32
Evoluce genů
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
