Ewolucja informacji genetycznej

Transkrypt

1 1 Ewolucja informacji genetycznej

2 Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja)

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

4 Co by o najpierw? Metabolizm (Oparin, Dyson) Replikacja (Eigen)

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 relikacji granica Eigena) Samolubne RNA w sieci replikatorów Abiotyczna synteza RNA

9 Jak powsta a 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

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 bia ko

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 Początki syntezy białek katalizatory RNP Katalizatory białkowe, translacja Świat DP DNA komórki Ostatni wspólny przodek Uproszczenie struktury i regulacji proto-eukarionty Endosymbioza prokarionty eukarionty

21 Historia życia na Ziemi 21

22 Drzewo ewolucyjne życia?

23 Powstanie mitochondriów i chloroplastów - endosymbioza

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

25 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!

26 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

27 Pierwsza synteza 4 główne siły ewolucji Mutacje Przepływ genów Dobór naturalny Dryf genetyczny

28 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

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

30 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

31 Rozmiary genomów 31

32 Rozmiary genomów i liczba genów 32

33 Skąd się biorą nowe geny Liczba genów w trakcie ewolucji wzrasta Jak powstaje nowa informacja (nowe geny)? 33

34 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

35 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)

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

37 Duplikacje wewnątrz genu Delecja Pierwotny gen trypsynogenu duplikacje + dodana sekwencja Wewnętrzne duplikacje Thr Ala Ala Gly Dodana: Gly Gen glikoproteiny chroniącej przed zimnem Dissostichus mawsoni

38 Ewolucja globin

39 Ewolucja genów opsyn

40 Ewolucja widzenia barw

41 Geny HOX regulatory rozwoju

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

43 Bia ka sk adają się z domen T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009 Granice domen i eksonów często się pokrywają

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

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

46 Homologia genów jako źród o 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

47 Ewolucja sekwencji i dobór naturalny 47

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

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

50 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)

51 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

52 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

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

54 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

55 Tempo zmian bia ka jest kszta towane 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

56 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)

57 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

58 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

59 Jak szukać śladów dzia ania 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

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

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

62 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

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

64 Geny cz owieczeństwa? 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