Upload
zbigg
View
33
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
woluc
Citation preview
Jerzy Dzik
Instytut Paleobiologii PAN
Instytut Zoologii UW
2015
FILOGENETYKA
Ewolucja 7.
polimeraza bakterii termofilnych
do naprzemiennego rozplatania nici
DNA i przyczania
syntetycznych odcinkw DNA (primers) do kracw sekwencji
polimeraza DNA dobudowuje wtedy
dodane do roztworu trifosforany
deoksyATP, dCTP, dGTP i dTTP
PCR
amplifikacja
podwyszenie temperatury nie niszczy polimerazy
termocykler do PCR
Kary B. Mullis(1944) 1984 udoskonali PCR
1976 reakcja Sangera: podstawienie
do syntezy DNA dideoksyrybozy (bez OH-
na kocu 3) blokuje dalszy wzrost nici
jeli do ddATP, ddCTP, ddGTP i ddTTP doczy maoczsteczkowe zwizki fluoryzujce, mona rwnoczenie rozpoznawa cztery nukleotydy w UV
DNA
sekwencjonowanie
sekwenator DNA
kolejno odcinkw
DNA na elu z elektroforezy
procedura jest zautomatyzowana
automatyczne oznaczenia spektrofotometryczne
nie cakiem jest to zgodne z waciwym rozumieniem homologii
HOMOLOGIA
sekwencji
geny operonw biaek rybosomalnych (sequence alignement)
Barloy-Hubler et al. (2001)
homologia molekularna identyfikowana
na podstawie zgodnoci sekwencji
ortologia midzy genomami
paralogia midzy wspwystpujcymi genami rezultat duplikacji genowej
sumowana jest liczba identycznych nukleotydw w homologicznych pozycjach midzy kad par gatunkw
uzyskuje si drzewo, w ktrym do kadego wza doczana jest para odgazie (neighbour joining)
dodatkowe kryterium optymalizacji to najmniejsza moliwa sumaryczna dugo gazi drzewa (minimum evolution)
podobiestwo niekoniecznie cile koresponduje z ewolucj
FENETYKA
analiza zgodnoci cech
Robert R. Sokal (19262012)
sumowana jest liczba zmian nukleotydw w kadym z moliwych ukadw gatunkw na kladogramie
wybiera si drzewo o moliwie najmniejszej liczbie substytucji nukleotydw (maximum parsimony)
dy si do drzewa odzwierciedlajcego ewolucj
rna intensywno substytucji w gaziach deformuje drzewo (long branch attraction)
KLADYSTYKA
analiza rozprzestrzenienia cech
PAUP
PHYLIP
Hennig86
MacClade
MrBayes
wybr najprostszej drogi przemian czyli metoda parsymonii (PAUP phylogeny analysis using parsimony)
ale prawdopodobiestwo substytucji jest rne
pewna cz zgodnoci jest skutkiem rewersji
mona to uwzgldni przy konstruowaniu drzewa
ANALIZA
kladystyczna
I G A T C C T A G G C
II G G T C A C A T G T
III G G T C A T A T C T
IV G A T A C C A G C A
w sumie
pokrewiestwo takie wymaga
12 zmian w caej sekwencji: 0 2 0 1 2 1 0 2 2 2
A(IV) (I)A
\____/
/ \
G(III)(II)G
analizowane sekwencje:
jednostkowa analiza pokrewiestw:
niezbdne 2 zmiany
inna czsto wymiany puryny na puryn ni pirymidyn; pewne kolejnoci mutacji s rzadsze od innych
mona na tej podstawie oszacowa prawdopodobiestwo wygenerowanego drzewa (metoda maximum likelihood)
OCENA
prawdopodobiestwa drzewa
technika czasochonna przy dugich sekwencjach
Joseph Felsenstein (1942-)
punktem wyjcia drzewo z jednakowym (lub arbitralnym) prawdopodobiestwem substytucji
szacowane jest prawdopodobiestwo a posteriori przynalenoci nowych danych do drzewa
uwzgldnia zmiany tempa substytucji w gaziach
SZYBSZE
podejcie bayesowskie
drzewo zyskuje wewntrzn spjno przez waenie danych
Thomas Bayes (1702-1761)
technika bootstrap: wielokrotne generowanie drzew
z losowo wybranych wycinkw sekwencji ze zmianami
rezultaty porwnywane z pierwotn wersj drzewa
zgodno rozgazie oceniana w procentach oporno na zmiany sekwencji (wiarygodne od 70%)
OCENA
wiarygodnoci drzewa
pomaga oceni, czy dodatkowe dane mogyby zmieni ksztat drzewa
1962 Emile Zuckerkandl & Linus Pauling: zaoenie staego tempa zmian w okrelonym typie czsteczki niezalenie od organizmu
tylko substytucja prowadzca do zmiany aminokwasu moe by przejawem ewolucji pod wpywem doboru naturalnego
koncepcja rwnomiernie tykajcego zegara do takich sytuacji nie przystaje
Emile Zuckerkandl (1922-2013)
ZEGAR
molekularny
kladogram jest deformowany przez rne tempo zmian
tempo substytucji w homologicznych genach
(biakach) bywa dramatycznie odmienne
nieuwzgldnienie tego prowadzi do dogbnej deformacji drzewa (long branch attraction)
czasem porwnanie tempa przemian rnych genw w tych samych liniach umoliwia wyeliminowanie tego znieksztacenia
tempo mutowania jest generalnie wiksze w skrajnych warunkach
KALIBROWANIE
zegara molekularnego
pa
jc
za
ki
ow
ad
y
wije
Peterson & Butterfield (2005)
MICROSPORIDIA
a grzyby
rRNA
bez mitochondriw
Keeling et al. (2000)
-tubulina
skrajne beztlenowe warunki ycia zwikszaj generalne tempo substytucji
w rezultacie "przeciganie linii"
ale biaka istotne funkcjonalnie zmieniaj si wolniej
pokrewiestwa pasoytw trudne do badania
to przykady ewolucji rwnolegej
ORGANIZMY
bez mitochondriw
Trichomonas
Giardia
Diplomonadida
ameba ze szcztkow wici Pelomyxa
pasoytnicze eugleny
mitochondria utraciy jednokomrkowce yjce w beztlenowym rodowisku, gdzie nie mona pozyskiwa energii z oddychania
geny mitochondialne pozostay w ich jdrach
Fibrillanosema
Microsporidia
pasoytniczy grzyb
ARCHEOBAKTERIE
a long branch attraction
Archaea
Prokaryota
Eukaryota
relikty ycia sprzed miliardw lat czy long branch attraction?
cakowicie odrbny klad na drzewie rodowym rRNA
yj w warunkach przypominajcych te w erze archaiku
rRNA
Carl R. Woese (1928-2013)
1977 krlestwo Archaea
mikrosporidia
BAKTERIE
skrajnych rodowisk
dzisiejsze organizmy o nadzwyczajnej odpornoci nie s pierwotne
Patrick Forterre (1949-)
1996 wtrno Archaea wtrno odwrotnej gyrazy
zabezpieczenia przed mutagennymi warunkami:
enzymy dodatkowo zwijajce chromosom
wizania eterowe w bonie trwalsze od estrowych
ryboza w RNA bez grupy OH (metylacja)
Forterre (1996)
odwrotna gyraza Thermotoga
POCHODZENIE
archeobakterii
pili
Methanothermus
Methanococcus
budowa komrki nie jest pierwotna
pseudomureina metanobakterii
cakiem pna ewolucyjnie
powstay w wyniku adaptacji do hipertermofilnoci lub halofilnoci
archeobakterie nieistotne dla zrozumienia pocztkw ewolucji Cavalier-Smith (2012)
obie podjednostki rRNA
dane molekularne przeamay kryzys zoologii ewolucyjnej
zwierzta okazay si krewniakami grzybw (Opisthocontae)
a w ich ewolucji morfologicznej
duo jest wtrnych uproszcze
grzyby
gbki
ebropawy
jamochony
bona podstawna u larw
bona podstawna u dorosych
wikszo drzew molekularnych jest jednak niespjna logicznie
Medina et al. (2001)
POCHODZENIE
zwierzt
OGRANICZENIA w homologizacji moleku
ewolucja wymazaa wikszo pierwotnej informacji genetycznej
wnioskowania molekularne nie przeami zaniku sygnau filogenetycznego
alignement utrudniony wtedy nawet przy
uwzgldnieniu struktury drugorzdowej
filogeneza 28s rRNA, dopasowanie z
uwzgldnieniem struktury drugorzdowej
Mallatt et al. (2009)
PROBLEM filogenetycznego bezsensu
gazie w niewaciwym pooeniu
drzewa molekularne czsto pokazuj pokrewiestwa ewidentnie faszywe
oczekuje si zgodnoci wynikw z rnych zestaww danych
ale s nierozstrzygalne sprzecznoci midzy anatomi a molekuami
Mallatt et al. (2009)
filogeneza 28s rRNA, dopasowanie z
uwzgldnieniem struktury drugorzdowej
efekt rewersji i homoplazji podobny na poziomie morfologii i moleku
PRZYCZYNY sprzecznoci
homologiczne gazie D drugorzdowej struktury 28S rRNA
uproszczenia zamazuj obraz filogenezy
Mallatt et al. (2009)
wieloszczet
wirek
bezjelitowy
wieloszczet
pasoytniczy
arbitrem jest paleontologia
stawonogi
pratchawce
niesporczaki
oblece
szkarupnie pstrunowce strunowce
pazice miczaki piercienice czukowce
gbki parzydekowce
ebropawy
FILOGENEZA
molekularna zwierzt
Ecdysozoa liniejce
Spiralia planktonowa larwa, spiralne bruzdkowanie
Deuterostomia prawdziwa celoma i odbyt w miejsce pragby to plezjomorfie!
Dunn et al. (2008)
interpretacja sprzeczna z tradycyjn ale zgodna z paleontologi
Armstrong (2002)
embrion
ebropawa
Xenusion kambr 540 mln lat
Lobopodia
Nemathelminthes
OGNIWO WICE Ecdysozoa
od pocztku kambru wylinki
zwierzt o pokroju pratchawca ale morskich
terminalny otwr gbowy jak u Tardigrada
anatomicznie porednie midzy niesporczakami a oblecami
Dzik & Krumbiegel (1989)
Dzik (2003)
w kambrze liczne stadia porednie midzy Xenusia i stawonogami
PRZEJCIA midzy typami
Dzik (2011)
radialny
aparat
gbowy
odna chwytne
przedmiotem sporw jest wci budowa odny pozagbowych
PIERWSZE
kambryjskie stawonogi
stawong Anomalocaris
Burgess
520 Ma
Anomalocaris jako stawong: zesklerytyzowane czony co najmniej pierwszej pary odny, oczy zoone, zagita do tyu gardziel
dziedzictwem po oblecach radialny aparat gbowy i ryjek
jak wic wyglda wsplny przodek wtroustych?
regulacja rozwoju centralnego ukadu nerwowego krgowcw taka jak jelitodysznych
lancetnik i osonice s uwstecznione pod tym wzgldem
w kambrze jelitodyszne filtratorami
budujcymi organiczne rurki
Pani et al. (2012)
ZASTANAWIAJCA konfiguracja pokrewiestw
ekspresja homologw genw regulujcych rozwj mzgu
Spartobranchus
kambr 530 Ma
Caron et al. (2013)
miomery?
gonady
oczy? struna grzbietowa
gardziel
uki skrzelowe aorta brzuszna
YUNNANOZOON
najstarszy strunowiec
miomery?
aorta brzuszna
grzbietowe pooenie blokw miniowych
zgodne z rozwojem zarodkowym lancetnika
deuterostomia i enterocelia to plezjomorfie
Yunnanozoon (=Haikouella)
kambr 530 Ma
Branchiostoma dzi
skamieniaoci sugeruj to samo co embriologia
Dzik (1995)
enterocoel
bruzdkowanie
radialne
anus
stoma
embriogeneza
jeowca
plezjomorfie cechy pierwotne (syn)apomorfie swoiste cechy zaawansowania
grzbietowe
miomery
jelito
szczeliny
skrzelowe
uchyki jelita
PRAPRZODEK
Bilateria
grzbietowe
komory
miniowe
Dickinsonia wend 555 Ma
uchyki jelita
seryjne wypustki jelita, gonady midzy nimi, i grzbietowe komory miniowe
mog by plezjomorfiami dla Dipleurozoa i wszystkich dwubocznych zwierzt
oraz ebropaww?
niezalene interpretacje wiod do jednego rezultatu
uchyki jelita
Bjerring (1984)
Dzik (2004)
Long (2000)
nie ma spjnej teorii wyjaniajcej genez miczakw
TAJEMNICA
pochodzenia Spiralia
limakPelagiella kambr 510 Ma
Sutton et al. (2001)
chiton? Acaenoplax
sylur 430 Ma nie ma podeszwy
Dzik & Mazurek (2013)
chaetae
Thomas et al. (2012)
mucro
limakAldanella kambr 540 Ma
kambryjskie limaki miay szczecinki
lady pezania miczakw od pnego kambru
pierwsze miczaki podobne do wieloszczetw
rozkad miertelnoci
prawdziwy limak Holopea ordowik 450 Ma
coraz mniej sprzecznoci
KONGRUENCJA
moleku i skamieniaoci
SPIRALIA
(Lophotrochozoa)
ECDYSOZOA
DEUTEROSTOMIA