Upload
doandat
View
237
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Evolucija gena(broj i funkcija)
Evolucioni trendovi
Povećanje:
veličine genoma
intergenske DNK
broja mobilnih elemenata
broja kodirajućih gena
broja i veličine introna
Duplikacije genoma i pojedinačnih gena
duplikacija čitavih regulatornih mreža i intergenskih interakcija
koevolucija “dupliranog partnerstva”
nastanak novih funkcija
-geni sa više interakcija i plejotropije-paleopoliploidije: geni za transkripcione faktore, ribozomske funkcije, transdukciju signala, razviće i sl.
povećanje doze samo jednog proteinskog produkta
kompeticija za interagujući protein
povećana verovatnoća pseudogenizacije
-geni sa manje plejotropnih efekata-kod biljaka – geni za sekundarni metabolizam i biotičke stresore
Starost duplikacija
Određivanje starosti duplikacija
Paranomi – kolekcije dupliranih (paralognih) gena
2SK
T T – vreme divergencije dva nukleotidna nizaKS – proporcija sinonimnih mutacija između dva nukleotidna niza
λ – prosečna stopa nukleotidnih zamena
Poliploidije
Značajne uloge u evoluciji svih eukariotskih genoma
drevne paleopoliploidije - visoka konzervisanost genskih familija Alopoliploidije
Autopoliploidije
Poliploidija kod biljaka Fosilne angiosperme – predački broj hromozoma 7 – 9
Najmanje 70% cvetnica i 95% mahovina i paprati - poliploidna specijacija (pre svega alopoliploidiju) u evolucionoj prošlosti
Arabidopsis thaliana – primer poliploidije Analiza 7000 multigenskih familija
Tri runde potpune duplikacije genoma
1R – pre 101 - 168 mil.god.
2R – pre 66 - 109 mil.god.
3R – pre 24 - 40 mil.god.
Preferencijalno zadržani geni – za TF, transdukciju signala, razviće (duboko umreženi)Ali i geni za - odbranu biljaka od abiotičkih stresora (suša, niske temperature, slanost zemljišta, itd.)
raspad Pangee, porast CO2
Poliploidija kod biljaka
Analiza velikog broja genoma i paranoma (Jiao et al., 2011): Kod svih biljaka sa semenom (Spermatophyta) – 2 potpune
duplikacije genoma:
pre oko 319 mil.god. – poslednji zajednički predak svih Spermatophyta
pre oko 192 mil.god. – poslednji zajednički predak svih angiospermi
Dodatne poliploidije u različitim evolucionim linijama
Analiza Hox gena (“jata”): Cefalohordate – 1 jato
Kolouste – 2 do 3 jata
Kičmenjaci sa vilicom (od riba do sisara) – 4 jata
↓
Dve runde duplikacije (analiza 55 genskih familija)
1R – prekambrijska era
2R – pre 550 - 520 mil.god. (kambrijska eksplozija)
kod košljoriba 3R – pre 350 - 236 mil.god. (masovno izumiranje između Perma i Trijasa)
Poliploidija kod kičmenjaka
Pikaia
Haikouichthys
Myllokunmingia
Poliploidija i adaptivna radijacija
Heteroza i veliki broj regulatornih mreža → veća tolerancija na ekstremnije uslove → invazivnost u nova staništa
Model “recipročnog gubitka gena” Nakon poliploidije, populacije diferencijalno gube gene → evolucija
genetičke inkompatibilnosti → post-zigotska izolacija Promene su prvo u regulaciji ekspresije gena.
Poliploidne grupe imaju više vrsta: Košljoribe - preko 20 000 vrsta Poaceae - preko 10 000 vrsta (nastanak trava nakon duplikacija pre 70-
50 mil.god.) Leguminoze - preko 19 000 vrsta (duplikacije pre adaptivne radijacije)
Duplikacije pojedinačnih gena
Rezultat nejednakog krosing-overa
Procenjena stopa novih kopija 0.001 do 0.017 po genu na mil.god.
Posledice: Povećanje verovatnoće nejednakog krosing-overa
Koincidentna evolucija
homogenizacija članova multigenske familije (usporavanje divergencije)
zajednička evolucija članova multigenske familije
Koincidentna evolucijaKonverzija gena – jednosmerni transfer DNK niza sa jednog gena
na drugiMolekulsko vođenje (molecular drive) – neproporcionalno učešće
jedne DNK sekvence kao donorske
Sve dok su duplirani geni dovoljno slični evoluiraće na sličan način!
Evolucija paralognih kopija
Uloga selekcije: Velike multigenske familije sa identičnim kopijama gena (genske
familije za histone, tRNK, rRNK) – prednost velike količine proizvoda i koincidentna evolucija
Favorizovanje povoljnih mutacija u kopijama (promene vremena i mesta ekspresije paralognih kopija) – divergencija gena
Pseudogenizacija česta u multigenskim familijama
Selektivno favorizovanje promene broja članova familija gena Analiza 9990 familija gena sisara – 1.6% brže promene u broju članova
nego što se očekuje po neutralnom modelu (imunski odgovori, transkripcija, translacija, razviće neurona, međućelijska
komunikacija, itd.) Korelacija između broja članova familija gena i broja tipova ćelija
Nastanak novih (funkcija) gena
Bez duplikacija: Ortologni geni u različitim evolucionim linijama akumuliraju
različite mutacije → promena funkcije gena
Kooptiranje novih funkcija istog DNK niza (vrbovanje gena) –“genetička piraterija”: mutacije u regulatornim elementima → gen pod kontrolom novih
transkripcionih faktora → “funkcionalna plejotropija”
Kristalini (strukturni proteini sočiva oka) i enzimi u drugom tkivu BMP familija gena kičmenjaka, itd.
Geni kao generalisti
Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (1.)
Klasičan model:
1. Duplikacija2. Akumulacija mutacija bez nadzora
selekcije3. Nastanak nove funkcije u novim
okolnostima (selekcija)4. Selekcija deluje preko nove
funkcije (mutacije + selekcija)
Model zasnovan na koncepciji “geni kao specijalisti”
gen A
gen B
gen Bgen A
duplikacija
Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (2.)
Izbegavanje adaptivnog sukoba:1. Gen je generalista2. Jedna funkcija povećava adaptivnu
vrednost, a druga je smanjuje
3. Akumulacija mutacija pod nadzorom selekcije
4. Duplikacija i razdvajanje funkcija
5. Funkcionalna specijalizacija kopija (mutacije i selekcija)
Npr. kod kokoške - geni za kristaline i ASL (argininosukcinat lijaza)
gen A
gen A gen B
duplikacija
gen B
Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (3.)
Neofunkcionalizacija:
1. Duplikacija
2. Akumulacija mutacija pod nadzorom selekcije
3. Direkciona selekcija na jednu kopiju i sticanje nove funkcije
4. Prva kopija zadržava originalnu funkciju
Npr. geni za terpenske sintetaze kod smrče,SCPP geni: osifikacija, zubna gleđ, kazein u
mleku sisara
Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (4.)
Subfunkcionalizacija (“duplikacija-degeneracija-komplementacija”):
1. Gen je generalista2. Duplikacija3. Duplirani geni akumuliraju mutacije
koje u svakoj kopiji inaktiviraju jednu od funkcija
4. Mutacije su efektivno neutralne jer nedostajuću funkciju jedne kopije nadomešćuje druga kopija
5. Selekcija za novu funkciju6. Nove mutacije i selekcija
Horizontalni transfer gena (HTG)
“filogenetska nesaglasnost” – ksenologni geni Između prokariota
Drevne razmene (u genomima bakterija i arhea) Rezistencija na antibiotike i dr. U crevima (razmena između bakterija)
Primarna endosimbioza – drevni HTG i postanak eukariota Sekundarne i tercijarne endosimbioze (između prokariota i
eukariota ili eukariota i eukariota) → “ono si što jedeš” Duže zadržavanje endosimbionta → domaćin preuzima gene
Proširivanje ekoloških niša Endosimbionti sintetišu nutriente za domaćina Konvergentna evolucija između filamentoznih gljiva i oomiceta
11 gena uključenih u osmotrofiju iz gljiva u oomicete
Postanak gena iz nekodirajuće DNK
de novo geni– bez homolognih varijanti Plasmodium vivax – 13 gena Primate – 15 novih gena nakon razdvajanja od linije glodara Čovek - potencijalno i do 600 gena nastalo iz ncDNK samo kod ljudi :
3 gena bez introna – ORF za 121 – 163 AK, unutar introna poznatih gena na suprotnom lancu – nisu poznate funkcije u tkivima gde se javljaju iRNK
4. gen (FLI33706) – u mozgu (neokorteks, cerebelum i srednji mozak) 5 introna, ORF od 194 kodona nastanak nakon insercije Alu (1. egzon) pre 38 mil.god. Kod ljudi: 2 mutacije eliminisale 2 stop kodona
ESRG gen: delovi sekvence postoje kod drugih primata, ali samo kod čoveka je aktivan – esencijalan za održavanje ranih embrionskih stem ćelija (kod majmuna nije neophodan ESRG za ove funkcije)
Pldi gen kod miševa (kod pacova i ljudi neaktivna sekvenca) Protogeni (geni u nastanku) – ORF sa potencijalom vezivanja transkripta za
ribozome Kod kvasca (1900 kandidata) – povećano vezivanje pod stresom!