Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ

Prezentace na téma: "Eduard Kejnovský + Roman Hobza STRUKTURA A EVOLUCE GENOMŮ"— Transkript prezentace:

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

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

3 VELIKOST GENOMU

4 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

5 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

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

7 “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

8 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

9 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

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

11 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

12 RNA interference (RNAi) Nově objevený regulační systém
introny MicroRNA

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

14 TOPOGRAFIE GENOMU

15 centromerické repetice
Model chromosomu telomerické repetice geny centromerické repetice transposony

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

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

18 Různé počty chromosomů u blízce příbuzných druhů jelínků Muntiacus
různé druhy

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

20 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

21 Lidský chromosom Y: „Sál plný zrcadel“ Palindromy:
PAR1 PAR2 Palindromy: 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

22 EVOLUCE GENÚ

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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:

29 VZNIK NOVÝCH GENÚ

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

31 Původ nových genů: Přeskupování exonů

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

33 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

34 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 ug/ml (250x)

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

36 DYNAMIKA GENOMU

37 Mobilní elementy (transposony) jsou podstatnou součástí lidského genomu

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

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

40 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

41 Korelace mezi expanzemi transposonů a oddělováním větví savců

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

43 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 kb* ~ 60 genů sinice proteobakterie rostlinná buňka

44 GENOMOVÉ PROJEKTY

45 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

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

47 Jak zjistit stav genomových projektů
416 bakteriálních 44 eukaryotických 31 archea

48 Genomové sekvenační projekty
> bp > sekvencí ~ organizmů Bakterie/eukaryota/archea Kompletní/nekompletní Sekvenační centra