Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ I. VZNIK ŽIVOTA A POČÁTKY GENOMŮ, CO JE TO EVOLUCE Časový plán – podzim 2008: 2.10. – Vznik života,

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ I. VZNIK ŽIVOTA A POČÁTKY GENOMŮ, CO JE TO EVOLUCE Časový plán – podzim 2008: 2.10. – Vznik života,"— Transkript prezentace:

1 Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ I. VZNIK ŽIVOTA A POČÁTKY GENOMŮ, CO JE TO EVOLUCE Časový plán – podzim 2008: – Vznik života, počátky genomů, co je to evoluce Metody a historie studia genomů Struktura a evoluce genomů Evoluce pohlavního rozmnožování Lidský genom, etické aspekty a evoluce člověka Funkční genomika

2 Mýty a náboženství Albert Einstein – teorie relativity, první rovnice pro vesmír Alexander Friedmann (1922) – rovnice nemají statické řešení, smršťování nebo rozpínání vesmíru Edwin Hubble (1929) – rudý posun ve spektrech vzdálených galaxií, úměrný vzdálenosti, vesmír se rozpíná George Gamow (1948) – původ těžších prvků, vyšší hustota na počátku, existence počátku, „big bang“ ( Fred Hoyle) Penzias a Wilson (1964) – reliktní záření, 2.7K, izotropní KOSMOLOGICKÁ PŘEDEHRA

3 Velký třesk a rozpínání vesmíru Velký třesk (Big bang): - singularita - neplatí fyzikální zákony - vznik prostoru, času a hmoty - reliktní záření, inflace Otázka vzniku času: - Aristoteles - křesťanství - kosmologie - teorie strun - vesmíry propojeny prostoročasovými trubicemi - liší se konstantami a zákony, počty rozměrů

4 Antropický princip Fyzika totiž zjistila, že existence života na Zemi je téměř zázrakem. Stačilo by, aby fyzikální konstanty vesmíru byly jen nepatrně odlišné a hmota ani život, jak je známe, by nevznikly. Vlastnosti vesmíru jsou přesně a jemně vyladěné právě tak, že na Zemi mohl vzniknout život a nakonec člověk. Téměř se zdá, že vesmír vznikl proto, aby mohla inteligentní bytost vzniknout. V USA dal antropický princip podnět ke vzniku nového kreacionistického hnutí, "Intelligent Design". Zrodil se tak tzv. antropický princip, který zformuloval v r.1973 kosmolog Brandon Carter ve dvou verzích: "Slabá" verze konstatuje skutečnost, že svět je právě takový, že na něm mohl vzniknout život. "Povaha vesmíru a naše místo v něm jsou slučitelné s naší existencí jako pozorovatelů". Prostě tu jsme, protože tu můžeme být. "Silná" verze říká, že do základů vesmíru byly vloženy takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život musil vzniknout.

5 VZNIK ŽIVOTA

6 Co je život? Erwin Schrodinger: What is life (1947) Definice NASA: - otevřený sytém - replikace – cyklická reprodukce - samosestavování – hierarchické struktury, fraktály - evoluce – směřování ke komplexním strukturám Atributy života: - reprodukce, metabolismus, růst, adaptace, odpověď na podněty, organizace - život a druhý zákon termodynamiky

7 Klasická a moderní abiogeneze Aristoteles - život má původ v neživé hmotě Louis Pasteur (1862)– mikroorganizmy přítomny v organických materiálech, sterilizace Moderní abiogeneze: - vznik života na Zemi sérií postupných kroků - stavební kameny (AK, báze)  polymery  buňka - různé hypotézy (svět RNA, protenoidy, Miller, panspermie) Oponenti – falzifikovatelnost, malá pravděpodobnost Rozdíl mezi klasickou a moderní abiogenezí: – frekvence vzniku života - složitost vznikajících organizmů

8 Moderní teorie chemické evoluce a podmínky na Zemi v době vzniku života A.I. Oparin (1924) – složité molekulární struktury vznikly z jednodušších Haldane (1928) – život vzešel z primordiální polévky, úloha UV záření H. Urey – atmosféry ostatních planet jsou redukující Poloha Země (4.5 mld) Sopečná činnost a atmosféra Po zchladnutí moře (před 4 mld) Život před 3.8mld

9 Urey-Millerův experiment vodní pára (H 2 O) amoniak (NH 3 ) metan (CH 4 ) vodík (H 2 ) dusík (N 2 ) oxid uhličitý (CO 2 ) Modifikace: 1. Pyrosyntéza 2. UV záření 3. tlakově vlny 4. kosmické záření 5. radioaktivita 6. sluneční vítr Výsledek: 20 AK, 5 bází, hlavní cukry Námitky a současný pohled

10 Vznik života v podmořských sopkách - první život se vyvinul hluboko pod povrchem Země - dnešní bakterie několik kilometrů pod povrchem - možnost života na jiných planetách nebo měsících Teorie „hluboké horké biosféry“ - podmořské komíny m - zvláštní ekosystém (extremofilové, fotosyntetické bakterie) - vyvěrá přehřátá voda bohatá na minerály, krystalizuje a sedimentuje, katalýza

11 Panspermie („www.panspermia.com“) Anaxagoras (5. stol. př.n.l.): zárodky života rozptýleny po celém vesmíru Arrhenius (1908): Panspermie Crick – řízená panspermie Komety: - mohou přenášet organické látky, Hyakutake - methan Meteority: - denně na Zemi dopadá tun kosmického organického materiálu, dříve více - prebiotické reakce v mělkých lagunách, vypařování - objev aromatických polycyklických uhlovodíků v okolí mrtvých hvězd, glycin v mezihvězdném prachu Chondrity – nejstarší kamenné meteority, obsahují chondruly s organickými látkami, Murchison – 90 aminokyselin

12 Meziplanetární expres

13 Bakterie – vesmírní kolonizátoři Streptococcus mitis: - náhodně zavlečen na Měsíc (Surveyor3) a po 31 měsících zpět (Apollo12) a byl životaschopný Deinococcus radiodurans: – Gy/ 37% životaschopnost člověk 10 Gy, E. coli 60 Gy bakteriální spóry: – odolnost, konformace A-DNA - bakterie z trávicího traktu hmyzu zalitého v jantaru (25-40 mil. roků) AcidophileAcidophile: An organism with an optimum pH level at or below pH 3.pH AerobeAerobe: requires O2 to survive.O2 EndolithEndolith: An organism that lives inside rocks. HalophileHalophile: An organism requiring at least 0.2M of NaCl for growth.NaCl MetalotolerantMetalotolerant: capable of tolerating high levels of heavy metals, such as copper, cadmium, arsenic, and zinc.coppercadmiumarsenic zinc PiezophilePiezophile: An organism that lives optimally at high hydrostatic pressure.pressure RadioresistantRadioresistant: resistant to high levels of ionizing radiation.radiation ThermophileThermophile: An organism that can thrive at temperatures between °C. Extremofilové

14 PRVNÍ GENETICKÉ SYSTÉMY A VZNIK GENETICKÉHO KÓDU

15 První genetické systémy 1. Proteiny – koacerváty a mikrosféry 2. Nukleové kyseliny – genová teorie a ribozymy 3. Proteiny i nukleové kyseliny – genetický kód 4. Jiný princip – PNA, polycyklické aromatické uhlovodíky, jíly

16 Na počátku byly pouze proteiny: - aminokyseliny vznikají snadněji než báze NK - primitivní modely buňky - hromadění produktů, reakce, růst, dělení - vznikají v koloidních roztocích - problém ředění 2. Foxovy mikrosféry 1. Oparinovy koacerváty - otázka původu enzymatických molekul - vznikají z protenoidů = polymery vzniklé kondenzací aminokyselin - pořadí AK v těchto polymerech je náhodné - některé mohou vykazovat katalytickou funkci

17 složitá biochemie: DNA – RNA - protein jednoduché polymery – replikátory, RNA evoluce RNA je genetický materiál i katalyzátor postuloval Crick 1968 katalyticky aktivní RNA – RIBOZYM (Cech 1982) RNA svět (W. Gilbert 1986) vznik genetického kódu a proteosyntézy Na počátku byly pouze nukleové kyseliny – genová hypotéza Co bylo dříve – DNA nebo proteiny?

18 1. Unikátní vysoce nepravděpodobná událost („frozen accident“) 2. Postupný vývoj 3. Produkt rozumné bytosti – nesplňuje kriterium vědecké hypotézy (ověřitelnosti) Na počátku byly proteiny i nukleové kyseliny (koevoluce) VZNIK GENETICKÉHO KÓDU

19 Důkazy postupné evoluce genetického kódu Minimalizace chyb Přímé interakce AK s kodony AK kódované podobnými kodony jsou syntetizované stejnými biochemickými dráhami Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech GC model Nejstarší triplety GXC Gly, Ala, Val, Asp glycinové hodiny mutační expanze Odchylky od standardního kódu

20 Jiný organizační princip: Teorie jílů Alexander Graham Cairns-Smith (1985): „Seven Clues to the Origins of Life“ - anorganické křemičitanové látky tvořící krystaly - replikace - mutace - šíření do okolí, sedimentace - obdoba přírodního výběru Problém přechodu („takeover“) od jílů k nukleovým kyselinám, teorie není široce akceptována

21 Život na bázi křemíku? Důvody pro křemík: - vyšší stabilita, možnost života při vyšších teplotách - ve vesmíru velmi rozšířen - v periodické tabulce leží pod uhlíkem, podobná chemie - váže čtyři vodíky (SiH 4, silan), tvoří polymery (silikony), kde se střídají Si-O (podobně jako C-O tvoří polyacetaly) Nevýhody: - je větší a proto hůře tvoří dvojné a trojné vazby - dlouhé řetězce méně stabilní - silany jsou velmi reaktivní s vodou

22 SVĚT MOLEKUL RNA

23 Funkční specializace dnes: - uchování genetické informace – nukleové kyseliny - strukturní a katalytická funkce - bílkoviny Období, kdy oba typy funkcí zastával jeden typ sloučenin RNA - informační i katalytická molekula 1986: „The RNA World“ : objev ribozymů Svět RNA

24 Důkazy RNA světa 1. Důležitá role RNA v realizaci genetické informace dnes 2. RNA viry, retroelementy, telomery a konzervativní mechanizmus jejich replikace 3. Ribozymy – enzymaticky aktivní RNA Kritéria testující zda RNA je reliktem světa RNA: 1. Katalytické vlastnosti 2. Všudypřítomnost 3. Centrální postavení v metabolismu

25 Centrální role RNA v dnešních biologických systémech Pozůstatky RNA světa se dosud zachovaly a jsou skryty ve spleti buněčných procesů

26 Co dokáží RNA katalyzátory (ribozymy) (a) Kódující RNA je součástí ribozymu (b) Ribozym katalyzuje syntézu kódující RNA Katalyzované reakce – substrátem většinou RNA: 1. nejčastěji hydrolýza fosfodiesterových vazeb 2. obrácený směr – syntéza fosfodiesterových vazeb 3. transesterifikace – editace, sestřih Substrátem není RNA ! 1. syntéza peptidové vazby RNA se dokáže sama modifikovat, vystřihovat, spojovat.

27 Šlechtění RNA ve zkumavce Variabilita/mutace Selekce Amplifikace Tvorba nových proteinů nebo RNA nepřítomných v přírodě s požadovanými vlastnostmi Fág Qβ: (Spiegelman 1967) - zkracování času na replikaci --> zkracování RNA genomů (po 74 přenosech eliminace 83% genomů), i jiné selekční tlaky (jedy)

28 SELEX: „evoluce in vitro “ aneb co by teroristé neměli číst - viry pro genovou terapii - mutace plášťového proteinu - rezistence k protilátkám - produkce supervirů EVOLUCE: 1. dědičnost 2. variabilita 3. selekce

29 Spontánní syntéza prvních RNA a přechod k DNA Deoxyribonukleotidy vznikají redukcí ribonukleotidů, tymin z uracilu Kopírování RNA RNA -> DNA

30 Rozdíly mezi RNA a DNA: Ribosa (2’-OH skupina) Uracil místo thyminu Důsledky: - vyšší chemická i fyzikální stabilita DNA (UV záření) - delší molekuly (uchování komplexní informace) - dvouřetězcová (replikace) - méně reaktivní deoxyribóza - konformační flexibilita – funkční relevance Proč je genetická informace uložena v DNA DNARNA

31 Osud RNA katalyzátorů po převzetí jejich funkce proteiny 1. Vymizely: 2. Převzaly nové funkce: Ribozom: replikace  translace Spliceosom: rekombinace  sestřih 3. Zachovaly si vysoce konzervativní funkce: - snoRNA – úpravy rRNA - RNAza P - úpravy tRNA - snRNA - sestřih intronů v mRNA - tyto funkce vysoce konzervativní - zachovaly se u eukaryot - ztráta některých RNA reliktů u prokaryot - proteiny jsou účinnější Přechod RNA  proteiny stále probíhá

32 Ribozómy: ribozymy stabilizované proteiny 16S rRNA (1542 b) 21 proteinů (S1-S21) 5S rRNA (120 b) 23S rRNA (2904 b) 32 proteinů (L1-L34) velká podjednotka malá podjednotka prokaryotický ribozóm Ribozómy lze považovat za relikty světa RNA proteins 23S rRNA P-site tRNA 5S rRNA peptidyl transfer reaction: A-site tRNA

33 PRVNÍ GENOMY

34 Hypercykly aneb cesta k buňce Původně jeden člen - duplikace a mutace – dva členy … V určité fázi vývoje se objevily první parazité – zlodějské cykly. Přežily jen hypercykly schopné se bránit parazitům. Za vznikem buněk tedy možná stáli parazité (hybná síla evoluce) Cesta od nukleových kyselin ke strukturám buněk = jedna z největších záhad evoluce M. Eigen

35 Eigenův limit: replikační přesnost je limitujícím faktorem Definice: Čím je vyšší frekvence chyb při replikaci, tím menší genom může projít do další generace Omezení katastrofických dopadů chyb replikace: - více kopií (ploidie) - fragmentace genomu do chromosomů - rekombinace

36 Dnešní viry: Funkční relikty časných replikonů? Pohled na viry: (a) molekulární paraziti, odvození v důsledku způsobu života (b) primitivní, na hranici života podobně jako časné replikátory - funkční relikty x funkční modely RNA-proteinových replikonů RNA viry: - minimální kódující kapacita (coronaviry 30kb) - některé viry střídají fáze RNA a DNA – reminiscence RNA  DNA přechodu - primerem replikace je tRNA Mimiviry – hranice života: - velikost genomu srovnatelná s prokaryoty (1.2Mb) - metabolické geny (911 genů pro proteiny) - 10% repetitivní DNA - jen částečná závislost na hostiteli (proteosyntéza)

37 První DNA genomy: vznik fúzováním malých kružnic DNA - první genomy: lineární nebo cirkulární? - malé kružnicové DNA genomy, disperzní genom - fúzování, geny jako autonomní DNA - počty kopií statisticky stejné – podobné přenosům plazmidů Fáze: A.pregenomická B.rekombinační C.genomická

38 První DNA genomy: vznik fúzováním malých kružnic DNA Důkazy: - periodicita délek proteinů - nejsnazší cirkularizace - periodicita výskytu Met - pozůstatkem extrachromosomální DNA - mobilní elementy, fágy, genomy organel - replikace satelitů prostřednictvím eccDNA

39 Stromatolity: nejstarší stopy života – zkamenělé útvary tvořené sinicemi (?) - stáří až 3.8 miliardy let - anaerobní podmínky (archea)  činností sinic vznikl kyslík - moderní stromatolity (hypersalinní jezera, Austrálie)

40 Organizmy objevily fotosyntézu - fotosyntéza = schopnost tvořit těla z vody a vzduchu za pomocí slunečního záření – původní organizmy anaerobní, živily se organickými látkami v prapolévce - kyslík jedovatý (i pro dnešní anaerobní organizmy, radikály), nahrazení CO 2 (skleníkový plyn) kyslíkem vedlo k ochlazení planety - schopnost organizmů ovlivňovat klima planety - „Gaia živoucí planeta“ (James Lovelock) - Symbiogeneze (Lynn Margulis) – původně parazitismus? (J. Flegr) 6H 2 O + 6CO 2 + záření → C 6 H 12 O 6 (glukóza) + 6O 2

41 Definice genomu - celková genetická informace organizmu - prokaryota: cirkulární chromosom + plazmidy - eukaryota: chromosomy v jádře, mitochondrie a chloroplasty

42 JAK FUNGUJE EVOLUCE

43 Evoluce: proces genetických změn organizmů v čase, vývoj ze společného předka Přírodní výběr, selekce - působí na fenotyp, populace se mění v reakci na prostředí, adaptace, rychlost mutací DNA a selekce (histon – kráva a hrách 2mld let/2 rozdíly, 20x10 9 replikací) bez selekce rychlá změna Genotyp Fenotyp Genom, geny, alely Evoluce: definice hlavních termínů dědičnost variabilita selekce Evoluce genovou duplikací

44 Plynulost nebo skoky? Gradualismus versus punktualismus Neustálé, malé, postupné změny během času Speciace: - sympatrická (reprodukční izolace) - alopatrická (geografická izolace) Rychlé změny následované obdobím s malými změnami Evoluce: definice hlavních termínů Zrychlení po vymíráních Lepší 5% křídla než žádná (postupné mutace), původně jiná funkce Některé změny skokem (hlava) myš ve slona za let kumulativní selekce lepší než jednostupňová (vznik letadla na smetišti)

45 Pilíře/ikony evoluce Fosilní nálezy Srovnávací embryologie Homologické struktury Rudimenty Homeotické mutace

46 Pilíře/ikony evoluce Průmyslový melanismus Strom života Konvergentní evoluce Darwinovy pěnkavy Evoluce člověka Millerův experiment

47 Molekulární důkazy podporující evoluci Fylogenetické stromy genů - příbuznější druhy mají podobnější geny Pseudogeny - molekulární rudimenty Transposony, endogenní retroviry - TE ve stejných pozicích – společný původ Genetická redundance - evoluce genovou duplikací Společné molekulárně-genetické principy - univerzálnost genetického kódu, stejné mechanismy, podobné geny Neinteligentní designy: - rudimenty: kostrč, slepé střevo, křídla ptáka kiwi, sterilní pyl pampelišek, prsní bradavky mužů, pánev hadů … - genom člověka: endogenní retroviry, pseudogeny (nefunkční geny)

48 Hlavní „skoky“ v evoluci V průběhu evoluce došlo k několika kvalitativním skokům John Maynard Smith a Eors Szathmáry: Major transitions in evolution (1995) Replikující se molekuly  populace molekul v kompartmentu Nezávislé replikátory RNA  chromosomy Svět RNA  svět DNA a bílkovin Prokaryota  Eukaryota Jednobuněční  mnohobuněční Solitérní jedinci  Kolonie jedinců Společenství primátů  lidská společnost, jazyk

49 Evoluce – cesta vzhůru? Přírodní výběr často preferuje jednodušší organizmy: - bakterie (teorie termoredukce), - viry = začátkem (RNA svět) nebo koncem evoluce (slepá větev)? - parazité Evoluce nemá žádný směr, je slepá. Dochází k ní zejména díky chybám v kopírování DNA, „proti vůli organizmů“ Dawkinsova metafora: Stavba gotické klenby je snazší pokud se z hromady kamení ubírá spíše než aby se přidávalo, - dřevěné podpěry – svět RNA – již zmizely

50 Sobecký gen Richard Dawkins: Sobecký gen (1976) Přírodní výběr si nevybírá mezi celými organizmy ale spíše mezi jednotlivými geny. Geny se musely „chovat účelně“, protože geny, které se nedokázaly maximálně efektivně replikovat již nejsou mezi námi. Sobecké replikátory se nezajímají o pocity svých nositelů, nic nevědí, prostě jen existují. Příbuzenský altruismus, gen modrovous (na chromosomu Y) Vzpoura genů - snaha kousku DNA se replikovat bez ohledu na ostatní části – vyštípnutí a možný vznik virů, sobecké alely – ničí konkurenty Organizmy jsou pouhými schránkami, vehikly, jejichž úkolem je zajistit přenos genů do další generace.

51 Velká vymírání Miliony let Intensita vymírání (%) P-T Konec ordoviku Konec kambria Konec triasu Konec křídy Konec devonu Rozhodujícím kriteriem přežití je možná spíše rezistence vůči v podstatě nepředvídatelným katastrofám, náhoda, než adaptace na konkrétní prostředí. David Raup: O zániku druhů Drtivá většina druhů které kdy žily na Zemi, vyhynula.


Stáhnout ppt "Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ I. VZNIK ŽIVOTA A POČÁTKY GENOMŮ, CO JE TO EVOLUCE Časový plán – podzim 2008: 2.10. – Vznik života,"

Podobné prezentace


Reklamy Google