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, počátky genomů, co je to evoluce 16.10. - Metody a historie studia genomů 30.10. - Struktura a evoluce genomů 13.11. - Evoluce pohlavního rozmnožování 27.11. - Lidský genom, etické aspekty a evoluce člověka 11.12. - Funkční genomika
KOSMOLOGICKÁ PŘEDEHRA 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
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
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.
VZNIK ŽIVOTA
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
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
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
Urey-Millerův experiment Modifikace: 1. Pyrosyntéza 2. UV záření 3. tlakově vlny 4. kosmické záření 5. radioaktivita 6. sluneční vítr vodní pára (H2O) amoniak (NH3) metan (CH4) vodík (H2) dusík (N2) oxid uhličitý (CO2) Výsledek: 20 AK, 5 bází, hlavní cukry Námitky a současný pohled
Vznik života v podmořských sopkách - podmořské komíny - 2000m zvláštní ekosystém (extremofilové, fotosyntetické bakterie) vyvěrá přehřátá voda bohatá na minerály, krystalizuje a sedimentuje, katalýza Teorie „hluboké horké biosféry“ první život se vyvinul hluboko pod povrchem Země dnešní bakterie několik kilometrů pod povrchem možnost života na jiných planetách nebo měsících
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 30-150 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
Meziplanetární expres
Bakterie – vesmírní kolonizátoři Streptococcus mitis: - náhodně zavlečen na Měsíc (Surveyor3) a po 31 měsících zpět (Apollo12) a byl životaschopný Deinococcus radiodurans: – 15 000 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) Extremofilové Acidophile: An organism with an optimum pH level at or below pH 3. Aerobe: requires O2 to survive. Endolith: An organism that lives inside rocks. Halophile: An organism requiring at least 0.2M of NaCl for growth. Metalotolerant: capable of tolerating high levels of heavy metals, such as copper, cadmium, arsenic, and zinc. Piezophile: An organism that lives optimally at high hydrostatic pressure. Radioresistant: resistant to high levels of ionizing radiation. Thermophile: An organism that can thrive at temperatures between 60-80 °C.
PRVNÍ GENETICKÉ SYSTÉMY A VZNIK GENETICKÉHO KÓDU
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
Na počátku byly pouze proteiny: 1. Oparinovy koacerváty aminokyseliny vznikají snadněji než báze NK primitivní modely buňky hromadění produktů, reakce, růst, dělení vznikají v koloidních roztocích problém ředění 2. Foxovy mikrosféry otázka původu enzymatických molekul vznikají z protenoidů = polymery vzniklé kondenzací aminokyselin pořadí AK v těchto polymerech je náhodné některé mohou vykazovat katalytickou funkci
Na počátku byly pouze nukleové kyseliny – genová hypotéza Co bylo dříve – DNA nebo proteiny? 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 jednoduché polymery – replikátory, RNA evoluce složitá biochemie: DNA – RNA - protein
Na počátku byly proteiny i nukleové kyseliny (koevoluce) VZNIK GENETICKÉHO KÓDU 1. Unikátní vysoce nepravděpodobná událost („frozen accident“) 2. Postupný vývoj 3. Produkt rozumné bytosti – nesplňuje kriterium vědecké hypotézy (ověřitelnosti)
Důkazy postupné evoluce genetického kódu Minimalizace chyb Přímé interakce AK s kodony AK kódované podobnými kodony jsou syntetizované stejnými biochemickými dráhami GC model Nejstarší triplety GXC Gly, Ala, Val, Asp glycinové hodiny mutační expanze Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech Odchylky od standardního kódu
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
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 (SiH4, 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
SVĚT MOLEKUL RNA
Svět RNA 1986: „The RNA World“ 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 1982-83: objev ribozymů 1986: „The RNA World“
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
Centrální role RNA v dnešních biologických systémech Pozůstatky RNA světa se dosud zachovaly a jsou skryty ve spleti buněčných procesů
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.
Šlechtění RNA ve zkumavce Fág Qβ: (Spiegelman 1967) - zkracování času na replikaci --> zkracování RNA genomů (po 74 přenosech eliminace 83% genomů), i jiné selekční tlaky (jedy) Variabilita/mutace Selekce Amplifikace Tvorba nových proteinů nebo RNA nepřítomných v přírodě s požadovanými vlastnostmi
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
Spontánní syntéza prvních RNA a přechod k DNA RNA -> DNA Deoxyribonukleotidy vznikají redukcí ribonukleotidů, tymin z uracilu Kopírování RNA
Proč je genetická informace uložena v DNA RNA DNA 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
Osud RNA katalyzátorů po převzetí jejich funkce proteiny Přechod RNA proteiny stále probíhá 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
Ribozómy: ribozymy stabilizované proteiny Ribozómy lze považovat za relikty světa RNA 16S rRNA (1542 b) 21 proteinů (S1-S21) 5S rRNA (120 b) 23S rRNA (2904 b) 32 proteinů (L1-L34) velká podjednotka malá prokaryotický ribozóm proteins 5S rRNA A-site tRNA 23S rRNA P-site tRNA peptidyl transfer reaction:
PRVNÍ GENOMY
Hypercykly aneb cesta k buňce Původně jeden člen - duplikace a mutace – dva členy … Cesta od nukleových kyselin ke strukturám buněk = jedna z největších záhad evoluce M. Eigen 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)
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
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 RNADNA 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)
vznik fúzováním malých kružnic DNA 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: pregenomická rekombinační genomická
vznik fúzováním malých kružnic DNA 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
nejstarší stopy života 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)
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 CO2 (skleníkový plyn) kyslíkem vedlo k ochlazení planety schopnost organizmů ovlivňovat klima planety - „Gaia živoucí planeta“ (James Lovelock) Symbiogeneze (Lynn Margulis) – původně parazitismus? (J. Flegr) 6H2O + 6CO2 + záření → C6H12O6 (glukóza) + 6O2
Definice genomu - celková genetická informace organizmu prokaryota: cirkulární chromosom + plazmidy eukaryota: chromosomy v jádře, mitochondrie a chloroplasty
JAK FUNGUJE EVOLUCE
Evoluce: definice hlavních termínů 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, 20x109 replikací) bez selekce rychlá změna Evoluce: proces genetických změn organizmů v čase, vývoj ze společného předka dědičnost variabilita selekce Evoluce genovou duplikací Genom, geny, alely Genotyp Fenotyp
Gradualismus versus punktualismus Evoluce: definice hlavních termínů Speciace: sympatrická (reprodukční izolace) alopatrická (geografická izolace) Plynulost nebo skoky? Gradualismus versus punktualismus Zrychlení po vymíráních Lepší 5% křídla než žádná (postupné mutace), původně jiná funkce Některé změny skokem (hlava) myš ve slona za 100 000 let kumulativní selekce lepší než jednostupňová (vznik letadla na smetišti) Rychlé změny následované obdobím s malými změnami Neustálé, malé, postupné změny během času
Pilíře/ikony evoluce Fosilní nálezy Homologické struktury Rudimenty Srovnávací embryologie Homeotické mutace
Průmyslový melanismus Pilíře/ikony evoluce Millerův experiment Strom života Darwinovy pěnkavy Průmyslový melanismus Konvergentní evoluce Evoluce člověka
Molekulární důkazy podporující evoluci 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) Genetická redundance - evoluce genovou duplikací Pseudogeny - molekulární rudimenty Fylogenetické stromy genů - příbuznější druhy mají podobnější geny Transposony, endogenní retroviry - TE ve stejných pozicích – společný původ
V průběhu evoluce došlo k několika kvalitativním skokům Hlavní „skoky“ v evoluci John Maynard Smith a Eors Szathmáry: Major transitions in evolution (1995) V průběhu evoluce došlo k několika kvalitativním skokům 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
Přírodní výběr často preferuje jednodušší organizmy: Evoluce – cesta vzhůru? Evoluce nemá žádný směr, je slepá. Dochází k ní zejména díky chybám v kopírování DNA, „proti vůli organizmů“ Přírodní výběr často preferuje jednodušší organizmy: bakterie (teorie termoredukce), viry = začátkem (RNA svět) nebo koncem evoluce (slepá větev)? parazité Dawkinsova metafora: Stavba gotické klenby je snazší pokud se z hromady kamení ubírá spíše než aby se přidávalo, - dřevěné podpěry – svět RNA – již zmizely
Sobecký gen Richard Dawkins: Sobecký gen (1976) Organizmy jsou pouhými schránkami, vehikly, jejichž úkolem je zajistit přenos genů do další generace. 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
Velká vymírání David Raup: O zániku druhů Drtivá většina druhů které kdy žily na Zemi, vyhynula. Rozhodujícím kriteriem přežití je možná spíše rezistence vůči v podstatě nepředvídatelným katastrofám, náhoda, než adaptace na konkrétní prostředí. Miliony let Intensita vymírání (%) P-T Konec ordoviku Konec kambria Konec triasu Konec křídy Konec devonu