Poziomy transfer genów w ewolucji. Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów

Transkrypt

1 Poziomy transfer genów w ewolucji Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów

2 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)

3 Poziomy transfer genów (HGT) Wyspecjalizowane ruchome elementy genetyczne sekwencje insercyjne, transpozony mobilne introny i inteiny plazmidy wirusy Dowolne sekwencje genomowe

4 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

5 Ruchome elementy genetyczne Pomiędzy genomami różnych linii ewolucyjnych poziomy transfer genów (HGT) endosymbioza Może dotyczyć dowolnych sekwencji, nie tylko wyspecjalizowanych elementów mobilnych

6 Ruchome elementy genetyczne Infekcyjne wirusy Posiadają wyspecjalizowane białka, które umożliwiają opuszczenie komórki i infekcję kolejnych

7 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)

8 Znaczenie ewolucyjne Ewolucyjna dynamika genomu rearanżacje zmiany ekspresji innych genów przenoszenie cech fenotypowych Transfer informacji z innych linii ewolucyjnych wspólne pule genetyczne

9 Oznaki międzygatunkowego HGT Drzewo danego genu nie pasuje do drzewa filogenetycznego Inna zawartość par GC Inne wykorzystanie kodonów

10 Co jest potrzebne do HGT? Pobranie DNA Rekombinacja

11 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)

12 Genom, pangenom

13 Genom i pangenom

14 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 ~ genów Cały pangenom: ~ genów Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246

15 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 restrykcjimodyfikacji) a systemami ułatwiającymi wymianę DNA

16 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

17 Mechanizmy u bakterii Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for eukaryotic evolution. Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.

18 Mechanizmy u bakterii Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for eukaryotic evolution. Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.

19 Nanorurki u bakterii Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):

20 Nanorurki pomiędzy gatunkami Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):

21 Transfer genów oporności

22 Nie tylko plazmidy wyspy genomowe Juhas et al. FEMS Microbiol Rev March; 33(2):

23 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)

24

25 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

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

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

28 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

29 Udział HGT w ewolucji genomów bakterii Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:

30 Przykład HGT Gen reduktazy HMGCoA A. fulgidus nabyty od przedstawiciela Bacteria

31 Przepis na patogenność Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:

32 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

33 HGT a LUCA Czy LUCA był wspólnotą prakomórek swobodnie wymieniających geny? Pojawienie się trzech linii drzewa życia indywidualizacja, redukcja HGT

34 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

35 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

36 Czy mamy w genomie geny bakterii??

37 Czy mamy w genomie geny bakterii? W oryginalnym artykule posługiwano się wyłącznie analizą BLAST, bez rekonstrukcji filogenetycznej. Analiza filogenetyczna sfalsyfikowała hipotezę.

38 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

39 Dictyostelium 18 genów pochodzenia bakteryjnego Związane z życiem w glebie, np. siderofor (transport żelaza) dipeptydazy (trawienie ścian bakteryjnych) oporność na toksyny glebowe

40 HGT od bakterii endosymbiotycznych Wollbachia i Drosophila Hotopp et al. 2007, Science 317: Kopie całego genomu Wollbachia w chromosomach owadów

41 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

42 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

43 Mitochondria roślin rps2 Flickr Gerard's World Oczekiwana Obserwowana

44 Mitochondria roślin Bergthorsson, et al Widespread horizontal transfer of mitochondrial genes in flowering plants. Nature 424: p. 197.

45 Funkcjonalny HGT u zwierząt Mszyce grochowe (Acyrthrosiphon pisum) Morfy czerwone barwniki karotenoidowe zwierzęta nie wytwarzają takich barwników Moran & Jarvik Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science 328:

46 Moran & Jarvik Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science 328: 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 mszyce

47 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): e

48 Endosymbiozy i HGT Powstanie komórki eukariotycznej w wyniku endosymbiozy W dalszej ewolucji istotna rola HGT symbionta do jądra

49 Oddziaływania jądrowomitochondrialne Proteom mitochondriów drożdży ~ białek jądro Transfer i adaptacja genów mitochondrium 8-9 kodowanych w mtdna Ponad 150 genów w jądrze, Ewolucja nowych funkcji których produkty są niezbędne Utrata genów na skutek redundancji do utrzymania i ekspresji mtdna

50 Jak mitochondria traciły swój genom Wolno żyjące bakterie genów Endopasożytnicze bakterie (Rickettsia) genów Pierwotne mitochondria (Reclinomonas) genów Mitochondria współczesne genów

51 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

52 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

53 Skąd się bierze proteom mitochondriów? Proteom mitochondrium to ok. 600 (drożdże)-1500 (ssaki) białek Geny kodowane w mtdna: 2-67, większość białek Geny kodowane w genomie jądrowym Pochodzenia eubakteryjnego (symbiont) Pochodzenia archaebakteryjnego (gospodarz) Pochodzenia wirusowego (fagowego) polimeraza RNA i DNA Nieustalonego pochodzenia

54 Po co ciągle utrzymywać genom mitochondrialny? Zamrożenie przez niestandardowy kod genetyczny Wyjaśnienie mechanistyczne Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne

55 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)

56 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

57 Wyjaśnienie regulacyjnokoordynacyjne 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

58 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

59 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

60 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?

61 Transpozony itp. w genomach

62 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

63 Geny przeciwciał? rekombinazy RAG1 i RAG2 mogą katalizować transpozycję czy pochodzą od transpozonów?

64 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 tys. lat temu

65 Śmierć i zmartwychwstanie genu IRGM IRGM = Immunityrelated GTPase Bekpen et al. Death and Resurrection of the Human IRGM Gene. PLoS Genet. 2009; 5(3): e

66 Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego Łożysko ssaków Jądro komórkowe?

67 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:

68 Syncytyny i env ERV Black et al. Endogenous Retroviruses in Trophoblast Differentiation and Placental Development. (2010) American Journal of Reproductive Immunology 64:

69 Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego Łożysko ssaków Jądro komórkowe?

70 Eukariogeneza wirusowa 3 przodków w endosymbiozie archeon cytoplazma expasy.org 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

71 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

72 Eukariogeneza wirusowa a płeć Fuzja dwóch komórek z niekompatybilnymi wirusami pochodzenie mejozy