Molekulární evoluce
Definice genu
Historie
Mendelova revoluce – dědičnost je zprostředkována faktory, které se mohou kombinovat matematicky předpověditelným způsobem. Termín “gen” poprvé použil W.Johanssen v roce 1909. Genom – dynamická jednotka, vyvíjí se s časem kumulativním účinkem mutace, rekombinace a selekce.
Genová duplikace
Nerovnoměrná výměna/překřížení chromosomů (crossing over) Nerovnoměrná výměna sesterských chromatid Transpozice
Úsek DNA kódující jeden polypeptidový řetězec (Beadle - hypotéza jeden gen – jeden enzym) Jednotka mezigeneračního přenosu molekulární informace (ale pozor: alternativní sestřih, RNA editace, posttranslační modifikace). Segment DNA, který je jednotkou funkce – gen je lokusem společně přepisovaných exonů. Proces, který pravidelně, v určitém stadiu vývoje, vede k produkci určitého proteinu. Explicitně vyjádřete, zda-li vaše definice genu zahrnuje introny, regulační oblasti a promotory.
Další pojmy
Pleiotropie – jeden gen s několika rozdílnými fenotypickými účinky. Polygenní znak – na fenotypu se podílí několik genů. Klasická genetika – bez matematického teoretického rámce pro šlechtění, bez znalosti biochemické podstaty dědičnosti. Molekulární genetika – objasňuje chemickou podstatu dědičné hmoty a její buněčné prostředí.
Informace
Měřítko uspořádanosti struktury nebo systému. Latinské “informare” znamená formovat, utvářet, organizovat. Uspořádanost (řád), latinské “ordiri” znamená příprava osnovy při tkaní textilií. Kvantifikuje instrukce potřebné k dosažení určité organizovanosti – entropie (Claude Shannon). Velké biomolekuly mají vysoký informační obsah. Vyjádřeno v bitech (možnosti ano/ne).
1
Příklad s kartami
Potřebná informace odpovídá 3 bitům YES/NO
Vybrání konkrétní karty z balíčku o osmi kartách
YES/NO
YES/NO
YES/NO
YES/NO
YES/NO
YES/NO
000 001 010 011 100 101 110 111
Příklad s nukleotidy
Potřebná informace odpovídá 2 bitům YES/NO
A , G, C, T
YES/NO
A
Informační hustota •
• •
•
Biomakromolekula – pravděpodobnost spontánního sestavení je extrémně malá = potřebuje obrovské množství informace. Lidský genom: 3*109 nukleotidů 4 3 000 000 000 možných stavů. Přirozený výběr postupně akumuluje informace o biologických strukturách cestou náhodných variací genotypu, přirozeného výběru a výběrové reprodukce. Molekulární evoluce studuje, jak je tato informace uložena, předávána potomkům a modifikována během života na Zemi.
YES/NO
G
C
T
Molekulární evoluce je algoritmická
Darwin: – tvorba dědičné variability náhodnou mutací na úrovni genotypu – přírodní výběr dle fenotypu – rozdíly v reprodukční úspěšnosti.
2
…molekulární evoluce je algoritmická
Přírodní výběr
Mutace
Algoritmus – proces složený z jednoduchých úkolů, které při opakovaném provádění v definovaném pořadí kroků spolehlivě poskytují výsledek. “Hladce obrace” je algoritmus. Algoritmus nezávisí na substrátu, jeho síla je v logické struktuře, NE v použitém materiále.
Negativní selekce odstraňuje ze zásobárny genů škodlivé, zhoubné mutace. Pozitivní selekce vybírá mutace, přinášející vyšší přežití anebo reprodukční výhodu (více potomků).
Reprodukce
Neutrální hypotéza
Selekční hypotéza
Většina genetických mutací je v evoluci ztracena. Neutrální mutace jsou vzácné. Mutace přinášející selektivní výhodu se udržují. Mnohočetné přiložení nám ukazuje evoluční adaptace.
Výběr
Většina genetických mutací je v evoluci ztracena. Mutace neutrální na aminokyselinové úrovní (ani lepší, ani horší) se udržují. Většina genetických změn nepodléhá selekci. Mutační změny na molekulární úrovni jsou větší než selekční změny na fenotypové úrovni. Mnohočetné přiložení nám ukazuje toleranci proteinu vůči změnám.
Zdroje genetické variability
Mutace – chyba v replikaci nebo v opravných mechanismech.
– správné připojení nukleotidu při polymerizaci a korektuře. – Bakterie E.coli: 1 na 1010 až 1 na 1011 chyb při replikaci. – Člověk: 3 na 108 (celkově ~200 na generaci; z toho 2 až 20 jsou škodlivé). – RNA viry – nemají korekturskou funkci.
Rekombinace (u sexuálně rozmnožujících se organismů).
3
Mutační horká místa (aktivní body)
Eukaryota – STR (inzerce a delece nukleotidů) – 5´-CpG-3´ (s methylovaným cytosinem; při replikaci dochází k chybě – změně na 5´-TpG-3´).
Prokaryota – 5´-TpT-3´ – krátké palindromy.
Substituční mutace
Spontánní chyby. Expozice UV záření, rentgenovým paprskům (radioisotopům), kosmickému záření, chemickým mutagenům (aflatoxin, polycyklický aromatický uhlovodík).
Proteinová nadrodina
Klasifikace mutací
Délka
Důsledek
– bodová mutace, SNP – chromosomální přestavba (obvykle lethální). – tiché (bez efektu na funkci genomu, extragenová DNA, introny) – synonymní (bezu změny aminokyseliny; degenerace kódu) – nesynonymní (missense – záměnová, na jinou aminokyselinu, nonsense na stop kodon).
Typ změny
– substituce (tranzice, transverze) – indely (replikační prokluz, nerovnoměrný crossing-over, DNA transpozice)
posun čtecího rámce
– inverze – rekombinace.
Evoluce proteinových rodin v eukaryotických genomech
rRNA – proteinová rodina, jejíž členové mají téměř shodnou sekvenci. Člověk – 2000 genů pro 5S rRNA na chromosomu 1, 280 kopií pro 28S-5.8S-18S rRNA genů na chromosomech 13, 14, 15, 21 a 22. Amplifikace rRNA – vyhovění požadavkům na zvýšenou rRNA syntézu během dělení buňky. Amplifikace esterásového genu u moskytůCulex quinquefasciatus a C. tarsalis (rezistence k insekticidu).
Hox geny - homeodoména
Termín Margaret Dayhoffové (1977) Duplikované geny se hodně rozrůznily v sekvenci anebo ve funkci. Přinejmenším 35% ak shody (zde shoda místo měřítka podobnosti). Globinová nadrodina – α globiny – β globiny – myoglobiny
Další nadrodiny – Kolageny, imunoglobuliny, serinové proteásy, homeotické (Hox) geny.
4
Kopinatec plžovitý
Hox geny
Sdílí homeobox (180 nukleotidová sekvence) Specifikace tělního plánu Myš Mus musculus Genová duplikace
Hypotetický ancestrální gen
Kopinatec Branchiostoma floridae
Drosophila melanogaster
It's a Long Way from Amphioxus
Mm
Written by Philip H. Pope (later of Whitman College) in 1921 A fish-like thing appeared among the tunicates one day. It hadn't any parapods nor setae to display. It hadn't any eyes nor jaws, nor ventral nervous cord, But it had a lot of gill slits and it had a notochord. Chorus: It's a long way from Amphioxus. It's a long way to us. It's a long way from Amphioxus to the meanest human cuss. Well, it's goodbye to fins and gill slits, and it's welcome lungs and hair! It's a long, long way from Amphioxus, but we all came from there.
Bf
It wasn't much to look at and it scarce knew how to swim, And Nereis was very sure it hadn't come from him. The mollusks wouldn't own it and the arthropods got sore, So the poor thing had to burrow in the sand along the shore. He burrowed in the sand before a crab could nip his tail, And he said "Gill slits and myotomes are all to no avail. I've grown some metapleural folds and sport an oral hood, But all these fine new characters don't do me any good. (chorus) It sulked awhile down in the sand without a bit of pep, Then he stiffened up his notochord and said, "I'll beat 'em yet! Let 'em laugh and show their ignorance. I don't mind their jeers. Just wait until they see me in a hundred million years.
Dm
My notochord shall turn into a chain of vertebrae And as fins my metapleural folds will agitate the sea. My tiny dorsal nervous cord will be a mighty brain And the vertebrates shall dominate the animal domain.
Genová duplikace
Duplikované (redundantní, nadbytečné) DNA segmenty sbírají mutace, protože tyto mutace nemají zhoubný účinek na svého nositele. Pseudogen – duplikovaný gen, který zmutoval tak, že už není exprimovaný Částečná genová duplikace – duplikace domény uvnitře genu. Duplikace je také mechanismem ke zvýšení množství produktu genu.
Jednotky duplikace
Celý genom – polyploidie. Celý chromosom – aneuploidy nebo polysomie. Část chromosomu – částečná polysomie. Celý gen. Část genu – částečná nebo vnitřní genová duplikace.
5
Mechanismus částečné genové duplikace
Nerovnoměrná výměna sesterských chromatid
…mechanismus částečné genové duplikace
Transpozice – do DNA přes RNA (copy and paste)
transkripce
…mechanismus částečné genové duplikace
Nerovnoměrné překřížení chromosomů během meiosy
…mechanismus částečné genové duplikace
Transpozice – jen DNA (cut and paste)
replikativní
konzervativní
reintegrace reverzní transkripce
Duplikace v akci Mnoholéková rezistence v maligních tumorech: Genová amplifikace by neplánovanou DNA syntézou. Methotrexate vs. amplifikace DHFR genu. Několik cytostatik vs. amplifikace mdr1 genu (vypumpuje léčivo z buňky). Frekvence mutace způsobující rezistenci na léčivo je 1 na 106. Pozorovatelný nádor má >109 buněk. Řešení – kombinuj léčiva s nepřekrývající se rezistencí. Pozn.: dobírejte antibiotika!
6
Koncept homologie
Sekvence nebo struktury jsou homologní, pokud vznikly evolučně ze stejného (společného) předka. Základní biologické procesy: metabolismus, transkripce a replikace. Homologii nemůžeme přímo vidět, ale můžeme ji odvodit z vypočítané úrovně sekvenční nebo strukturní podobnosti.
Koncept analogie
Homologie: končetiny
Analogie: vilejš a kamomil
Získání sdíleného znaku (proteinový fold nebo funkce) konvergentní evolucí z nepříbuzných předků.
Analogie: křídla
Typy homologie duplikace paralogní
speciace druh 1 orthologní druh 2
7
…typy homologie
Doména
druh 3 horizontální přenos
xenologní
druh 4
Přeskupení domén
Samostatná molekulární jednotka Vytváří stabilní součásti větších genů a proteinů Mezi generacemi se přenáší nezměněna Jednotka přírodního výběru (?)
Chiméra
Duplikace domény uvnitř genu Vložení domény – vznik mozaikového (chimerického) proteinu Příklad: tkáňový aktivátor plazminogenu (TPA), přeměňuje plasminogen na plasmin
Tkáňový plasminogenní aktivátor Epidermální růstový faktor Fibronektin (prstové domény) Trypsinu-podobné serinové proteásy Plasminogen (preclíková doména) TPA
8
