evolucija arhitekture genoma.ppt

1. Evolucija arhitekture genoma

2. Brzina neutralne supstitucije
 Stopa neutralne supstitucije jednaka je stopi mutacije (v).
 Populacija veličine Ne → 2Ne alela (kopija gena)
Ne
2
1
- ista verovatnoća fiksacije za bilo koji alel
Nev
2 - broj novih alela u populaciji
- verovatnoća fiksacije mutiranog alela po generaciji
v
Ne
Nev 

2
1
2
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

3. 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
Ne
s
2
1

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.

4. 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

5.  Prokarioti:
 0.5 – 9Mb
 do oko 8000 gena
 Eukarioti:
 Više od 100 Mb
 Obično više od 13000 gena (višećelijski)
 Količina energije po genu – Ključna za veličinu genoma
 Mitohondrije neophodne za “finansiranje” eukariotskih genoma
 Mitohondrije snabdevaju ćelije 105 – 106 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).
Pregled veličine genoma
prokarioti eukarioti

6. 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 (eukarioti):
 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

7. Evolucioni trendovi – povećanje:
-veličine genoma
-broja kodirajućih gena
-broja mobilnih elemenata
-broja i veličine introna
-intergenske DNK

8. Koji deo genoma nam govori o fenotipskoj
složenosti?
 “G paradoks” – paradoks broja gena (koji kodiraju proteine)
 Korelacija između biološke složenosti i količine ncDNK!

9. Primer: ljudski genom
30% - intergenska DNK, ponovljeni nizovi
24% - introni
45% - mobilni genetički elementi
2% - egzoni

10. Evolucioni mehanizmi u oblikovanju genoma
Veliki genomi su evoluirali u malim populacijama!
 Smanjenje populacije → povećanje verovatnoće akumulacije
mutacija sa štetnim efektima (genetički drift)
 Veći organizmi → manje populacije
 Prosečna veličina prokariotske populacije 1023 → mali genomi (efikasna
purifikujuća selekcija), mala varijansa u veličini genoma.
Ne
s
2
1

dobitak mt veće ćelije (sporija deoba, manje pop) višećeličnost
male pop.
neutralne mutacije – dodaci genomu (drift)
manja efikasnost purifikujuće selekcije
akumulacija
mutacija
(viškova u
genomu)

11. 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 (slučajnosti) -
usled amplifikacije gena
 Kod eukariota – oblici adaptivne mutageneze inicirani
stresom i mobilnim elementima
 “programi” stresom indukovane mutageneze
 uloga mobilnih elemenata u evolvabilnosti

12. Mobilni genetički elementi kod eukariota

13. 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 cis-regulatorima
 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.

14.  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)
Efekti ME

15. 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!!!

16. 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

17. 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

18. 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
 Fosfogliceratna kinaza 2 u našoj evolucionoj liniji
 PGK 2 – 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
 U ljudskom genomu – 163 retrogena
 25 retrogena su “siročići” – roditeljski geni izgubljeni

19. Molekulska domestikacija ME
 Uloga u nastanku novih gena i funkcija gena domaćina
 Npr. u proteinu PTPN1 (proteinska tirozinska fosfataza) – fragment (egzon)
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 pod uticajem progesterona
 Preoblikovanje regulatorne mreže ekspresije gena u endometrijumu (1500
novih gena aktivno)
 Povećana ekspresija prolaktina (LTH)

20. Molekulska domestikacija ME – V(D)J
RSS – kratki invertovani ponovci – slični terminalnim invertovanim ponovcima DNK
transpozona
RAG1 i RAG2 – imobilizovane autonomne verzije Transcrib familije DNK transpozona

21. 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)

22.  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 oko 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)
Uloga ME u specijaciji primata