Ewolucja informacji genetycznej

Transkrypt

1 1 Ewolucja informacji genetycznej

2 Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja)

3 Cząsteczki organiczne mogły powstać w atmosferze pierwotnej Ziemi Oparin, Haldane Miller, 1953

4 Co było najpierw? } Metabolizm (Oparin, Dyson) } Zależny od informacji genetycznej (kodowane enzymy) } Replikacja (Eigen) } Zależna od metabolizmu (enzymy replikujące DNA) 4

5 Świat RNA: metabolizm + replikacja RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną (metabolizm)

6 RNA może tworzyć różne struktury

7 Świat RNA

8 Problemy świata RNA } Ograniczona zdolność magazynowania informacji w pojedynczym replikatorze (ilość informacji możliwej do zakodowania jest odwrotnie proporcjonalna do częstości błędów replikacji granica Eigena) } Rozwiązanie sieci współdziałających replikatorów (hipercykle) } Samolubne RNA w sieci replikatorów } Abiotyczna synteza RNA 8

9 Jak powstała informacja genetyczna Nukleotydy Powstają pierwsze nici RNA RNA replikuje RNA RNA katalizuje reakcje z udziałem aminokwasów Aminokwas Polipeptydy RNA katalizuje tworzenie białek i DNA DNA przejmuje rolę materiału genetycznego

10 Kto naprawdę rządzi w komórce? DNA replikacja informacji genetycznej przekazywanie jej kolejnym pokoleniom RNA ekspresja i regulacja informacji genetycznej różne funkcje na różnych etapach

11 RNA w ekspresji genu } Obraz klasyczny cetralna hipoteza ( dogmat ) } mrna RNA informacyjny } trna RNA transportujący (przenosi aminokwasy) } rrna RNA rybosomalny

12 Inne role RNA } Sortowanie białek w komórce

13 Inne role RNA } Elementy systemu obróbki RNA } snrna składanie mrna

14 Inne role RNA } Elementy systemu obróbki RNA } snorna obróbka rrna

15 RNA katalityczne } omas Cech (1982) intron w Tetrahymena sam się wycina Nagroda Nobla 1989

16 RNA katalityczne } Sidney Altman (1983) RNaza P (enzym tnący prekursory trna) składa sie z białka i RNA, to RNA jest katalizatorem Nagroda Nobla 1989

17 RNA syntetyzuje białko

18 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

19 RNA jako elementy regulacyjne } XIST inaktywacja chromosomu X } sirna, mirna, strna itd... - małe cząsteczki RNA regulujące działanie genów

20 Od świata RNA do pierwszych organizmów Świat RNA Wczesny świat RNA (trna, rybozymy) Proto-rybosomy (proto-rrna, snorna, snrna) Świat RNP Świat DP Początki syntezy białek katalizatory RNP proto-eukarionty Katalizatory białkowe, translacja DNA komórki Ostatni wspólny przodek Endosymbioza Uproszczenie struktury i regulacji prokarionty eukarionty

21 Historia życia na Ziemi 21

22 Historia życia na Ziemi 22

23 Drzewo ewolucyjne życia?

24 Powstanie mitochondriów i chloroplastów - endosymbioza

25 Biologia ewolucyjna? Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhansky ( )

26 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!

27 Ewolucja biologiczna } Zjawisko (fakt) ewolucji } Łatwy do zaobserwowania w warunkach naturalnych i laboratoryjnych } Teoria wyjaśniająca mechanizmy ewolucji } Darwinizm i neodarwinizm } Historia zmian ewolucyjnych } Dane kopalne } Odtwarzanie filogenezy na podstawie cech współczesnych (w tym molekularnych) } Nieuniknione luki w wiedzy 27

28 Podstawy ewolucji } Replikacja informacji genetycznej wprowadza zmienność } Losowe błędy w replikacji (nieuniknione) } Procesy wzmacniające zmienność } np. procesy płciowe } Wytworzone przez zmienność warianty nie są równocenne } Różne warianty mają różne dostosowanie (fitness) różne prawdopodobieństwo przekazania informacji kolejnym pokoleniom w danych warunkach środowiska 28

29 Podstawy ewolucji } Skoro błędy w replikacji są nieuniknione, to wszystkie replikatory mogą podlegać ewolucji } Replikacja jest koniecznym i wystarczającym warunkiem ewolucji } wyjątek w pełni stabilne i jednorodne środowisko, zawsze faworyzujące jeden genotyp 29

30 Mechanizmy ewolucji } Generujące zmienność } mutacje } rearanżacje genomu } horyzontalny transfer genów } Działające na warianty wytworzone przez zmienność } dobór naturalny } dryf genetyczny } migracje 30

31 Główne założenie darwinizmu i neodarwinimu } Podstawowym mechanizmem kształtującym proces ewolucji biologicznej jest dobór naturalny } dryf genetyczny i inne zjawiska też mają znaczenie } znaczenie doboru i dryfu jest różne na różnych poziomach zmian ewolucyjnych } na poziomie molekularnym (zmian sekwencji DNA i białek) dryf może być głównym mechanizmem zmian teoria neutralna 31

32 Pierwsza synteza } Darwinizm + genetyka klasyczna + genetyka populacji è 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

33 Druga synteza } Darwinizm + genetyka molekularna è 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

34 Podobieństwo i homologia } Homologia: podobieństwo wynikające ze wspólnego pochodzenia ewolucyjnego cecha odziedziczona od wspólnego przodka

35 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 } dla 300 aminokwasów , czyli ~2x } liczba atomów we Wszechświecie: ~ 1x10 80 } Na poziomie sekwencji praktycznie nie stwierdza się konwergencji, homoplazje są przypadkowe i dotyczą pojedynczych pozycji, a nie całych sekwencji 35

36 Rozmiary genomów 36

37 Rozmiary genomów i liczba genów 37

38 Skąd się biorą nowe geny } Liczba genów w trakcie ewolucji wzrasta } Jak powstaje nowa informacja (nowe geny)? 38

39 Skąd biorą się nowe funkcje (geny) } Mutacje mogą zmienić funkcję genu, ale zwykle z utratą funkcji dotychczasowej } Prawdopodobieństwo powstania nowego genu de novo (np. z sekwencji niekodującej) jest małe } Rozwiązanie - duplikacje 39 Susumu Ohno ( )

40 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

41 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)

42 Duplikacje T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

43 Ewolucja globin

44 Ewolucja genów opsyn

45 Ewolucja widzenia barw

46 Geny HOX regulatory rozwoju

47 Ewolucja genów HOX Dzięki duplikacjom genów HOX wyewoluowały bardziej złożone plany ciała

48 Białka składają się z domen T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009 Granice domen i eksonów często się pokrywają

49 Tasowanie eksonów i domen T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

50 Wspólne motywy w różnych genach Możemy stawiać hipotezy dotyczące funkcji nieznanych białek na podstawie motywów znajdowanych w sekwencji. Podstawa większości współczesnych badań biochemicznych!!

51 Ewolucja białek } Pierwsze peptydy były bardzo krótkie } Do dzisiaj w białkach ślady budowy z powtarzających się krótkich motywów 51

52 Ewolucyjne klocki } } Złożone sieci współzależności złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów składowych Nowe elementy przez duplikację istniejących 52

53 Geny i muzyka Susumu Ohno } Ohno S, Ohno M e all pervasive principle of repetitious recurrence governs not only coding sequence construction but also human endeavor in musical composition. Immunogenetics 24:71-78 } Ohno S Repetition as the essence of life on this earth: music and genes. Haematol. Blood Transfus. 31:

54 Powtórzenia 54

55 Muzyka sekwencji 55

56 Muzyka sekwencji 56

57 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

58 Ewolucja sekwencji i dobór naturalny 58

59 Mutacje a różnice sekwencji wg. Li & Graur, et al., 1991

60 Tempo zmian sekwencji białka Jednostka PAM (Percentage Accepted Mutations): 1 zaakceptowana zmiana/ 100 aminokwasów Granica istotnej homologii 80% Różnice sekwencji 60% 40% 20% PAM

61 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)

62 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

63 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

64 Neodarwinizm (ortodoksyjny) } Głównym źródłem różnic między sekwencjami jest dobór naturalny

65 } 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

66 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

67 Tempo zmian } } jednostka: PAM/10 8 lat Jednostka czasu ewolucyjnego: ile lat (w milionach, 10 6 ) potrzeba do utrwalenia 1 mutacji/100 aa (1 PAM)

68 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

69 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

70 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 Orangutan Goryl Szympans Człowiek Orangutan Goryl Szympans Człowiek Orangutan Goryl Szympans Człowiek Równomierne tempo zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

71 Gen mowy Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy, niezdolnością do tworzenia struktur składniowych i gramatycznych. Gen FOXP2

72 FOXP2 szybka ewolucja Enard et al. (2002) Nature 418,

73 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

74 Gen mikrocefaliny Chory 13 lat Mikrocefalia Zdrowy 11 lat Szybka ewolucja genu u człowieka Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126

75 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 różnica między człowiekiem a innymi zwierzętami ma charakter ilościowy, a nie jakościowy

76 Dlaczego badać ewolucję We shall not cease from exploration, and the end of all our exploring will be to arrive where we started and know the place for the first time. T. S. Eliot e Waste Land 76