Interakcje genetyczne

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

2 Interakcje genetyczne

Interakcje } Łagodzące (alleviating interactions) } Fenotyp podwójnego mutanta lżejszy, niż przewidywany dla sumowania fenotypów mutantów pojedynczych } Syntetyczne, pogarszające (synthetic, aggravating interactions) } Fenotyp podwójnego mutanta cięższy, niż przewidywany dla sumowania fenotypów pojedynczych mutantów 3

Interakcje łagodzące } Supresja } Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie (b) } Podwójny mutant ab ma fenotyp dziki lub bliski dzikiemu } Epistaza } Fenotyp mutacji (a) maskowany przez mutację w innym genie (b) } Podwójny mutant ab ma fenotyp taki sam, jak mutant b obecność mutacji b narzuca fenotyp niezależnie od allelu genu a 4

Epistaza (sensu stricte) } Mutacje w jednym genie (epistatyczne) maskują fenotyp alleli innego genu (hipostatycznego) } Z reguły wskazuje na funkcję w tym samym szlaku, może posłużyć do ustalenia kolejności procesów } Zauważona jako czynnik zmieniający typowy rozkład 9:3:3:1 w krzyżówkach dwugenowych 5

Epistaza } D. melanogaster mutanty barwy oka wt white vermillion } Podwójny mutant white, vermillion ma oczy białe, nieodróżnialne od pojedynczego mutanta white } Mutacje white epistatyczne względem vermillion (i wielu innych mutacji barwy oka 6

Epistaza wt white vermillion } Drozopteryna jasnoczerwona, ommochromy brunatne } Defekty szlaku drozopteryny oczy ciemnobrązowe } Defekty szlaku ommochromów oczy jaskrawoczerwone (np. vermillion) } Produkt genu white transport prekursorów barwników (guaniny i tryptofanu) do komórek zawiązka oka w zarodku 7

Epistaza } Przy regulacji pozytywnej (i np. szlakach biosyntezy) mutacja elementu leżącego wyżej w szlaku będzie epistatyczna 8 Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35

Epistaza i szlaki regulatorowe Obecność mutantów o przeciwstawnym efekcie sugeruje regulację negatywną jednego z etapów szlaku mutacja tra epistatyczna Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35 9

Grupa krwi Bombay } } } } } Rzadki recesywny allel h genu innego niż I Homozygoty hh nie wytwarzają antygenu H, który jest prekursorem antygenów A i B Homozygoty hh w testach dają grupę 0, niezależnie od genotypu I A lub I B Uniwersalny donor, biorca tylko od innej osoby hh Ok. 4 osoby na milion (w Bombaju 1: 10 000, wyspa Reunion 1:1000) 10

Interakcje syntetyczne } Syntetyczne wzmocnienie } Fenotyp podwójnego mutanta silniejszy (lub nieoczekiwany) niż suma fenotypów pojedynczych mutacji } Syntetyczna letalność } Pojedyncze mutacje nie są letalne, podwójny mutant letalny } Niekomplementacja niealleliczna (SSNC second-site non-complementation) } Dwie recesywne mutacje a i b w podwójnej hetrozygocie dają fenotyp zmutowany 11

Syntetyczne wzmocnienie } Nieoczekiwanie silny (synergistyczny) efekt połączenia dwóch mutacji } np. mutacja a obniża tempo wzrostu o 10%, mutacja b o 20%, a w podwójnym mutancie obniżenie o 90% } Skrajny przypadek: syntetyczna letalność } Zwykle dotyczy alleli nullomorficznych lub hipomorficznych } Łatwiejsza do badania w organizmach mających wegetatywną fazę haploidalną (np. drożdże) } Inny wariant: SDL (synthetic dosage lethality) } nadekspresja jednego genu ujawnia b. silny fenotyp w kontekście mutacji innego genu 12

Syntetyczne wzmocnienie } W przypadku alleli null dotyczy szlaków działających równolegle } Szlak A i B wykazują redundację, ale defekt obydwu jest letalny Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437 13

Syntetyczne wzmocnienie } W przypadku alleli hipomorficznych może dotyczyć elementów tego samego szlaku 14 Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437

SDL } Syntetyczna letalność dawki (nadekspresji) synthetic dosage lethality } Np. nadekspresja genu PHO4 jest letalna w kontekście delecji genu PHO85 } PHO85 koduje kinazę białkową, ktorej substratem jest, m. in., produkt PHO4. Fosforylacja hamuje aktywność białka. Letalny efekt nadmiaru aktywnego białka Pho4p. 15

Poszukiwanie interakcji } Interakcje dające się selekcjonować pozytywnie (np. supresje) można wykrywać stosując bezpośrednią selekcję (np. po mutagenezie albo po transformacji plazmidem wysokokopiowym) } W niektorych organizmach modelowych (drożdże) możliwa systematyczna analiza interakcji dla wszystkich par genów } cel: stworzenie kompletnej mapy interakcji } Poszukiwanie interakcji syntetycznych: metody SGA i dslam 16

SGA } } } } } Synthetic Gene Array Kolekcja delecji, krzyżowana z badanym genem Sporulacja, Selekcja haploidów MATa Selekcja pojedynczych i podwójnych mutantów 17 Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437

Interakcje genetyczne a fizyczne } Badania na skalę genomu i proteomu (wysokoprzepustowe) } Np. u drożdży dla 1000 genów mapa z ok. 4000 interakcji } Dla pojedynczego genu nie będącego niezbędnym (defekt nie jest letalny) średnio 34 interakcje, dla genów niezbywalnych (essential) 5x więcej } Globalna sieć (interaktom) powinna zatem mieć ~200 000 interakcji } Interakcje fizyczne i genetyczne rzadko się nakładają, choć częściej, niż przewidywano by dla pełnej losowości } U drożdży ~1% 18

Interakcje genetyczne ujęcie systemowe } Interakcje genetyczne wskazują na związki funkcji } Mogą wiązać elementy tego samego szlaku/kompleksu, ale też różnych szlaków, powiązanych funkcją } Zestaw interakcji (pozycja na mapie interaktomu genetycznego) może wskazywać na funkcję genu 19

Sieci } Dwie własności sieci } robustness (krzepkość) odporność na zaburzenie np. mutację jednego z elementów) } evolvability potencjał zmienności Zależą od topologii sieci 20

Sieci biologiczne } } } Sieć a) najmniej odporna na zaburzenia, sieć c) najbardziej W sieci a) najwięcej interakcji syntetycznych, w c) - najmniej Sieci biologiczne przypominają typ b) struktura hierarchiczna (scale-free) 21

Sieci biologiczne } Przykładowa sieć dla 204 genów drożdżowych 22 Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437

23 Costanzo i wsp., (2010) Science 327, 425

Sieci biologiczne } Sieci interakcji biologicznych mają charakter hierarchiczny } węzły centralne (hubs) z dużą liczbą połączeń } węzły peryferyjne, z małą liczbą połączeń } węzły centralne częściej odpowiadają genom niezbywalnym (których defekt jest letalny) } Mały świat długość scieżki pomiędzy dwoma węzłami jest niewielka (3.3 u drożdży) } Gęste otoczenia lokalne (sąsiedzi danego węzła często oddziałują ze sobą) } Podobne właściwości ma np. Internet, sieci interakcji społecznych, liczba Erdősa wśród matematyków 24

Interakcje genetyczne a biologia systemów } Badanie sieci interakcji funkcjonalnych na skalę całego organizmu to podstawa biologii systemów } Interakcje genetyczne są ważnym elementem takiej sieci } Może nawet bardziej, niż interakcje fizyczne } Interakcje fizyczne identyfikują kompleksy, interakcje genetyczne mogą pokazać, w jakim kontekście te kompleksy funkcjonują } Wszystkie dotychczasowe wyniki są bardzo niekompletne, nawet u drożdży } Nie ma biologii systemów bez genetyki 25

Genetyczne podstawy rozwoju Przełączniki genetyczne 26

Ekspresja genów a rozwój } Zmiany ekspresji genu odpowiadają na czynniki środowiskowe i wewnętrzne } Utrzymanie homeostazy } Adaptacja do środowiska } Rozwój i różnicowanie tworzenie złożonych struktur przez lokalne interakcje 27 Gilbert, S. Developmental Biology. 6th Edition. Sunderland, Mass.: Sinauer Associates Inc., 2000.

Przełączniki genetyczne } Zmiana informacji genetycznej w rozwoju } Rearanżacje DNA: nieodwracalne lub odwracalne } Epigenetyczne } Piętno genomowe, chromatyna } Regulacja ekspresji genu } Kaskady i sieci regulacyjne oparte na kontroli ekspresji } Transdukcja sygnału integracja informacji ze środowiska 28

Przełączanie typu płciowego drożdży } Na chr. III oprócz aktywnego locus MAT dwie wyciszone kasety HMLα i HMLa } Przełączenie typu: mechanizm konwersji genu przez rekombinację } Inicjowany przez nacięcie DNA endonukleazą HO 29

Przełączniki oparte na regulacji ekspresji } Nie dochodzi do zmiany sekwencji DNA } Zasadniczo odwracalne, ale mogą być bardzo stabilne } Mechanizmy transkrypcyjne lub inne (np. alternatywne składanie) } Proste układy: } Pętle sprzężenia zwrotnego } Przełączniki dwustanowe } Bardziej złożone układy } Oscylatory i zegary } Integracja sygnałów z otoczenia: gradienty morfogenów i efekty lokalne } Sieci 30

Prosty przełącznik dwustanowy: fag λ } Cykl lizogenny } Integracja do genomu } Wyciszenie ekspresji genów faga } Cykl lityczny } Wycięcie z genomu } Ekspresja genów faga } Replikacja 31

Kontrola przełącznika faga λ } ci represor: cykl lizogenny } cro cykl lityczny } wspólne sekwencje cis 32

Działanie represora } Hamuje ekspresję genów wczesnych, w tym cro } Aktywuje własną ekspresję } Zależnie od poziomu białka } Przy niskim i średnim stężeniu białka represora wiązanie z O R 1 i O R 2 } Przy dużym stężeniu białka represora wiązanie też z O R 3 hamowanie ekspresji ci } Dodatnie sprzężenie zwrotne utrzymuje wysoki stały poziom represora ci aktywacja genu ci hamowanie genu ci 33

Efekt kooperatywny } } } Powinowactwo do O R 2 dużo niższe, niż do O R 1 Związanie ci z O R 1 zwiększa powinowactwo do O R 2 wiązanie kooperatywne Taki rodzaj wiązania daje szybką i jednoznaczną odpowiedź układu na stężenie ci 34

Działanie cro } Blokuje ekspresję represora ci } Brak ci ekspresja genów wczesnych, kaskada lityczna } Dalsze etapy przez antyterminację zależną od produktu genu N } Efekt: przełącznik dwustanowy (bistabilny) } ci aktywny -> nieaktywny cro } cro aktywny -> nieaktywny ci } 35 Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)

Dodatnie sprzężenie zwrotne } Może dawać efekt pamięci stabilnego utrzymywania zmienionego stanu Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB) Antoine de Saint-Exupéry, Le Petit Prince, http://wikilivres.info/wiki/le_petit_prince 36

Wyjście z blokady lizogennej } Przełączenie z lizogenii w cykl lityczny: proteoliza białka represora przez RecA (sygnał uszkodzeń genomu) 37

Oscylatory } } Kombinacja kilku prostych opartych na represji przełączników może dać układ periodycznie oscylujący konieczne ujemne sprzężenie zwrotne Przykład (skonstruowany sztucznie) tzw. repressilator (Elowitz & Leibler, 2000) Elowitz & Leibler, Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8. 38 Wikimedia commons

Represillator } Oscylacje układu 39 Elowitz & Leibler, Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.

Oscylatory cyklu dobowego } Podobna zasada, ale bardziej złożone (i bardziej stabilne) 40 Wewnątrzkomórkowy oscylator dobowy myszy (http://www.bmse.ucsb.edu/profiles/mirsky/)

Oscylator w rozwoju kręgowca zegar i czoło fali } Cooke & Zeeman 1976 } Oscylacje + ruch (np. wzrost) 41 Baker et al., (2006) Dev Biol 293:116-126

Oscylator w rozwoju kręgowca zegar i czoło fali } Strefy generowane przez oscylatory (np. rozwój somitów D. rerio, myszy itp.) oscylacje Her/hes (regulator transkrypcji) sygnalizacja Notch pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego 42 Holley & Takeda (2002) Semin Cell Dev Biol 13(6):481-8 Kageyama et al. (2007) Dev Dyn 236(6):1430-9

43 Ewolucja informacji genetycznej

Czym jest życie? metabolizm + informacja (replikacja)

Cząsteczki organiczne mogły powstać w atmosferze pierwotnej Ziemi Oparin, Haldane Miller, 1953

(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 46 } właściwe dziedziny: } fizyka (teoria złożoności, teoria samoorganizacji, termodynamika_ } chemia } planetologia

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 47

Czas i scena Istnieją też koncepcje umieszczające część z tych etapów poza Ziemią 48

Pierwsze ślady życia - kontrowersje } czert Apex (Apex chert) Australia, wiek 3,5 mld lat (Schopf 1993) } Interpretacja jako śladów życia komórkowego podważona w 2002 (Brasier et al. 2002) - artefakty tworzenia skał zawierających żelazo 49

Pierwsze ślady życia } } czert Strelley Pool, Australia wiek 3,4 mld lat, (Brasier et al. 2006) skamieniałe maty mikroorganizmów - stromatolity Współczesne stromatolity Skamieniałości ze Strelley Pool 50

Co było najpierw? } Metabolizm (Oparin, Dyson) } Zależny od informacji genetycznej (kodowane enzymy) } Replikacja (Eigen) } Zależna od metabolizmu (enzymy replikujące DNA) 51

Świat RNA: metabolizm + replikacja RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną (metabolizm)

RNA może tworzyć różne struktury

Kto naprawdę rządzi w komórce? DNA replikacja informacji genetycznej przekazywanie jej kolejnym pokoleniom RNA ekspresja i regulacja informacji genetycznej różne funkcje na różnych etapach

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

Inne role RNA } Elementy systemu obróbki RNA } snrna składanie mrna

Inne role RNA } Elementy systemu obróbki RNA } snorna obróbka rrna

RNA katalityczne } omas Cech (1982) intron w Tetrahymena sam się wycina Nagroda Nobla 1989

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

RNA syntetyzuje białko

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

RNA jako elementy regulacyjne } XIST inaktywacja chromosomu X } sirna, mirna, strna itd... - małe cząsteczki RNA regulujące działanie genów

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

Abiotyczna synteza polinukleotydów Ligacja polinukleotydów na katalizatorze glinokrzeminanowym 65

Z ostatniej chwili! } Samoorganizujące się sieci rybozymów Online 17.10.2012 66

Rybozym Azoarcus 67

Samoorganizacja sieci RNA } Rybozymy zdolne do katalizy ligacji innych wariantów tworzą cykle autokatalizy } Cykl jest wydajniejszy od pojedynczych samolubnych rybozymów 68 N Vaidya et al. Nature 000, 1-6 (2012) doi:10.1038/nature11549

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 69 Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)

Ewolucja kodu } Oddziaływania RNA aminokwasy (pra-trna) } rybozymy syntetyzujące } uniwersalny rybosom pojawił się później 70

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) 71

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 73

Drzewo ewolucyjne życia?

LUCA 75

LUCA jako wspólnota genów } Niezależnie od tego, u podstawy był jednolity kod genetyczny i wspólne podstawowe mechanizmy genetyczne 76

Podsumowanie 77

Hipotezy alternatywne } Przesunięcie niektórych etapów prehistorii życia poza Ziemię } kosmiczne pochodzenie prostych cząsteczek organicznych } kosmiczne pochodzenie życia - panspermia 78

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) 79

Cząsteczki organiczne z kosmosu } Meteoryt z Murchinson } liczne związki organiczne, w tym aminokwasy } Komety (potwierdzona obecność związków organicznych) 80

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) 81 Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)

Zagadka chiralności } Życie zachowuje chiralność: L-aminokwasy, D-pentozy 82

Zagadka chiralności - wyjaśnienia } Reakcje polimeryzacji (np. RNA) sprzężeniem zwrotnym wzmacniają stereospecyficzność } Stereospecyficzność związana z prawami fizyki (asymetria oddziaływań cząstek elementarnych) oddziaływanie supernowej w galaktyce } Polaryzacja światła } Zamrożony przypadek 83

Astrobiologia } Aby szukać życia poza Ziemią należy zrozumieć, jak powstawało na Ziemi 84 Europa (księżyc Jowisza), Wikimedia Tytan (księżyc Saturna), Wikimedia, New Scientist

Powstanie mitochondriów i chloroplastów - endosymbioza

Biologia ewolucyjna? Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhansky (1900-1975)

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!

Pierwsza synteza } Darwinizm + genetyka klasyczna + genetyka populacji è 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

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

Druga synteza } Darwinizm + genetyka molekularna è 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 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

Rozmiary genomów 93

Rozmiary genomów i liczba genów 94

Skąd się biorą nowe geny } Liczba genów w trakcie ewolucji wzrasta } Jak powstaje nowa informacja (nowe geny)? 95

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

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)

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

Duplikacje wewnątrz genu 5 1 2 3 4 5 6 3 Delecja Pierwotny gen trypsynogenu 1 6 5 3 4 duplikacje + dodana sekwencja Wewnętrzne duplikacje Thr Ala Ala Gly 1 6 5 3 Dodana: Gly 5 1 1 2 3 4 5 6 7 37 38 39 40 41 6 3 Gen glikoproteiny chroniącej przed zimnem Dissostichus mawsoni

Ewolucja globin

Ewolucja genów opsyn

Ewolucja widzenia kolorów

Geny HOX regulatory rozwoju

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

Białka składają się z domen T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009 Granice domen i eksonów często się pokrywają

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

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

Ewolucja białek } Pierwsze peptydy były bardzo krótkie } Do dzisiaj w białkach ślady budowy z powtarzających się krótkich motywów 108

Geny i muzyka Susumu Ohno } Ohno S, Ohno M. 1986. e 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. 31:511-518 109

Powtórzenia 110

Muzyka sekwencji 111

Muzyka sekwencji 112

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

Ewolucja sekwencji i dobór naturalny 114

Modele ewolucji sekwencji } Badając ewolucję nie dysponujemy z reguły sekwencją przodka } Liczbę mutacji musimy oszacować na podstawie różnic między sekwencjami współczesnymi } Konieczne jest uwzględnienie wielokrotnych mutacji w tej samej pozycji, zwłaszcza dla bardziej odległych sekwencji 115

Problem obliczania odległości ACGGTGC Rzeczywista liczba mutacji: 5 C T Obserwowana liczba zmian 2 GCGGTGA Odległość jest zaniżona, im odleglejsze sekwencje, tym bardziej 116

Modele ewolucji sekwencji } Modele Markova stan w pokoleniu n +1 zależy tylko od stanu w pokoleniu n i reguł przekształcenia (macierz prawdopodobieństw zmiany stanów) } Modele o różnym stopniu skomplikowania } Mogą uwzględniać: } mutacje wielokrotne w tej samej pozycji (poprawka Poissona) } różne prawdpodobieństwa zmian nukleotydowych (lub białkowych) } różne prawdopodobieństwo mutacji w różnych pozycjach sekwencji } różne częstości nukleotydów 117

Mutacje i dobór naturalny } Efekty działania mutacji obserwujemy pośrednio } różnice sekwencji między populacjami (gatunkami) } polimorfizm sekwencji w obrębie populacji } Na allele wytworzone przez mutacje może działać dobór } Za zmiany częstości powstających alleli może odpowiadać dryf genetyczny } Obserwujemy mutacje utrwalone całkowicie lub częściowo (polimorfizmy) w puli genowej 118

Podstawowe pytanie ewolucji molekularnej } Jaka jest rola dryfu i doboru w wyjaśnieniu obserwowanego zróżnicowania sekwencji? } wewnątrzpopulacyjnego (polimorfizmy) } międzygatunkowego } Pytanie dotyczy zróżnicowania ilościowego! } Nikt nie podaje w wątpliwość tego, że adaptacje w ewolucji powstają dzięki działaniu doboru! 119

Dobor czy dryf? } Selekcjonizm } większość utrwalonych mutacji została wyselekcjonowana przed dobór } większość polimorfizmów jest utrzymywana przez dobór } dobór równoważący, naddominacja, dobór zależny od częstości } Neutralizm (Kimura, 1968) } większość utrwalonych mutacji została utrwalona przez dryf } za większość polimorfizmów odpowiada dryf } mutacje utrwalane przez dobór są rzadkie, nie mają wpływu na ilościową analizę zmienności molekularnej 120

Mutacje i dobór } niekorzystne (szkodliwe) } s < 0 } eliminowane przez dobór (oczyszczający/negatywny) } neutralne } s 0 (a konkretniej, s 1/4N) } utrwalane przez dryf } korzystne } s > 0 } utrwalane przez dobór (z udziałem dryfu dla niewielkich s) 121

Selekcjonizm i neutralizm } Selekcjonizm: } większość mutacji jest niekorzystna } większość utrwalonych mutacji jest korzystna } mutacje neutralne są rzadkie (nie częstsze od korzystnych) } Neutralizm } większość mutacji jest niekorzystna lub neutralna } większość utrwalonych mutacji jest neutralna } mutacje korzystne są rzadkie (znacznie rzadsze od neutralnych) 122

Selekcjonizm i neutralizm selekcjonizm neutralizm pan-neutralizm Neutralizm nie oznacza pan-neutralizmu, czyli negowania znaczenia selekcyjnego mutacji! 123

Tempo ewolucji sekwencji a funkcja Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej istotne obszary białek) ewoluują szybciej, niż obszary kluczowe dla funkcji 124

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) } } Białka zaangażowane w podstawowe funkcje komórki ewoluują wolniej. W sekwencji białka obszary kluczowe dla funkcji ewoluują wolniej. 125

Tempo zmian } Czynnikiem decydującym o tempie zmian jest dobór oczyszczający (negatywny) } w ważniejszych sekwencjach więcej zmian będzie niekorzystnych (eliminacja przez dobór) } w mniej istotnych sekwencjach więcej zmian będzie neutralnych (utrwalanie przez dryf) } zmiany bez znaczenia dla funkcji będą neutralne } pseudogeny } niekodujące obszary międzygenowe? } podstawienia synonimiczne? 126

Status neutralizmu } Wyjaśnia wiele zjawisk obserwowanych w ewolucji molekularnej } wysoki polimorfizm sekwencji DNA i białek } zegar molekularny } ale jest wiele odstępstw, nie istnieje globalny zegar prawdziwy dla wszystkich gałęzi drzewa życia } wolniejsza ewolucja sekwencji o kluczowym znaczeniu } to też można wyjaśnić modelem, w którym większość mutacji jest albo niekorzystna, albo korzystna, ale niekorzystnych jest więcej } Jest bardzo przydatny jako hipoteza zerowa do badania doboru naturalnego na poziomie sekwencji! 127

Status neutralizmu } Dane molekularne, zwłaszcza genomowe, pozwoliły ocenić zgodność modelu neutralnego z obserwacją zmienności sekwencji } Kimura: 1968 nie były wtedy znane metody sekwencjonowania DNA! 128

Status neutralizmu } Smith & Eyre-Walker 2002 45% podstawień aminokwasowych w ewolucji Drosophila sp. utwalonych przez dobór dodatni } Andolfatto 2005 pomiędzy D. melanogaster i D. simulans dobór dodatni odpowiada za utrwalenie: } 20% podstawień w DNA w intronach i obszarach międzygenowych } 60% podstawień w DNA w sekwencjach UTR 129

Status neutralizmu } Głównym i nieprzemijającym osiągnięciem jest stworzenie matematycznego opisu współdziałania dryfu i doboru naturalnego (dodatniego i oczyszczającego) w ewolucji molekularnej } Dzięki tym modelom opracowano testy poszukujące śladów doboru w sekwencjach (model neutralny jako hipoteza zerowa) } Istnieje znacząca liczba pozycji i sekwencji ewoluujących według modelu neutralnego } można dobrać sekwencje tak, by uzyskać zegar molekularny 130

Status neutralizmu } Dryf genetyczny ma w ewolucji molekularnej bardzo znaczącą, ale nie wyłączną rolę } znaczne obszary genomu ewoluują w sposób bliski neutralnemu 131