Evoluce genů

Obsah

• materielní substrát genů

• vnitřní periodicita genů

• původ exonů a intronů

Obsah

• materielní substrát genů

• vnitřní periodicita genů

• původ exonů a intronů

Každý gen vzniká z genu

• genealogické vztahy mezi geny

• genové rodiny a nadrodiny – eukaryota asi 750 rodin (650-10000), každá v průměru 50 členů, 90 % velmi vzácných

• motivy a moduly

Mechanismy vzniku nových genů• vznik z nekódující sekvence, vzácné u vyšších 1-5 za mil. let u

savců, 5-10 za mil. let u drozofil, ale stovky u kvasinky, některé Ns/Nn > 1

• postupná transformace a změna (nebo obohacení) funkce• genové fúze• otevírání nových čtecích rámců• mezidruhový přenos (transformace, hybridizace, syngenese) • Přenos organelové DNA (promiskuitní DNA)• genová duplikace (vymizení 3-7 mil. let, změna funkce)• Celogenomová duplikace, WGD (obratlovci 2x) • vznik z nadbytečné kopie u diploidů

mutace

genová duplikace

crossing over

Vznik novéhu genu u diploida

Mechanismy vzniku nových genů

• postupná transformace a změna (nebo obohacení) funkce

• genové fůze• otevírání nových čtecích rámců• mezidruhový přenos (transformace, hybridizace,

syngenese)• Přenos organelové DNA (promiskuitní DNA)• genová duplikace• vznik z nadbytečné kopie u diploidů• genomová duplikace

Obsah

• materielní substrát genů

• vnitřní periodicita genů

• původ exonů a intronů

TACACGATACAAAAAACATGAAGATCACTGTTCTCTTTACAGTTACTGAGCACACAGGACCTCACCATGGGATGGAGCTGTATCATGCTCTTCTTGGCAGCAACAGCTACAGGTAAGGGGCTCACAGTAGCAGGCTTGAGGTCTGGACATATACATGGGTGACAATGACAATGACATCCACTTTGCCTTTCTCTCCACAGGTGTCCACTCCCAGGTCCAACTGCAGCAGCCTGGGGCTGAGCTTGTGAAGCCTGGGGCTTCAGTGAAGCTGTCCTGCAAGGCTTCTGGCTACACCTTCACCAGCTACTGGATGCACTGGGTGAAGCAGAGGCCTGGGCGAGGCCTTGAGTGGATTGGAAGGATTGATCCTAATAGTGGTGGTACTAAGTACAATGAGAAGTTCAAGAGCAAGGCCACACTGACTGTAGACAAACCCTCCAGCACAGCCTACATGCAGCTCAGCAGCCTGACATCTGAGGACTCTGCGGTCTATTATTGTGCAAGACACAGTGTTGCAACCACATCCTGAGAGTGTCAGAAAACCTGGA

Původ periodicity

• mechanismus protoreplikace

• podporuje vznik pravidelné terciální struktury

• adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu

• vedlejší produkt genetického tahu

Mechanismus protoreplikace

Adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu• Větší odolnost proti posunové mutaci

• Delší otevřené čtecí rámce u protogenů

• Obrana proti náhodnému zahajování transkribce

Větší odolnost proti posunové mutaci

AAT GCC ATA ATG CCA TAA TGC CAT AAT GCC ATA... 

 AAA TGC CAT AAT GCC ATA ATG CCA TAA TGC CAT...

A

AATGCCAT

Adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu• Větší odolnost proti posunové mutaci

• Delší otevřené čtecí rámce u protogenů

• Obrana proti náhodnému zahajování transkribce

Delší otevřené čtecí rámce u protogenů

• náhodné 300 nukleotidů dlouhé nukleotidové řetězce, potom jen 0,82 % z nich nebude obsahovat žádný terminační kodón a bude tak kódovat souvislý protein délky 100 aminokyselin (30x 10NK – 60%)

• vznik nového proteinu posunem čtecího rámce• více čtecích rámců ve stejném úseku DNA• Snadnější vznik uspořádané terciální struktury

Adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu• Větší odolnost proti posunové mutaci

• Delší otevřené čtecí rámce u protogenů

• Obrana proti náhodnému zahajování transkripce

Obrana proti náhodnému zahajování transkripce

• V lidském genomu o délce 3000 Mb je přibližně 30-40 tisíc genů. To znamená, že zde jsou jednotlivé geny od sebe v průměru odděleny nekódujícími úseky DNA o délce řádově 100 tisíc nukleotidů.

• častý motiv nekodujících úseků: AGCTG AGCTG AGCTG GGGTG. Cílové místo pro RNA polymerázu II: TATAAATA

Původ periodicity

• mechanismus protoreplikace

• adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu

• vedlejší produkt genetického tahu (přesah do oblasti intronů)

TACACGATACAAAAAACATGAAGATCACTGTTCTCTTTACAGTTACTGAGCACACAGGACCTCACCATGGGATGGAGCTGTATCATGCTCTTCTTGGCAGCAACAGCTACAGGTAAGGGGCTCACAGTAGCAGGCTTGAGGTCTGGACATATACATGGGTGACAATGACAATGACATCCACTTTGCCTTTCTCTCCACAGGTGTCCACTCCCAGGTCCAACTGCAGCAGCCTGGGGCTGAGCTTGTGAAGCCTGGGGCTTCAGTGAAGCTGTCCTGCAAGGCTTCTGGCTACACCTTCACCAGCTACTGGATGCACTGGGTGAAGCAGAGGCCTGGGCGAGGCCTTGAGTGGATTGGAAGGATTGATCCTAATAGTGGTGGTACTAAGTACAATGAGAAGTTCAAGAGCAAGGCCACACTGACTGTAGACAAACCCTCCAGCACAGCCTACATGCAGCTCAGCAGCCTGACATCTGAGGACTCTGCGGTCTATTATTGTGCAAGACACAGTGTTGCAACCACATCCTGAGAGTGTCAGAAAACCTGGA

Jeden z možných důsledků existence periodicity – nerovnoměrnost v používání synonymních kodonů

Obsah

• materielní substrát genů

• vnitřní periodicita genů

• původ exonů a intronů

0,3 3 30celková délka exonů (kbp)

0,1

1,0

10

100

celk

ová

délk

a in

tron

ů (k

bp)

obratlovci Caenorhabditis Drosophila Neurospora Saccharomyces Coprinus mikrosporidie Distiostelium Physarum Acanthamoeba zelené rostliny Chlamydomonas ruduchy Paramecium Tetrahymena Plasmodium Toxoplasma Phytopthora Naegleria Entamoeba Leishmania Trypanosoma trichomonády diplomonády Archaebacteria Eubacteria

1 intron/kb proteinového genu

Původ intronů

• Hypotéza časných intronů– introny na počátku (v RNA světě)– introny brzy (na počátku soužití RNA a proteinů)

• Hypotézy pozdních intronů (až v DNA světě)– introny později (v DNA světě, ale před vznikem

eukaryot– introny velmi pozdě (v rámci eukaryot)

samovystříhávající se introny, I, II, III ?

Původ intronů

• Hypotéza časných intronů– vystřihování úseků se stop kodony– geny jakožto lego– koincidence exonů s moduly, předpovězené

introny (leghemoglobin, Culex)– fáze intronů (faze 0 introny korelují s moduly)– staré a mladé introny (lepší korelace u starých)

0

10

20

30

40

50

60

3-1 1-2 2-3

primátiobratlovcibezobratlírostliny

zast

oup

ení (

%)

pozice vůči kodónům

Zastoupení jednotlivých typů intronů

Původ intronů II

• Hypotéza pozdních intronů– fylogenetický předek občas neměl (přibývání

intronů ve fylogenezi), ale neplatí pro řadu skupin, spíše se zdá, že první eukaryot měl mnoho intronů

– parsimonie – opakovaný vznik– chabá koincidence s moduly, třídění z hlediska

funkčnosti (přesun části modulu nefunkční)

Funkční význam intronů

• Evoluční potenciál druhu (vznik nových genů)

• Přepis více typů mRNA z jednoho genu

• Regulace exprese (posuny na nukleosomu)

a)

b)

Posun pozice regulačních elementů na nukleosomu

Funkční význam intronů

• Evoluční potenciál druhu (vznik nových genů)

• Přepis více typů mRNA z jednoho genu

• Regulace exprese (posuny na nukleosomu)

• Obrana proti nelegitimní rekombinaci

slabá homologie - rekombinace neprobíhá

výrazná homologie - dochází k rekombinaci

nefunkční produkty nehomologické rekombinace

paralogy s vysokým stupněm homologie

paralogy s vysokým stupněm homologie v oblasti exonů

funkční nerekombinované geny

a)

b)

Obrana proti nelegitimní rekombinaci

Funkční význam intronů

• Evoluční potenciál druhu (vznik nových genů)

• Přepis více typů mRNA z jednoho genu

• Regulace exprese (posuny na nukleosomu)

• Obrana proti nelegitimní rekombinaci

• Detekce či odstraňování chyb

• Žádná funkce – parazitická DNA

Shrnutí

• Každý gen vzniká z genu• Geny lze uspořádat do genových rodin• Protein je vytvářen z modulů, ty z motivů• Geny často vykazují vnitřní periodicitu• Existence této periodicity má řadu důsledků• Moderní geny eukaryot jsou vytvářeny introny a

exony• Není jasné, kdy a proč vznikl splicing, většina autorů

však předpokládá, že původní geny introny neobsahovaly