Curso de postgrado GENOMICA, PROTEOMICA Y BIOINFORMATICA

UNIVERSITAT DE BARCELONA

U

B

Curso de postgradoGENOMICA, PROTEOMICA Y

BIOINFORMATICADESARROLLO DE ESTRATEGIAS TERAPEUTICAS PARA EL NUEVO MILENIO

Enero 2005

Dr. Jordi Garcia Fernàndez Departament de Genètica Facultat de BiologiaUniversitat de Barcelonae.mail: jordigarcia@ub.edu

Genómica:Genómica

comparada/evolución del genoma

La paradoxa del valor C, o no es una paradoxa?

Cnidarios

AcelomadosPseudocelomados

Protostomados Celomados

Deuterostomados

TriblásticosBilaterales

Celoma

Simetríabilateral

PoríferosDiblásticos

Las grandes transiciones del Reino Animal

Multi-celularidad

Cnidarios

AcelomadosPseudocelomados

Protostomados Celomados

TriblásticosBilaterales

Celoma

Simetríabilateral

Poríferos

Las grandes transiciones del Reino Animal

Multi-celularidad

Vertebrados

Cresta neural, vértebras

Diblásticos

CnidariosAcelomadosPseudocelomados

Protostomados Celomados

TriblásticosBilaterales

CelomaSimetríabilateral

PoríferosDiblásticos

Las grandes transiciones del Reino Animal

Multi-celularidad Vertebrados

Cresta neural, vértebras

Cnidarios

Protostomados Celomados

TriblásticosBilaterales

SimetríaBilateral y celoma

PoríferosDiblásticos

Las grandes transiciones del Reino Animal

Multi-celularidad Vertebrados

Cresta neural, vértebras

AcelomadosPseudocelomados

Cnidarios

Protostomados TriblásticosBilaterales

SimetríaBilateral y celoma

PoríferosDiblásticos

Las grandes transiciones del Reino Animal

Multi-celularidad Vertebrados

Cresta neural, vértebras

Acelomorfos

Ruiz-Trillo y col, 1999, 2002Jondelius y col., 2002Telford y col., 2003Pasquinelli y col., 2003

CelomaSimetríabilateral

Evolutionary Transitions in Metazoans

Protostomes

Deuterostomes

Origin of Bilaterians

Cambrian Explosion

Origin of Vertebrates

Origin of Metazoan

Ohno, S. (1970) “Evolution by Gene Duplication”

Susumu Ohno1928-2000

Propuso que genes extra (duplicados) son material potencial para incrementar la complejidad

Why?

Ohno, S. (1970) “Evolution by Gene Duplication”

Susumu Ohno1928-2000

Propuso que genes extra (duplicados) son material potencial para incrementar la complejidad

Why? “Only the cistron (gene) which became redundant was able to escape from the relentless pressure of natural selection, and by escaping, it accumulated formerly forbidden mutations to emerge as a new gene locus”

Lo que hoy denominamos NEOFUNCIONALIZACION

Ohno, S. (1970) “Evolution by Gene Duplication”

Susumu Ohno1928-2000

Propuso que genes extra (duplicados) son material potencial para incrementar la complejidad

Why? “natural selection merely modified, while redundancy created”

EVOLUTION BY GENE/GENOME DUPLICATION

ps

A

B

A

AC

AB

Innovation

Innovation + redundancy

Inactivation (pseudogene)

NEW

FUNCTION

AA

A

AA

A

AA

A

Mecanismes de duplicació génicaRecombinació no homòloga

No disjunció meiòtica

El (los) complejo(s) Hox

Duplicació: innovació i redundància

L’origen dels vertebrats:invencions evolutives

amniotes ray-finned fishescyclostomes cephalochordates tunicates

Vertebrados

Cordados

La posición privilegiada de anfioxo

ANFIOXO, LANCETA, CEFALOCORDADOS

Phylum Chordata; Subphylum Cephalochordata

•Género Branchiostoma, 28 especies•Género Epigonichthys, 1 especie•Ampliamente distribuidos en mares templados y tropicales•Adultos en hábitats arenosos•Profundidad 0,5-40? m•Reproducción sexual•Sexos separados

•Tampa (Florida, USA)•Quindao (China)•Banyuls (Francia)

10 years later….

Homeobox gene duplication (1994)

Garcia-Fernàndez & Holland, Nature 1994, Holland et al. Development 1994

Although the analyses are sensitive to the imperfect quality of thegene predictions, our results so far are insuficient to settle whethertwo rounds of WGD occurred around 500 Myr ago. It may bepossible to resolve the issue by systematically estimating the time ofeach of the many gene duplication events on the basis of sequencedivergence, although this is beyond the scope of this report. Anotherapproach to determining whether a widespread duplicationoccurred at a particular time in vertebrate evolution would be tosequence the genomes of organisms whose lineages diverged fromvertebrates at appropriate times, such as amphioxus.

Grups de paralogia, sintènia conservada

2R

1. Origen dels metazous1. Origen dels metazous

2. Origen dels Bilateris2. Origen dels Bilateris

3. Explosió Cámbrica3. Explosió Cámbrica

2R a l‘origen dels vertebrats, R en els peixos teleostis

2001 Dec 2002

De qui son quins gens? Comparant l’home i el ratolí

2000

2001

2002

2002

Ratolí / home

2004

Peix / home

Els genomes humà i murí:bricolatge cromosòmic

NCBI 2003

Paralogia dins de paralogia, i mes sintènia…?

El (los) complejo(s) Hox

Origen y evolución de los complejos Hox y ParaHox

UrProtoHox gene

Hox-like cluster segmental TANDEM duplication

Evx/Mox ancestor

Coupled Hox-like cluster Primordial Hox cluster + EvxPrimordial ParaHox cluster + Mox

Coupled Hox-like cluster BREAKAGE

Primordial ParaHox cluster Primordial extended Hox cluster (Mox + Primordial Hox + Evx)

Ancestral Hox-like cluster(ProtoHox cluster + Evx/Mox ancestor )

UrProtoHox-like

ParaHox cluster (origin of vertebrates) Extended Hox cluster (origin of vertebrates)

ParaHox A

ParaHox B

ParaHox C

ParaHox D

Hox A

Hox B

Hox C

Hox D

Vertebrate duplicationsVertebrate duplications

AP/DV eMS BGaNS EX

CNIDARIA

Acoelomorpha

Hox y Eubilateria (transicions)

L

E

DBilateralitat Celoma

Baguñà, 2002

AP/DV eMS BGaNS EX

CNIDARIA

Acoelomorpha

Hox y Eubilateria (hipòtesi)

PG3 Central Posterior

1/2 9/13

Anterior

Evx

Gsh Cdx Mox

L

E

D

PG3 Central Post

1 2 3 4 5 6/8 9/13 Evx

Gsh 3 Cdx MoxE/MAnterior

Gsh

PG3 Central Posterior

1/2 9/13

Anterior

Evx

Cdx MoxXlox

2 Hox (A+P)2 ParaHox (A+P)

+ 2 HOX + 1 ParaHox Expansió Hox central 1 3

Garcia-Fernàndez, Hereddity (en prensa)

AP/DV eMS BGaNS EX

CNIDARIA

Acoela

Transicions

L

E

D

Multicelularitat

Simetría

PORIFERA

ProtoHox?

CNIDARIA

Acoela

Perspectives

L

E

D

Multicelularidad

Simetría

PORIFERA

CHOANOFLAGELLATA

eMSAP/DV BGaNS EX

Comunicación celularcombinatoria de dominios

King & Carroll, 2001

King et al., 2003

Grandes transiciones del Reino Animal

D

CNIDARIA

Acoela

L

E

PORIFERA

eMSAP/DV BGaNS EX

CHOANOFLAGELLATA

Simetría

Bilateria

Eubilateria

Vertebrados

Multicelularidad

Grandes transiciones del Reino Animal

D

CNIDARIA

Acoela

L

E

PORIFERA

eMSAP/DV BGaNS EX

CHOANOFLAGELLATA

Nemertodermatida

Multicelularidad

Simetría

Bilateria

Eubilateria

Vertebrados

Cys-cluster

Leu-rich motif

Cys-cluster

Cys-cluster

Leu-rich motif

Cys-cluster

N-terminal

extension

Ror-like

Cys domains

Kringle

domainIgG-C2 IgG-C2

IgGV

IgG-C2

Extracelular

Intracelular

TrkA

TrkB

TrkC

Ltrk Dror/Dnrk Dofftrk

TK TK TK TK

Kesteren et al, 1999

AmphiTrk

-C2

-

-Cys cluster

Leurich motif

Cyscluster

IgG

TK

-

Caracterización Estructural de AmphiTrk

TrkA/TrkB/TrkC

AmphiTrkAmphiTrk

Cysteine Cluster

Leucine Rich Region

IgG-C2 domain 1

IgG-C2 domain 2

Tyrosine Kinase domain

Transmembrane domain

Domain shuffling, exon shuffling?

“Promiscuity” mini-exon9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Shc/SNT tansduction domain

1 2 3 4 5 6-7 8 9-10 11-12 13-14 15 16 17

Modulos/Kits/Redes/GRN

PDX1MED

HNF1bNeuroD-E2A

Ngn3-E2A

Nkx2.2

Nkx6.1

HNF6

HNF1

FoxA2

FoxA3

Isl1

HNF4

FoxA1

FoxO1

Pax6Pax4

Gli2

Hes1

Notch2Notch1

Jagged1 Dll1

mafA < =? >

Ptf1a

MIST1

nr5a2

Insulin Glucagon Brn4

Amylase

Regulatory interactions during pancreatic developmentRegulatory interactions during pancreatic development, by Jan Jensen. Barbara Davis Center for Childhood Diabetes, U. Colorado Health Sciences Center.

HlxB9

Pbx1

Pax2

PDX1HIGH

Sox9

Sox17 Prox1

Shh

Gut

Six3

L-Maf

Eye

Eye

Eye

FoxA2

Eye

HNF1

Exocrine Transcription

Alpha-cell TranscriptionBeta-cell Transcription

GATA4

Cdx2

IFABPIntestinal Transcription

GATA6

CasanovaMixer/Bon

Nodal

ENDODERM

C/EBP-

CellcycleExit

Oct4

Comment on auto-regulation arrows:Green: The gene acts by a self-sustainable mechanism – intrinsic stability of networkRed: The gene may act by a threshold mechanism – intrinsic instability of network

Suc/Isom.

Cdx1Wntcat.

X.L

Z.F

Z.FZ.F

Jagged2

Notch signaling

Pancreas Determination

Activin or nrfX.L

Pax4

Hex

SMAD1/SMAD4

BMP

Pancreas

Documented interaction, positiveDocumented interaction, negative

AutoregulationSuggested interaction, not provenExtra-cellular signaling

Z.F

X.L

Link demonstrated in ZebrafishLink demonstrated in Xenopus LaevisDocumented interaction, not in pancreas

?

Hyperlink, review on subject

Symbols

??

COUP-TFII

LIVER TRANSCRIPTION

?

?

FGF10Indirectly

?

Eye

HNF4

Core Endodermal program

Hyperlink, description of targeted mutation of gene

/SMAD4/

How to use this file:

1. Download file to disk. 2. Open File by double clicking. Select “slideshow” option in

PowerPoint (PC: press F5). Within the slideshow, point-and-click on arrow, gene, or

symbol for exiting to hyperlinked information. Hyperlink information will display when

hovering over symbol. Clicking within non-linked areas will terminate the slideshow. Press

F5 to resume slideshow. For best results, a 17’’ screen, or larger, is recommended.

Comment on targeted mutation links:Studies of the genes by targeting mutations may have been performed by several independent groups, and several publications may exist regarding a particular gene. Furthermore, independent targeting may have been performed, as is the case for e.g. Pdx1, HB9, Ptf1a, NeuroD. Here, each link branches out only to one given study. Please consult the text for additional information to other references having provided information about the role of the gene in pancreatic development using a targeted mutation approach.

Via nkx2.2?SMAD2/SMAD4/SMAD4

Via Sox17 or Mix?

Gut

Gut

GutGut

Endoderm Establishment

Also involving most members of the core endodermal program

Endocrine fate Allocation

1.- Invención de dominios proteicos2.- Ensamblaje de dominios proteicos

-exon shuffling-duplicación intragénica

3.- Creación de redes génicas4.- Redes génicas complejas

-duplicación de redes-conexiones entre redes

Niveles de complejidad en la evolución génica ygenómicaAntonio García-Bellido

Duplicación génica /Regulació génica (co-opció)

Genòmica comparada• conservació de grans regions genòmiques en diferents organismes (conservació de la sintènia)• evolució del genoma/bricolatge genòmic• duplicacions i poliploiditzacions• Complexitat del genoma/complexitat de l’organisme • Inferències a partir de sintènia• Sintènia del genoma ancestral• Reordenaments desprès de la duplicació• %Perdua/Divergència gènica

Evidència de duplicacions genòmiques-Saccharomyces cerevisae-origen dels vertebrats-Llinatges particulars

-Xenopus-Teleòstis-Planàries

-Llinatges de plantes