Ewolucja informacji genetycznej -...
Transcript of Ewolucja informacji genetycznej -...
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