Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Podobne dokumenty
Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Historia informacji genetycznej. Jak ewolucja tworzy nową informację (z ma ą dygresją).

Powstanie życia i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Powstanie i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Powstanie życia i dzieje informacji genetycznej. Oraz (bardzo) krótka historia życia.

Ewolucja informacji genetycznej

Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia. Od abiogenezy do LUCA

Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia. Od abiogenezy do LUCA

Powstanie i najwcześniejsze dzieje życia. Od abiogenezy do LUCA

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Mechanizmy zmienności ewolucyjnej. Podstawy ewolucji molekularnej.

Zmienność ewolucyjna. Ewolucja molekularna

Interakcje genetyczne

Teoria ewolucji. Losy gatunków: specjacja i wymieranie. Podstawy ewolucji molekularnej

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

Geny i działania na nich

Dopasowanie sekwencji (sequence alignment)

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

plezjomorfie: podobieństwa dziedziczone po dalszych przodkach (c. atawistyczna)

Wykład 14 Biosynteza białek

Podstawy genetyki populacji. Genetyka mendlowska i ewolucja.

Teoria ewolucji. Podstawy wspólne pochodzenie.

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

WYKŁAD: Klasyczny przepływ informacji ( Dogmat) Klasyczny przepływ informacji. Ekspresja genów realizacja informacji zawartej w genach

WPROWADZENIE DO GENETYKI MOLEKULARNEJ

Podstawy genetyki V. Interakcje genetyczne część 2. Genetyczne podstawy biologii systemów. Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Teoria ewolucji. Podstawowe pojęcia. Wspólne pochodzenie.

października 2013: Elementarz biologii molekularnej. Wykład nr 2 BIOINFORMATYKA rok II

Dr. habil. Anna Salek International Bio-Consulting 1 Germany

Translacja i proteom komórki

Podstawy ewolucji molekularnej. Ewolucja sekwencji DNA i białek

Podstawy biologii. Podstawy biologii molekularnej

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Ewolucjonizm NEODARWINIZM. Dr Jacek Francikowski Uniwersyteckie Towarzystwo Naukowe Uniwersytet Śląski w Katowicach

Konspekt do zajęć z przedmiotu Genetyka dla kierunku Położnictwo dr Anna Skorczyk-Werner Katedra i Zakład Genetyki Medycznej

Podstawy genetyki V. Interakcje genetyczne część 2. Genetyczne podstawy biologii systemów. Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

BIOINFORMATYKA. edycja 2016 / wykład 11 RNA. dr Jacek Śmietański

Wykład 1. Od atomów do komórek

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

Informacje dotyczące pracy kontrolnej

SCENARIUSZ LEKCJI BIOLOGII Z WYKORZYSTANIEM FILMU Transkrypcja RNA

Różnorodność życia na Ziemi

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

TEORIA KOMÓRKI (dlaczego istnieją osobniki?)

Początki ewolucji. Historia komórek eukariotycznych i ich symbiontów

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

6. Z pięciowęglowego cukru prostego, zasady azotowej i reszty kwasu fosforowego, jest zbudowany A. nukleotyd. B. aminokwas. C. enzym. D. wielocukier.

TEORIA KOMÓRKI (dlaczego istnieją osobniki?)

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Wykład Bioinformatyka Bioinformatyka. Wykład 7. E. Banachowicz. Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM. Ewolucyjne podstawy Bioinformatyki

Porównywanie i dopasowywanie sekwencji

Badanie doboru naturalnego na poziomie molekularnym

Materiały dydaktyczne do kursów wyrównawczych z przedmiotu biologia

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

Informacje. Kontakt: Paweł Golik, Ewa Bartnik. Instytut Genetyki i Biotechnologii, Pawińskiego 5A.

Jak działają geny. Podstawy biologii molekularnej genu

Rozkład materiału z biologii dla klasy III AD. 7 godz / tyg rok szkolny 2016/17

Marek Kudła. Rybozymy. RNA nośnik informacji i narzędzie katalizy enzymatycznej

Podstawy biologii. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

DNA superhelikalny eukariota DNA kolisty bakterie plazmidy mitochondria DNA liniowy wirusy otrzymywany in vitro

WARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU- 5 ECTS

BIOLOGIA EGZAMIN KLASYFIKACYJNY 2015/16. KLASA III Gimnazjum. Imię:... Nazwisko:... Data:...

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Wprowadzenie. DNA i białka. W uproszczeniu: program działania żywego organizmu zapisany jest w nici DNA i wykonuje się na maszynie białkowej.

Spis treści. Przedmowa... XI. Wprowadzenie i biologiczne bazy danych. 1 Wprowadzenie Wprowadzenie do biologicznych baz danych...

Jajko czy kura? czyli gdzie dwóch się bije, tam trzeci korzysta

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

Analizy DNA in silico - czyli czego można szukać i co można znaleźć w sekwencjach nukleotydowych???

Opis zakładanych efektów kształcenia OPIS ZAKŁADANYCH EFEKTÓW KSZTAŁCENIA

Księgarnia PWN: B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter Podstawy biologii komórki. Cz.

Biologiczne podstawy ewolucji. Informacja genetyczna. Co to jest ewolucja.

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

TATA box. Enhancery. CGCG ekson intron ekson intron ekson CZĘŚĆ KODUJĄCA GENU TERMINATOR. Elementy regulatorowe

Metagenomika, filogenetyka i ewolucja molekularna drobnoustrojów dotychczasowe i aktualne wyzwania matematyki

1. Na podanej sekwencji przeprowadź proces replikacji, oraz do obu nici proces transkrypcji i translacji, podaj zapis antykodonów.

Acknowledgement. Drzewa filogenetyczne

Geny, a funkcjonowanie organizmu

BUDOWA I FUNKCJA GENOMU LUDZKIEGO

Bioinformatyka Laboratorium, 30h. Michał Bereta

Pamiętając o komplementarności zasad azotowych, dopisz sekwencję nukleotydów brakującej nici DNA. A C C G T G C C A A T C G A...

Biologia medyczna, materiały dla studentów

Wybrane techniki badania białek -proteomika funkcjonalna

EKOLOGIA. Początek Wszechświata. Historia Ziemi. Historia świata w pigułce

Nuttall przeprowadził testy precypitacyjne białek surowicy, aby wykazać związek filogenetyczny między różnymi grupami zwierząt.

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA BIOLOGIA POZIOM ROZSZERZONY Opracowany w oparciu o program DKOS /02 KLASA III

Chemiczne składniki komórek

Plan działania opracowała Anna Gajos

Podstawy teorii ewolucji. Informacja i ewolucja

Transkrypt:

Powstanie i ewolucja informacji genetycznej

Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja)

(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

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

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

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

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

Co było najpierw? Metabolizm (Oparin, Dyson) Zależny od informacji genetycznej (kodowane w DNA enzymy białkowe) Replikacja (Eigen) Zależna od metabolizmu (replikacja DNA zależna od białek)

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

RNA może tworzyć różne struktury

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 (7S RNA) obróbka RNA (snrna, snorna) regulacja ekspresji (mirna, lncrna, XIST) czy to wszystko?

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

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

RNA syntetyzuje białko Aktywność peptydylotransferazy w rybosomie to rybozym

RNA wycina introny 2013

Co potrafią rybozymy? Cięcie RNA, cięcie DNA Ligacja (łączenie) cząsteczek RNA Tworzenie wiązania peptydowego Rybozymy selekcjonowane in vitro potrafią też polimeryzować RNA (w tym na matrycy, ale bez samoreplikacji) fosforylować RNA i DNA alkilować i aminoacylować RNA tworzyć i przecinać wiązania amidowe i glikozydowe dołączać kationy metali do grup porfirynowych

Rybozym zdolny do syntezy RNA Wyselekcjonowany w laboratorium Wciąż nie autonomiczna replikaza

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

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

Świat RNA

Prebiotyczna biochemia?

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

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

Kooperacja i samoorganizacja Samoorganizujące się sieci rybozymów (2012)

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)

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)

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

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)

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

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

Drzewo ewolucyjne życia?

LUCA

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

Podsumowanie

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

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)

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

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)

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

Powstanie komórki eukariotycznej- endosymbioza Konstanty Miereżkowski (1855-1921) Lynn Margulis (1938-2011)

Gospodarz endosymbiozy był archeonem Lokiarcheota - monofiletyczna grupa Archaea, odkryta w badaniach metagenomicznych (2105 r.) Najbliżej spokrewniona z Eukaryota Posiada geny kodujące białka umożliwiające tworzenie złożonych struktur błonowych Tak mógł wyglądać gospodarz endosymbiozy, która dała początek Eukaryota

Ewolucja genomów

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

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

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 vs. homoplazja podobieństwo powstałe niezależnie, nie odziedziczone po wspólnym przodku

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 20 300, czyli ~2x10 390 liczba atomów we Wszechświecie: ~ 1x10 80

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

Rozmiary genomów

Rozmiary genomów i liczba genów

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

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 (1928-2000)

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)

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

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

Ewolucja globin - paralogi i ortologi

Ewolucja genów opsyn

Ewolucja widzenia barw

Geny HOX regulatory rozwoju

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

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

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

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

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

Geny i muzyka Susumu Ohno Ohno S, Ohno M. 1986. 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. 1987. Repetition as the essence of life on this earth: music and genes. Haematol. Blood Transfus. 31:511-518 Ohno S. 1993. A song in praise of peptide palindromes. Leukemia 2S:157-159

Powtórzenia

Muzyka sekwencji

Muzyka sekwencji

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

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