Poziomy transfer genów w ewolucji Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów
Poziomy transfer genów (HGT) } Przepływ informacji z jednego genomu do innego } Międzygatunkowy pominięcie bariery rozrodczej } Wewnątrzgatunkowy } W obrębie komórki (np. między genomem organellum a jądra) 2
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 3
Ruchome elementy genetyczne } Pomiędzy genomami różnych linii ewolucyjnych } poziomy transfer genów (HGT) } endosymbioza } Może dotyczyć dowolnych sekwencji, nie tylko wyspecjalizowanych elementów mobilnych 4
Ruchome elementy genetyczne } Infekcyjne wirusy } Posiadają wyspecjalizowane białka, które umożliwiają opuszczenie komórki i infekcję kolejnych 5
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) 6
Znaczenie ewolucyjne } Ewolucyjna dynamika genomu } rearanżacje } zmiany ekspresji innych genów } przenoszenie cech fenotypowych } Transfer informacji z innych lini ewolucyjnych } wspólne pule genetyczne 7
Oznaki międzygatunkowego HGT } Drzewo danego genu nie pasuje do drzewa filogenetycznego } Inna zawartość par GC } Inne wykorzystanie kodonów 8
Co jest potrzebne do HGT? } Pobranie DNA } Rekombinacja 9
Genomy bakterii są dynamiczne } Szczepy bakterii zaliczane do tego samego gatunku znacząco różnią się zawartością genów } Genom rdzeniowy (core genome) wspólny dla wszystkich szczepów } Pangenom zbiór wszystkich genów (nie występują jednocześnie) 10
Genom, pangenom 11
Genom i pangenom 12
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 ~15 000 genów } Cały pangenom: ~ 16 000 genów Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246 13
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 restrykcji-modyfikacji) a systemami ułatwiającymi wymianę DNA 14
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 15
Mechanizmy u bakterii 16 Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte 2010. Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for eukaryotic evolution. Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.
Mechanizmy u bakterii 17 Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte 2010. Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for eukaryotic evolution. Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.
Nanorurki u bakterii Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600. 18
Nanorurki pomiędzy gatunkami Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600. 19
Transfer genów oporności 20
Nie tylko plazmidy wyspy genomowe 21 Juhas et al. FEMS Microbiol Rev. 2009 March; 33(2): 376 393.
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) 22
23
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 24
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 25
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 26
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 27
Udział HGT w ewolucji genomów bakterii Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299-304 28
Przykład HGT Gen reduktazy HMGCoA A. fulgidus nabyty od przedstawiciela Bacteria 29
Przepis na patogena Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299-304 30
Udział HGT w ewolucji genomów bakterii 31 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
HGT a LUCA } } Czy LUCA był wspólnotą prakomórek swobodnie wymieniających geny? Pojawienie się trzech linii drzewa życia indywidualizacja, redukcja HGT 32
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 33
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 34
Czy mamy w genomie geny bakterii?? 35
Czy mamy w genomie geny bakterii? W oryginalnym artykule posługiwano się wyłącznie analizą BLAST, bez rekonstrukcji filogenetycznej. Analiza filogenetyczna sfalsyfikowała hipotezę. 36
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 37
Dictyostelium } 18 genów pochodzenia bakteryjnego } Związane z życiem w glebie, np. } siderofor (transport żelaza) } dipeptydazy (trawienie ścian bakteryjnych) } oporność na toksyny glebowe 38
HGT od bakterii endosymbiotycznych } Wollbachia i Drosophila } Kopie całego genomu Wollbachia w chromosomach owadów Hotopp et al. 2007, Science 317:1753-55 39
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 40 Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242- R246
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 41
Mitochondria roślin Flickr Gerard's World rps2 Oczekiwana Obserwowana 42
Mitochondria roślin 43 Bergthorsson, et al. 2003. Widespread horizontal transfer of mitochondrial genes in flowering plants. Nature 424: p. 197.
Funkcjonalny HGT u zwierząt } Mszyce grochowe (Acyrthrosiphon pisum) } Morfy czerwone barwniki karotenoidowe } zwierzęta nie wytwarzają takich barwników Moran & Jarvik 2010. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science 328:624-627 44
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 Moran & Jarvik 2010. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science 328:624-627 45
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? 46 Boschetti et al. (2012) Biochemical Diversification through Foreign Gene Expression in Bdelloid Rotifers. PLoS Genet 8(11): e1003035
Endosymbiozy i HGT } Powstanie komórki eukariotycznej w wyniku endosymbiozy } W dalszej ewolucji istotna rola HGT symbionta do jądra 47
Oddziaływania jądrowo-mitochondrialne jądro Transfer i adaptacja genów mitochondrium Ewolucja nowych funkcji Utrata genów na skutek redundancji } Proteom mitochondriów drożdży ~500-800 białek } 8-9 kodowanych w mtdna } Ponad 150 genów w jądrze, których produkty są niezbędne do utrzymania i ekspresji mtdna 48
Jak mitochondria traciły swój genom Wolno żyjące bakterie - 1800-4500 genów Endopasożytnicze bakterie (Rickettsia) - 850 genów Pierwotne mitochondria (Reclinomonas) - 100 genów Mitochondria współczesne - 30-40 genów
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
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
Skąd się bierze proteom mitochondriów? } } } Proteom mitochondrium to ok. 600 (drożdże)-1500 (ssaki) białek Geny kodowane w mtdna: 2-67, większość 12-20 białek Geny kodowane w genomie jądrowym } } } } Pochodzenia eubakteryjnego (symbiont) Pochodzenia archaebakteryjnego (gospodarz) Pochodzenia wirusowego (fagowego) polimeraza RNA i DNA Nieustalonego pochodzenia
Ślady złożonego pochodzenia jądrowokodowanego proteomu mitochondriów } U drożdży część cytoplazmatycznych mrna podlega translacji w bezpośrednim sąsiedztwie mitochondriów } Są to głównie mrna kodujące białka mitochondrialne (choć nie wszystkie z nich) } Lokalizację wokółmitochondrialną wykazują głównie mrna genów kodujących białka mitochondrialne pochodzenia eubakteryjnego (symbionta)
Udomowienie symbionta - rodzina białek PPR } PentatricoPeptide Repeat } Powszechne u Eukaryota, brak u Prokaryota } Przeważnie organellarne } Zaangażowane w post-transkrypcyjne etapy ekspresji genu (splicing, stabilność, redagowanie, translacja) } Wiązanie RNA, zwykle brak aktywności enzymatycznej } Pokrewne rodziny: TPR i HAT 54
Białka PPR są bardzo liczne w genomach roślin 55
Po co ciągle utrzymywać genom mitochondrialny? } Zamrożenie przez niestandardowy kod genetyczny } Wyjaśnienie mechanistyczne } Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne } Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne
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)
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
Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne } W mtdna kodowane są te geny, których ekspresja powinna być bezpośrednio koordynowana w organellum } Np. regulacja transkrypcji w mtdna S. cerevisiae przez poziom ATP } Koordynacja syntezy białek i składania kompleksów w wewnętrznej błonie mitochondrium zapewnienie stechiometrii i organizacji kompleksów } fizyczny związek translacji z błoną wewnętrzną
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
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
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? 62
Transpozony itp. w genomach 63
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 64
} } Geny przeciwciał? rekombinazy RAG1 i RAG2 mogą katalizować transpozycję czy pochodzą od transpozonów? 65
Endogenne wirusy } ERV } 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 800-150 tys. lat temu 66
Zmartwychwstanie genu IRGM Immunity-related GTPase 67 Bekpen et al. Death and Resurrection of the Human IRGM Gene. PLoS Genet. 2009; 5(3): e1000403.
Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego } Łożysko ssaków } Jądro komórkowe? 68
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 69 Harris. Placental endogenous retrovirus (ERV): structural, functional, and evolutionary significance. (1998) BioEssays 20:307-316
Syncytyny i env ERV 70 Black et al. Endogenous Retroviruses in Trophoblast Differentiation and Placental Development. (2010) American Journal of Reproductive Immunology 64:255-264
Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego } Łożysko ssaków } Jądro komórkowe? 71
Eukariogeneza wirusowa } } 3 przodków w endosymbiozie } } } archeon cytoplazma wirus jądro bakteria mitochondria (i chloroplasty) W genomie są geny pochodzące od wszystkich 3 przodków, ale struktura jądra (otoczka) to pozostałość wirusa } } Poxviridae Mimiviridae expasy.org Wikimedia commons
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
Eukariogeneza wirusowa a płeć } Fuzja dwóch komórek z niekompatybilnymi wirusami pochodzenie mejozy