Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ II. GENOMY a GENY

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

VELIKOST GENOMU

Velikosti genomů 106 107 108 109 1010 1011 savci ptáci plazi    ptáci  plazi  obojživelníci  ryby kostnaté  ryby chrupavčité  ostnokožci  korýši  hmyz  měkkýši  červi  plísně  rostliny  řasy  houby  grampozitivní bakterie  gramnegativní bakterie  mykoplazmata 106 107 108 109 1010 1011

Drosophila melanogaster Paradox hodnoty C Definice: velikost genomu organizmu není v korelaci s komplexitou organizmu (H. sapiens 200x menší genom než Amoeba dubia) obsah kódující DNA podobný, příčinou je nekódující DNA, sobecká DNA 180 Mb 18,000 Mb Drosophila melanogaster Podisma pedestris Skutečnost, že genomy eukaryot se liší až 80,000-krát - snad největší výzva pro genomové holisty

Klíč k řešení paradoxu hodnoty C se nachází v negenových oblastech podíl genů podíl TE genová frakce (%) velikost genomu velikost genomu

“Minimální” genom: život s 271 geny (Bacillus subtilis) Strategie: 1. odstranění či inaktivace genů 2. syntéza minimálního genomu Co je autonomní život? Normální genom B. subtilis: 4100 genů 192 genů zcela nepostradatelných na bohatém prostředí 79 genů podstatných

Zvětšení genomu celkové zvětšení: polyploidizace (duplikace celého genomu) duplikace části genomu, zmnožení počtu chromosomů duplikace genů a skupin genů amplifikace transpozonů inzerce virové DNA inzerce organelové DNA expanze (mikro)satelitů Vzrůstající komplexita živých forem byla doprovázena vzrůstem velikosti genomů a počtu genů

Polyploidizace u kvasinky, obratlovců i rostlin Duplikace genů jsou výsledkem tetraploidie spíše než postupných regionálních duplikací rostliny obratlovci - u rostlin před 200 a 80mil. let - v genomu člověka dlouhé segmenty ve čtyřech kopiích podél všech chromosomů Duplikace genomu před 450 mil let napomohla vzrůstu komplexity a diverzifikaci obratlovců

„Big bang“ v genomu kukuřice polyploidizace amplifikace transpozonů exploze před 6 mil let inzerce do mezigenových oblastí

Vzrůst počtu genů, potlačení šumu a biologická komplexita Prokaryota/eukaryota: Potlačení šumu - separace transkripce a translace, jaderná membrána a histony Obratlovci: Potlačení šumu – metylace genů, mobilních elementů a duplikátů obratlovci eukaryota prokaryota

RNA interference (RNAi) Nově objevený regulační systém introny MicroRNA

RNA interference (RNAi) Nově objevený regulační systém 1.Degradace mRNA 2.Blokování translace 3.Inhibice transkripce Vznik nového regulačního systému

TOPOGRAFIE GENOMU

centromerické repetice Model chromosomu telomerické repetice geny centromerické repetice transposony

Syntenie/kolinearita - konzervativita pořadí genů B C1 C2 D E C Druhy: I. II. III. A vysoká konzervativita pořadí genů

Počty chromosomů u různých druhů Extrémisté: mravenec Myrmecia pilosula – 1 pár, samec 1 chromosom kapradina Ophioglossum reticulatum – 630 párů

Různé počty chromosomů u blízce příbuzných druhů jelínků Muntiacus různé druhy

Srovnání lidských a myších chromosomů člověk myš Od evoluční divergence došlo k četným přestavbám, které umístily bloky genů do různých kombinací.

Evoluce pohlavních chromosomů potlačení rekombinace a akumulace repetitivní DNA alela determinující pohlaví proto X proto Y A A X Y S. latifolia degenerace chromosomu Y ztráta chromosomu Y hmyz X 0 savci X Y

Lidský chromosom Y: „Sál plný zrcadel“ Palindromy: PAR1 PAR2 Palindromy: 3 000 000 bází dlouhé 99.9% identita Objev palindromu je zajímavý ve světle objevů na lidském chromosomu Y Osekvenován euchromatin Y, nejzajímavějšími sekvencemi obří palindromy o vysoké identitě svědčí o genové konverzi (Y nemá partnera tak se páruje sám se sebou) My jsme našli opdobné struktury v mladých sex chromosomech Popiseujeme v popularním článku ve Vesmíru Homologní oblasti mezi X a Y Duplikativní přenos z X Palindromy

EVOLUCE GENÚ

Definice genu = základní jednotka genetické informace zapsaná v NK Podle šíře definice: 1. všechny sekvence DNA potřebné k syntéze proteinu nebo RNA, tedy i regulační a signální sekvence (nejširší) 2. transkribované sekvence (nezahrnuje regulační oblasti) 3. úseky přímo kódující peptid (nejužší) nebo pořadí bází ve funkčních molekulách RNA Typy genů (širší definice): Geny strukturní, geny pro RNA a geny-regulační sekvence

Geny prokaryot jsou uspořádány do operonů Obecné schéma eukaryotického genu vedoucí sekvence gen promotor startovací nukleotid polyadenylační signál CAAT box TATA box ATG exon 1 intron exon 2 Geny prokaryot jsou uspořádány do operonů

Složený gen DNA primární transkript mRNA Gen Exon 1 Intron 1 Exon 2 transkripce primární transkript sestřih RNA Exon 2 Exon 3 Exon 1 mRNA

Alternativní sestřih DNA primární transkript mRNA Protein B Protein A Gen Exon 3 Exon 4 Exon 1 Exon 2 DNA transkripce primární transkript alternativní sestřih RNA Exon 1 Exon 2 Exon 4 Exon 1 Exon 2 Exon 3 mRNA Protein B Protein A

Hypotézy původu intronů „Intron first“: - původní organizmy obsahovaly introny - prokaryota je ztratila „Intron late“: původní organizmy introny neobsahovaly eukaryota je získala Význam intronů: 1. Introny užitečné nejsou, ale organizmy se jich nedokáží zbavit 2. Introny mají funkční význam pro organizmy, jsou užitečné

Geny v genech a jiné podivnosti překrývající se geny: met val ….. Gen A GTTTATGGTA val tyr gly …….. Gen B geny uvnitř jiných genů: Neurofibromatosis type I gene intron 27 5 kb OMGP EVI2B EVI2A Geny (transkripce v opačné orientaci) pseudogeny:

VZNIK NOVÝCH GENÚ

Genová duplikace: pseudogenizace, neofunkcionalizace, subfunkcionalizace Klasický model Ohno: Moderní pohled:

Původ nových genů: Přeskupování exonů

Původ nových genů: Štěpení a fúze genů >> Větší genom – více fúzí - častější fúze než štěpení - štěpení u termofilů

Globinová genová rodina a-globinové geny x2 yx1 ya2 ya1 a2 a1 q b-globinové geny e Gg Ag yb d b 5kb Geny exprimované v embryu Geny exprimované v plodu Geny exprimované v dospělosti Pseudogeny

Řízená evoluce a design nových genů - tvorba rekombinantních proteinů - mix klonovaných genů - fragmentace a self-priming PCR - cephalosporinase enzym - rezistence k moxalactamu - Citrobacter, Enterobacter aj. - 0.75ug/ml --- 200ug/ml (250x)

Původ nových genů: Horizontální přenos - vertikální (sexualita) a horizontální přenos (mezi druhy) - konjugace, transdukce a transformace. Endosymbióza - šíření rezistence k antibiotikům - vnitrobuněčný parazitismus (Wolbachia)

DYNAMIKA GENOMU

Mobilní elementy (transposony) jsou podstatnou součástí lidského genomu

Téměř polovinu lidského genomu tvoří mobilní elementy!!! 20 až > 1 500 000 kopií Eukaryotické genomy: geny plovoucí po moři retrotransposonů Endogenní retroviry – otisky dávných infekcí primátů

Nejhojnější jsou retroelementy Schéma retropozice Alu elementy: nejhojnější retroelementy lidského genomu Alu inzerce – u každého 200. narozeného jedince

Funkce mobilních elementů 1. Negativní vliv retroelementů na hostitele sobecká a parazitická DNA, choroby (hemofilie, rakovina), příčinou inzerce nebo rekombinace (mezi Alu) 2. Pozitivní vliv retroelementů na hostitele přestavby genomu, rekombinace, genové rodiny, vznik nových genů telomery drozofily, imunitní systém 3. Koadaptace elementů a hostitele alternativní hypotézy - parazité x významný činitel v evoluci pravidlo 3K: konflikt-kompromis-kooperace (ekologie genomu) Mutabilita – stochastické ale regulované, místo inzerce regulace počtu kopií retroelementů v genomu - obranné mechanizmy hostitele

Korelace mezi expanzemi transposonů a oddělováním větví savců

Lidský genom je plný starých transposonů zatímco transposony v jiných genomech jsou mladší Srovnání stáří transpozonů v eukaryotických genomech

Endosymbioza a tok genů do jádra Promiskuitní DNA Endosymbioza a tok genů do jádra ~ 150 kb ~ 100 genů chloroplast jádro mitochondrie ? ~ 3000 kb ~ 3000 genů ~ 4000 kb ~ 4000 genů 10-2000 kb* ~ 60 genů sinice proteobakterie rostlinná buňka

GENOMOVÉ PROJEKTY

První genomové projekty - začátek éry genomiky 1977: první kompletní genom (virus) - bakteriofág phiX174 (5 386 bp) 1995: první kompletní genom autonomního organizmu - bakterie Haemophilus infuenzae (1.38 Mb) 1996: první eukaryotický organizmus - kvasinka Saccharomyces cerevisiae

Genomové projekty 1996: Saccharomyces cerevisiae (12 Mb/ 6548 genes) 1998: Caenorhabditis elegans (97 Mb/19 099 genů) 2000: Drosophila melanogaster (137 Mb/13 500 genů) Mus musculus (3 300 Mb) 2000: Arabidopsis thaliana (125 Mb/25 500 genů)

Jak zjistit stav genomových projektů 416 bakteriálních 44 eukaryotických 31 archea http://www.genomesonline.org/

Genomové sekvenační projekty >60 000 000 000 bp >55 000 000 sekvencí ~ 165 000 organizmů Bakterie/eukaryota/archea Kompletní/nekompletní Sekvenační centra