Poziomy transfer genów w ewolucji

Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów

Poziomy transfer genów (HGT, LGT)

• Przepływ informacji z jednego genomu do innego

• Międzygatunkowy – pominięcie bariery rozrodczej • Wewnątrzgatunkowy • W obrębie komórki (np. między genomem organellum a jądra)

Poziomy transfer genów (HGT)

• Wyspecjalizowane ruchome elementy genetyczne • sekwencje insercyjne, transpozony • mobilne introny i inteiny • plazmidy • wirusy

• Dowolne sekwencje genomowe

Ruchome elementy genetyczne• W obrębie genomu tego samego lub bliskich gatunków

• transpozony i sekwencje insercyjne • plazmidy • mobilne introny

• Elementy genetyczne wyspecjalizowane w kierunku mobilności • “samolubne geny”, “pasożyty genomowe”

• Niekiedy o istotnej wartości adaptacyjnej dla gospodarza • przenoszenie korzystnych cech (np. oporność, infekcyjność) • dynamika genomu

Ruchome elementy genetyczne

• Pomiędzy genomami różnych linii ewolucyjnych • poziomy transfer genów (HGT) • endosymbioza

• Może dotyczyć dowolnych sekwencji, nie tylko wyspecjalizowanych elementów mobilnych

Ruchome elementy genetyczne

• Infekcyjne – wirusy • Posiadają wyspecjalizowane białka, które umożliwiają opuszczenie

komórki i infekcję kolejnych

Ruchome elementy genetyczne

• Granice kategorii są nieustalone • transpozony itp. mogą przenosić się między gatunkami • płynna granica między niektórymi typami wirusów i transpozonów • plazmidy i wirusy mogą mieć szeroką specyficzność gospodarza • wirusy po integracji do genomu mogą dziedziczyć się pionowo, jak

inne geny (lizogenia, ERV)

Znaczenie ewolucyjne • Ewolucyjna dynamika genomu

• rearanżacje • zmiany ekspresji innych genów • przenoszenie cech fenotypowych

• Transfer informacji z innych linii ewolucyjnych • wspólne pule genetyczne

Oznaki międzygatunkowego HGT

• Drzewo danego genu nie pasuje do drzewa filogenetycznego

• Inna zawartość par GC

• Inne wykorzystanie kodonów

Co jest potrzebne do HGT?

• Pobranie DNA

• Rekombinacja

Genomy bakterii są dynamiczne

• Szczepy bakterii zaliczane do tego samego gatunku znacząco różnią się zawartością (repertuarem) genów

• Genom rdzeniowy (core genome) – wspólny dla wszystkich szczepów

• Pangenom – zbiór wszystkich genów (nie występują jednocześnie)

Genom, pangenom…

Genom i pangenom

Co to jest Escherichia coli?Dla 61 zsekwencjonowanych szczepów:

• W sumie 4157 do 5315 genów w genomie szczepu • Genom rdzeniowy – 933 geny • Reszta – geny “pomocnicze” wybrane spośród ~15 000 genów • Cały pangenom: ~ 16 000 genów

Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246

Poziomy przepływ genów - bakterie

• U Bacteria i Archaea poziomy przepływ informacji genetycznej jest powszechny • plazmidy i ruchome elementy genetyczne • dowolne fragmenty DNA

• Równowaga pomiędzy naturalnymi barierami (np. system restrykcji-modyfikacji) a systemami ułatwiającymi wymianę DNA

Mechanizmy HGT u bakterii• Transformacja

• poprzez DNA • elektroporacja przez wyładowania atmosferyczne?

• Koniugacja • z udziałem pili płciowych

• Transdukcja • z udziałem fagów

• GTA • Gene Transfer Agents – wirusopodobne cząstki wytwarzane przez α-

proteobakterie

• Nanorurki

Mechanizmy u bakterii

Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte

2010. Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for eukaryotic evolution.

Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.

Mechanizmy u bakterii

Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte

2010. Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for

eukaryotic evolution. Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.

Nanorurki u bakterii

Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600.

Nanorurki – pomiędzy gatunkami

Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600.

Transfer genów oporności

Nie tylko plazmidy – wyspy genomowe

Juhas et al. FEMS Microbiol Rev. 2009 March; 33(2): 376–393.

Transfer genów w środowisku

• Wiele przykładów intensywnie zachodzącego HGT w środowisku • Szczególnie wyraźne w środowisku morskim (ok 47% bakterii

morskich może być biorcami, GTA jako jeden z głównych mechanizmów)

Znaczenie ewolucyjne HGT• W krótkiej skali czasowej ruchome elementy genetyczne mają duże

znaczenie dla wielu procesów • oporność – większość przypadków rozprzestrzeniania się oporności na

antybiotyki w szpitalach • wirulencja i dostosowanie do gospodarza • repertuar zdolności metabolicznych • przystosowanie do warunków ekstremalnych

• Thermotogales – geny przystosowujące do ekstremalnych temperatur pochodzą od Archaea (~10%) i termofilnych Clostridia

Adaptacje dzięki HGT

• Salinibacter (Bacteria) – geny umożliwiające przeżycie w warunkach wysokiego stężenia soli: • wyspa genomowa: transpozazy + geny

transporterów jonów i aminokwasów • rodopsyny – wykorzystanie światła do

transportu protonów i jonów • Uzyskane w HGT od Archaea i innych

BacteriaZhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology

21(7): R242-R246

Adaptacje dzięki HGT• Bacteroides plebeius – bakteria w przewodzie

pokarmowym człowieka • Niektóre szczepy zdolne do rozkładania

polisacharydów pochodzących z krasnorostów • B. plebeius uzyskał geny umożliwiające rozkład

tych polisacharydów w HGT od bakterii morskich • głównie szczepy izolowane od mieszkańców

Japonii, brak w szczepach od mieszkańców USAZhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology

21(7): R242-R246

Znaczenie ewolucyjne HGT

• Długofalowe znaczenie w ewolucji genomów • Znaczna (do 20-25%) część genomu może pochodzić z odległych linii

ewolucyjnych • U E. coli ~16 kb/milion lat

Udział HGT w ewolucji genomów bakterii

Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299-304

Przykład HGT

Gen reduktazy HMGCoA A. fulgidus nabyty od przedstawiciela Bacteria

Przepis na patogenność

Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299-304

Udział HGT w ewolucji genomów bakterii

• Drzewo zbudowane za pomocą sekwencji białek rdzeniowych (pomarańczowe)

• Duża część genów MRCA utracona (szare) i zastąpiona przez pochodzące z HGT (zółte – zielone)

• Nowe nabytki w danych liniach - niebieskie

HGT a LUCA

• Czy LUCA był wspólnotą prakomórek swobodnie wymieniających geny?

• Pojawienie się trzech linii drzewa życia – indywidualizacja, redukcja HGT

A u Eukaryota?• W HGT do wielokomórkowych Eukaryota barierą jest odrębność linii

płciowej • Dane bardziej fragmentaryczne (mniej znanych genomów) • Mimo to liczne znane przypadki • Endosymbioza i tranfer genów symbionta = HGT

• Eukaryota powstały przez HGT

• Ale nie tak powszechne jak u bakterii

HGT do genomów Eukaryota

• Historycznie masowe z genomów organellarnych • Częste u Protista, zwłaszcza fagocytujących • Częste u roślin dla genomu mitochondrialnego • Częste od bakterii endosymbiotycznych/endopasożytniczych

• Sporadyczne HGT Eukaryota – Eukaryota

Czy mamy w genomie geny bakterii??

Czy mamy w genomie geny bakterii?

• W oryginalnym artykule posługiwano się wyłącznie analizą BLAST, bez rekonstrukcji filogenetycznej.

• Analiza filogenetyczna sfalsyfikowała hipotezę.

Protista• Większość genomów zawiera geny pochodzenia bakteryjnego

• 4% genomu orzęsków zamieszkujących żwacz u przeżuwaczy pochodzi od bakterii • Źródło – fagotrofia

• U Giardia, Trichomonas i Entamoeba >90 genów pochodzenia bakteryjnego • odpowiadają za przystosowanie do metabolizmu beztlenowego

Dictyostelium

• 18 genów pochodzenia bakteryjnego

• Związane z życiem w glebie, np. • siderofor (transport żelaza) • dipeptydazy (trawienie ścian

bakteryjnych) • oporność na toksyny glebowe

HGT od bakterii endosymbiotycznych

• Wollbachia i Drosophila

• Kopie całego genomu Wollbachia w chromosomach owadów

Hotopp et al. 2007, Science 317:1753-55

Guzak (Meloidogyne incognita)

• Nicień pasożytujący na korzeniach roślin • W genomie 60 aktywnych transkrypcyjnie

genów pochodzenia bakteryjnego • Opdowiadają za degradowanie i

zmiękczanie ścian komórek roślinnych • Z pasożytniczych bakterii glebowych • Późniejsze duplikacje Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7):

R242-R246

Pomiędzy różnymi Eukaryota

• Geny mitochondrialne u roślin • liczne przypadki niedawnych transferów • niekiedy na masową skalę • dlaczego nie w genomach plastydowych?

• kilka przypadków

• dlaczego nie w mitochondriach zwierząt? • opisany tylko 1 przypadek

Mitochondria roślin

OczekiwanaObserwowana

Flickr Gerard's World

rps2

Mitochondria roślin

Bergthorsson, et al. 2003. Widespread horizontal transfer of mitochondrial genes in

flowering plants. Nature 424: p. 197.

Funkcjonalny HGT u zwierząt

• Mszyce grochowe (Acyrthrosiphon pisum)

• Morfy czerwone – barwniki karotenoidowe • zwierzęta nie wytwarzają takich

barwników

Moran & Jarvik  2010. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids.  Science 328:624-627

Barwniki mszyc grochowych

• HGT genów odpowiadających za syntezę barwnika od grzybów

• Morfa zielona – mutacja utraty funkcji jednego z tych genów

• Możliwe znaczenie selekcyjne • osy pasożytnicze preferują zielone

mszyceMoran & Jarvik  2010. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in

aphids.  Science 328:624-627

Wrotki• U wrotków Bdelloidea ~10% transkryptomu z genów pochodzących

z HGT (bakterie, grzyby i glony) • 80% z nich koduje enzymy, istotny wkład w metabolizm • czy to właśnie równoważy brak procesow płciowych w tej grupie?

Boschetti et al. (2012) Biochemical Diversification through Foreign Gene Expression in Bdelloid Rotifers. PLoS Genet 8(11): e1003035

Endosymbiozy i HGT

• Powstanie komórki eukariotycznej w wyniku endosymbiozy • W dalszej ewolucji istotna rola HGT symbionta do jądra

Oddziaływania jądrowo-mitochondrialne

• Proteom mitochondriów drożdży ~500-800 białek

• 8-9 kodowanych w mtDNA • Ponad 150 genów w jądrze,

których produkty są niezbędne do utrzymania i ekspresji mtDNA

Transfer i adaptacja genów

jądro mitochondrium

Utrata genów na skutek redundancji

Ewolucja nowych funkcji

Jak mitochondria traciły swój genomWolno żyjące bakterie - 1800-4500

genów

Endopasożytnicze bakterie (Rickettsia) - 850 genów

Pierwotne mitochondria (Reclinomonas) - 100 genów

Mitochondria „współczesne” - 30-40 genów

Dlaczego mitochondria traciły geny?• Zapadka Müllera

• W populacjach aseksualnych gromadzą się mutacje o niewielkiej szkodliwości

• Może dojść do sytuacji, kiedy dryf będzie szybszy od doboru oczyszczającego i haplotyp o niższym dostosowaniu opanuje populację

• Dojdzie do stopniowej akumulacji mutacji szkodliwych i degeneracji informacji genetycznej

• Rekombinacja odtworzy oryginalny genotyp z obciążonych różnymi mutacjami

I jak się to odbywało

• Ucieczka DNA do jądra • Przeniesienie genów do jądra za pośrednictwem RNA • Zastąpienie funkcji przez gen pochodzący z genomu gospodarza

(redundancja) • Nowe funkcje gospodarza – udomowienie symbionta • Zastąpienie funkcji przez gen pochodzący z innej linii

• polimeraza RNA, polimeraza DNA – pochodzenie fagowe

Skąd się bierze proteom mitochondriów?

• Proteom mitochondrium to ok. 600 (drożdże)-1500 (ssaki) białek • Geny kodowane w mtDNA: 2-67, większość 12-20 białek • Geny kodowane w genomie jądrowym

• Pochodzenia eubakteryjnego (symbiont) • Pochodzenia archaebakteryjnego (gospodarz) • Pochodzenia wirusowego (fagowego) – polimeraza RNA i DNA • Nieustalonego pochodzenia

Po co ciągle utrzymywać genom mitochondrialny?

• “Zamrożenie” przez niestandardowy kod genetyczny • Wyjaśnienie mechanistyczne • Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne • Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne

Wyjaśnienie mechanistyczne• Istnieją geny, które są kodowane w mtDNA u wszystkich znanych

organizmów • CYTB, COX1, rRNA

• I takie, które są kodowane w mtDNA u ogromnej większości organizmów • ATP6,8,9; tRNA; ND1-6; COX2,3

• Kodowane białka lokalizują się w wewnętrznej błonie • Próby rekodowania genu w jądrze niekiedy skuteczne (ATP8,

maturaza bI4), niekiedy nie (CYTB, ND4)

Wyjaśnienie mechanistyczne

• W mtDNA są kodowane te białka, których import do mitochondrium byłby niemożliwy, mało wydajny lub kosztowny • wykazane doświadczalnie dla CYTB

• W mtDNA kodowane są te białka, których obecność poza wewnętrzną błoną mitochondrium byłaby niebezpieczna dla komórki

Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne

• W mtDNA kodowane są te geny, których ekspresja powinna być bezpośrednio koordynowana w organellum • Np. regulacja transkrypcji w mtDNA drożdży przez poziom ATP

• Koordynacja syntezy białek i składania kompleksów w wewnętrznej błonie mitochondrium – zapewnienie stechiometrii i organizacji kompleksów • fizyczny związek translacji z błoną wewnętrzną

Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne

• Większość organizmów wyższych utrzymuje w mtDNA podstawowy zestaw genów, kodujących białka wewnętrznej błony uczestniczące w oddychaniu

• U jednokomórkowców skład mtDNA jest bardziej zmienny, ale utrata z mtDNA całych kompleksów (np. cV u Apicomplexa) zachodzi głównie u organizmów pasożytniczych

• U wielokomórkowców wyewoluowały mechanizmy zapewniające dziedziczenie jednorodzicielskie • nie są homologiczne – powstawały w ewolucji wiele razy

Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne

• Utrzymywanie genów kodujących podstawowe białka kompleksów łańcucha oddechowego w wysoce zmiennym mtDNA ułatwia adaptację do zmiennych wymagań energetycznych środowiska

• Utrzymywanie sprzężenia tych wariantów poprzez dziedziczenie jednorodzicielskie umożliwia koewolucję i koordynację zmienności adaptacyjnej

Genetyczne pasożyty• Transpozony • Mobilne introny

• wiele intronów typu I i II w genomach organellarnych i prokariotycznych • kodują białka

• maturazy – wspomagają wycinanie • endonukleazy i odwrotne transkryptazy – mobilność

• Wirusy • Czy tylko pasożyty?

Transpozony itp. w genomach

Innowacje ewolucyjne od transpozonów

• Metylacja DNA i regulatorowe małe RNA jako obrona przed powielaniem się transpozonów

• Rekombinacja między elementami powtórzonymi – zwiększa dynamikę genomu • tasowanie eksonów indukowane przez transpozony LINE

• Promotory transpozonów i endogennych retrowirusów mogą dawać nowe wzory ekspresji • np. “odżywiać” pseudogeny powstałe przez odwrotną transkrypcję

Geny przeciwciał?

• rekombinazy RAG1 i RAG2 mogą katalizować transpozycję

• czy pochodzą od transpozonów?

Endogenne wirusy• ERV (Endogenous RetroVirus) • około 8% genomu człowieka to sekwencje pochodzenia

retrowirusowego (HERV) • wszystkie niezdolne do replikacji

• powstawały na różnych etapach ewolucji, w tym w niedawnej ewolucji naczelnych

• czy przyczyniły się do przebiegu ewolucji? • HERV–K – były aktywne po oddzieleniu linii człowieka od linii

szympansa, infekowały człowieka 800-150 tys. lat temu

Śmierć i zmartwychwstanie genu IRGM

Bekpen et al. Death and Resurrection of the Human IRGM Gene. PLoS Genet.

2009; 5(3): e1000403.

IRGM = Immunity-related GTPase

Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego

• Łożysko ssaków

• Jądro komórkowe?

ERV i łożysko• Endogenny retrowirus u ssaków • Ekspresja w układzie rozrodczym

• powstają cząstki retrowirusowe • Gen env wyrażany w łożysku

• glikoproteina błonowa • promuje fuzję komórek – • tworzenie syncytium (syncytiotrofoblast) • immunosupresja

• Geny syncytyn pochodzą od env

Harris. Placental endogenous retrovirus

(ERV): structural, functional, and

evolutionary significance. (1998) BioEssays

20:307-316

Syncytyny i env ERV

Black et al. Endogenous Retroviruses in Trophoblast Differentiation and Placental Development. (2010) American Journal of Reproductive Immunology 64:255-264

Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego

• Łożysko ssaków

• Jądro komórkowe?

Eukariogeneza wirusowa• 3 przodków w endosymbiozie

• archeon – cytoplazma • wirus – jądro • bakteria – mitochondria (i chloroplasty)

• W genomie są geny pochodzące od wszystkich 3 przodków, ale struktura jądra (otoczka) to pozostałość wirusa • Poxviridae • Mimiviridae

Wikimedia commons

expasy.org

Eukariogeneza wirusowa a płeć• “Udomowiony” wirus nie może

wejść w cykl lityczny: • Fuzja komórek jako sposób

rozprzestrzeniania się • Współczesne wirusy (np.

Poxviridae) mają w otoczce receptory dla adhezji

• Mechanizm rozdziału kopii potomnych analogiczny do mechanizmów partycji plazmidów

Eukariogeneza wirusowa a płeć

• Fuzja dwóch komórek z niekompatybilnymi wirusami – pochodzenie mejozy