Evolucija arhitekture genoma
Brzina neutralne supstitucije Stopa neutralne supstitucije jednaka je stopi mutacije (v). Populacija veličine Ne 2Ne alela (kopija gena) 1 2Ne - ista verovatnoća fiksacije za bilo koji alel 2Nev - broj novih alela u populaciji 1 2Nev 2 Ne v - verovatnoća fiksacije mutiranog alela po generaciji Stopa supstitucije ne zavisi od N (Ne): -U velikoj populaciji više realizovanih mutacija, ali manja verovatnoća fiksacije driftom -U maloj populaciji manje realizovanih mutacija, ali veća verovatnoća fiksacije driftom
Skoro neutralne mutacije Pokazalo se i da neke nesinonimne zamene nukleotida (očekivano selektivno prepoznatljive) imaju sličnu stopu supstitucije kao neutralne. Ohta (1972, 1977) matematički model: mutacije se ponašaju kao selektivno neutralne ako s 1 2 Ne U velikim populacijama efekat drifta je mali, mali broj mutacija je efektivno neutralan. U malim populacijama efekat drifta je veliki, veći broj mutacija je efektivno neutralan.
Pregled veličine genoma virusi prokarioti eukarioti Virusi: -od 1-4 Kb sa 2 gena (cirkovirusi) -do 1.2 Mb sa 1018 gena (mimivirus) i 1200 gena (megavirus) Najmanji bakterijski genomi: -Mycoplasma genitalium (slobodno živeća) 482 gena -Hodgkinia cicadicola (obligatni parazit) 169 gena
Pregled veličine genoma Prokarioti: 0.5 9Mb do oko 8000 gena Eukarioti: Više od 100Mb prokarioti Obično više od 13000 gena (višećelijski) Količina energije po genu Ključna za veličinu genoma Mitohondrije neophodne za finansiranje eukariotskih genoma eukarioti Mitohondrije snabdevaju ćelije 10 5 10 6 puta većom energijom po genu u odnosu na prokariote Osnovna razlika između prokariota i eukariota nije samo u jedru već i u ekstremnoj polarizaciji eukariotskih ćelija sa džinovskim jedarnim genomima koje energetski podržavaju mnogobrojni mali mitohondrijski genomi (Lane, 2011).
Razlike u organizaciji genoma Prokarioti (i virusi): 80% do 95% genoma kodirajuće Eukarioti: Genomi veći i 100 000 puta, a samo 100 puta više kodirajućih nizova Veliki deo genoma čine mobilni genetički elementi (3 53% genoma životinja, kod biljaka i do 80%) Introni: Jednako učešće introna i egzona u genima u genomima oko 100Mb Genomi preko 25000Mb 95% sekvence u genima čine introni. Intergenska DNK: Genomi manji od 1 Mb 20% intergenske DNK Genomi veći od 10 Mb i preko 80% intergenske DNK Broj gena: Kod prokariota 1000 gena po Mb Kod eukariota oko 12 gena po Mb
Evolucioni trendovi povećanje: -veličine genoma -broja kodirajućih gena -broja mobilnih elemenata -broja i veličine introna -intergenske DNK
Koji deo genoma nam govori o fenotipskoj složenosti? G paradoks paradoks broja gena (koji kodiraju proteine) Korelacija između biološke složenosti i količine ncdnk!
Evolucioni mehanizmi u oblikovanju genoma 1 2Ne Veliki genomi su evoluirali u malim populacijama! Smanjenje populacije povećanje verovatnoće akumulacije mutacija sa štetnim efektima (genetički drift) Veći organizmi manje populacije s Prosečna veličina prokariotske populacije 10 23 mali genomi (efikasna purifikujuća selekcija), mala varijansa u veličini genoma. dobitak mt veće ćelije (sporija deoba, manje pop) višećeličnost male pop. mala efikasnost purifikujuće selekcije neutralne mutacije dodaci genomu (drift) akumulacija mutacija (viškova u genomu)
Uloga selekcije u oblikovanju genoma Genska amplifikacija i adaptivna mutageneza Kod bakterija (LacZ - u LacZ + ) pojava adaptivne mutacije češće nego što se očekuje po stopi mutacija - usled amplifikacije gena Kod eukariota oblici adaptivne mutageneze inicirani stresom i mobilnim elementima programi stresom indukovane mutageneze uloga mobilnih elemenata u evolvabilnosti
Mobilni genetički elementi kod eukariota
Efekti ME Direktni ugrađivanjem u egzone, introne, promotore, pojačavače menjaju okvir čitanja, nivo ekspresije gena, alternativno iskrajanje, itd. Npr. kod ljudi više od 1000 gena ima ME u promotorima Npr. kod nekih primata u promotor gena za alfa-amilazu ubačen ERV promena ekspresije iz pankreasa u pljuvačne žlezde (hrana bogata skrobom) ME sa sopstvenim regulatornim elementima promena obrasca ekspresije gena domaćina Efekat ME na drugim nivoima regulacije: Kod ljudi 12% mirnk potiče od ME kontrola ekspresije na hiljade gena SINE nizovi vezuju se za kompleks RNK polimeraze II ili sa proteinskom kinazom R (PKR), itd.
Efekti ME Pasivni nehomologne rekombinacije hromozomski rearanžmani i duplikacije/delecije gena Npr. kod Anthropoidea Alu-Alu rekombinacija duplikacija gena za hormon rasta (između 5 i 8 kopija GH) Npr. kod Cercopithecoidea Alu-Alu rekombinacija (pre 40 mil. god) duplikacija opsinskih (OPN) gena trihromatsko viđenje ME česti oko gena koji brzo evoluiraju i čija uloga u metabolizmu zahteva fleksibilnost (odgovori na životnu sredinu imunski odgovori ili signalni putevi) genske fabrike regioni bogati ME nejednaki krosingover veći broj multigenskih familija Konzervisani regioni malo ME Npr. Hox geni kod kičmenjaka (suprotno od Hox jata beskičmenjaka)
Evoluciona uloga - evolvabilnost Živi fosili imaju malo ME Latimeria (400 mil.god) i Sphenodon (220 mil.god. 0.11% SINE i 2.59% LINE elemenata u genomu) Neurospora crassa RIP mehanizam zaštite od ME i svake nove genske kopije Većinska adaptivna strategija je, ipak, ne eliminacija ME, već njihova regulacija povećavaju evolucioni potencijal!!!
Mehanizmi kontrole Hipoteza odbrane domaćina primarna funkcija mehanizama epigenetičke regulacije ekspresije gena bila je odbrana domaćina od ME DNK metilacija, modifikacija histona, RNK interferencija ME su preferencijalno metilovani u genomima Metilacija ME (CpG) regulacija aktivnosti susednih gena Npr. kod Anthropoidea metilacija Alu elementa regulacija CCRK gena (uloga u odlaganju apoptoze) Viši stepen metilacije u neokorteksu ljudi nego šimpanzi veća aktivnost CCRK više neurona
Ugrađivanje u gametsku liniju ćelija Transgeneracijski mutageni efekti evolvabilnost populacije Kod sisara globalna demetilacija u ranim gametima demetilacija u fazi preimplantacione embriogeneze Transpozicija ME, aktivnost reverzne transkriptaze (L1) i retrotranskripcija aktivnih gena retrokopije gena
Retrogeni Reverznom transkripcijom najčešće nastaju obrađeni pseudogeni (retropseudogeni) odsustvo introna, ostaci poli(a) repića, veliki broj mutacija i odsustvo cis-regulatora. Neki postaju aktivni geni: Vretenasti plod paradajza: Retrotranspozon kopirao deo genoma domaćina (25Kb) sa kodirajućom oblašću IQD12 gena (učestvuje u oblikovanju ploda) Ugrađivanje u drugi hromozom u blizinu tuđih regulatornih elemenata SUN retrogen SUN aktivan tokom ranijih faza razvića ploda U ljudskom genomu 163 retrogena 25 retrogena su siročići roditeljski geni izgubljeni
Retrogeni Izvoz gena sa X na autozome kod sisara: GLUD2 (glutamat dehidrogenaza 2) na 10. hromozomu Nastao od GLUD1 (na X hromozomu) pre 18 25 mil.god. 2 nove mutacije u našoj evolucionoj liniji povećana enzimska aktivnost povećana aktivnost neurona PGK 2 (fosfogliceratna kinaza) na autozomu eksprimira se u testisima tokom poslednjih stupnjeva spermatogeneze korišćenje fruktoze iz semene tečnosti Nastao od PGK1 (na X hromozomu) eksprimira se u telesnim ćelijama
Molekulska domestikacija ME Uloga u nastanku novih gena domaćina Npr. u proteinu PTPN1 (proteinska tirozinska fosfataza) fragment poreklom od L3 elementa Enzim telomeraza reverzna transkriptaza (kod organizama bez telomeraze, funkciju preuzimaju dva retrotranspozona) Evolucija placente kod Eutheria i Metatheria Peg10 gen izveden iz gag gena jednog retrotranspozona Peg11 gen izveden iz gag gena drugog retrotranspozona (kod Eutheria održavanje embrionskih kapilara u kasnijoj trudnoći) sincicin1 i sincicin2 - izvedeni iz env gena ERV (sinteza glukoproteina) MER20 transpozoni sadrže cis elemente, direktno vezuju transkripcione faktore Preoblikovanje regulatorne mreže ekspresije gena u endometrijumu Povećana ekspresija prolaktina (LTH)
Molekulska domestikacija ME V(D)J RSS kratki invertovani ponovci analogni terminalnim invertovanim ponovcima DNK transpozona RAG1 i RAG2 imobilizovane autonomne verzije Transcrib familije DNK transpozona
Uloga ME u specijaciji Mutageni efekti povećavaju plastičnost genoma (genetičku varijabilnost) Stres pojačava aktivnost ME ili ih direktno aktivira ili inhibira mehanizme zaštite adaptivna radijacija Korelacija između broja vrsta i aktivnosti ME u evol. linijama Npr. ljiljci (adaptivna radijacija počela pre 55 44 mil.god) veliki broj i aktivnost transpozona (retro i DNK) Npr. glodari (1814 vrsta) brojni i aktivni retro-me (ERV) Ribe Cichlidae iz jezera Afrike (oko 3000 vrsta) Pre 5 mil.god. nastalo 1000-2000 vrsta u jezerima Malavi, Tanganjika i Viktorija Veliki morfološki diverzitet, a mali genetički Analiza SINE višestruki ciklusi insercija SINE praćeni specijacijama (drastične fluktuacije nivoa vode)
Uloga ME u specijaciji primata Periodi intenzivne aktivnosti ME praćeni specijacijom DNK transpozoni u vreme nastanka primata (pre 80 65 mil.god) 74000 do 98300 fiksiranih DNK transpozona u genomu čoveka potiče iz tog perioda Pre 40 mil.god. prestaju aktivnosti DNK transpozona Alu elementi (SINE) karakteristični za primate AluJ pre oko 65 mil.god. (vreme razdvajanja polumajmuna i majmuna) AluS ekspanzija pre oko 45 mil.god (vreme razdvajanja majmuna novog i starog sveta) AluY ekspanzija pre oko 30 mil.god (vreme razdvajanja majmuna starog sveta i hominoidea) Kod čoveka broj Alu 3.4 puta veći od šimpanze Najviše Alu ugrađeno pre oko 2 mil.god (pojava prvih Homo)