Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június

1,077 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
1,077
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
314
Actions
Shares
0
Downloads
3
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június

  1. 1. LUCA sajátságai az RNS-világtól a 3 domén kialakulásáig Tóth András - ELTE TTK BiológiaThursday, June 21, 12
  2. 2. Élet Carl Sagan: “Darwini evolúcióra képes önfenntartó kémiai rendszer” Molecular Biology of the Cell: “...energia által hajtott, öröklött információ által megszabott kémiai folyamatok komplex rendszere” Abiogenezis Az élet szervetlen anyagokból való létrejöttének módja utáni kutatás. Darwin óta rengeteg lehetséges modell született leírására. Megközelítések: genetikai vagy metabolikus Stanly L. Miller, 1953, Science: Miller-Urey kisérlet, a Föld feltételezett ősi körülményei közt (H2O, CH4, NH3, H2, elektromos szikra) L- és D- aminosavak előállítása (glicin és alanin egyértelmű detektálása) - “primordial soup” Y-J Kuan et al., 2003, Astrophysical Journal: Glicin detektálása egy csillagközi molekula felhőben - szerves anyagok jelenléte a naprendszerek keletkezésénél (utána transzferjük: pl. üstökös)Thursday, June 21, 12
  3. 3. LUCA Last Universal Common Ancestor Az a legrecensebb organizmus, melytől minden mai Bacteria, Archaea, Eukarya leszármaztatható. 3.8-3.5 milliárd évvel ezelőtt élhetett a Paleoarchaikumban. Darwin feltételezte először, ma: fenti közös sajátságok + filogenetikai modellek Carl Woese, 1998, PNAS: LUCA inkább élőlények csoportja, HGT fontossága Theobald et al., 2010, Nature: LUCA elmélet formális tesztje konzervált fehérjékkel: tisztán statisztikailag is helyes. Egyetlen élőlény genetikai öröksége maradt fent, LUCA indivídum. • Genetikai kód: kétszálú DNS (A,G,C,T nukleotidokkal), 64 kodon (mely 20 aminosavat kódolt), DNS-repair enzimek • Genetikai kód kifejezése: egyszálú RNS intermedier (mRNS) lefordítása fehérjékké a riboszómán (rRNS + riboszómális fehérjék), aminosavakból összeszerelve (tRNS). • Fehérjék - metabolikus folyamatok katalízise és irányítása, szintézis, repair • Kétrétegű lipid membrán, cytoplasma-ban vizes oldat, ionpumpák • ATP & d-glükóz • Kezdetleges sejtosztódásThursday, June 21, 12
  4. 4. RNS - ribóz + foszfát csoport + bázis (AUGC) DNS - dezoxiribóz + foszfát csoport + bázis (ATGC) Nukleotidok által alkotott, bázisok sorrendje segítségével információt tároló és annak örökítésre képes hosszú polimerekThursday, June 21, 12
  5. 5. A genetikai információ áramlása A génexpresszió 1958, Francis Crick: A molekuláris biológia centrális elmélete DNS-replikáció DNS RNS transzkripció RNS Fehérje transzláció (nukleotid sorrend aminosav sorrendá alakítása) RNS DNS reverz-transzkripció (retrovírusok) A genetikai kód majdnem teljesen univerzális (pl. a mitokondriumok a transzláció során a stop kodonok olvasásában térhetnek el)Thursday, June 21, 12
  6. 6. Transzkripció RNS-polimerázok katalizálják a DNS RNS-é való átírását A DNS templátról 5‘ 3’ irányba formálódik az RNS lánc de novoThursday, June 21, 12
  7. 7. Transzláció Riboszóma - komplex molekuláris masinéria, fehérjeszintézis színhelye (2/3 RNS, 1/3 asszociált fehérjék mRNS: szintézishez szükséges információ, tRNS: szekvencia-komplementer aminosavak becsatolása, rRNS: katalitikus szerep, peptid- kötések kialakításaThursday, June 21, 12
  8. 8. DNS-replikáció DNS replikációs villa DNS-polimeráz 5‘ 3’ irányú A DNS két szála templátként szolgál a komplementer szál szintézis, vezető szálon szemikonzervatív replikációhoz miután folytonos átírás, elmaradó szálon okazaki Helicase-ok szétválasztják őket fragmentumokkal szakaszosan látszólag 3‘ 5’ irányú növekedésThursday, June 21, 12
  9. 9. A három domén rendszer • Woese, C.R. & Fox, G.E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 74, 5088-90 (1977) • “living systems represent one of three aboriginal lines of descent: (i) the eubacteria, comprising all typical bacteria; (ii) the archaebacteria, containing methanogenic bacteria; and (iii) the urkaryotes, now represented in the cytoplasmic component of eukaryotic cells” • Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1– 4 (1990) rRNS törzsfa alapjánThursday, June 21, 12
  10. 10. Domain Bacteria • Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1–4 (1990) • Sejtstruktúra: lipid PM, nincs sejtorganellum, peptidoglikán alapú sejtfal, cirkuláris DNS • Metabolizmus: kemoszintézis, fotoszintézis, heterotrófia • Legkorábbi létformák egyike: 3.45 milliárd éves sztromatolit telepek (cianobacteria)Thursday, June 21, 12
  11. 11. Domain Archaea • 1977 - Woese et al.: rRNS törzsfák alapján a korábbi prokaryota csoportosítás két alapvetően különböző élőlény csoportot tartalmaz, Archaea biokémiailag jelentősen eltér Bacteria-tól • Eukarya legközelebbi rokonai • Nem peptidoglikán alapú sejtfal, DNS hiszton fehérjékkel asszociálódik, cirkuláris genom, transzláció Met-el keződik, gének operonokba csoportosulnak, nincs RNS splicing, sejt és genom mérete az Eukaryota-kénál 100x kisebb. • Első felfedezésük: extrém élőhelyen, de általánosabb élőhelyeken is tömegesen előfordulnak. A globális ökoszisztéma egy jelentős részét teszik ki.Thursday, June 21, 12
  12. 12. Domain Eukarya • Modern endoszimbiótikus elmélet: Sagan, L. On the origin of mitosing cells. Journal of Theoretical Biology 14, 255-274 (1967). • Az eukaryota sejt kb. 2.1 milliárd éve jelent meg egy archaea és egy α- proteobacteria szimbiozisának eredményeképpen, utóbbiból mitochondria létrejötte • Archaea eredetű gének: információ feldolgozás, gén expresszió, repair Bacteria eredetű gének: operációs feladatok, metabolizmus, membránok • Eukaryota sejt tulajdonságaihoz a genetikai komplexitás növekedése szükséges. Az ehhez szükséges energiát a mitokondrium biztosította - Lane, N. & Martin, W. The energetics of genome complexity. Nature 467, 929–934 (2010) • Nucleus, sejtorganellumok (ER, GC, mt, pt, lys, etc), citoszkeletális rendszer • Többsejtűség kialakulásához szükséges: Fejlett genetikai reguláció, CAM-ek (Cell Adhesion Molecules), ECM (Extracellular Matrix), intra és intercelluláris jelátviteli útvonalakThursday, June 21, 12
  13. 13. Tree of Life (2012 közepe)Thursday, June 21, 12
  14. 14. LUCA nem az első élőlény Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította. A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?Thursday, June 21, 12
  15. 15. LUCA nem az első élőlény Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította. A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer? Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.Thursday, June 21, 12
  16. 16. LUCA nem az első élőlény Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította. A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer? Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt. Hanem elkezdünk a tudományos módszertan segítségével lehetséges válaszokat keresni. Thomas Cech, 1982: RNS enzimatikus funkciójának felfedezése Walter Gilbert, 1986, Nature: RNS-világ a modern sejtek megjelenése előttThursday, June 21, 12
  17. 17. RNS-világ pre-RNS világ: molekulák, melyek alkalmasak voltak saját maguk szintézisét katalizálni, és nyersanyagokért versengeni. darwini evolúció kezdete. Első kémiai reakciókat irányító variábilis örökítőanyag kialakulása. RNS-világ: az információ átörökítéséért és reakciók katalizálásáért felelős molekula a bonyolultabb RNS lett. • Ribozimok: fontos kémiai reakciók katalízise (peptid-kötés formálódás), RNS-ek feltekeredési képessége • Információ tárolás, limitációkkal Szintézishez kooperatív rendszer kell - Kompartmentalizáció, amfipatikus molekulákból vesicula kialakulása. Fehérjék és DNS megjelenése: változatosabb reakciók, több funkció, az örökítőanyag sokkal biztonságosabb tárolása.Thursday, June 21, 12
  18. 18. In vitro molekuláris evolúcióThursday, June 21, 12
  19. 19. In vitro ribozim evolúció Mivel a kezdeti RNS replikátor elveszett, csak kisérleti úton lehetséges az RNS-katalizált RNS replikáció vizsgálata. Wochner et al., Science, 2011: R18 RNS-polimeráz ribozim in vitro szelekciója. Cél: minél hosszabb RNS szakaszt, minél jobban szintetizáló ribozim, lehető legkisebb minta dependenciával. 100.00 75.00 • in vitro evolúció, 50 millió random mutációval, templát dependencia sikeres csökkentés, szintetizált szakasz 50.00 hosszának komoly növelése R18-tól 25.00 • egyetlen gyorsítási beavatkozás: új 5’- domén feltétele a ribozimra 0 R18 C19 tC19 tC19Z Szintetizált RNS hosszaThursday, June 21, 12
  20. 20. Pinheiro,V. B. & Holliger, P. The XNA world: progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology (2012) Genetikai rendszerek de novo előállítása Potenciális alkalmazás: szintetikus biológia (biztonságosság fokozása)Thursday, June 21, 12
  21. 21. Bibliográfia • Bruce Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell • Berg Biochemistry • Wochner et al., Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active Ribozyme, Science, 2011; 10.1126/science.1200752 • Douglas L. Theobald, A formal test of the theory of universal common ancestry, Nature, 2010; 10.1038/nature09014 • Szostak et al., The Origins of Cellular Life, Cold Spring Harbor Prespectives in Biology, 2010; 10.1101/cshperspect.a002212 • Steven A. Benner, Defining Life, Astrobiology, 2010; 10.1089/ ast.2010.0524Thursday, June 21, 12
  22. 22. Köszönöm a figyelmet!Thursday, June 21, 12

×