

1 6’ 5’ 3’

Delecja

4 duplikacje + dodana sekwencja

Wewnętrzne duplikacje

1 5’ 1 2 3 4 5 6 7 37 38 39 40 41 3’ 6’ …

Dodana: Gly

Ewolucja globin

Ewolucja genów opsyn

Ewolucja widzenia barw

Geny HOX – regulatory rozwoju

Ewolucja genów HOX

Dzięki duplikacjom genów HOX wyewoluowały bardziej złożone plany ciała

Białka składają się z domen

T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

Granice domen i eksonów często się pokrywają

Tasowanie eksonów i domen

T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

Wspólne motywy w różnych genach

Możemy stawiać hipotezy dotyczące funkcji nieznanych białek na podstawie motywów znajdowanych w sekwencji.

Podstawa większości współczesnych badań biochemicznych!!

Homologia genów jako źródło informacji

  Duplikacje paralogiczne są źródłem nowych genów i nowych funkcji, ale często działających na podobnej zasadzie   Np. poszukiwanie nowych enzymów o funkcji zbliżonej

do już znanych   Geny ortologiczne z reguły (choć nie zawsze)

zachowują funkcję   organizmy modelowe – wnioskowanie o funkcji genów

na podstawie badań nad innymi organizmami   np myszy, a nawet drożdże jako modele do badania chorób

człowieka

Ewolucja sekwencji i dobór naturalny

47

wg. Li & Graur, et al., 1991

Mutacje a różnice sekwencji

Tempo zmian sekwencji białka

Jednostka PAM (Percentage Accepted Mutations): 1 zaakceptowana zmiana/100 aminokwasów

100 200 300 400 PAM

20%

40%

60%

80%

Róż

nice

sek

wen

cji

Granica istotnej homologii

Mutacje a różnice w sekwencji   Różnice sekwencji między gatunkami   Polimorfizm wewnątrzpopulacyjny   Obserwowane są jako różnice te mutacje, które

utrwaliły się w populacji całkowicie lub częściowo (polimorfizmy wewnątrzpopulacyjne)

Mutacje

  Szkodliwe – są szybko eliminowane przez dobór negatywny (oczyszczający)

  Neutralne – nie wpływają na funkcję produktu, nie podlegają selekcji

  Korzystne – są szybko utrwalane w populacji przez dodatni dobór naturalny

Teoria neutralna (Kimury)

  Większość obserwowanych różnic w sekwencjach, zarówno wewnątrzpopulacyjnych, jak i międzygatunkowych to mutacje neutralne, utrwalane przez dryf genetyczny

  Mutacje niekorzystne są eliminowane i nie obserwujemy ich (modyfikacja – mutacje „prawie neutralne” nie są w pełni eliminowane i mogą się w pewnych warunkach utrwalać)

  Mutacje korzystne są bardzo rzadkie, mają znaczenie ale w analizach ilościowych są pomijalne

Neodarwinizm (ortodoksyjny)   Głównym źródłem różnic między sekwencjami jest

dobór naturalny

  Teoria neutralna jest zbytnim uproszczeniem, podobnie jak ortodoksyjny selekcjonizm

  Mutacje neutralne stanowią większość, ale mutacje podlegające doborowi nie są w większości sekwencji pomijalne

  Niektóre sekwencje ewoluują w sposób bliższy modelowi neutralnemu, w innych wyraźne jest działanie doboru

Tempo zmian białka jest kształtowane przez dobór naturalny

  Tzw. sekwencje “zachowawcze” (konserwowane) – zmieniają się powoli, zmiany eliminowane przez dobór – sekwencje o kluczowej i niezmiennej funkcji

  Sekwencje o mniej znaczącej lub zmieniającej się w toku ewolucji funkcji zmieniają się szybciej

Tempo zmian

  jednostka: PAM/108 lat   Jednostka czasu ewolucyjnego: ile lat (w milionach, 106) potrzeba

do utrwalenia 1 mutacji/100 aa (1 PAM)

Zegar molekularny

  Jeżeli teoria neutralna jest prawdziwa to tempo zmian zależy jedynie od działania doboru negatywnego

  Tempo zmian będzie różne dla różnych sekwencji ale takie samo w różnych gałęziach drzewa dla danej sekwencji

Czy istnieje zegar molekularny?   Nie istnieje globalny zegar – prawdziwy we

wszystkich gałęziach drzewa dla danej sekwencji   Można znaleźć zegary lokalne – tempo zmian jest

równomierne dla danej sekwencji w określonej grupie organizmów

Jak szukać śladów działania doboru

  Większość sekwencji genów zmienia się jednostajnie, w tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji niekorzystnych – “zegar molekularny”

  Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi – dobór specyficzny dla tej gałęzi

Cz!owiek

Szympans

Goryl

Orangutan

Cz!owiek

Szympans

Goryl

Orangutan

Cz!owiek

Szympans

Goryl

Orangutan

Równomierne tempo zmian

Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

„Gen mowy”

Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy, niezdolnością do tworzenia struktur składniowych i gramatycznych.

Gen FOXP2

FOXP2 – szybka ewolucja

Enard et al. (2002) Nature 418, 869-72

MYH16

  Jedna z form łańcucha ciężkiego miozyny

  Mutacja ok. 2,5 mln lat temu – związek z ewolucją kształtu czaszki – osłabienie mięśni szczęki, zmniejszenie twarzoczaszki, wzrost mózgoczaszki

Gen mikrocefaliny

Chory 13 lat Zdrowy 11 lat

Szybka ewolucja genu u człowieka

Mikrocefalia

Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126

“Geny człowieczeństwa?”   Nie ma jednego, czy kilku “genów człowieczeństwa”   Za różnice między ludźmi a innymi gatunkami

odpowiada kumulacja wielu, pozornie niewielkich, różnic

  Niewielkie zmiany sekwencji mogą pociągać znaczne zmiany fenotypowe

  Istotne są też różnice na poziomie regulacji – trudniejsze do zbadania