Evolucija gena (2.) (promene strukture i funkcije)

Транскрипт

1 Evolucija gena (2.) (promene strukture i funkcije)

2 Obrada genskih transkripata Većinsko prisustvo splajsozomskih introna u eukariotskim genima Npr. ljudski genom ima 88% gena sa intron-egzon strukturom 99% introna su tzv. U2 introni ( glavni introni ); < 0.5% su U12 introni snrnp komponente splajsozoma GU X YYY AG 5 mesto iskrajanja mesto grananja 3 mesto iskrajanja egzonski pojačavači i utišavači iskrajanja polipirimidinski niz GU X AG

3 Introni (splajsozomski) Hipoteze kasnog i ranog introna Broj introna po genu Gljive 0.1 do 5.5 Višećelijske biljke 0.1 do 6.7 Beskičmenjaci 2.4 do 5.4 Kičmenjaci prosečno 8 Dve intron/egzon arhitekture gena: Mali introni veliki egzoni ( intronsko definisanje iskrajanja ) Kod beskičmenjaka i protista (prosečan intron manji od 100 nukl) Veliki introni mali egzoni ( egzonsko definisanje iskrajanja ) Kod kičmenjaka (prosečan egzon 134 nukl)

4 Gubljenje i sticanje introna LECA bogat intronima 4.6 do 6.3 introna po genu na osnovu komparativnih analiza eukariota položaja i prosečne dužine (150nt, medijana 70-90nt) mali introni se gube i stiču većom stopom (kod beskičmenjaka i protista) Najčešći razlog gubljenja introna - reverzna transkripcija obrađene irnk

5 Sticanje introna (1.) Insercija retrotranspozona 1. Retrotranspozoni nemaju signalna mesta za splajsozome 2. Ali, mogu usloviti promenu prostorne konfiguracije kriptičnih mesta iskrajanja unutar gena 3. Nov obrazac iskrajanja koji dovodi do iskrajanja ME iz irnk 4. Nema puno primera jer ubacivanje ME u gen dovodi i do promena u kodirajućim sekvencama Npr. kod pirinča ubacivanje SINE u gen za enzim katalazu

6 Sticanje introna (2.) Reverzna transkripcija prethodno iskrojenog introna (intronska transpozicija ili reverzno iskrajanje) 1. Iskrojen intron se ukraja na drugo mesto iste ili druge irnk 2. Reverzna transkripcija ovakve irnk u cdnk 3. Rekombinacija sa delom genoma 4. Introni imaju signalna mesta za splajsozome Npr. nekoliko gena kod Drosophila i Caenorhabditis

7 Sticanje introna (3.) Tandemske duplikacije AGGT tetramera u kodirajućim nizovima (egzonima) 1. AGGT se interpretiraju kao 5 GU i 3 AG mesta iskrajanja 2. Deo egzona se transformiše u intron 3. Problem je nastanak drugih signalnih mesta (npr. mesto grananja) Npr. nekoliko gena kod riba

8 Sticanje introna (4.) Cepanje introna (egzonizacija intronskih nizova) 1. U intronu postoji ME sa signalima iskrajanja (u antisens orijentaciji; često kod Alu elemenata) 2. Egzonizacija ME (poznati su primeri da samo 1 nukleotidna zamena može transformisati Alu niz u egzon) 3. Cepanje jedinstvenog introna na dva nova Npr. kod primata velika empirijska podrška modela

9 Sticanje introna (5.) Intronizacija egzona 1. Mutacijama u egzonu nastanak PTC (prevremeni terminacioni kodon) i slaba signalna mesta iskrajanja 2. Mehanizam u jedru odstranjuje PTC aktivacijom latentnog mesta iskrajanja 3. U citoplazmu dospevaju i iskrojene i neiskrojene irnk 4. Uloga NMD sistema nadzora korektnog formiranja irnk - u citoplazmi degraduje irnk sa PTC 5. Mutacija će se zadržati jer uspešno aktivira NMD sistem normalni produkti 6. Dodatne mutacije poboljšanje sistema iskrajanja i smanjenje potrebe za NMD Npr. kod Drosophila u 284 gena 307 novih introna sa slabim mestima iskrajanja

10 Sticanje introna (6.) Duplikacije unutar gena 7 30% gena kod filogenetski udaljenih grupa kod kojih su se desile duplikacije unutar gena, steklo je nove introne 1. Duplikacije postojećih introna (bez formiranja novih mesta iskrajanja) 2. Formiranje novih mesta iskrajanja nakon intra-genske duplikacije Duplikacije unutar gena dovode do promena u prostornoj konfiguraciji latentnih mesta iskrajanja stvaranje novih introna Izgleda da su cis-elementi iskrajanja vrlo prisutni u genomima.

11 Sticanje novih egzona (1. i 2.) 1. Dupliranje egzona putem rekombinacija unutar gena 2. Dupliranje egzona putem retrotranspozicije Obrađena irnk se prepiše u cdnk i rekombinuje se u intron istog ili drugog gena (nastaje duži egzon jer irnk nema introne)

12 Sticanje novih egzona (3.) 3. Egzonizacija introna (egzonizacija ME) Mobilni elementi (posebno Alu) - imaju polia repić i niz mesta sličnih mestima iskrajanja introna - mali broj mutacija stabilni signali iskrajanja Primer: gen za receptor p75tnrf -pre mil.god integracija Alu -A G : pojava alternativnog AUG inicijalnog kodona -pre 25 mil.god C T u 5 regionu: pojava funkcionalnog mesta iskrajanja -delecija 7 nukl. pojava ORF egzona

13 Sudbina novih egzona VREME 1. Isključivanje iz irnk sprečavanje narušavanja funkcije + akumulacija mutacija (potencijalno nova funkcija) 2. Alternativno iskrajanje uključivanje je tkivno specifično 3. Potencijalno konstitutivni egzoni??? Primeri: -Alu egzoni: što su stariji (AluJ subfamilija) više prisutni u obrađenoj irnk -velika prisutnost u mozgu (u familiji transkripcionih faktora sa cinkovim prstima regulacija transkripcije) nikada nisu konstitutivni -MIR egzoni: heterogena stara grupa (kod svih sisara) ugrađeni kod predaka u mezozoiku (aktivni do pre 130 mil.god.) -u genomu ljudi oko kopija MIR elemenata -neki od MIR egzona postali konstitutivni

14 Sticanje novih egzona (4.) Egzonizacija putem A-u-I prerade RNK (dezaminacija adenina inozin) Npr. NARF gen kod ljudi U intronu između egzona 7 i 9 nalazi se Alu okružen sa 3 -AA/GU-5 A-u-I prerada irnk dovodi do stvaranja 3 -AI/GU-5 mesta iskrajanja (splajsozomi I čitaju kao G) 8. egzon ADAR enzimi učestvuju u preradi na tkivno specifičan način egzon 8 je osam puta češće prisutan u mozgu nego u mišićima U preradi učestvuje drugi Alu, 25 nt uzvodno od egzonizovanog Alu-Alu dvolančana RNK (neophodna za preradu uz pomoć ADAR enzima)

15 Elongacija gena Povećanje veličine (kodirajuće) gena proteina Više mehanizama: Ubacivanje niza nukleotida u egzone Mutacije preobraćanje stop kodona u smisleni kodon Mutacije brisanje mesta iskrajanja introna mala verovatnoća nastanka funkcionalnih proteina Duplikacija egzona kičmenjački egzoni mali / introni veliki veća verovatnoća krosingovera

16 Egzoni i proteinski domeni Domen (oblast, modul) dobro definisan region unutar proteina koji obavlja specifičnu funkciju (funkcionalni domen) ili predstavlja strukturnu jedinicu (strukturni domen)

17 Duplikacija egzona Česti događaji u evoluciji nastanak složenih gena (pre svega povećanje broja strukturnih domena) Čovek 11% takvih gena Drosophila 7% takvih gena Kolagenski gen ključni događaj u evoluciji Metazoa Spiralizovana oblast + ponovci glicin X prolin Predački gen familije fibrilarnih kolagena (od sunđera do sisara): Duplikacija egzona pa duplikacije blokova ponovaka

18 Mešanje egzona i mozaični (himerni) geni Aktivator tkivnog plazminogena TPA -preobraćanje plazminogena u plazmin (razlaže fibrin u ugrušku krvi) Fuzija egzona dva ili više gena Nastanak ovakvih multidomenskih proteina ključan za adaptivnu radijaciju Metazoa (ćelijska komunikacija, transmembranski proteini, ekstraćelijski matriks i sl.) 4 domena: serinska proteaza slična tripsinu (C), kringl (K), prst (F) i epiderm faktor rasta (G) iz najmanje 3 gena (fibronektin, epiderm faktor rasta i plazminogen)

19 Gubitak gena Neobrađeni pseudogeni akumulacija mutacija u nekada funkcionalnom genu Prisutni u velikom broju u multigenskim familijama Pseudogenizacija u familiji za olfaktorne receptore (kod čoveka 55% pseudogeni) Značaj gašenja gena u evolucionoj divergenciji taksona brze fenotipske promene primeri u evolucionoj liniji čoveka Delecija 92bp u CMAH genu pre oko 2.8 mil.god. Inaktivacija MYH16 gena (miozinski lanac u mišićima za žvakanje) pre oko 2.4 mil.god. Inaktivacija GULO gena (sinteza prekursora C vitamina) pre oko 63 mil.god.

20 Uloga evolucionih mehanizama u zadržavanju pseudogena Kod prokariota malo pseudogena Uloga selekcije u izbacivanju viška Prochlorococcus sp. (morska cijanobakterija) i Pelagibacter ubique (alfa-proteobakterija) brojnosti i do ćelija veoma mali genomi Prirodna selekcija za brzinu replikacije Uloga genetičkog drifta Obligatni paraziti i endosimbionti (Mycoplasma, Rickettsia, Chlamydia, i sl) u poređenu sa neparazitskim srodnicima mnogo manji genomi Male populacije (životni ciklus vezan za višećelijske domaćine) Gubitak funkcije gena zbog parazitskog života smanjenje intenziteta selekcije za te gene Efekat drifta na gubitak viška sekvence