Jerzy Dzik

Instytut Paleobiologii PAN

Instytut Zoologii UW

2015

FILOGENETYKA

Ewolucja 7.

polimeraza bakterii termofilnych

do naprzemiennego rozplatania nici

DNA i przyczania

syntetycznych odcinkw DNA (primers) do kracw sekwencji

polimeraza DNA dobudowuje wtedy

dodane do roztworu trifosforany

deoksyATP, dCTP, dGTP i dTTP

PCR

amplifikacja

podwyszenie temperatury nie niszczy polimerazy

termocykler do PCR

Kary B. Mullis(1944) 1984 udoskonali PCR

1976 reakcja Sangera: podstawienie

do syntezy DNA dideoksyrybozy (bez OH-

na kocu 3) blokuje dalszy wzrost nici

jeli do ddATP, ddCTP, ddGTP i ddTTP doczy maoczsteczkowe zwizki fluoryzujce, mona rwnoczenie rozpoznawa cztery nukleotydy w UV

DNA

sekwencjonowanie

sekwenator DNA

kolejno odcinkw

DNA na elu z elektroforezy

procedura jest zautomatyzowana

automatyczne oznaczenia spektrofotometryczne

nie cakiem jest to zgodne z waciwym rozumieniem homologii

HOMOLOGIA

sekwencji

geny operonw biaek rybosomalnych (sequence alignement)

Barloy-Hubler et al. (2001)

homologia molekularna identyfikowana

na podstawie zgodnoci sekwencji

ortologia midzy genomami

paralogia midzy wspwystpujcymi genami rezultat duplikacji genowej

sumowana jest liczba identycznych nukleotydw w homologicznych pozycjach midzy kad par gatunkw

uzyskuje si drzewo, w ktrym do kadego wza doczana jest para odgazie (neighbour joining)

dodatkowe kryterium optymalizacji to najmniejsza moliwa sumaryczna dugo gazi drzewa (minimum evolution)

podobiestwo niekoniecznie cile koresponduje z ewolucj

FENETYKA

analiza zgodnoci cech

Robert R. Sokal (19262012)

sumowana jest liczba zmian nukleotydw w kadym z moliwych ukadw gatunkw na kladogramie

wybiera si drzewo o moliwie najmniejszej liczbie substytucji nukleotydw (maximum parsimony)

dy si do drzewa odzwierciedlajcego ewolucj

rna intensywno substytucji w gaziach deformuje drzewo (long branch attraction)

KLADYSTYKA

analiza rozprzestrzenienia cech

PAUP

PHYLIP

Hennig86

MacClade

MrBayes

wybr najprostszej drogi przemian czyli metoda parsymonii (PAUP phylogeny analysis using parsimony)

ale prawdopodobiestwo substytucji jest rne

pewna cz zgodnoci jest skutkiem rewersji

mona to uwzgldni przy konstruowaniu drzewa

ANALIZA

kladystyczna

I G A T C C T A G G C

II G G T C A C A T G T

III G G T C A T A T C T

IV G A T A C C A G C A

w sumie

pokrewiestwo takie wymaga

12 zmian w caej sekwencji: 0 2 0 1 2 1 0 2 2 2

A(IV) (I)A

\____/

/ \

G(III)(II)G

analizowane sekwencje:

jednostkowa analiza pokrewiestw:

niezbdne 2 zmiany

inna czsto wymiany puryny na puryn ni pirymidyn; pewne kolejnoci mutacji s rzadsze od innych

mona na tej podstawie oszacowa prawdopodobiestwo wygenerowanego drzewa (metoda maximum likelihood)

OCENA

prawdopodobiestwa drzewa

technika czasochonna przy dugich sekwencjach

Joseph Felsenstein (1942-)

punktem wyjcia drzewo z jednakowym (lub arbitralnym) prawdopodobiestwem substytucji

szacowane jest prawdopodobiestwo a posteriori przynalenoci nowych danych do drzewa

uwzgldnia zmiany tempa substytucji w gaziach

SZYBSZE

podejcie bayesowskie

drzewo zyskuje wewntrzn spjno przez waenie danych

Thomas Bayes (1702-1761)

technika bootstrap: wielokrotne generowanie drzew

z losowo wybranych wycinkw sekwencji ze zmianami

rezultaty porwnywane z pierwotn wersj drzewa

zgodno rozgazie oceniana w procentach oporno na zmiany sekwencji (wiarygodne od 70%)

OCENA

wiarygodnoci drzewa

pomaga oceni, czy dodatkowe dane mogyby zmieni ksztat drzewa

1962 Emile Zuckerkandl & Linus Pauling: zaoenie staego tempa zmian w okrelonym typie czsteczki niezalenie od organizmu

tylko substytucja prowadzca do zmiany aminokwasu moe by przejawem ewolucji pod wpywem doboru naturalnego

koncepcja rwnomiernie tykajcego zegara do takich sytuacji nie przystaje

Emile Zuckerkandl (1922-2013)

ZEGAR

molekularny

kladogram jest deformowany przez rne tempo zmian

tempo substytucji w homologicznych genach

(biakach) bywa dramatycznie odmienne

nieuwzgldnienie tego prowadzi do dogbnej deformacji drzewa (long branch attraction)

czasem porwnanie tempa przemian rnych genw w tych samych liniach umoliwia wyeliminowanie tego znieksztacenia

tempo mutowania jest generalnie wiksze w skrajnych warunkach

KALIBROWANIE

zegara molekularnego

pa

jc

za

ki

ow

ad

y

wije

Peterson & Butterfield (2005)

MICROSPORIDIA

a grzyby

rRNA

bez mitochondriw

Keeling et al. (2000)

-tubulina

skrajne beztlenowe warunki ycia zwikszaj generalne tempo substytucji

w rezultacie "przeciganie linii"

ale biaka istotne funkcjonalnie zmieniaj si wolniej

pokrewiestwa pasoytw trudne do badania

to przykady ewolucji rwnolegej

ORGANIZMY

bez mitochondriw

Trichomonas

Giardia

Diplomonadida

ameba ze szcztkow wici Pelomyxa

pasoytnicze eugleny

mitochondria utraciy jednokomrkowce yjce w beztlenowym rodowisku, gdzie nie mona pozyskiwa energii z oddychania

geny mitochondialne pozostay w ich jdrach

Fibrillanosema

Microsporidia

pasoytniczy grzyb

ARCHEOBAKTERIE

a long branch attraction

Archaea

Prokaryota

Eukaryota

relikty ycia sprzed miliardw lat czy long branch attraction?

cakowicie odrbny klad na drzewie rodowym rRNA

yj w warunkach przypominajcych te w erze archaiku

rRNA

Carl R. Woese (1928-2013)

1977 krlestwo Archaea

mikrosporidia

BAKTERIE

skrajnych rodowisk

dzisiejsze organizmy o nadzwyczajnej odpornoci nie s pierwotne

Patrick Forterre (1949-)

1996 wtrno Archaea wtrno odwrotnej gyrazy

zabezpieczenia przed mutagennymi warunkami:

enzymy dodatkowo zwijajce chromosom

wizania eterowe w bonie trwalsze od estrowych

ryboza w RNA bez grupy OH (metylacja)

Forterre (1996)

odwrotna gyraza Thermotoga

POCHODZENIE

archeobakterii

pili

Methanothermus

Methanococcus

budowa komrki nie jest pierwotna

pseudomureina metanobakterii

cakiem pna ewolucyjnie

powstay w wyniku adaptacji do hipertermofilnoci lub halofilnoci

archeobakterie nieistotne dla zrozumienia pocztkw ewolucji Cavalier-Smith (2012)

obie podjednostki rRNA

dane molekularne przeamay kryzys zoologii ewolucyjnej

zwierzta okazay si krewniakami grzybw (Opisthocontae)

a w ich ewolucji morfologicznej

duo jest wtrnych uproszcze

grzyby

gbki

ebropawy

jamochony

bona podstawna u larw

bona podstawna u dorosych

wikszo drzew molekularnych jest jednak niespjna logicznie

Medina et al. (2001)

POCHODZENIE

zwierzt

OGRANICZENIA w homologizacji moleku

ewolucja wymazaa wikszo pierwotnej informacji genetycznej

wnioskowania molekularne nie przeami zaniku sygnau filogenetycznego

alignement utrudniony wtedy nawet przy

uwzgldnieniu struktury drugorzdowej

filogeneza 28s rRNA, dopasowanie z

uwzgldnieniem struktury drugorzdowej

Mallatt et al. (2009)

PROBLEM filogenetycznego bezsensu

gazie w niewaciwym pooeniu

drzewa molekularne czsto pokazuj pokrewiestwa ewidentnie faszywe

oczekuje si zgodnoci wynikw z rnych zestaww danych

ale s nierozstrzygalne sprzecznoci midzy anatomi a molekuami

Mallatt et al. (2009)

filogeneza 28s rRNA, dopasowanie z

uwzgldnieniem struktury drugorzdowej

efekt rewersji i homoplazji podobny na poziomie morfologii i moleku

PRZYCZYNY sprzecznoci

homologiczne gazie D drugorzdowej struktury 28S rRNA

uproszczenia zamazuj obraz filogenezy

Mallatt et al. (2009)

wieloszczet

wirek

bezjelitowy

wieloszczet

pasoytniczy

arbitrem jest paleontologia

stawonogi

pratchawce

niesporczaki

oblece

szkarupnie pstrunowce strunowce

pazice miczaki piercienice czukowce

gbki parzydekowce

ebropawy

FILOGENEZA

molekularna zwierzt

Ecdysozoa liniejce

Spiralia planktonowa larwa, spiralne bruzdkowanie

Deuterostomia prawdziwa celoma i odbyt w miejsce pragby to plezjomorfie!

Dunn et al. (2008)

interpretacja sprzeczna z tradycyjn ale zgodna z paleontologi

Armstrong (2002)

embrion

ebropawa

Xenusion kambr 540 mln lat

Lobopodia

Nemathelminthes

OGNIWO WICE Ecdysozoa

od pocztku kambru wylinki

zwierzt o pokroju pratchawca ale morskich

terminalny otwr gbowy jak u Tardigrada

anatomicznie porednie midzy niesporczakami a oblecami

Dzik & Krumbiegel (1989)

Dzik (2003)

w kambrze liczne stadia porednie midzy Xenusia i stawonogami

PRZEJCIA midzy typami

Dzik (2011)

radialny

aparat

gbowy

odna chwytne

przedmiotem sporw jest wci budowa odny pozagbowych

PIERWSZE

kambryjskie stawonogi

stawong Anomalocaris

Burgess

520 Ma

Anomalocaris jako stawong: zesklerytyzowane czony co najmniej pierwszej pary odny, oczy zoone, zagita do tyu gardziel

dziedzictwem po oblecach radialny aparat gbowy i ryjek

jak wic wyglda wsplny przodek wtroustych?

regulacja rozwoju centralnego ukadu nerwowego krgowcw taka jak jelitodysznych

lancetnik i osonice s uwstecznione pod tym wzgldem

w kambrze jelitodyszne filtratorami

budujcymi organiczne rurki

Pani et al. (2012)

ZASTANAWIAJCA konfiguracja pokrewiestw

ekspresja homologw genw regulujcych rozwj mzgu

Spartobranchus

kambr 530 Ma

Caron et al. (2013)

miomery?

gonady

oczy? struna grzbietowa

gardziel

uki skrzelowe aorta brzuszna

YUNNANOZOON

najstarszy strunowiec

miomery?

aorta brzuszna

grzbietowe pooenie blokw miniowych

zgodne z rozwojem zarodkowym lancetnika

deuterostomia i enterocelia to plezjomorfie

Yunnanozoon (=Haikouella)

kambr 530 Ma

Branchiostoma dzi

skamieniaoci sugeruj to samo co embriologia

Dzik (1995)

enterocoel

bruzdkowanie

radialne

anus

stoma

embriogeneza

jeowca

plezjomorfie cechy pierwotne (syn)apomorfie swoiste cechy zaawansowania

grzbietowe

miomery

jelito

szczeliny

skrzelowe

uchyki jelita

PRAPRZODEK

Bilateria

grzbietowe

komory

miniowe

Dickinsonia wend 555 Ma

uchyki jelita

seryjne wypustki jelita, gonady midzy nimi, i grzbietowe komory miniowe

mog by plezjomorfiami dla Dipleurozoa i wszystkich dwubocznych zwierzt

oraz ebropaww?

niezalene interpretacje wiod do jednego rezultatu

uchyki jelita

Bjerring (1984)

Dzik (2004)

Long (2000)

nie ma spjnej teorii wyjaniajcej genez miczakw

TAJEMNICA

pochodzenia Spiralia

limakPelagiella kambr 510 Ma

Sutton et al. (2001)

chiton? Acaenoplax

sylur 430 Ma nie ma podeszwy

Dzik & Mazurek (2013)

chaetae

Thomas et al. (2012)

mucro

limakAldanella kambr 540 Ma

kambryjskie limaki miay szczecinki

lady pezania miczakw od pnego kambru

pierwsze miczaki podobne do wieloszczetw

rozkad miertelnoci

prawdziwy limak Holopea ordowik 450 Ma

coraz mniej sprzecznoci

KONGRUENCJA

moleku i skamieniaoci

SPIRALIA

(Lophotrochozoa)

ECDYSOZOA

DEUTEROSTOMIA