Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Transkrypt

1 Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

2 Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja)

3 (A)biogeneza Ewolucja jest właściwością organizmów żywych! Życie = ewolucja! Powstanie życia z materii nieożywionej nie było zjawiskiem ewolucyjnym trudności z wyjaśnieniem abiogenezy nie mogą być traktowane jako zarzut wobec teorii ewolucji właściwe dziedziny: fizyka (teoria złożoności, teoria samoorganizacji, termodynamika_ chemia planetologia

4 Czas i scena Istnieją też koncepcje umieszczające część z tych etapów poza Ziemią

5 Cząsteczki organiczne mogły powstać w atmosferze pierwotnej Ziemi Miller, Urey, 1953

6 Pierwsze ślady życia Skamieniałości ze Strelley Pool Współczesne stromatolity czert Strelley Pool, Australia wiek 3,4 mld lat, (Brasier et al. 2006)!!!!!! skamieniałe maty mikroorganizmów - stromatolity

7 Koncepcje abiogenezy Powstanie informacji kluczowe powstanie zdolności (samo)replikacji powiązanie genotypu z fenotypem możliwość działania doboru progenota! Powstanie metabolizmu kluczowe powstanie samoorganizującej się sieci metabolicznej powielanie struktury nie na zasadzie replikacji matrycowej replikacja wynaleziona później

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

9 Świat RNA: metabolizm + replikacja RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną (metabolizm) Rybozymy enzymy o centrum katalitycznym zbudowanym z RNA

10 RNA może tworzyć różne struktury

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 (7S RNA) obróbka RNA (snrna, snorna) regulacja ekspresji (mirna, lncrna, XIST)

13 RNA katalityczne Thomas Cech (1982) intron w Tetrahymena sam się wycina Nagroda Nobla 1989

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

15 RNA syntetyzuje białko

16 RNA wycina introny 2013

17 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

18 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 rozwiązanie wydzielenie hipercyklu błoną i specjalizacja

19 Problemy świata RNA Abiotyczna synteza RNA wykazano abiotyczną syntezę prekursorów zasad azotowych, trudniej z pentozami

20 Prebiotyczna biochemia?

21 Prebiotyczna biochemia? Cząsteczki niezbędne do syntezy RNA mogły powstać w pierwotnych sieciach metabolicznych

22 Abiotyczna synteza polinukleotydów Polimeryzacja oligonukleotydów przez UV Ligacja polinukleotydów na katalizatorze glinokrzeminanowym

23 Kooperacja i samoorganizacja Samoorganizujące się sieci rybozymów (2012)

24 Samoorganizacja sieci RNA Rybozymy zdolne do katalizy ligacji innych wariantów tworzą cykle autokatalizy Cykl jest wydajniejszy od pojedynczych samolubnych rybozymów N Vaidya et al. Nature 491(7422):72-7 (2012)

25 Powstanie błon pierwsze prakomórki Samoorganizacja lipidów amfipatycznych w struktury mogące otaczać prakomórki!!!! Takie lipidy mogły powstawać w warunkach prebiotycznych, a nawet w kosmosie Wyodrębnienie prakomórek błoną nastąpiło wcześnie w ewolucji Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)

26 Ewolucja kodu Oddziaływania RNA aminokwasy (pra-trna) rybozymy syntetyzujące uniwersalny rybosom pojawił się później

27 Ewolucja kodu Pierwszy kod był mniej specyficzny rozróżniane mniej aminokwasów rozróżniane grupy aminokwasów Ewolucja przez zwiększanie liczby kodowanych aminokwasów zwiększanie specyficzności Czy kod od początku był trójkowy? może wyewoluował z dwójkowego, ale z przecinkiem (trzeci nukleotyd nieznaczący)

28 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

29 Powstanie DNA Reduktaza rybonukleotydów Enzym obecny we wszystkich gałęziach drzewa życia bardzo stary

30 Drzewo ewolucyjne życia?

31 LUCA

32 LUCA jako wspólnota genów Niezależnie od tego, u podstawy był jednolity kod genetyczny i wspólne podstawowe mechanizmy genetyczne

33 Podsumowanie

34 Hipotezy alternatywne Przesunięcie niektórych etapów prehistorii życia poza Ziemię kosmiczne pochodzenie prostych cząsteczek organicznych kosmiczne pochodzenie życia - panspermia

35 Panspermia Pierwsze cząsteczki biologiczne, a nawet organizmy nie powstały na Ziemi Cząsteczki organiczne, aminokwasy w materiale kosmicznym Problem ustalenia warunków początkowych Jeżeli nie wiemy, gdzie powstawało życie, nie mamy możliwości formułowania hipotez Panspermia ukierunowana życie celowo zasiane na Ziemi przez inną cywilizację (Orgel & Crick, 1973)

36 Cząsteczki organiczne z kosmosu Meteoryt z Murchinson liczne związki organiczne, w tym aminokwasy! Komety (potwierdzona obecność związków organicznych)

37 Błony z kosmosu Struktury lipidowe tworzone przez ekstrakty materiału z meteorytu z Murchinson (A)! Struktury tworzone w reakcjach fotochemicznych z materiału naśladującego lód z przestrzeni kosmicznej (B) Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)

38 Astrobiologia Aby szukać życia poza Ziemią należy zrozumieć, jak powstawało na Ziemi Europa (księżyc Jowisza), Wikimedia Tytan (księżyc Saturna), Wikimedia, New Scientist

39

40 Powstanie komórki eukariotycznej- endosymbioza Konstanty Miereżkowski ( ) Lynn Margulis ( )

41 Ewolucja genomów

42 Mechanizmy ewolucji Generujące zmienność mutacje rearanżacje genomu horyzontalny transfer genów! Działające na warianty wytworzone przez zmienność dobór naturalny dryf genetyczny

43 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

44 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

45 Podobieństwo i homologia Homologia: podobieństwo wynikające ze wspólnego pochodzenia ewolucyjnego cecha odziedziczona od wspólnego przodka vs. homoplazja podobieństwo powstałe niezależnie, nie odziedziczone po wspólnym przodku

46 Podobieństwo i homologia sekwencji Przy dostatecznie dużym podobieństwie można założyć, że sekwencje DNA i białek 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

47 Podobieństwo i homologia sekwencji Na poziomie sekwencji praktycznie nie stwierdza się konwergencji, homoplazje są przypadkowe i dotyczą pojedynczych pozycji, a nie całych sekwencji Dlatego sekwencje są doskonałym narzędziem do badania filogenezy

48 Rozmiary genomów

49 Rozmiary genomów i liczba genów

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

51 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 (chociaż się zdarza) Rozwiązanie - duplikacje Susumu Ohno ( )

52 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)

53 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

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

55 Ewolucja globin - paralogi i ortologi

56 Ewolucja genów opsyn

57 Ewolucja widzenia barw

58 Geny HOX regulatory rozwoju

59 Duplikacje całych genomów Zmianie może ulec liczba chromosomów Podwojeniu może ulec cały genom Hipoteza 2R (hipoteza Ohno) podwojenie genomu na początku ewolucji kręgowców 2 rundy podwojenia np. geny Hox

60 Białka składają się z domen Tasowanie domen kombinatoryka w białkach. T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

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

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

63 Ewolucja białek Pierwsze geny i peptydy były bardzo krótkie Do dzisiaj w sekwencjach ślady budowy z powtarzających się krótkich motywów

64 Geny i muzyka Susumu Ohno Ohno S, Ohno M The 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: Ohno S A song in praise of peptide palindromes. Leukemia 2S:

65 Powtórzenia

66 Muzyka sekwencji

67 Muzyka sekwencji

68 Ewolucyjna zmienność genomów U Eukaryota skład genomu zmienia się powoli większość genów człowieka (>95%) ma odpowiedniki w genomie myszy, żaby itp. za różnice odpowiadają subtelne zmiany regulacji i współdziałania genów U Prokaryota (bakterie, archeony) duże róznice w zestawie genów nawet u blisko spokrewnionych organizmów

69 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