Molekulární a genetické mechanismy evoluce

Prezentace na téma: "Molekulární a genetické mechanismy evoluce"— Transkript prezentace:

1 Molekulární a genetické mechanismy evoluce
529 -VBT

2 Evoluce studována na molekulární úrovni
Studium mutací v DNA a RNA a změn sekvencí nukleových kyselin a aminokyselin Určování a porovnávání genomů, porovnání chromosomových segmentů a stavebních bloků DNA nebo bílkovin Studium zvětšování velikosti genomu

3 RNA – pravděpodobně první nukleová kyselina
První molekuly vznikaly abioticky, je možné u RNA Některé RNA jsou schopny se samy replikovat Některé mají katalytické vlastnosti Chyby v replikaci a časté mutace dají za vznik různým sekvencím – diferenciace RNA , tím vznikali rodiny s blízce souvisejícími RNA molekulami Ribozymy ribozom, spliceozom mají enzymatické vlastnosti Koenzymy neproteinové části enzymů některé jsou odvozené od nukleotidů

4

5 Porovnání - genetický kód
je téměř univerzální. S malými výjimkami mají kodóny stejný smysl ve všech živých organismech (bakterie, houby, rostliny, savci, člověk). Nejdůležitější výjimka v mitochondriích savců a kvasinek: Odlišné jsou 4 kodóny(stop kodóny), dalších 60 kodónů má v mitochondriích stejný význam

6 Srovnání genů, genomů geny pro globiny geny pro rRNA
Nejvíce konzervované sekvence: geny pro globiny geny pro rRNA geny pro cytochormy geny pro tRNA (genové repetice) geny histonů TATA box 70-75% procent genů myší má ekvivalenty u lidských genů Karyotyp člověka a šimpanze je z 96% - 98% stejný

7 Srovnání proteinových sekvencí
Mnoho různých typů organismů používá stejné bílkoviny s mírnými změnami v sekvencích aminokyselin. Bílkoviny, aminokyseliny lidského a šimpanzího genomu jsou z 99 % identické. Silně konzervované bílkoviny jsou cytochromy a bílkoviny Homeoboxu, histony, globiny.   Cytochrom C pomáhá získávat energii z živin v mitochondriích v reakcích buněčného dýchání. 20 aminokyselin z 104 zaujímají identické pozice u všech eukaryot. Odhaduje se, že všechny proteiny, co existují na světě, vznikly ne z více než 7000 základních proteinů. Hexokináza a glukokináza - Glucokinase (GK) is a hexokinase isozyme, related homologously to at least three other hexokinases. All of the hexokinases can mediate phosphorylation of glucose to glucose-6-phosphate (G6P), which is the first step of both glycogen synthesis and glycolysis.

8 bílkoviny Homeoboxu 60 aminokyselinová sekvence tzv. homeodoména je vysoce konzervovanou částí všech proteinů, které jsou kódovány homeoboxem – jsou to většinou transkripční faktory Homeodoména byla zjištěna u všech mnohobuněčných druhů.

9 Mechanismy vývoje genomu v čase:
1. Intragenové kombinace 2. Duplikace 3. Strukturní chromozomální aberace 4. Horizontální mezidruhový přenos 5. Rekombinace 6. Mutace

10 1. Intragenové kombinace
kombinace exonů, intronů inzercí transpozonů – DNA sekvence, který je schopen měnit pozici v genomu, jsou schopny vytvářet zlomy, spontánní mutace, přestavby Transpozony „cut and paste“ Transpozony replikativní Transpozony podobné retrovirům = retrotranspozony (člověk, kvasinky, octomilka), typ LTR retrotranspozony centrální kódující oblast pro enzymy, ohraničena dlouhými koncovými repeticemi neboli LTR, Barbara McClintock's discovery of these jumping genes earned her a Nobel prize in 1983.[ a další enzymy (ORF), 8% lidského genomu a vedle nich jsou krátké obrácené repetice

11 Non-LTR retrotranspozony:
člověk - LINE, SINE Heterochromatin, repetitivní DNA, je hřbitov neaktivních transpozonů Line „long interspresed nuclear element“ kolem 1kb, původní retrotranspozony, aktivní, kódují enzymy, množí se a přemisťují bez pomocí proteosyntetického aparátu buňky (autonomní) Sine - „short interspresed nuclear element“ kratší než 400 bp bází – neaktivní, nekódují proteiny 44-45%% genomu odvozeno od transponovatelných elementů.

12 2. Duplikace genů, segmentů, chromozomů
příčiny: - nerovnoměrný crossing-over duplikace chromozom. částí a jejich následná mutace, kopie: je degradována, stává se pseudogenem získává novou funkci má stejnou či podobnou funkci – stává se členem genové rodiny - translokace chromozomů

13 Strachan and Read: Human genetics ,2. edition
Polovina genů vzniklých duplikacemi získávají novou nebo podobnou funkci, méně častěji extra kopie zanikají.

14 Typy sekvenčních duplikací:
Duplikace částí genů - interní duplikace pro zvětšení genů Duplikace exonu a následné “darování“ (exon shuffling) Kompletní genová duplikace – genové rodiny Částečná či kompletní duplikace chromozómů – vzácné Polyploidie - duplikace celého genomu Exon shuffling is a molecular mechanism for the formation of new genes. It is a process through which two or more exons from different genes can be brought together ectopically, or the same exon can be duplicated, to create a new exon-intron structure.[1] There are different mechanisms through which exon shuffling occurs: transposon mediated exon shuffling, crossover during sexual recombination of parental genomes and illegitimate recombination.

15 Vyskytují se v eukaryotních genomech.
Genové rodiny Vyskytují se v eukaryotních genomech. Mají podobné nukleotidové sekvence nebo kódují velmi podobné proteiny - izoformy se stejnými nebo překrývajícími se funkcemi. Mohou být na jednom chromozomu i rozptýlené po genomu. Pseudogeny - vzniklé duplikací, ale nefunkční Superrodina: - imunoglobulinová genová rodina, HLA geny či TCR na chromozomech 2, 14, 22, 6, 7, 14 - Geny pro LDL receptory - Alfa, Beta-globinová rodina na chromozomu č. 16, 11 Pseudogeny – vedlejší produkty evoluč ývoje, neaktivní geny, nevznikají jejich přepisem žádné mRNA nebo proteiny IFN genová rodina, 15 funkčních genů, 11 nefunkčních pseudogenů.

16 Evoluce globinové rodiny
Embryonic hemoglobins Fetal hemoglobin Adult hemoglobins gower 1- zeta(2), epsilon(2) hemoglobin F- alpha(2), gamma(2) hemoglobin A- alpha(2), beta(2) gower 2- alpha(2), epsilon (2) hemoglobin A2- alpha(2), delta(2) portland- zeta(2), gamma (2) Globinová rodina na chromozomu 11 a 16

17 Distribution of Gene Families on the Chromosomes
Genes Chromosomes Gene family Calmodulin 3 2,14,19 identical protein sequences, many related proteins Enolase 1,12,17 Actinins 4 1,11,14,19 Notch 1,6,9,19 Amylase 5 1 also small related protein on chromosome 1 G subunit 1,7,9,12,15 Actin 6 1,2,7,10,15,17 Polycomb PCGF 2,4,10,7 three genes on chromosome 10 no closely linked Alcohol dehydrogenase 7 Metallothioneins 11 16 cluster spans about 120 kb, also related genes/pseudogenes

18 Hustota kódujících genů Eukaryotní genomy mají nižší hustotu kódujících genů protože obsahují značné množství repetitivní DNA. Kvasinky málo………..30% duplikovaných genů Cenorhabditis…..10% středně repetetivní DNA Savčí genomy.. 45% středně repetetivní DNA Lidský genom obsahuje 30 kopií genů, které kóduje FGF Genom Drosophily a Cenorhabditis obsahuje jen dvě kopie

19 3. Strukturní chromozomální aberace
Duplikace, translokace, inverze, fúze Syntenie - ko-lokalizace genetických lokusů mezi jednotlivci nebo druhy, dáno konzervací v čase. Přispívá k tomu neúplná genová vazba. Konzervované celé chromozomy - chromozom č.17 lidský, č.19. skotu, č. 12. prasete chromozomové segmenty - chromozom č. 2, kombinace chrom. segmentů - chromozom č. 3, 21

20 Vlevo karyotyp člověka, vpravo karyotyp šimpanze
Fúze chromozomu 15 a 17 za vzniku chromozomu 2, dále inverze a duplikace.

21 High resolution chromosome banding – detekuje přestavby
Proužkování lidských chromozomů ve srovnání s velkými opicemi (From Strachan & Dean 1998 p 344) Zkratky H, C, G, O: Human, Chimpanzee, Gorilla and Orang-utan Jen ukázány chromozomy 2, 5 a 6 s teloremickou fúzí, pericentrickou inverzí

22 Konzervované části chromozomů – srovnání kočky a člověka

23 Vznik gonozómů vznik pohlavních chromozomů z páru identických autozomů – translokacemi, amplifikacemi, mutacemi, delecemi U nižších obratlovců není morfologické odlišení gonozomů (ryby, obojživelníci, plazi). U vyšších obratlovců – Y tvarově odlišný - pouze malá část homologní = pseudoautozomální oblasti.

24 4. Horizontální mezidruhový přenos – zajišťuje rekombinaci genetické výbavy hlavně prokaryotních druhů, díky tomu se bakterie vyvíjeli (-její), adaptovali (-ují) na nová prostředí a odolávali(-jí) změnám a podmínkám prostředí. endosymbióza somatická hybridizace, splývání buněk parasexuální procesy : transformace - volný příjem DNA transdukce - přenos prostřednictvím viru konjugace - přímý přenos DNA přenos plazmidů - př. R plazmidy

25 Strachan and Read: Human genetics, 2. edition
Endosymbióza Mitochondrie - mají původ v aerobní bakteriích (Rikettsie) Plastidy - původ v endosymbiotických cyanobakteriích důkazy: cirkulární DNA, nemají histony, nemají introny transkripce začíná fMet, prokaryontní typ ribozómů inhibice antibiotiky Sekundární symbióza Strachan and Read: Human genetics, 2. edition Sekundární symbióza – mezi dvěma eukaryotními organismy. Vyskytuje se u protozoí kmenu Apicomplexa (původci malárie, toxoplasmozy……)

26 Bakteriální transformace
parasexuální proces Je příjem čisté DNA do bakteriálních buněk. Přijímají jakoukoliv DNA molekulu, pokud mají příslušné enzymy, jsou kompetentní. Průkaz, že nositelem genetické informace je DNA: Griffith (1928) 1. pokus s virulentními a nevirulentními kmeny S. pneumoniae na myších Avery, McLeod, McCarthy (1944) - stejný efekt s izolovanou DNA V Escherichia coli nedochází k transformaci.

27 Nastává výměna homologních částí = rekombinace
Nová DNA vytěsňuje původní řetězec a páruje se s komplementárním řetězcem nebo vytváří heteroduplex.

28 Bakteriální konjugace
parasexuální proces Je přímý přenos DNA přes konjugační můstek mezi donorem F+ a akceptorem F-. Konjugační můstek kódován F plazmidem. Kmeny s integrovaným plazmidem jsou Hfr „High frequency of recombination“ - epizom. Typ s autonomním plazmidem je F+. F plasmid kóduje proteiny a enzymy důležité k samotné konjugaci (pilin) F plazmidy, R plazmidy, Col plazmidy Konjugace schopny F plazmidy, některé R plazmidy (rezistence) a některé Col plazmidy (rostliny)

29 Konjugace F+ do F- bakterie

30 Bakteriální konjugace
- jednovláknový zlom DNA - jednovláknová DNA vstupuje do konjugačního můstku, buňka donora si současně vlákno, které se odvíjí a přechází, dosyntetizovává - v buňce akceptora dochází k syntéze druhého vlákna, posléze dochází k rekombinaci mezi chromozómem donora a částí chromozómu akceptora - vyštěpení a eliminaci neúplných chromozómů bez počátku replikace

31 Konjugace Hfr do F- bakterie

32 Transdukce parasexuální proces Bakteriofágy přenášejí spontánně bakteriální geny. Probíhá u všech bakterií. Specializovaná – nastává při chybném vystřižení genomu bakteriofága z bakteriálního genomu při přechodu lyzogenního cyklu na lytický Obecná – nastává, když se do malé části fágových partikulí balí rozstříhaná bakteriální DNA místo fágové Užití v historii: mapování DNA - jak často se geny přenášejí spolu při obecné transdukci, tím jsou lokalizovány blíže u sebe

33 Obecná transdukce

34 5. Rekombinace evoluční význam diploidie - maskování recesivních alel
evoluční význam pohlavního rozmnožovaní – vznikají nové kombinace rodičovských genomů u potomstva Nové sestavy genetických variant vznikají v důsledku střídání haploidní a diploidní fáze buněk. Variability zajištěna: - kombinací genomů v zygotách - kombinací chromozomů v gametách - crossing-over v meioze

35 Polymorfismus standartních alel
6. Mutace - vznik alel - mutace jsou zdrojem nových genetických variant. Pokud existuje více neutrálních mutací v rámci lokusu = polymorfismus = zásoba standartních alel Polymorfismus standartních alel Patologické alely vznikly negativními mutacemi. Mutace pozitivní - výhodné negativní - ztrátové neutrální Selekce, Migrace, Genetický drift, nenáhodné párování

36 Genetika, D P. Snustad M.J. Simmons, 5. vydání, 2009 Human genetics, Ricki Lewis, 5. vydání, 2003 Děkuji za pozornost

37

38 Více intronů, mutace, z nekódující, kódující
Duplikace na 5q Více intronů, mutace, z nekódující, kódující 1 intron pro-melanin- concentrating hormone-like 1 přenos na 5p, bez intronů