pmfe skripta

mo

fee

Skripta pravljenja po p

Principi olekularne

i enotipske evolucije

predavanjima prof. Biljane Sto

-2015-

Ivan Petrović 2015

e

ojković

2

PREDAVANJE 1. Pitamo se: - Kako su nastali živi organizmi. - Kako su nastali molekulski mehanizmi koji leže u osnovi živog, kako su se prvi molekuli spojili i napravili molekulsku mašineriju koju danas molekularna biologija proučava. Kako je sve nastalo: od prvih molekula pa do jednike kakvu danas vidimo bilo kojoj vrsti da pripada. Teme: Evolucioni trend nije toliko povećanje informacije koja će dati neki protein koji će da obavlja neku fju, već je evolucioni trend usložnjavanje načina regulacije ekspresije gena. Evolucija regulacije ekspresije gena se pokazala kao ključni momenat u evoluciji fenotipske složenosti organizama. Ekspresija gena Transkripcija = preisivanje DNK u RNK RNK dolazi do ribozoma i tu se prepisuje u protein. Gen (klasična definicija): je deo genoma u molekulu DNK koji se prepisuje. Gen je niz koji nosi informaciju za sintezu proteina (tj. polipeptida). Gen je sekvenca koja kodira samo neki RNK molekul. Na klasičnom nivou je ekpresija informacije dobijanje proteina koji treba da obavlja svašta u ćeliji i to je taj fenotip koji se prepiše na osnovu infromacije na RNK. Protein je fenotip. Danas znamo: Nivoi regulacije ekpresije gena (počevši od toga da li će se ovaj gen uopšte transkribovati) su jako složeni: cis i trans regulacija (cis regulatorni elementi kontrolišu da li će doći do transkripcije, to su nizovi koji se nalaze uz gen - promotori, utišavači, pojačavači. TF se vezuju za cis regulatorne elemente, ako se TF npr. veže za cis regulator doći će do ekpresije gena i prepisivanja u iRNK.) To je prvi nivo regulacije. Takođe DNK nije gola u jedru, u kontaktu je sa histonima i nehistonskim proteinima. I tu na nivou histona postoje različiti vidovi modifikacija koje određuju da li će određeni gen biti eksprimiran ili ne. Sledeći nivo regulacije ekpresije gena je kada se dobije primarni transkript RNK - i to je alternativna obrada. Poliadenilacija poliA repić koji se dodaje jako utuče na to kakva će biti sudbina tog RNK i da li će se na kraju dobiti protein. Dalje, u transkriptomu (=skup RNK molekula u ćelija) nalaze se i RNK molekuli koji imaju samo ulogu da kontrolišu šta se dešava sa drugim RNK molekulima u ćeliji. To je još jedan veoma važan vid regulacije ekpresije gena. Kada se dobije RNK molekul kada će i da li će ući u proces translacije. Da li će polipeptid biti modifikovan dodatno. Znači svi ti nivoi regulacije su evoluirali, usložili su način na koji se ekprimira gen i dali mu potencjal da u razlilitim organizmima (vrstama) radi različite stvari. Moderna sinteza - priča o evoluciji je jednaka promeni genetičke strukture populacije tj. promeni učestalosti genotipova i učestalosti alela u populaciji. Moderna sinteza je genocentrična. Nova koncepcija koju zovemo Evo-devo podrazumeva da nije samo važno kako se menja učestalost alela u populacije, već je važni i na koji način ti geni učestvuju u procesu razvića jer ono što nas u evoluciji zanima jeste fenotip, a ne konkretno gen. Na koji način evoluiraju obrasci

SKRIPTA, Principi molekularne i fenotipske evolucije, Ivan Petrović 2015

3

razvića, gde je tu uloga različitih segmenata u procesu regulacije i na koji način, na kraju, obrazac razvića ogrničava procese evolucije i to je Evo-devo. Fenotip (različita svojstva organizama) ne zavise samo od toga koji geni se nalaze u osnovi formiranja razvića različitih osobina, već i od toga u kojoj životnoj sredini jedan organizam živi. Kakvi su uticaji spoljašnje sredine na formiranje i razviće organizma. Na koji način se to može odraziti na procese evolucije. Promena fenotipa može prethoditi genetičkoj promeni populacije. ________________________________________________________________________________ Šta je evolucija? Biološka evolucija predstavlja procese progresivnih promena u genetičkim i/ili ontogenetskim sistemima koje su primarno zasnovane na izmenjenim interakcijama populacija i životnih sredina. Progresivno - bolje prilagođeno sredini. A ne složenije, jer progres po defoltu ne znači usložnjavanje (povećanje kompleksnosti). Progres znači povećanje uspešneosti u odeđenoj životnoj sredini tj. povećavanje adaptivne vrednosti koju možemo meriti npr. povećanjem brojnosti populacije u odeđenom staništu. Genetički ili ontogenetski sistem Genetički sistem = Genetičke promene - promene genetičke strukture populacije, promene učestalosti genskih alela. Genetička struktura populacije je učestalost genotipova i alela u jednoj populaciji. Kada se to menja iz generacije u generaciju kažemo da je došlo do evolucione promene na tom genetičkom nivou. Može da se desi i mutacija koja će da unese novu genetičku varijabilnost u populaciju, koja može biti izvor novih pravaca evolucije itd. Genetički sistem podrazumeva da se ne menjaju samo učestalosti alela, rekombinacije menjaju kombinatoriku tih alela u jednoj populaciji. Genetički sistem podrazumeva i ontogenetske sisteme, tj. na koji način su različiti geni u genotipovima međusobno u interakciji, na koji način jedan gen reguliše ekpresije drugih gena, na koji način dolazi do formairanja određenog fenotipskog svojstva organizama u jednoj populaciji. Sve to jeste rezultat evolucione promene kroz vreme. Genetički sistem podrazumeva i ekološke promene populacije jer od genetičkog sistema zavisi uzrasna struktura, sistem ukrštanja i genetičke posledice sistema ukrštanja, brojnost populacije itd. Genetički sistem u najširem smislu podrazumeva sve ovo. Evoluciona promena je promena svih ovih parametara populacije. ________________________________________________________________________________ 1. Zašto je teško razumeti evoluciju? Jedinka ne evoluira. Evolucija podrazumeva genetičku promenu, a jedinka kad se rodi ne menja se genetički, čitav život ima genetički materijal nasleđen od roditelja, znači jedinka ne evoluira. Jedinke jesu predstavnici živog (Manifestacija živog je jedinka), život evoluira, a jedinke ne. Mi možemo da vidimo promene koje se dešavaju kod jedinke od oplođene jajne ćelije pa do smrti, ali to je ontogeneza (individualno razviće). To nije evolucija. Evolucija je genetička promena. Jedinka nastaje od opđene jajne ćelije i svaka njena ćelija ima isti genotip (ovde ne račaunamo somatske mutacije koje mogu da se dese). Genotip jedinke se ne menja tokom života jedinke i zato jedinka ne evoluira. Populacija evoluira - u narednu generaciju prolaze neke varijante, a neke ne. Menja se genetička struktura, jer su neke genetičke varijante češće u narednim generacijama, a neke druge

4

nestaju; pojavljuju se neke nove varijante koje se prenose ili ne prenose u naredne generacije. Znači genetički sistem se menja. Zbog toga je evolucija proces čije je osnovna jedinica populacija. Da bismo razumeli evoluciju neophodno je d aprevaziđemo dva osnovna filozofska konteksta: 1. Tipološko mišljenje i 2. Preformacionizam. Tipološko mišljenje (esencijalizam): Od samog početka života postoje različiti tipovi koji imaju neka esencijalna svojstva koja se ne mogu menjati u procesu evolucije. “Stalne nepromenljive “ideje” na kojima počiva opažena raznovrsnost jedine su stvarne i trajne” (Platon). Platonova idealistička filozofija: postoji jedan idealan svet jedini i pravi, stalni svet, i to je svet ideja. Materijalistička manifestacija tog sveta ideja (tj. ono što mi vidimo) je nesavršen pokušaj kopiranja tog odealnog sveta. Materijalsizacija idealnog sveta je nesavršena i prepuna grešaka. Platon kaže: da u tom svetu ideja koji mi ne možemo spoznati postoje idelani tipovi eidosi, koji podrazumevaju da svaki tip života koji mi vidimo (npr. čovek) postoji u tom svetu ideja kao holotip u potpunom savršenstvu. Kada taj hootip pokuša da se materijalizuhe u ovom materijalnom svetu, dobije se mnogo grešaka i zato smo mi međusobno različiti. Ovaj materijalistički svet je nesavršen, svako od nas odstupa manje-više od tog idealnog tipa i zato smo mi nesavršene kopije idealnog sveta. Jednio što je stabilno su te ideje u idealnom svetu. Aristotel (Platonov učenik): preuzima Platonovu idealitičku filozofiju, ono što je eidos to je prirodno stanje stvari ili što je Toma Akvinski nazvao esencija. Postoji esencija "biti čovek", postoje svojstva tog tipa "biti čovek". Razlika između nas je posledica toga što tokom ispunjavanja i ostvarivanja tog idealnog tipa dolazi do gomile grešaka pod uticajem životne sredine koje nas odvlače od idealnog tipa - eidosa, esencije. Jedno što stvarno postoji je idealni tip, a mi smo ustvari svi odstupanja od prirodnog stanja stvari.

- Nepromenljiva suština “tipova” (vrsta) - Potpuni diskontinuitet između pojedinačnih eidosa (tipova)

- Eidos (tip) je stvaran, varijabilnost je iluzija

Mizogena kompnenta i Platona i Aristotela. Aritostel: Idealni tip "biti čovek" je biti muškarac sa određenim idealnim karakteristikama. Muškarci takođe nisu idealni jer tokom njihovog razvića dolazi do mnogo disturburajućih efekata životne sredine, pa zato i oni svi manje-više odstupaju od idealnog tipa. Najgore odstupanje od idelanog tipa su žene; loši uticaji u prcesima razvića dovode do toga da nastane žena. Platon je imao slične mizogene varijante, pa je po njemu nastanak žene rezultat reinkarancije muškaraca iz prethodnog života koji je bio jako loš - ignorant, glup, prevarant. Žena bi nastajala kao reinkarnacija jednog takvog muškarca. Esencija, esencijalizam - kaže da evolucije ni nema, jer tipovi (esencije) postoje u idealnom svetu. Esencija je ono što je jedino stvarni i trajno, varijabilnost je iluzija. Varijabilnost je posledica tih disturbirajućih efekata, posledica materijalizacije idealnog sveta. Ako postoje idealni tipovi, oni su nepormenljivi, tako da po esencijalizmu evolusije ni nema. Ne postoje prelazne forme, ne postoji mogućnost da od jednog tipa nastane nešto drugo. Ovo je za Hrišćansku teološku filozofiju bilo strašno prihvatljivo, jer se uklapa u ideju da je natpritodni tvorac napravio te tipove kada je već pravio taj svet i to je tako, ne postoji mogućnsot da seto menja. To je razlog zašto je biologija sve do Darvina bila teološko prirodnjaštvo. Aristotel je kriv za to. U psihološkom smislu, Aristotel je takođe važan i psiholozi kažu da smo svi mi ljudi "mali Aristoteli", iz razloga što kada vidimo toliko raznovrsnot predmeta ili bilo čega sa čim se susrećemo mi imamo tendenciju da razvrstavamo te stvari, pa ćemo sve čarape u jednu fijoku,bez obzira da li


5

je to kratka čarapa, duga, šarena ili jednobojna, mi znamo da je to taj tip - to je ta fijoka to je ta čarapa. Lopta može biti velika, mala, šarena to je lopta, to je esencija koja nama omogućava da određeni predmet svrstamo u određenu kutiju. Ta potreba da razvrstavamo stvari po psiholozima je nužna, jer u suprotnom, bez mogućnosti da mi razvrstamo sve sa čime se suočavamo ne bismo mogli da opstanemo u ovom raznovrsnom svetu. Da bismo razumeli fenomene mi nužno moramo da ih razvrstavamo. Problem je u tome što nas to u velikoj meri sprečava da razumemo evoluciju. Nikada od čarape neće nastati lopta, toj lopta, to je čarapa i između njih ne postoji ništa. Preformacionizam Ovaj pojam se takođe vezuje za Aristotelovsku filozofiju. Tu se smatra da jedinka kakvu je vidimo nastaje iz preformiranog maleckog bića koje se nalazi u spermatozoidu (pošto su bili mizogeni onda je speramtozoid taj koji nosi instrukcije za razviće tog idealnog bića). Jedino što treba da se desi sa tim čpvečuljkom u spermatozoidu je da on poraste. Dakle, svako je preformiran već unapred. Ako ste preformirani unapred, ako ti gameti sadrže informaciju esencije, ne postoji mogućsnot da budete drugačiji ni da se menjate. To bi na nivou evolucije značilo da evolucije nema, da je ontogeneza isto što i filogeneza, a to je samo ostvarivanje imanentnog potencijala koji je unapred već dat i formiran. Prvo značenje pojma evolucije se upravo odnosilo na individualno razviće, a individualno razviće je jednako filogeniji (fiologenezi) dakle onome što možemo da napravimo kao drvo života, a to drvo života je samo naša konstrukcija, ono ne postoji jer se ne može izvesti ništa iz prethodnog stanja - to su fiskiran stanja. Antiesencijalizam Dolaskom Darvina esencijalizam je okrenut naglavačke u antiesencijalizam. Darvin kaže da ne postoji idealna tip, idealan tip nije prirodno stanje stvari. Prirodno stanje stvari je varijabilnost, individualna različitost. To nije iluzije, to je način manifestacije prirode. To je bilo ključno za započinjanje bilo kakve evolucione ideje. Morali smo da se odmaknemo od esencijalizma koji je stopirao svaku evolucionu ideju i morali smo da prihvatimo da je realnost varijabilnost koju vidimo. Darvin je an tome izgradio populacijono mišljenje, to je bila početna tačka od koje možemo da počnemo da govorimo o evoluciji organizama. Bez različitosti u populaciji nema evolucije. Esencijalizam je morao niti isključen iz biologije da bi mogla da se rodi evoluciona biologija. Danas znamo mnogo više nego što je Darvin znao koji je imao inače dosta pogrešnih ideja o nasleđivanju i nastanku varijabilnosti, ali sve to nije važno jer njegova osnovna ideja je od presudne važnosti - jer to je individualna varijabilnost i ne postoje dve identične jedinke na svetu (osim monoigotnih jedinki, ali i tada postoji varijabilnost poreklom od uticaja životne sredine i fenotip će biti različit).

Na kraju sumiramo zašto ljudi ne razumeju evoluciju. Evolusija nema veze sa svakodnevnim životom. Ljudi najbolje razumeju kada nešto vide i pipnu. Da li mi vidimo evoluciju tokom svog života? Posebno ako smo antievolucionsita pa mislimo da je evolucija isključivo nastanak novih vrsta. Nismo videli tokom života da je nastala nova vrsta npr. pande. Ako bakterija evoluira na antibiotike, to nije dovoljno za antievolucioniste koji će reći da je to nije nova vrsta, već samo novi soj.

- evolucija nema nikakve veze sa svakodnevnim životom - vremenske dimenzije su neshvatljive - strepnja od “dva ništavila”

6

To je osnovni problem evolucije jer je mi u suštini ne vidimo, i ne vidi je posebno neko ne razume šta je evolucije - da je to promena genetičkog sistema itd. Moguće je pratiti evoluciju u laboratoriji ali ne očekujemo dobijanje nove vrste od vrste kojim se bavimo. Vremenske dimenzije koje podrazumevammo u procesu evolucije su psihološki neprihvatljive. Od poslednjih 4.5 milijarde godina znamo naš mali život koji traje koliko god traje, to je vreme koje mi razumemo. Naš život ne može da isprati celokupan prtok vremena. Mi razmišljamo u trenucima (vremenskim deonicama), npr. razmišljamo o trajanju ovog časa, ramišljamo kada je počeo i kada će se završiti. Teško je da pojmimo procese koji su imali svoj početak ali mu ne vidimo kraj. Teško nam je da zamislimo da je nešto postojalo pre nas i da će nešto da postoji posle nas.To je psihološka strepnja od dva ništavila - ništavila pre i posle. I taj psihološki momenat nas odbija od ideje da je evolucija realnost u prirodi. “Kreiranje” života (ovaj deo ima u knjizi) Početak razumevanja postanka života. Evolucione ideje su veoma stare. Pominjalni smo Aristotela u negativnom kontekstu, ali bilo je drugih jo starih grčkih filozofa koji su smatrali da evolucija jeste proces koji se dešava u prirodi, apsolutno nemajući ideju o tome na koji način se to dešava. Postoji velika tradicija naturalizma u staroj grčkoj filozofiji koji kaže da se prirodni procesi mogu objasniti prirodnim zakonima. Stara grčka filozofija nije imala nikakve naučne instrumente, nije bilo razvijene metodologije naučnosg istraživanja, indukcija i dedukcija se sreću kasnije tek u 17. i 18. veku. Tokom vladavine metafitičkih ideja o tome šta je život, a koje su personifikovane u Aristotelovskom čitanju biblije, postojali su periodi rađanja novih evolucionih ideja, tj. periodi vraćanja naturalizmu staro-grčkih filozofa. Početkom 17-18 veka stvari u civilizacije se bitno menjaju, počinje indutrijska revolucija koja je podrazumevala tehnologiju)da se podaci iz prirode razumeju i povezuju, da bi npr. napravila mašina za kopanje rudnika itd). Morali su da se razumeju prirodni fizički fenomeni. Tehnologija postaje pogled na svet, drugačiji pogled, dakle nije bila dovoljna mistifikacija i metafizika, bilo je potrebno primenljivo operativno znanje. Francuska revolucija i nastanak "Prosvetiteljstva" nove ideje i pristupa razumevanju sveta obeležen radikalnim odvajanjem društva i prirode od religije. Tu je bilo presudan osion odnos francuskih kraljeva prema svojim podanicima. Luj XV je bio posebno surov, i on je inicirao celu ideju da državu i prirodu treba posmatrati nezavisno od religije. Do njega je postojala teza da je kralj personifikacija Boga, kralj na zemlji manifestuje Božju volju u nekom društvu. Ako je vladar surov i vlada sa ubeđenjem da je personifikacija Boga, narod je došao do zaključka da ako je takav Božiji predstavnig na zemlji, onda je to iracionalan i surov Bog. Jer ne mogu se ugnjevati ljudi i biti predstavnik blagodornog Boga. Tada se javljaju ideje, da ako je Bog stvorio planete i zvezde koje se kreću po pravilnim putanjama (nauka je tada bila dovoljno razvijena da to razume), onda bi Bog morao biti racionalan, a ne iracionalan Bog personifikovan kraljem. Dakle, prvi put se javljaju teističke ideje. Teizam: Bog je stvorio prirodu i njene zakone i više se ni u šta ne meša - to je racionalan Bog, koji više nema dodira sa dešavanjem u prirodi i društvu. Prvi put se javljaju i ateističke ideje - a to je potpuno vraćanje na stari-grčki naturalizam da se sve što vidimo može objasniti prirodnim zakonima, kako u društvu, tako i u prirodi. Prirodni zakoni su manifestacije prirode ili odnos između ljudi koji nisu date od natprirodnog tvorca. Prvi put se kodifikuju ideje teizma i ateizma, i to je pokrenulo mnogo novih evolucionih ideja, ali još sa nepoznavanjem procesa i kako uopšte do evolucionih promena može doći.

SKRIPTA, Principi mole

Lamark i Darvin su dali pna koji način nisu bile objašnjene

Oni koji su bili evolucioprocesu koji zovemo spontana gpriroda. To je tada bilo jedino mo Tadašnji evolucionisti su pa su prohvatili ideju spontane ge Bez obzira da li su tada mprirodnjaci) smatrali su da postobića i nežive prirode čini entelenakon toga postati živo biće i ima I jedni i drugi su smatrali Kreacionisti su smatrali dživotnu silu. Evolucinosti nisu imali ikoncept u evolucionoj misli zoverazlika između živog i neživog ta Dakle ili Kretor ili su Nbićima. Odnos teologa prema idjedno živo biće nastane iz drugog -Nekim Teolozima je to bdati životnu silu. -Drugi se sa tim nisu slagdana geneze i ne može nastati bil Naravno danas znamo dasa uveđenjem nekih naučnih sponatane generacije odbačena Eksperimenti koji su opovrgli spo Ideje da iz mesa koje trulda su crvi nastali iz neživog matese iz busena trave može dobiti jeg

kularne i fenotipske evolucije,

7

prve evolucione teroije. Postojalo je još mnoge što je preduslov da se nešto nazove teorijom

nisti (bilo tesiti ili ateisti) su smatrali da živgeneracija. U jednom koraku iz nežive priroguće rešenje za evolucionu ideju. smatrali da je život nastao iz neživog, ali ni

eneracije.

mislioci bili evolucionisti ili antievolucionistoji oštra razlika između živog i neživog. Rehija (životna sila), nešto što uliva život nati životne procese. da je bitna razlika između živog i neživog po

da je tu životnu silu ulio Bog. Natprirodni t

ideju šta je životna sila, tu postoje elemene Vitalizam. Nema tačnog razumevanja šta

a životna sila koja nije potpuno shvaćena u toNepoznate životne sile rezultirale pojavom

deju sponatane generacije. Mnogi su smatrag živog bića ili iz nežive prirode: bilo prihvatljivo samo uz ideju da je natprir

gali i smatrali da je sve što je žživo nastalo o kakvog novog nastanka života mimo toga.

a živo ne može da nastane od neživog na mametaoda u proučavanje spontane generac

a.

onatanu generaciju: li sponatano nastaju crvi, (trulo meso - pa je erijala jer meso koje truli više nije živo. Postgulja. Bil je mnogo recepeta za pravljenje živ

Ivan Petrović 2015

go drugih ideja koje ni m u nauci.

vo od neživog nastaje u rode može nastati živa

isu znali na koji način

ti (teistički mislioci ili Razliku između živog

nekom objektu koji će

ostojanje vitalne sile.

tvorac je taj koji uliva

nti metafizike i taj se je to živo, ali je jasna

om dobu. Elan vitale-a u živim

ali da se može desiti da

rodni kretor taj koji će

pre 6.000 godina za 6

ah, odjednom. Ta ideja cije odbačena. Ideja

logično bilo zaključiti tojale su razne ideje da vog iz neživog.

8

1) Frančesko Redi (1626 – 1698), italijanski lekar - meso i crvi. On je napravio dobar eksperiment. Prvi koji je upotrebio jasnu naučnu metodologiju u istraživanje fenomena. Uzeo je dva mesa koja trule, jedno je pokrio gazom, drugo nije i pokazao je da bez sletanja muva na meso ne mogu nastati crvi. 2) Antoni van Levenhuk (1632 – 1723) – pronašao mikroskop pomoću koga imamo uvid u sićušni svet koji nije bio vidljiv golim okom. Viđena je velika složenost mikroskopskih organizama, ta slika mikroskopskih bića je išla u prilog biblijskom stvaranju iz razloga što su oni toliko složeni da je nemoguće da nastanu na mah, odjednom. Mirkoskopi su navodili priču ka biblijskom stvaranju, a nasuprot spontanoj generaciji. 3) Luj Paster (1822 – 1895) – nema spontanog “kvarenja” materije. On zatvara priču o spontanoj generaciji svojim ekperimentima. Pravio je staklene boce u koje stavljao sterilisane supstrate i onda ih je sa ili bez zaštite dovodio u kontakt sa spoljašnjom sredinom. Ustanovio je da mikroelementi (tj, ta živa bića koja vidimo samo pod mikroskopom) se nalaze svuda oko nas, i ako mi sterilisiani supstrat zaštitimo i ne dozvolimo pristup zagađenom vazduhu neće doći do kvarenja supstrata tj. kavarenja materije. On jednostavno i lako demonstrira da nema spontanog kvarenja, da nema spontanog nastanka tih mikroorgaizama koji izazivaju kvarenje, već se materija kvari samo u kontaktu sa MO koji su svuda okolo. Luj Paster je bio izraziti kreacionista, bez obzira što je njegov poristu problemu bio izrazito naučni i naučno utemeljen, on je svoje nalaze koji ne govore u prilog spontanoj generaciji koristi za promovisanje kreacionističkog učenja tj. prvih strana Biblije koje govore o kreiranju od strane natprirodnog tvorca. Ulazak hemije potpuno obara vitalizam. Hemija je oborila vitalizam. Hemija je do kraja 19. veka bila dobro razvijena da su hemičaru svojim (za današnje uslove primitivnim laboratorijama) uspeli da da sintetišu mnogo organskih jedinjenja iz neorganskih molekula. Do tada su uspevali da izoluju različite aminokiseline iz živih bića, ali onda postaju sposobni da sintetišu organske molekule iz neroganske materije: Ak, šećere, azotne baze. Hemije je bila dobro razvijena da različiti organski molekuli mogu nastati iz neorganiskih molekula. To nije ni danas sporno - iz neorganskih nastaju organski molekuli koji su sastavni deo živih bića. Stenli Miler - eksperimenti prebiotičke hemije. Takvih eksperimenata je bilo još i zaključneno je da ukoliko su obezbeđeni uslovi možemo apsolutno dobiti različite organske molekule na osnovu neorganskog supstrata koji dodajemo u neku reakciju. Ugljvodonični hondriti tj. meteoriti koji stižu iz svemira nose određeni procenat organskih molekula. Iz svemira nam dolaze organski molekuli (AK, neke nama nepoznate a i one koje su nam poznate na zemlji i koje ulaze u sastav živih bića, razni šećeri, razni stereoizomeri različitih molekula), to govori da u zavisnosti od uslova, ako postoje adekvatni uslovi možemo da dobijemo organske molekula vrlo lako. Najbolja ilustracija toga je Stenli Miler koji 20 godina od svojih prvih eksperimenata pronalazi u svom frižideru jednu epruvotu kojoj je držao cijano-vodonik. Nakon 20 godina u frižrideru on u toj epruveti pronalazi ogromnu koncentraciju adenina. Dakle ništa toj epruveti nije ponudio, osim što je stajala u zanrzivaču gde se zaledila voda i time se povećala koncentracija neorganskog molekula i dobio se adenin. Ispostavilo se da je nastanak organskih molekula od neorganskih vrlo lak od neorganske materije. Da li je to cela priča o nastanku organskih molekula? Nije je dovoljno da nastane AK ili gomila AK ili gomila šećera i da se dobije živo biće. Potrebno je prvo polimerizacija - biomakromolekuli su polimeri. Prvi otkriveni polimeri su polimeri AK (tj. proteini) i otud i ime protein (prvi, osnovni). To je značilo da su živa bića sačinjena od tih malih organskih materije koji mogu lako da nastanu od neorganskih molekula, ali je važno da se na specifičan način organizuju i


polimerizuju jer su ti biomakromživota. Fridrih Mišer otkriva ikiseline, i otkriva da se one sastoPloimeri AK i nukleinske kiseline Šta je život - redukujemo molekula. Ako ukinemo određeovim redukovanjem pitanja život Henije je izbacila vitalizaživot rezultat organizacije različit Problem koga je svesnana način da se dobiju polimeri biotreba da se obavi u jednom organ Ukoliko je to sponatanoverovatnoća da će se oni polimVerovatnoća da se iz malih odgovarajućim međusobnim intepostoji način uz toliko malu verodređenu životnu funkiju. I to je način da na osnovu tako malih ifunkcionalno živog molekula. Pogrešno u svim ovim premisam

Hipoteza srećnog incidkombinovanjem dobiju funkcionživota vrsta čuda - singularitet, ješto su te verovatnoće toliko male Kreacionisti će reći da te a naučnici koji smatraju da je verovatnoćama. Obe strane koje kažu da je 1) Biološke verovatnoće s Da li je u toj kombinatoriDa li od gomile AK, šećera moženastane u interakcijama malih ornisu neograničene, nisu stohastičbilo koji mali molekul da se spojda ima istu fizičku i hemisku sta


9

molekuli jesu funkcionalni životni molekuli i n

z gnoja na zavoju novu klasu organskih moje od šećera, fosforne kiseline i azotnih baze su dva osnovna biomakromolekula.

celu stvar na hemiju: život je specifična henu hemisjku ukinućemo i život. Mnogi se fta. am i više nam nije potrebna neka vitalna sitih molekula koji vrlo lako nastaju iz neorgan

a i nauka je na koji način je došlo do polimeomakromlekuli koji su životno funkcionalni i

nizmu. o, ako u jednoj čaši postoji gomila različimerizovati na tav način da se dobije život

organskih molekula dobiju funkcionalni erakcijama je nula. I to je osnovni antievolrovatnoću da se dobije adekvatan biomakroosnovni antievolucioni argumetn i kreacions

i ništavnih verovatnoća dođemo do funkcion

ma:

denta se bazira na toj maloj verovatnonalni biomakromolekuli. Zato su mnogi smednom se desilo i više se ne može nikad desit. male verovatnoće negiraju mogućnost sponaživot singularitet smatraju da je do toga

e život singularitet polaze od 3 pogrešne prem

su ograničene zakonima fizike i hemije. ici malih organskih molekula svaki polimer pe da nastane bilo kakav molekul? Šta određujrganskih molekulula - zakoni fizike i hemije. čne, one zavise u velikoj meri od zakona fiziji sa bilo kojim drugim malim molekulom. Nabilnost kao i bilo koji drugi polimer. Čak i

Ivan Petrović 2015 neophodni za postanak

molekula - nukleinske za i takođe je polimer.

hemijska organizacija filozofi neće složiti sa

ila. Hemija kaže da je nske materije.

erizacije molekula i to i koji obavljaju sve što

itih molekula koja je tni proces u toj čaši?

molekuli koji su u lucioni argument - ne molekul koji će raditi

sti će reći da ne postoji nalnog živog procesa i

ći da se slobodnim

matrali da je postanak ti postanak života zato

atanog nastanka života, došlo uprkos malim

mise:

podjednako verovatan? e kakav će molekul da Biološke verovatnoće

ike i hemije. Ne može Ne može jedan polimer

povećanje molekula i

10

nastanak polimer znači da se oni međusobno razlikuju - neki su više stabilni, neki manje, neki će brzo da se razgrade, a neki će ostajati sekund, dva ili 5 sekundi duže. Znači, biološke verovatnoće nisu stohastične, već su određene zakonima fizike i hemije i ne postoji mogućnost da se napravi bilo kakva kombinacija bilo čega. Dakle to već značajno smanjuje onu polaznu malu verovatnoću da je život nastao sponatano hemijskim reakcijama. 2) Sledeća stvar koje je pogrešna u gledanju na život kao na singularitet je ideja da je život morao da izgleda baš ovako kako danas izgleda. Da su sve molekulske interakcije morale biti baš takve kakve su danas i nikakve drugačije. Uopšte nije moralo biti tako. Mi možemo da kažemo da iz te raznovrsnosti raznih molekula koji su nastajali mnoge te kombinacije nisu bile stabilne, bile su razgrađivane i nestale su, ta molekulska mašinerija je mogla nastajati na milijarde različitih načina. Zašto je opstala ova? Opstala je ova zato što je za te uslove bila najbolja. Da su bili drugačiji uslovi na toj prvobitnoj zemlji, možemo da zamislimo da su neke druge molkulske inteerakcije mogle da budu te koje su najoptimalnije za te drugačije uslove. Ovde je osnovna ideja ta da život apsolutno nije morao izgledati ovako i najveravatnije da nije bilo raznih događaja koji su odredili pravac nastanka ovakvih molekulskih interakcija koje su prisutne kod savremenih organizama, savremeni organizmi bi izgledali bitno drugačije tj. bili bi zasnovani na bitno drugačijim procesima. Npr. da li bi nastao čovek da nije bilo najpoznatijeg izumiranja dinosaurusa pre 65 miliona godina, da taj meteorit nije upalio zemlju tada - ne bi. Znači: da je gomila slučajeva odredila i opredelila način evolucije života na zemlji; i da vratimo još priču unazad: hemijski procesi koji su se našli u određenim uslovima - ambijentu (Temperatura, pH itd.) su odredili pravac evolucije molekulska mašinerije kakve imamo danas. 3) Jedan od osnovnih argumenata antievolucionsta je nesvodljiva složenost. Antievolucionisti kažu da je oko je funkcionalno samo ako ima sve elemente, ukoliko mu fali samo jedan element to je nefunkcionalni organ. Pa se zaključuje da je oko, inteligenetno kreirano, moralo nastati odjednom, da nije moglo postajati postepeno. Danas evoluciona biologija ima mnogo dokaza da današnje strukture, uključujući molekulske strukture i interakcije jesu nastajale postepeno. Ovde je važna ekspatacija: da su strukture mogle nastajati evoluitrati za jednu funkciju, a u daljem procesu usložnjavanja njihovog kombinovanja i poboljašavanja su mogle dobiti (kooptirati) potpuno nove funkcije. Postepenost je poznata u evolucionoj biologiji, i to je dakle deplasirani antievolucioni argument. Darvin je još naglasio da ništa ne može postojati sa anticipacijom da će jednoga dana biti korisno. Svaki sistem koji nastaje mora biti koristan, tj. mora služiti ili bar biti neutralan ne smeteti organizmu tada kada je nastao. Ne može da nastane neka struktura sa idejom da će nekada u budućnosti biti korisna, ono što nastane mora biti funkcionalno u tom trenutku. U tom smislu, ono što je nastalo i funkcioniše u jednom kontekstu može nekad kasnije tokom evolucije postati funkcionalno u drugom kontekstu tj. biti ekspatacija za nešto novo.

Pitanje života je jedno vreme bilo i nenaučno, jer ako ne možemo da pokažemo kako je nastao u susretu sa svim ovim problemima onda ćemo da krenemo od premise da je život oduvek postojao i ignorisaćemo pitanje postanka života. Jedno od prvih rešenja još 1908. Arenijusovo rešenje je da je život došao iz svemira i to je koncepcija pnaspermije. Arenijus je 1908. godine prvi formulisao tu ideju - spore iz svemira su


11

došle i kolonizovale planetu zemlju. To ne daje odgovor na pitanje kako je život nastao, ako nije nastao na zemlji onda bilo gde drugdeu svemiru. Danas naučno zasnovan pogled na postanak života je: Princip kontinuteta Princip kontinuiteta: svaki stupanj u evoluciji potiče i razvija se od prethodnog stupnja u evoluciji. Po principu kontinuiteta imamo: -prvo hemijsku evoluciju koja je podrazumevala nastanak malih organskih molekula, polimerizaciju, interakciju između molekula, stvaranje održivih molekulskih struktura - to je hemijska evolucija. -na hemijsku evoluciju se nadovezuje, kada već imamo funkcionalan iole živ sistem koji neke elemente živog, biološka evolucija (selekcija onih mehanizama koji su bolji od drugih mehanizama itd.). To je princip koji danas prihvatamo, živo nastaje iz neživog ali ne kako se ranije mislilo sponatanom generacijom, već veoma postepeno po standardima principa kontinuteta. Jedna stvar se nadovezuje na drugu: prvo imamo fiziku i hemiju, a onda biologiju tj. biološke evolucione mehanizme kao dominantne. Oparin i Holdejn su prvi koji su predtavili princip kontinuteta, definišući hemijsku evoluciju kao polaznu tačku u postanku života. Mnogi biolozi koji se bave postankom života će smatrati da su molekulski fosili dokaz da je proncip kontinuiteta tačan. Molekulski fosili su strukture (delovi genetičkih molekulskih sistema) koji su i dan danas takvi - nastali su nekada davno, ali zbog toga što su oni bili baza na koju su se nadograđivali drugi elementi oni su i danas ostali kao takvi - zamrznuti u vremenu. Da li bismo mogli da zamislimo mnogo efiksaniju bržu translaciju od ove koju danas imamo kod živih sistema. Mnogo brži i efiksaniji sistem. Taj proces je u osnovi spor i ima grešaka pri replikaciji i pored reparacionih mehanizama. Da li bismo mogli da zamilimo savršeniji i bolji sistem? Dakle, to što ti sistemi nisu savršeni i nisu potpuno precizni i efikasni, pristalice koncepcije molekulskih fosila kažu da je to zato što su ti sistemi nastali jako davno i oni se nisu mogli menjati zato što su oni bili osnova molekulskih sistema. Da bise oni pormenili potrebno ja jako puno promena svega onog što je tokom evolucije stečeno. Dakle, molekulski fosili su u tom smislu zamrznuti u procesu evolucije jer su ustvari osnova od koje se krenulo. Pojava različitih molekula u nekom procesu je dala prvu trasu u tome kako će izgledati neki molekulski proces koji danas vidimo.


1

2.Predavanje Postanak i rana evolucija genetičkih sistema

Nastanak prvih molekulskih interakcija koje su prethodile nastanku ćelije i svega što vidimo u današnjem živom svetu. Karakteristika živih bića je Modularnost. Moduli su delovi koji samo po sebi jesu entitet, u priličnoj meri nezavisni od drugih delova, ali pojedinačno ne mogu da postoje, a zajedno čine jedan sistem višeg nivoa koji dobija nova kvalitativna svojstva. Emergencija (filozofski pojam): jedan entitet koji se sastoji iz delova nije jednostavan zbir tih delova, već dobija potpuno nova svojstva koja su karakteristična za ceo sistem. Modularnost u živom svetu možemo da vidimo na kom god hoćemo nivou: Biocenoza se sastoji od različitih ekosistema, ekosistemi se sastoje od populacija različitih vrsta, populacija se sastoji od jedinki, jedinke se sastoje od ćelija, postoje i viši nivoi od ćelija (sistemi organa, organi, tkiva), unutar ćelije postoje moduli, organele su moduli ćelije. Kada vraćamo ovu logiku unazad, kada postavimo pitanje postanka jednog takvog složenog sistema, moramo da krenemo od ove osnovne ideje - modularnost. Genom je modularan, modularnim ga čine delovi: geni, regulatorne sekvence, to različiti delovi koji ga čeine modularnim. Vraćamo se unazad i dolazimo do molekula, to je DNK molekul koji sačinjava genom jednog organizma. I DNK se sastoji iz delova. Unazad još, dolazimo do ideje da je i sam genom tj. molekulska mašinerija jednog molekulskog sistema koji će dati živi sistem, takođe nastajao iz delića (1). Ti prvi delići su neki oligonukleotidi, neki iscepkani deliči koji svako za sebe nosi određenu informaciju, koji su krenuli da se udružuju (2). Dakle ideja koja prati ovu logiku odozgo na dole je modularnost. Ako mi danas imamo organizme koji su po defoltu modularni, čitava biosfera je modularna, onda ne postoji razlog da ne primenimo tu logiku i od samog postanka života.

Osnovna logika koju ćemo koristiti za rekonstrukciju postanka života od samih početaka (pre 4.000.000.000 godina) jeste modularnost i glasi:

2

Pojedinačni elementi u biološkim (molekulskim) sistemima ne evoluiraju sami za sebe, već u kontekstu koji čini interaktivni sistem (tj. u kontektu funkcionisanja i menjanja čitavog složenog sistema). Znači, ne evoluira svaki molekul pojedinačno, on evoluira u kontekstu koga čini gomila molekula. Gde je početak ovog načina razmišljanja.

Mi danas nemamo dilemo da mali organski molekuli mogu nastati iz neorganskih molekula. Ali, ono što jeste problem, zanislimo zemlju ili neki njen mali deo npr. hidrotermalne izvore i da tu iz neroganske materije nastaje mnoštvo malih organskih molekula; problem je kako iz tog mnoštva malih organskih molekula dobiti nešto što je biološki životno funkcionalno. I to je prvi problem u nastanku života - prenatrpanost mogućih reakcija. Svi ti molekuli mogu na različite načine da stupaju u hemijske reakcije, da prave nove veće org. molekule, ali to potpuno stohastički, neuređeno i prenatrpano. I prošli put kada je bilo reči o anti evolucionim argumentima, ovo je osnovni razlog zašto je teško zamisliti da iz tog potpuno stohastičkog sistema može da nastane nešto što ima biološku funkciju. Prvi ptoblem u postanku prvih većih organskih molekula tzv. polimera (polimeri su osnovni biološki molekul) je rešiti tu prenatrpanost reakcija u toj prebiotičkoj hemiji. tu se istraživači prebiotičke hemije oslanjaju na ideju i na mogućnost neorganske katalize vrlo različitih procesa polimerizacije. Neorganska kataliza polimerizacije = postoji mnogo različitih neorganskih molekula koji mogu da doprinesu tome da se poređaju mali organski molekuli i otud se kaže glina je bila prvi gen, jer je glina (odeđenog sastava) omogućavala vrlo stabilan raspored vezivanja nukleotida jednog do drugog i samim tim katalizovala reakciju polimerzacije. Dakle, jedna od prvih stvari od koje se ovde plazi je mogućnost da neorganski molekuli učestvuju u katalizi polimerizacije malih organskih molekula. I to je danas prihvaćeno i pokazano brojnim eksperimentima. Ukoliko pretpostavimo da razni neorganski molekuli mogu da katalizuju nastanak polimera koji su važni za postanak života, onda postavljamo pitanje da li je svaki polimer podjednako verovatan da će nastati i da li dovoljno stabilan da opstane. Ne, jer postoje fizički i hemijski zakoni koji nešto čine mogućim a nešto nemogućim. Opstaće molekulikoji su fizički i hemijski stabilni. Druga stvar od koje moramo poći je da su ti molekuli morali biti deo sistema koji je stekao sposobnost da se replikuje.


3

I tu dolazimo do osnovnog problema u nastanku života a to je: nastanak takvih molekula koji imaju sposobnost da se samoreplikuju. +-+-+-+-PITANJE 2 Koja su svojstva živog? Šta je život? - Metabolizam, da ima neki sistem koji mu omogućava da opstaje, čak da raste i da se kopira. Sam početak života je morao da ima neki od tih elemenata. Najvažnije je da postoji mogućnost kopiranja odnosno nasleđivanja informacije - da molekul roditelj i njegov potomak budu u najvećoj meri slični. Ukoliko nisu dovoljno slični, premisa nasledljivosti pada. Kopiranje mora biti dovoljno precizno da bi potomak ličio na roditelje i tada se može govoriti o nasledljivosti. Ukoliko je kopiranje nasumično to nije nasledljivost, jer se sitem tad ne kopira. Varijabilnost je važna za postanak života. Varijabilnost nastaje zbog toga kopiranje nikada nije do kraja savršeno. Uvek se dešavaju određene greške. Postojanje grešaka u određenoj meri je važno zbog toga da bi bilo evolucije živog sveta. Kada bi svi bili isti ne može se očekivati da će se bilo šta kroz vreme, kroz generacije menjati. Ključni mehanizam probirljivosti u varijabilnosti je prirodna selekcija. Opstaje ono što je dovoljno dobro da bi opsatlo u datom trenutku, a više opstaje ono i više se umnožava (i povećava svoju učestalost) ono što je bolje od drugih varijanti tog sistema. Formula sa 3 osnovna člana - nasleđivanje+varijabilnost+PS i to je jezgro naše priče o evoluciji. Ukoliko sistem puno greši, princip nasleđivanja pada, narušava opstanak tog sistema i njegovu ulogu dalje u evolucionom procesu. Što je duži molekul i informacija koju određeni sistem nosi veća je verovatnoća greške. Iz tog razloga Ajgen je napravio model koji postavlja ovde nametnuto pitanje a to je količina informacije koja može da ugrozi princip nasledljivosti i drugo, pronalazi rešenje za ovaj problem. On kaže da postoji prag dužine informacije koja omogućava princip nasleđivanja. Što je duža informacija mogućanost greške je veća, i u tom smislu količina informacije mora biti ispod tog praga, kako se ne bi narušio princip nasledljivosti. Taj prag zovemo Ajgenov prag. Npr. molekul DNK, što je duži, a svaki nukleotid ima određenu verovatnoću da će mutirati odnosno da će prilikom replikacije biti ugrađen pogrešan nukleotid, veća je šansa da će određene sekvenca biti drugačija prilikom njenog kopiranja. Ajgen takođe kreće od teze da su prvi genetički sistemi bili zasnovani na RNK molekulu. Prvi sistemi nastli su u RNK svetu. RNK danas ima stopu mutacije 10-2 po nukleotidu (u današnjim retrovitusima). On polazi od toga da je u tom sistemu stopa mutacije po nukleotidnom mestu bila 10-2. On kaže da bi kopirani molekul, tj. bio iole verna kopija roditeljskog molekula kopija može da ima samo jednu mutaciju na jednom nukletidnom mestu. Ako je stopa mutacije 10-2, a dozvoljava jednu mutaciju, a da se ne naruši princip nasledljivosti 1/u = 100, tj. 1/10-2= 100 nukleotida. Znači taj urgen (drevni gen - drevni molekul) nije mogao biti veći od 100 nukleotida. A da bi jedan molekul bio sposoban da uradi važnu stvar - da kopira drugi molekul ili samog sebe, mora biti veće, jer tako mali nema tu mogućnost. A ne može biti veći zbog praga greške (tj. ne može biti duži jer to narušava princip nasledljivosti). I to je Ajgenov paradoks. Dužina genoma koja je ograničena prgaom greške sprečava nastank većih genom a koji će biti precizniji u replikaciji, jer samo veća informacija može da obezbedi tačnost replikacije.

4

Ajgenovi hiperciklusi su osnova naših razumevanja nastanka prvih molekulskih sistema i zasniva se na modularnosti. Prvi sistemi su bili sistemi kratkih oligonukleotida, i savaki od njih je bio kraći od 100 tj. ispod praga greške. Svaki od tih oligonukleotida je nosio mali deo informacije, ali svaki je mogao precizno da se replikuje i da ne narušava princip nasledljivosti baš zato što je ispod praga greške. Taj sistem je podrazumevao jedan kooperativni sistem (oligonukleotid 1,2,3,4,5), svaki od tih molekula ima sposobnost da učestvuju us sopstvenoj replikaciji, ali ne samostalno već uz pomoć drugog oligonukleotida i tako ovaj sistem čini entitet nesebičnih kooperativnih oligonukleotida. To rešava problem Ajgenovog paradoka. Da li možemo da zamislimo postojanje takvog sistema? Dugo se pretpostavljalo da je to samo model koji rešava problem i da ne postoji u realnosti. Kataliza nekog procesa: najpoznatiji katalizatori su enzimi koji su proteini. Katalizatori ubtžrzavaju hemsijske reakcije tako što dovode reaktante u bliski kontakt i to je osnovna uloga jednog enzima. 3D sekvenca nekog proteina služi da napravi 3D strukturu i tako ostvari svoju funkciju - napravi aktivna mesta i dovede u bliski kontakt dva molekula. DNK ne može to da radi jer je dvolančana i ne može da menja izgled, a RNK može jer je 1L i po principu komplementarnosti može da se upetljava na različite načine i zato može da bude katalizator različitih reakcija - ribozim (RNK enzim). RNK i protein mogu da budu kaalizatori a DNK ne može. Ribozim je RNK molekul koji može da se upetlja na način da može da katalizuje neku reakciju. U RNK svetu postojali su samo RNK jednolančani molekuli koji su se upetljavali na razne naćine i katalizovali razne procese. Ekperiment iz 2012. koji dobro demonstrira Darvin-Ajegenov ciklus, izolovan je ribozim koji se nalazi u intronu grupe I kod bakterije Azoarkus, 200 nukleotida. Kada taj ribozim iseckamo na komadiće, on može ponovo da se spoji. Svaki delić ima neku konformaciju koja omogući kontakt sa drugim delićem, pa to omogući kontakt sa trećim delićem itd. Kataliza autosastvaljanja iz fragmenata. U okviru ovog ekspreimenta je napravljen ribozim koji je imao neke greške (nukletoidne mutacije) tako da kada se dobije RNK molekul on ne može da zauzme pravu konformaciju, i kada se iseče, taj fragment ne može da zazume pravu konformaciju kad treba da katalizuje spajanje sa drugim, trećim i ostalim fragmentima. Ovi molekuli koji nisu bili mutirani, kada ih ostavimo da se samospoje oni su to radili. To je koncept kooperativni sistem u procesu spajanja, ponovnog sastavljanja dugog celog molekula. Od ovih mutiranih molekula dobijani su skupovi fragmenata to ribozima koji nisu bili kooperativni. Brže uspostavljanje prethodnih struktura je bilo u kooperativnim strukturama. Na ovaj način je pokazana, na osnovu katalize jednog procesa, mogućnost Ajgenovog hiperciklusa.


5

Suština je u 3D strukturi molekula, ono što RNK čini zgodnim molekulom, zbog čega je uverljivost RNK sveta velika, je mogućnost da delovi iseckanog RNK molekula zadržavaju konformaciju kao i u celom molekulu. Tako je rađen eksperiment na tRNK, koja ima izgled deteline, gde isečena antikodonska petlja koja i dalje zadržava svoju konformaciju, ona i dalje stupa u interakciju sa ribozomima, može i dalje da se transpondira, dakle sve može da uradi i to je važno svojstvo RNK molekula - da njegovi delići mogu da zauzmu konformaciju koja je katalitički aktivna. Ajgenov hiperciklus i postojanje sistema sa kooperativnim oligonukleotidima (dokaz exp sa tRNK) dalje su ravijeni u viđenje kako je tekla evolusija prvih sistema. I to viđenje je Darvin-Ajgenov ciklus.

Darvin Ajgenov ciklus Ako imamo jedan Ajgenov hiperciklus sa oligonukletidima koji su međusobno kooperativni, svaki od tih hiperciklusa ponaša se kao jedinka. Što su bolje uspotavljene interakcija između oligonukleotida, hiperciklus je uspešniji (uspešniji od nekog drugog koji je u tome lošiji) stabilniji je i brže se replikuje (PS na molekulskom nivou). Ako imamo hipercikluse koje selekcija polako filtrira, bolji ostaju sve češći, lošiji polako otpadaju. Kada se dobije neki hiperciklus koji je bolji, otvara se mogućnost da u njega uleti neki novi element. Ukoliko imamo veći sistem, postoji mogućnost da evoluira i precijzniji sistem, jer ako imamo više elemenata koji katalizuju jednu stvar on će postati sve stabilniji i sve precizniji. Darvin-Ajgenov ciklus kaže hipercisklus koji je super selektovan dozvoljava da sada uleti neki novi element u taj sistem i da usloži taj sistem. Neki hiperciklus u koji je uleteo novi element će zbpg toga da propadne, ali drigu će uspeti da inkorporiraju novi element u svoju bazu i stadijum veće savršenosti i veće stabilnosti i zbog toga Darvin-Ajgenov ciklus kaže da je to jedna pozitivna povratna sprega, gde mi zapravo Ajgenov prag podižemo iz razloga što novi elementi povećavaju preciznost kopitanja tj. umnožavanja. Paradoks: potreban je složen sistem da bi bila velika preciznost, složen sistem je nemoguć zbog Ajgenovog praga, ali ukoliko novi elementi u tom usložnjavanju sistema povećavaju preciznost to je onda selekcija koje će uvećavati i preciznost i složenost sistema. Ajgenov prag se podiže. Stopa mutacije kod današnjih DNK organizama je 10-8 do 10-9 po nukleotidnom mestu, jer postoje mehanizmi popravljanja grešaka, precisznije kopiranje, reparacioni mehanizmi. Od virusa do savremenih sisara su sistemi koji su blizu Ajgenovog praga, jer taj Ajgenov prag je povećan sa usložnjabanjem sistema.

Genetički paradoks (201bi tu evolucioni proces bilo šta postajao složeniji kada se kraći ereplikuje jer je toga sve više.Termoforeza: jednolanačani olgradijent (u ventovima postoje pou svakoj pori postoji mogućnost gradijent na hladnijem delu pora oni se talože u hladnijem delu temveća je verovatnoća da će njihpotencijalno nastao, mogla su selišao u smeru povećane preciznosistema. moguće je i da su fizički Ono što je stabilnije i prrazlog da ti sistemi postaju složenprocesi su mogle biti jedan od rodlazili, a mali molekul kada odejoš uvek govorimo o fizičkim prin Ilustracija na koji način preciznije sisteme je enzim Katadanas enzim tj. protein. On imaproteinskog dela može da katalizGlavni atom u Hem grupi je Feuspešno i precizno i mnogo sporij Kako možemo da rekonstje usvojio jedan organski sistemneorganska kataliza, ta kataliza pjednostavnija Hem grupa koja to katalizatora povećava brzinu prepreciznost. MI ne možemo očekidobra islustracija Darvin-Ajgenostabilnost i to će selekcija favoriz Da li je RNK bio prvi infromac

Šta je starije kokška ili joperativni molekul (protein radi

6

15): ukoliko već postoji hiperciklus koji savmenjao? Zašto bi RNK molekuli postajali

elementi brže replikuju, selekcija će favorizo. Priča o fizičkim procesima selekcije naligonukleotidi su ubačeni u sistem u komore i voda koja je vrela), a sa povećam visinmakar malog temperaturnog gradijenta. Kadsu molekuli koji su veći, kada su veći onda

mperaturnog gradijenta. Manji molekuli koji h topla voda odneti. Fizička svojstva sredlekcionisati veće molekule. Ne samo Darvin-osti, a povećana preciznost je podrazumevali procesi bili tu uključeni ako imamo temperareciznije to će biti selekcionisano, zašto bi niji, da ti molekuli postaju veći. Po radu sa Trazloga koji su terale sistem da ima sve veće on više nije deo sistema. Znači ne samo biolncipima.

i zašto bi evolucija favorizovala složenijealaza koja razlaže vodonik peroksid na vodua hem grupu kao kofaktor u toj reakciji, i zuje razlaganje H2O2, ali sporije i manje efike, i gvožđe samo može da katalizuje ovu rije nego Hem grupa, i naravno ceo enzim. truišemo iskonsku evoluciju od neroganske

m? Dakle, nešto se pokazalo kao dobro za postaje deo tog sistema i preuzimana od samefikasnije radi od samog atoma Fe, a još dod

eciznost i efikasnost te reakcije. Dakle, usloivati da će se jedan takav sistem vratiti na povog ciklusa: usložnjavanje podrazumeva vezovati.

cioni molekul

aje - tj. da li je starija informacija ili proteii sve, DNK nosi informaciju). Paradoks: pr

vršeno funkcioniše, što duži, zašto bi sistem

ovati nešto što se brže a to daje odgovor -

m postoji temperaturni e od izvora tople vode

da imamo temperaturni su više naelektrisani i su manje naelektrisani dine u kojoj je život -Ajgenov ciklus koji bi la povećanu složenost

aturni gradijent. u startu postojao neki

Termoforezom i fizički će molekule koji ne bi loški principi već ovde

e a pritom stabilnije i u i kiseonik. Katalaz je

sama hem grupa bez kasno nego ceo enzim. reakciju ali još manje

katalize do nečega što sistem, makar to bila

mih sistema: Prvo kao datno usložnjavanje tog ožnjavanje je povećalo prethodno stanje. To je eću preciznost, brzinu

PITANJE 3

in koji je ustavi jedan roteini ne postoje bez


DNK informacije, DNK ne možmože da se transkribuje informac Holdejn (evolucioni bionajvažniji molekul za postana žekeprimentalno potvrđuju ove informaciju, može da se upetljavrekacija. Kako je sada ta RNK namolekula i da dobije takvu strupreviše složena da je mogla da azotne baze i fpsfprnu kislelinu. T U brojnim elsprimentima molekula dobijaju se mešavine kaRNK postoji samo D riboza za iz Previše je RNK složenaevoluirala, morala je imati svojrazjasniti, ali postoje brojni kandeksperimentima prebiotičke hemi 1) TNK trenoska nukleinrazličitiog povezivanja znači oko 2) PNK peptidna nukleinprebiotičke hemije 3) GNK glikola nukleinsk 4) ANK amiloidna nuklei To su sve dosta jednokomplementarno spajaju, da se komolekulom. To sve ovi molekulprethodnici složenijeg i efiksanije Zašto neki drugi molekuinformacione molekule? npr: - Bifenilski molekuli: alisamoudvajanja kada ih eperiment - Drugi šećeri umesto riugradi drugi šećer nastaje problejedan informacioni molekul, jačin Dakle RNK bi bila najbolj Šta sve radi RNK u savremenuimTo su sve razlozi zbog kojih danprvi svet genetičkih bioloških sist Ovo sve što danas raddanašnjim sistemima jesu svemolekulskih sistema koji nisu moje na njima počelo građenje onogsistem.

Nosilac genetičke RNK nosi nasledninformasiju. Raznikoji nosi informac

Veza između amin tRNK je veza izm


7

že ništa da uradi sama bez proteina, ne mocija. olog) je prvi predvideo da prvi infromacživota nije ni DNK ni protein, već je to premise u laboratorijama. Zato što RNK

va u 3D strukturu koja joj omogućava da buastala? Da li je ona mogla da nastane iz tog s

ukturu da radi sve ovo. Danas će većina bionastane spontano u toj prebiotičkoj hemiji. Takođe riboza u današnjpj RNK je D izomer.prebiotičke hemije koji su se bavili abiogeno

ada postoje stereoizomerni molekuli: L i D Azgradnju oligonukleotida. a da je mogla nastati sponatano, zato se de prethodinke. Tačne molekule prethodnike

didati koji su jednostavniji i čiji se sastavni ije i otud imamo kandidate: nska kiselina koja ima drugačiji šećer, koji nsnica je treoza.

nska kiselina - okosnica molekula je glicin. L

ka kiselina inska kiselina ostavniji molekuli. Kao i RNK i ovi mompelementano uvijaju, mogu da prave dvolai moraju da poseduju da bismo mogli da preg (fiziološki i biohemijski) molekula RNK.

uli koji se dobijaju u exp prebiotičke hemi

i oni se teže sintetšu u exp prebiotičke hemtilno napravimo. boze u sastavu informacionog molekula? N

em: komplementarnost baza zavisi od same sna veze zavisi od sekvence.

lje rešenje i zato dolazimo do priče o RNK sv

m biološkim sistemima? nas postoji koncenzus da je RNK svet tema. e RNK molekuli i ribonukleotidi u molekulski fosili tj. to su ostaci ogli biti eliminisani iz sistema zato što ga što danas vidimo kao jedan biološki

informacije (iRNK, virusi) nu informaciju, iRNK nose nalednu i virusi imaju RNK kao osnovni molekul

ciju. nokiselina i genetičkog koda (tRNK) eđu informacije i proteina kao operatvinih mo

Ivan Petrović 2015 že da se replikuje, ne

ioni molekul tj. prvi RNK. Tek kasnije se

K pored toga što nis ude i katalizator razni skupa malih organskih ologa reći da je RNK Složena je ima šećer,

om sintezom organskih AK, L i D šećeri itd, a u

danas kaže da je RNK e RNK nikad nećemo delovi lako sintetišu u

ne ostavlja mogućnost

Lako se sintetiše u exp

molekuli mogu da se ančane nizove sa RNK etpostavimo da su oni

ije nisu izgradili prve

mije, imaju sposobnost

Nisu, zato što kada se sekvence što je loše za

Pitanje 4 vetu.

olekula.

U ribozomima, str2/3 mase ribozoma

Ribonukleotidni pZa početak procesbez RNK.

DezoksiribonukleoU sintezi DNK: de

Ribonukleozidni trIzvroi biološke en

Kofaktor mnogih p Obrada iRNK (ulo

U splajsozomima Regulatorna uloga

ncRNK - mali nekgena na različite n

Ribozimska aktivn Brojni RNK molek Sve ovo nam govori da nismo bRNK ta koja komanduje dešavandanas važe za DNK biološke sfunkcionisala kao jedini molekuzapravo molekulski fosili nekada

Ribozimi su RNK molekunagrada za otkriće ribozima Altm Otkriveno je da jedna cilikoji može da iskroji sam sebe nak RNaza P je enzim koji imribozim - tj. da ključne katalitičkeevoluciono konzervisan tj. isti eubakterija i da je RNazaP jedan poreklo još od RNK sveta.

8

rukturna i katalitička funkcija a danas čine ribozomalni RNK molekuli

prekurzori u sintezi DNK (RNK prajmeri) sa replikacije su neophodni RNK prajmeri. Ne

otidi iz ribonukleotidnih prekurzora ezoksiribonukleotidi se dobijaju iz ribonukleorifosfati – osnovni izvori biološke energije (Argije su ribonukleotidi ATP, GTP proteinskih enzima (FAD, NAD, NADP, itd)oga u splajsozomima) RNK molekuli imaju presudnu ulogu.

a kodirajući RNK molekuli svašta rade u ćeliji inačine nost kulu danas rade razne katalitičke procese.

bili u pravu kada smo mislili da je DNK gaznjima u ćeliji. Bez RNK molekula ne bi bilo sisteme. RNK se nije odrekla svih ovih tra

ul i zato kažemo da su ove sve funkcije današnjeg RNK sveta.

uli koja obavljaju katalize različiih procesa. man i Keč. ijatna protozoa Tetrahimena termofila ima inkon transkripcije.

ma i svoje RNK delove, učestvuje u obradie fukcije obavlja njen RNK deo. Taj RNK deje kod svih prokariotskih organizama i kod najstarijih molekula koje današnje ćelije i

ema DNK replikacije

otidnih prekursora. ATP, GTP)

i regulišu ekspresiju

zdarica u ćeliji, već je svih ovih procesa koje

agova prošlosti kad je našnjih RNK molekula

Dobijena je Nobelova

ntron u genu za rRNK

i pre-tRNK, je takođe eo ovog enzima je jako kod arhebakterija, kod imaju. Verovatno vodi


9

Kasnije sa napredovanjem biohemije i tehnologije, otkriveno još mnogo ribozima koji rade stvari tj. katalizuju mnogo rekacije što je ranije pripisivano samo proteinima. Razvijen je mehanizam tzv. in vitro evolucije na molekulskom nivou sa osnovnom idejom da mi u jednu epruvetu stavimo varijabilne RNK molekule koje iskopiramo mnogo puta, iz tih kopija dobija se mnogo kopija sa razlim greškama - tj. dobijamo varijabilni pul RNK molekula. Sa tim RNK može da se radi svašta. Prvi eksperiment in vitro evolucije uradio je Spigelman 70 tih i 80 tih godina, gde umnožio molekul Qβ virusa i stavio ga u epruvetu i dalje je selekcionisao one molekule koji su se najbrže replikovali. U drugu epruvetu preliva one koji su se najviše umnožili, njih je najviše i zato u svakoj narodnoj genereaciji sa narednim prelivanjem u novu epruvetu njih je sve više. On je ovde radio selekciju za brzinu i efiksanost replikacije, koristio je enzimski protein RNK polimerazu (replikazu) i gledao je znači efikasnost vezivanja za replikazu, brzinu replikovanja je ovde selekcionisao. Posle određenog broja generacija dobio je generacije i pul RNK molekula koji su se 15 puta brže replikovali od početnog pula i imali su samo 17% početne dužine, znači mogli su da rade samo replikaciju tj. samo su se umnožavali jer je to Spigelman selekcionisao. Ti molekuli su nazvani Spigelmanova čudovišta. Znači, nakon "x" generacija, imali su samo 17% početne dužine, ali ima je efikasnost bila neverovatna. Rađeni su kasnije eksperimenti po sličnom principu, samo što su tim RNK molekulima zadavane različite uloge tj. ti RNK molekuli su morali da katalizuju različite stvari u epruveti (u molekulskom sistemu u laboratoriji) - npr. zada im se da obave fosforilaciju na nekom supstratu, da katalizuju peptidne veze, ugljovodonične veze itd. Ukoliko upsešno obave tu fju, oni molekuli koji uspešno obave tu fju bivaju preneti u narednu generaciju i to je jedan sistem selekcije RNK molekula za određene fje. Naravno oni kada se replikuju nastaju greške, i u sledećoj generaciji se dobijaju pulovi molekula sa nešto drugačijom varijabilnošću koji bivaki selekcionisani ponovo itd.. sve dok se ne dobiju vrlo efikasne molekule koji efikasno rade zadatu fju. Tako su dobijeni RNK molekuli tj. ribozimi koji efikasno rade mnogo zadatih funkcija, i u nekim sistuacijama dobijeni su neki RNK molekuli kojima smo zadali funkcije za koje se nije ni znalo da RNK molekuli mogu da ih rade, tako da se došlo do toga ukoliko se nešto zada RNK molekulima i dozvolimo im da evoluiraju po principu kreiranja varijabilnosti usled grešne replikacije možemo da dobijemo RNK molekule koji rade sve što hoćemo. To su sve potvrde da je RNK svet verovatan svet koji je prethodio ovom svetu ćelija koji danas vidimo.

Izdvajanje molekula u narednu generaciju ide po biohemijskoj proceduri: ako neki RNK molekul obavi zadatak onda ima mogućnost da se veže za neki drugi molekul, a oni koji ne obave se ne vezuju. Taj sistem ne bi bio živ da ne može da se kopira. Ključ pronalaska živog molekulsog sistema je pitanje njegova spobonosti da može da se samoreplikuje. Sveti gral postanka života je otkriće ribozima koji funkciju RNK replikaze - da replikuje sam sebe ili druge molekule u sistemu u tom Ajgenovom hiperciklusu. Bez te funkcije taj hiperciklus ne može da postoji i da evoluira. Tačni molekul "Sveti gral" verovatno neće biti nađen, ali opet eksperimenti prebiotičke hemije na ribozimima došli su do nalaza: -(2001 god.) sintetisan je ribozim nazvan R18, koji je imao sposobnost da na osnovu nekog drugog RNK molekula sintetiše komplementar niz od 14 nukleotida. Radio je funkciju repkikaze

10

RNK molekula. To ni je dovoljno čak ni za one prve Ajgenove urgene koji imaju najmanje 100 nukleotida. -(2011 god.) napravljeno 1000e kopija ovih R18 ribozima svaki sa svojom greškom i stavljeni su u proces selekcije za efiksanost replikacije. Imali su mnogo varijsnti R18, tokom evolucije kroz generacije u epruveti dešavale se se razne mutacije gde je prva populacija ribozima evoluirala tako što se pojavila neka mutacija koja poboljšala jedan aspekt procesa replikacija, u drugoj generaciji je neka druga mutacija poboljšala neki drugi aspekt procesa replikacije itd. Da bi to analizirali, sintetisali su denovo novi ribozim sa svim tim poboljšanjima i taj ribozim se zove tC19Z i on je uspeo da doda 95 nukleotida, da uradi replikaciju na osnovu RNK matrice od 95 nukleotida, što je oko 50% njegove sopstvene dužine. On je mogao da replicira i samog sebe druge molekula koji su prisutni hiperciklusu, prično efiksano. tC19Z je prilično efikasno replikovao neke druge ribozime koji rade druge stvari i pokazalo se da ih vrlo efiksano replikuje jer kopije nisu gubile svoje fje i dalje su radile ono što su radile na početku. Mi ne očekujemo da jedan molekul uradi sve i kako nam kaže Ajgenov Hiperciklus i Ajgenov prag to verovatno nikad nije bilo moguće, važno je da imamo deliće koji ponaosob su ispod praga, a zajedno obavljaju celu stvar. RNK svet smo sagledali i nemamo dilemu da je to bio početak svih današnjih bioloških sistema.

Kako ćemo u odnosu na sagledati stupnjeve evolucije živih sistema - varaćamo se Darvin-Ajgenovom ciklusu. Prvi svet je bio neki pre-RNK, rekli smo da je RNK morao da evoliura i da ima nekog svog prethodnika. Mi ne znamo kolika je bila preciznost tog sistema, ne znamo stopu mutacije po nukleotidnom mestu. Darvin-Ajgenov ciklus podrazumeva da usložnjavanje sistema diže ajgenov prag, sistem postaje složeniji i precizniji. U tom kontekstu su napravljene ove faze u postanku života. Usledio je rani RNK svet, gde je greška bila 10-2 odnosno 10-3 kada je sistem evoluirao. Kasni RNK svet bi podrazumevao nastanak već prvih molekulskih fosila kojih ima i u današnjim sistemima. Tad nastaju protoribozomi, tRNK (kao deo hiperciklusa), i genetički kod.


11

Danas postoji koncenzus da je vrlo moguće da današnja mašinerija u ribozomima vodi poreklo još iz RNK sveta. Ako je današnja mašinerija koja učestvuje u sintezi proteina, postojala u RNK svetu gde još nije bilo proteina šta je radio taj hiperciklus ako nije radio ovo što danas radi. Teza je da je osnovna fja tog protoribozoma bila replikacija RNK molekula, a ne sinteza proteina. Znači to je bio hiperciklus koji je uspešno replikovao sam sebe. Taj protoribozom je bio ekspatacija za kasniju ulogu ribozima, a to je sinteza proteina. Protoribozom je bio prvo otkriće RNK sveta koga zapažamo i danas iako danas ima potpuno drugu ulogu. Po triplikaznom modelu uloga protoribozoma je u replikaciji RNK molekula. Triplikazni model: -Hiperciklus u kom se nalaze brojni oligoribonukleotidi (mali RNK molekuli), koji su svi bili pojedinačno ispod praga greške. -Npr. taj protoriobozom treba da kopira jedan olikoribonuikleotid koji je sastavni deo hiperciklusa. Moramo da pretpostavimo da je postojao ribozim koji imao polimeraznu i ligantnu funkciju. a) pretpostavlja se, da su u početku nukleotidi koji su morali da uđu u sistem da bi se izvršila polimerizacija dolazili iz spoljašnje sredine. Znači prvo je ovaj sistem uzimao nukleotide (baze) iz spoljašnje sredine. To je vrlo stohastički momenat: pH sredine, Temperatura, to sve utiče na model koji se zasniva na različitim hemijskim reakcijama. b) da bi se umanjila stohastičnost tog sistema, pretpostavlja se da je drugi RNK molekul mogao da uleti u taj sistem da bi sistem postao stabilniji i precizniji. Pretpostavlja se da se tu pojavljuju tzv. proto transportne RNK tj. ribozimi preteče današnjoj tRNK. (današnja tRNK nosi odgovarajući AK, u ribozomu se zakači za određeno mesto i to dolazi do polimerizacije i nastanka peptidne veze.) Proto-tRNK nije nosila aminokiselinu i nije donirala rastućem polipeptidnom lancu, njena uloga je da donira nukleotide rastućem RNK lancu. Proto-tRNK je provobitbno donirala po 1 nukleotid rastućem RNK lancu. Međutim to je biohemijski vrlo neefikasan proces, jer ako polimeraza dodaje 1 po 1 nukleotid, to je nestabilno jer formiranje jedne vodonične veze koja se lako raskida bi ceo proces polimerizacije jako usporilo ili bi bila nemoguća. c) Pokazalo se da je dodavanje po 3 nukleotida biofizički optimalno. 3 nukleotida danas nalazimo u genetičkom kodu. U laboratorijama su pravljeni ribozimi koji mogu da rade polimeraziciju dodajući po 1 nukleotid, i pokazalo se da oni rade jako loše. Testirana je ova hipoteza. Kada dodaju po 3 mnogo efikasniji proces i to je u biofizičkom sistemu nešto apsolutno optimalno i to je danas prihvaćeno.

Proto-tRNK je ta koja matričnom lancu koji treba da sesam lanac raste sa po 3 nukleotid Dalje bi stabilizovalo ovašto sam ribozim i lanac koji trebodbijaju. Pozitvno naelektrisanaprobližavanja dva molekula, šrešovde imala ulogu kofaktora u re Po ovom modelu: UlazakRNK molekula. Kada se zakači AK i kadapretpostavimo da će biti preciznijUvek pretpostavljamo da je preckoji uleti je morao da poveća prec 2/3 mase današnjeg ribozouradi i oni to obavljaju i bez proviše grešaka, ali mogu. I zato sejer RNK mogu sve da rade i bez t Istraživanje (nema u knj Peptidil transferazni centa23S ribozomalna RNK (prokariotje aksceptorsko mesto gde dolazribozom se pomeri za 3 mesta, tegzit mesto gde AK izađe. A i P mesto su vrlo konnajstarijih tipova ćelija organizamznačajno kasnije na različite nači To potvrđuje priču o Ajgsvako od njih ima po 82 nuklepseudoizomerizaciju duplikacijomcentru reakcije translacije A i PRNK u maloj subjedinici, 5S riboSvi molekuli koji se nalaze u cenda 23S ribozomalna RNK nije povećanje 23S ribozomalne RNpodrazumeva povećanje sa stransam proces.

Danas kada analiziramo periferiji procesa prilično nestrudodavali proteine koji su povećsamog početka.

12

je uvodila nove nukleotide u rastući lane iskopira. Kada ona ostavi svoja tri nukleo

da. Zato se ovaj model zove triplikazni mode

aj sistem: kada se AK veže za proto-tRNK to ba da se kopira su negativno naelektrisani Ra AK se vezuje za proto-tRNKznačajno pznavanje komplementarnih lanaca i samim eakciji i stabilizovala bi reakciju.

k AK u ovaj proces stabilizuje reakciju poli

a se smanji taj negativni naboj između RNK ije prepoznavanje, jer je i mogućnost interakcciznost evoluirala postepno - Darvin-Ajgenociznost, i ovde je znači AK uletela i povećala

oma su RNK molekuli. RNK molekuli obavljoteina, naravno značajno manje efikasno i doe smatra da je mašinerija današnjih ribozomatih proteina.

jizi): ar (PTC) je mesto gde nastaje peptidna vezati) ima 6 domena od kojih je peti PTC, gde seze tRNK koje nose AK, tu se katalizuje foritada se AK nađe u peptidil transferaznom m

nzervisani i vrlo slični kod svih prokariotskma). Egzit mesto je bitno drugačije pa se smne.

genovom hiperciklusu: A i P mesto zajedno etida i nastali su verovatno pošto su skorom (duplirani ribozim). Oba imaju ispod 100 n

P mesto. U centru te reakcije se nalazi još tozomalna RNK u velikoj subjedinici i svi mantru procesa translacije imaju manje od 100 n

dalje evoluirala, jer sa povećanjem složenNK, ali to povećanje ne uključuje A i P ne koje verovatno uvećava efiksanost tog pro

ribozome, u centru dešavanja su RNK moukktuirani, samim tim izgleda da su ribozomavali efikasnost celog procesa, ali nisu bili

nac, komplementarno otida otkači se i ode, a el.

stabilizuje sistem zato RNK molekuli, i oni se

povećava mogućnost tim bi aminokiselina

imerizacije (kopiranja)

molekula, možemo da cije značajno uvećana. ov ciklus neki element a preciznost.

jaju sve što treba da se osta sporije i sa mnogo a nastala u RNK svetu

a tj. Velika subjedinica e nalazi A i P mesto. A mranje peptidne veze, mestu (P) i onda sledi

kih organizama (prvih matra da je ono nastalo

imaju 165 nukleotida, o identični i pokazuju nukleotida. Nalaze se u transportna RNK, 16S anji od 100 nukleotida. nukleotida. To ne znači nosti organizma ide i mesto u PTC-u, već

ocesa, ali ne katalizuje

olekuli proteini su na mi naknadno i kasnije i ključni za proces od


13

Kako je došlo da zamene od toga da protoribozom sitetiše i kopira RNK molekul do toga da on obavlja sintezu proteina, to je danas nejasno u razumevanjeu evolucije sistema. Kako i zašto su uleteli proteini u ovaj genetički sistem koji je bio tako dobro usaglašen i efikasan sa RNK molekulima. - Prva pretpostavka je da su oni poboljšavali sistem, inače ni bi bili primljeni u sistem. - Drugo, na koji način je povezana informacija i određena AK, tj, na koji način je došlo do postanka genetičkog koda. Svi eksperimenti prebiotičke hemije kažu da su AK vrlo lako nastajale u pretpostavljenim uslovima tadašnje zemlje - znamo da se obavljala sinteza raznovrsnih AK iz neorganskih molekula. I u vreme kada su nastajali razni RNK genetički sistemi oni su bili okruženi različitim aminokiselinama. Takođe znamo, da nije potrebno da postoji RNK molekul da bi te AK mogle da naprave peptidnu vezu (jer peptidna veza je dehidracija: karboksilna grupa+amino grupa i oslobađa se jedan molekul vode i nastaje peptidna veza). Sidni Fox je 60tih godina davao veliki značaj proteinima, on je uzimao aminokiseline i pekao ih tj. radio dehidraciju AK. Te AK sad stupaju u razne interakcije i naprave nasumične i peptidne veze i neuređeno, takođe vezivale su se i bočnim grupama, pa su se dobijale šume spojenih AK (spojeni na različite načine i razgranato) tj. neke polimere koji nisu poput danasšnjih bioloških polimera. On je smatrao da je to ključ, da su AK te koje su tako abiogeno pravile polimere i kasnije kada ih stavimo u vodu one naprave mikrosfere i on je smatrao da su to proto ćelije. Ako proteinima nazivamo linerani sled AK, ovo su bili protenoidi neuređeni sa raugranatim vezama između AK. On je smatrao da su protenoidi tj. mikrosfere zapravo protoćelije. Međutim to je odbačeno, a Sidni Fox je dolazio još dugo na konferencije koje su se bavile postankom života iako ga niko nije zvao, i ispred konferencijskih sala je nosio reklame na kojima je i dalje propagirao mikrosfere. Važno: Abiogena sinteza peptida ili protenoida je bila moguća, AK su mogle da se polimerizuju i bez bilokakvog učešća drugih molekula. To je Sidni Fox demonstrirao. A šta će to jednom genetičkom sistemu koji smo do sada ispričali, koji funkcioniše prilično efikasno? Postoje razni razlozi:

14

- Peptidi su bili važni jer su funkcionisali kao kofaktori različitih reakcija koje su katalizovali RNK molekuli (tj. ribozimi). Ak u triplikaznom modelu koja se vezuje za jedan ribozim je poboljšavala interakciju dva RNK molekula. - Slika: zamislimo da jedan ribozim treba da stupi u interackiju sa molekulom nekog supstrata. I zamislimo da ako taj ribozim veže neku AK da to poboljšava njegovu interakciju sa supstratom, menja mu konformaciju. Selekcija će favorizovati one ribozime koji imaju preferenciju da za sebe vezuju AK koja poboljšava njegovu fju. To je selekcija na molekulskom nivou, takvi ribozimi će biti selekcionisani i prisutni u hiperciklusu i pobljašavaće performanse čitavog hiperciklusa. - Smatra se da bi takvi oligopeptidi mogli da budu preteče aminoacil-tRNK sintetaze (ona je enzim koji je specifičan za određenu tRNK i određenu AK, i zahaljujući tom enzimu tačno određena tRNK vezuje tačno određenu AK). Moćemo da kažemo da je to enzim koji je ključan za genetički kod. Kada pričamo o nastanku genetičkog koda, važno je da razumemo evoluciju ovog enzima koji je proteinski enzim. Ukoliko je neki ribozim imao preferenciju za vezivanje određenog polipeptida koji povećava njegovu efiksansost u katalizi različitih reakcija, jedna od mogućnosti koja se pojavljuje za jedan od tipova ribozima npr. proto-tRNK, ukoliko ona ima preferenciju ka vezivanju određenog polipeptida, taj oligopeptid bi mogao biti preteča budućeg enzima aminoacil-tRNK sintetaze ili bar kao molekul koji se tu uglavio i koji će ubuduće evoluirati da bi poboljšao efikasnost tog sistema. Ovde je suština da su peptidi (jedna ili nekoliko aminokiselina) funkcoinsali kao kofaktori. I danas postoje sistemi da svega nekoliko AK obavljaju vrlo važne stvari, ili neuređeni proteini obavljaju vrlo važne stvari u ćelijama. Npr. dve AK su važne za formiranje pora u membranama; amiloidni zaštotni molekuli kod kojih nije važna struktura ni sekvenca već samo sastav tog molekula, poliglicini koji su potentni katalizatori. Polipeptidi, tj. oligopeptidi su mogli da katalizuju (ili pomažu u katalizi) i u prvim sistemima neke reakcije.


15

-Vezivanje neke AK (ili nekog oligopeptida koji je abiogeno nastao) moglo je da bude favorizovano jer označava mesto odakle treba da počne replikacija (Replikation tag). Zašto? Setimo se triplikaznog modela: proto-tRNK koja za sebe ima vezanu AK ili neki oligopeptid mnogo lakše ulazi u početak procesa replikacije, lakše stupa u interackiju sa ribozimom koji treba da obavi replikaciju. Dakle mesto vezivanje bi bilo i mesto početka replikacije RNK, tj. biofizički: to je mesto gde će doći do lakše interakcije RNK molekula koji treba da se replikuje i ribozima koji to reba da uradi. -Dalje, moguće je da to nije direktna interakcija aminokiseline i molekula koji treba da se replikuje, nego da tu postoji adapterski molekul, a to je proto-tRNK. Jer je rezultat isti kada se za proto tRNK veže AK, ona čardžira pozitivno i povećava verovatnoću inerakcije jednog ribozima i lanca koji treba da se kopira. Ovde je samo biofizička stvar - naelektrisanje. -To je selektivno favorizovano jer: -ono što je malo manje negativno naelektrisano biće preferencijalno umnožavano, i to će da bude sve zastupljenije u narednim generacijama. -ono što je precizno umnožavano biće favorizovano. Princip nasledljivosti je nešto što će biti favorizovano kroz proces evolucije. Slika: Ako je ovo ribozim koji treba da obavi proces replikacije, a nemamo vezanu AK-u ili tRNK sa aminokiselinom, taj molekul će biti ili neće biti replikovan, odnosno verovatnoća njegove replikacije će biti manja nego ukoliko se za taj molekul veže transportna RNK koja nosi AK-u, verovatnoća pristupa tog ribozima tom negativno naelektrisanom molekulu je značajno uvećana. Onaj molekul koji ima preferenciju za vezivanje AK-e ili transportne RNK same za kiselinom će biti preferennijalno umnožavan i zbog toga selektovan.

Smatra se da su AK-e mogle da dovode do sprečavanja formiranja dvolančanih RNK molekula. Zašto je bilo važno da RNK molekuli ostannu jednolančani - da bi zauzeli konformaciju koja je funkcionalna. Da bi se raskinule vodonične veze između dva lanca potrebna je energija i to je skupo za sistem. Medjutim ukoliko se u procesu replikacije vezuje transportna RNK koja nosi AK-u, kada tRNK preda svoj triplet, kada se otkači AK sa transportne RNK opet se dobija negativni naboj i udaljavanje dva lanca i tp je energetski mnogo manje zahtevan proces.

16

Grupa modela koja prati evoluciju proto-tRNK, i smatra da je ona ključ za celu priču. Ključna je jer je to jedini molekul koji povezuje svet proteina i svet nukleinskih kiselina. tRNK izgleda kao detelina (sekundarna struktura), ima antikodonsku petlju (krak) na jdenom kraju, i na drugom kraju je miniheliks ili akceprski krak (CCA-) za koji se vezuje AK. Desno je njena 3D struktura. Na jednom kraju je antikodon tj. triplet koji je komplementaran informacionoj RNK, i na taj način se u ribozomu ređaju odgovarajuće tRNK koje nose odgovarajuću AK-u. Antikodon na tRNK je komplemetnaran kodonu na iRNK. Smatra se da je miniheliks evoluciono stariji od antokodonskog dela. Prvo je nastao miniheliks, a kasnije nastaje druga polovina ovog molekula tj. antikodonski deo. Ako je to tako, a verovatno jeste, sinteza proteina je mogla da počne kao nekodirajući proces, jer ako mi nemamo antikodon na molekulu to onda nema veze sa informacijom koju nosi RNK molekul. Znači, miniheliks može da se veže sa aminokiselinom, ali to nema nikakve veze sa informacionom RNK, tj. sa informacijom na drugom molekulu. Smatra se da je ova antikodonska petlja nastala kasnije tokom evolucije duplikacijom miniheliksa. I videćemo zašto je to važno za nastanak genetičkog koda. U svakom slučaju, stvaranje peptidnih tj. kataliza formiranja peptidnih veza u kome je mogao da učestvuje miniheliks deo transportne RNK, mogla je u početku da nema nikakve veze sa informacijama na drugom RNK molekulu. Gde tu tRNK počinje da povezuje priču informacije i proteina?

Gledamo kompletnu tRNK. Ona ima afinitet za vezivanje AK-e. Ukoliko postoji i komplementarnost između dve transportne RNK koje sa sobom nose AK-e, to znači da te dve AK-e dolaze u blizak kontakt i eto je kataliza formiranja peptidnih veza. Na jednoj tRNK može da ostane oligopeptid koji će da raste, druge otpadaju. Ovaj proces će biti favorizovan ukoliko ovaj oligopeptid povećava katalitičku aktivnost ove RNK ili ako se otkači i vezujući se za drugu RNK povećava njenu katalitičku aktivnost. Ovaj proces postaje još manje stphastičan ukoliko u celu priču uđe i treći RNK molekul. Znači ovaj model govori o tome da je postojala i proto informaciona RNK (slika desno). Ako postoji komplementarnost između ove dve proto tRNK, i postoji komplementarnost sada već na antikodonskoj petlji sa proto informscionom RNK, povećava se uređenost sistema i moguće je da se


sada naređa više proto transportnstohastičan zbog toga što postojiRNK, a samim tim i na koji napovećava stabilnost sistema, prvzadržava, može da se ređa višepovećava stabilnost biće i favoriz

Mi smo do sada pričali oaminokiselina bila važna za evolunjihovo evoluciji, mi govorimo replikacijom RNK molekula. Daizgleda ribozom. Današnji ribozom ima mprepoznaju iRNK i tRNK, tu se č Zamislimo sad prethodni koja uopšte nisu u kontradikcijikraju dešava se kataliza sinteznezavisno, ali kada posmatramo o 23S rRNK je preteča peptreplikazna funkcija. Da li vidimo kontradikcijuna jednom kraju te tRNK se nalatom proto periodu bio donor nuklinformacije, prvobitno čitanju infi generisanju ukoliko je bila izvoAK-e, one su dovođene u bliski dva nezavisna procesa koje danas E to je opšta rekostrukcijonda logično, na jednom kraju se

Mi danas imamo situacijuradili RNK molekuli. Ono što se,a to je sinteza RNK prestalo da jnego je bila važna samo za prepo Kako je došlo do toga da će proetine da pravi? Po ovom modelu se smatr


17

nih RNK na proto informacionoj RNK, da sai i treći medijator načina na koji će da interaačin će se nadovezivati i AK-e. Znači kadavo one se duže zadržavaju ukoliko imaju tree njih, sam lanac može da bude duži. I tozovano.

o tome da je triplikazni model i prevashodnouciju genetičkog sistema. Kada pričamo o proo tome da je pravljenje plipeptida bio proce

a li su ova dva procesa u kontradikciji uzimaju

malu i veliku subjedinicu. U maloj subjediničita kodon i antikodon. U velikoj se vrši sintez

model medijacija tRNK-tRNK, to su mogla. tRNK koja pomaže u procesu repliakcije, ze proteina, dakle dva procesa koje možobe subjedinice zajedno to su paralelne stvaritidaze. Originalna funkcija 16S ribozomalne

u prateći ova dva nezavisna modela? Poenta jazi antikodon važan za informaciju za koji smleotida. Znači, sa jedne strane ta tRNK je učeformacije jer je morala da bude komplementr nukleotida. A sa druge strane tog istog molkontakt, samim tim je katalizovan nastanak

s vidimo u velikoj i maloj subjedinici ribozomja ovog događaja. Kada posmatramo samu tre dešava jedna stvar, na drugom kraju se dešav

u u kojoj su proteini potpuno pobedili i oni r, uslovno govoreći, po našem modelu dešavalje da bude važno, ta transportna RNK više n

oznavanje. sada nije važno da li će se RNK replikovati,

ra da je vremenom došlo do atrofije RNK po

Ivan Petrović 2015 am sistem bude manje

aguju proto trasnportne a uđe i treća RNK to eći molekul koji ih tu

o je nešto što ukoliko

o kofaktorska funkcija oto transportnoj RNK i es koji nije imao veze ući u obzir kako danas

ici je šifrarnik - tu se za proteina. a da budu dva procesa

a na drugom njenom žemo da posmatramo i. funkcije bi možda bila

je: ključ je ipak tRNK, mo pretpostavili da je u estvovala u generisanju arna matričnom lancu, lekula gde su zakačene peptidnih veza. Dakle

ma. ramsportnu RNK to je va druga stvar.

rade sve što su nekada lao u maloj subjedinici nije donirala nukletide

već da je važno kakve

ovoj slici:

18

prvobitni ribozimi koji su za sebe vezivali neke AK-e, što imeje povećavalo efiksanost zbog promene konfrormacije za vezivanje za neki supstrat, vremenom bi bilo favorizaovani ukoliko se tu više aminokiselina vezuje, ukoliko su polipeptidi ti koji još dodatno povećavaju efiksanost sistema, sa povećanjem efiksanosti i preciznosti same sinteze proteina, vremenom bi se dešavalo da proteinski deo ribozima (budućih proteinskih enzima postaje) dominantan, da se RNK povlači iz svoje uloge i aktivno mesto mesto preuzima protein. Ta atrofija RNK je podrazumevala, da sam proces koji se dešava u velikoj subjedinici postaje sve precizniji i sve dominantniji.

Stigli smo sveta RNK-proteini. Ovaj deo je najteže rekosntruisati. Kada smo pričali o protoribozomima, o triplikaznom modelu to nije teško rekostruisati jer tu postoje tragovi prošlosti (triplakaza, imaom RNK molekule koji to u ribozomima i rade). Ovaj transfer je najteži jer mi u savremenim organizmima nemamo tragove tog transfera, od ribozoma koji vrše replikaciju RNK molekula, ka ribozomima koji vrše sintezu proteina - to danas nemamo i to je najteži korak. Konačan je skok taj da postoji atrofija RNK u tim enzimskim procesima. Oni koji smatrajju da je ta atrofija realan događaj iz prošlosti kažu da su pokazatelji ovoga ovi proteini koji funkcionišu uz pomoć ovoh nukleotidnih koenzima - znači da su njima i danas potrebni nukleotidni koenzimi da bi reakciju obavili. Zastupnici ovog modela smatraju da je ovo jedan pokazatelja postepene atrofije RNK. Konačan evolucioni skok bi bila predaja katalitičkih funksija proteinima, ne potouna kao što smo videli, ali u nakvećoj mogućoj meri. Tada selekcija više ne deluje na RNK, odnosno na informaciju direktno, već na informaciju počinje da deluje indirektno, zavisno od toga kakav je protein koji se sintetiše na osnovu RNK informacije, odnosno kasnije DNK informacije. Sada selekcije ne deluje na genotip, već na fenotip, a protein je fenotip.


19

Šta je gentički kod? Genetički kod je šifrarnik: postoje tačno određeni tripleti šifriraju određene aminokisline. Genetički kod je univerzalan (važi skoro za sve prokariote i eukariote) sa nekim izuzecima za koje smatra da su naknadno nastali u nekim organelama kod nekih bakterija. Ono što se danas se smatra da je promena univerzalnosti genetičkog koda u tim nekim izuzecima naknanda pormena i da je genetički kod počeo kao univrezalan. Kod triplikaznog modela je prvo postavljeno da je triplet nešto što je postalo univerzalno još pre uleta proteina u ovu priču. Triplet, pomeranje po tri, princip tripleta je nastao pre sinteze proteina, a kasnije treba da vidimo na koji način se određena tRNK sa određenom AK-om. Zašto samo 4 nukleotida postoje u genetičkom kodu? Zašto ne 2, 3 5 ili više? to mora biti paran broj zbog komplementarnosti, jer ne sme biti preklapanja u šifri. Znači ako ih ima 5, šta ćemo sa onim jednim. nema 2 nukleotida koji određuju određenu AK-u: zato što je to mali broj informacija i nema dovoljno tripleta, tj. nema dovoljno šifri (nema dovoljan broj kombinacija) za 20 AK. ako bi RNK bila sastavljena samo od 2 nukleotida npr samo C-G, onda bi ti RNK molekuli mogli da naprave milijarde različitih konformacija, komplementarnost bi onda bila po celom RNK molekulu vrlo česta i takav molekul kada se upetljava bi imao strašno mnogo kombinacija i stabilnost njegove strukture i funkcije se dovodi u pitanje, jer se upetlja jednom na jedan način, drugi put na drugi način i ne može da obavlja svoju funkciju (katalizu koju treba da obavi). nije 6 nukleotida, razlog je sličan samo obrnut - previše je rigidna konformacija, znači komplementarnost na jednom molekulu možda može biti samo možda na 2 mesta. Znači 4 je broj koji omogućava funckonisanje RNK molekula i kao ribozima i kao nosioca informacije. Kako je nastao genetički kod?

Moramo da pretpostavimo da je i on u početku bio vrlo nesavršen. Da li je tRNK tj. određeni antikodon od starta bio vezan samo za jednu AK-u? To niko ne pretpostavlja. Znači i sam

20

genetički kod i to vezivanje je moralo biti prilično nespecifično. Znači, genetički kod je u početu bio sigurno vrlo grešan, i nije bilo jasne specifikacije određene tRNK i određene AK-e. Pokazatelj da je genetilki kod evoluirao postepeno: kod nekih arhebakterija (metanogenih) nekih eubakteija pokazalo se da te arhebakterije i eubakterije nemaju neke sintetaze (neke nemaju aparaginil tRNK sintetazu, glutaminil tRNK sintetazi, cisteinil tRNK sintetazu) ali one i dalje koriste i asparagin i glutamin i cistein u svojim metaboličkim procesima i sintezi proteina. Kako to rade? Smatra se da se druge tRNK vežu za njima srodne AK-e, gde postoji odgovarajuća sintetaza ugradi se, a tek kasnije korišćenjem enzima modifikacije od tih AK-a se dobiju ove AK-e čije sintetaze nedostaju. To govori da je sigurno poenta bila u tome da je na početku vezivanje bilo vrlo nespecifično. To zaključujuemo na osnovu savremene situacije i savremene specifičnosti u vezivanju tRNK i određene AK-e koje na početku sigurno nije bilo, već je na početku bi nespecifičan i evulirao u sve specifičniji. Nastanak samog genetičkog koda sigurno se desio veoma rano, još pre nego što su sistemi postali značajno složeni, između ostalog zato što isti genetički kod postoji i kod prokariota i kod eukarioat (univerzalan) svaka njegova značajna promena kada je sistem postao složeniji bila je nemoguća. Znači genetički kod ovakav kakvog ga danas vidimo je molekulski fosil. Kako su izgledali prvi genetički kodovi? Ajgen kaže, da su prvo kod genetičkih kodova korišćene samo 2 baze - G i C. I tu je bilo važno samo 1. i 3. mesto. U tom smislu prvi genetički kod je mogao da vezuje smao 4 AK-e umesto današnjih 20 i to su bili glicin, alanin, asparaginska kiselina i valin koje i danas pronalazimo u toj kombinaciji. Ove AK-e su i najbrojnije u eksperimentima prebiotičke hemije, što je zanimljivo, takođe i ove baze su vrli česte u eksperimentima prebiotičke hemije. Volter Fič daje najzanimljiviju tezu koji ima model evolucije genetičkog koda koji se zove redukcija neodređenosti. Kada predstavumo ovako genetički kod kao na slici, levo je baza na 1. mestu kodona, gore je baza na drugom i desno je baza na 3. mestu kodona. UUU je fenil. Kada povučemo linije po sredini dobijamo sledeće (što je Fič primetio): AK-e koje na drugom mestu u kodu imaju uracil ili citozin su uglavnom nepolarne i hidrofobne. AK-e koje imaju A i G na drugom su AK-e koje su polarrne, naelektrisane, hidrofilne i značajno reaktivnije. Jedini izuzetak su serin i treonin, sve ostale mogu ovako da se podele po tome koji se nukleotid nalazi na drugom mestu u tripleti. Fič iz toga zaključuje da je genetički kod na početku pravio samo razliku između AK-a po tome da li su hidrofilne ili su hidrofobne, da li su reaktivne ili su manje reaktivne, dakle genetički kod je samo po to drugom mestu određivao samo tip AK-e a ne i tačno koja je AK-a. To je u početku (gde se ugrađuje bilo šta na bilo kom mestu, gde se bilo koja AK vezuje za bilo koju tRNK odnosno kodon) ipak unapredilo preciznost sistema sinteze proteina i efiksasnot tog proteina, jer to daje mogućnost da se na osnovu drugog mesta vrši rapodela na hidrofobne i hidrofilne, tj. iako mi nemamo jasnu sekvencu mi imamo raspored hidrofilnih i hidrofobonih i to može da ima značaja za konformaciju tog proteina i za njegovu aktivnost u sistemu. Dakle nije tačna sekvenca, ali je tačan tip AK-e. Fič kaže da je to bilo us tartu najvažnije i to primećuje na osnovu tabele. Kasnije kaže da je sigurno došlo do redukcije neodređenosti, odnosno do preraspodele AK-a po određenim transportnim RNK.


21

Krik daje model zaleđene slučajnosti: raspodela određene tRNK sa određenom AK-om, bila u najvećoj meri slučajna i na početku su prve neke tRNK među sobom rapodelile slučajno neke AK-e. Kako su kasnije ulazile nove AK-e u sistem, Krik kaže da su one najsličnije AK-e uzimale najsličnije transportne RNK odnosno kodone, jer je na taj način sistem bio najmanje ugrožen. Znači najsličinije AK sa najsličnijim kodonima. Kada su se jednom rporedile ta situacija je postala zaleđena. Koevoluciona hipoteza: raspored kodona i AK-a reflektuje biosintetske puteve AK-a. Na početku su malobrojne AK-e podelile neke dostupne kodone, a novekoje su uvođene su preuzimane od prekurskorskih aminoksilina i samim tim one najsrodnije AK-e imaju najsličnije kodone. Hipoteza minimiziranja traslacionih grešaka: selekcije je favorizovala sisteme koji su uzrokavali najmanje grešaka, odnosno najmanje štetnih po sistem. Što važi i za zaleđenu slučajnost i za koevlucionu hipotezu, jer i na ovaj način najsličinije i najsrodnije AK-e imaju najsličine kodone tj. triplete. Po ovoj hipotezi pokazatelj da je selekcija modelovala genetički sistem je u tome što na 3. mestu u kodonu kada zamenimo bazu često uopšte ne dolazi do promene AK-e ili se AK zameni nekom sličnom AK-om sa sličnim svojstvima pa onda taj protein ne bude galičan protein i ne pormenui svoju fju. Sterohemijska hipoteza: postoji afintet određene AK-e prema određenom kodonu. I zaista u raznim eksperimentima se pokazalo da neke AK-e imaju afinitet za vezivanje za tačno određeni triplet. I to je stereohemijska hipoteza.

AK se vezuje na "binding site"obeležen krugom, a antikodon je na suprotnom kraju jednog molekula. Kako je moguće da jedna AK pokazuje afinitet prema trinukleotidu koji se nalazi na suprotnom kraju molekulu. Objašnjenje je RNK operacioni kod. Rekli smo da je miniheliks stariji od antikodonskog dela tRNK. Smatra se da je triplet ispod CCA kraja za koji se kači AK, bio ustvari originalni triplet za koji određene AK-e pokazuju afinitet. Znači operacioni kod je bio stariji od genetičkog koda. Kasnije kada je došlo do kopiranja i do dupliranja ovog molekula (i tad postaje duplo duži), od operacionog koda nastaje antikodon. Ovo je polušaj da se objasni posojanje afiniteta određene AK-e prema određenom tripletu. Neke aminoacil tRNK sintetaze to upavo i koriste kao determinante za prepoznavanje AK-e i

22

određene tRNK, ne sve ali neke to rade. Pošto je do te duplikacije i nastanka kodonskog dela tRNK došlo jako davno, sam antikodon je mogao da evoluira i da se menja u odnosu na operacioni kod. Pokušaj da se vidi da li operacioni kod i antikodon predstavljaju kopije (antikodon u odnosu na operacioni RNK kod) pokazao je: kada uzmemo transportne RNK koje imaju kompelementarne antikodone tadsa se dobija da drugi nukleotid u antikodonskom tripletu jeste komplementaran drugom kodonu na RNK operacionom kodu, ali dakle na transportnim RNK koje imaju komplementarne antikodone. Ovo se objašnjavi time da je verovatno genetički kod evoluirao u parovima, gde su bile dve tRNK koje su ili bile kopirane na obe strane, a samim tim međusobno su komplementarni ovi nizovi, ili kasnije kod DNK da je replikacija mogla ići sa oba lanca. Znači po stereohemijskoj hipotezi antikodon tj. triplet koji vezujemo za genetički kod nastao od RNK operacionog koda, tj. od starijeg dela koji pokazivao afinitet prema određenoj AK-i. Na slici je zaokružen operacioni kod i izdvojen je drugi nukleotid koji je kompementaran drugom nukleotidu na antikodonu druge transposrtne RNK koja ima komplemetaran antikodon. Na slici je samo slučajno komplementaran drugi i drugi na istoj tRNK.

S

SKRIPTA, Prinncipi moleku

ularne i fennotipske evo

1

olucije, Ivan Petroviić 2015

2

preRNK svet - ideja da je i sama RNK morala da evoluira, da nije mogla sama spontano da nastane. Rani RNK svet Počeci formiranja multimolekulskih kompleksa, tu je pominjan Ajgenov Hiperciklus. Rani RNK svet je imao mehanizme zasnovane na ribozimima, mehanizme replikacije (umnožavanja) tih prvih kooperativnih sistema koji su morali da nastave da egzistiraju i da samim tim evoluiraju. Kasni RNK svet - nastanak protoribozoma, transporne RNK, počeci nastanka Genetičkog koda. RNK-proteini - Ribozomi, Kodirana sinteza proteina. Genetički kod podrazumeva da u sistem ulaze i AK-e, proteini, sinteza proteina koja se zasniva na informacionom sadržaju genetičkih sistema. Svet dvolančane RNK - Veća stabilnost nasledne informacije Sposobnost RNK da formira 2L strukture je uobičajena i postoji i danas u živom svetu. Ta faza je bila favorizovana i opstajala u prvim genetičkim sistemima jer (po Darvin-Ajgenovom ciklusu) sve što povećava preciznost i stabilnost biće favorizovano prirodnom selekcijom. Svet 2L RNK zbog povećanja stabilnosti informacija bi bio favorizovan PS-om. U-DNK svet - faza ribonukleotitdne reduktaze (kataliza nastanka dAMP,dGMP, dCMP), rani mehanizmi reparacije DNK. Prvi DNK svet koji nastaje iz RNK sveta je imao Uracil umesto Timina. RNK ima uracil, a danas kod DNK je on zamenjen timinom. Da bi nastao DNK svet morali su nastati enzimi ribonukleotidne reduktaze koje od ribonukleotida stvaraju dezoksiribonukleotide. Pošto je to proteinski enzim, pretpostavlja se da je došlo do usaglašavanja i povećavanja preciznosti proteinske sinteze još u prethodnoj fazi postanka i evolucije genetičkih sistema. Pojavili su se rani mehanizmi reparacije koj su zasnovani i na RNK i na proteinskim molekulima. U DNK svet je bio značajno precizniji, stope mutacije u U DNK je 10-7. DNK svet - U u T, poboljšani sistemi reparacije DNK Uracil je zamenjen Timinom i to podrazumeva nastanak još jednog enzima - timidilatne sintetaze (sintaze) koji katalizuje reakciju u kojoj iz Uracila metilacijom nastaje Timin koji je dezoksiribonukleotid. To je dodatno povećalo preciznost sistema jer ukoliko se Citozin dezaminuje nastaje Uracil, teško je enzimima repracije da prepoznaju koji je U pravi, a koji je mutiran, što je pad preciznosti sistema ako greše u prepoznavanju. To je razlog nastanka timidilatne sintetaze i to je podržano PS-om. Arhebakterije i Eubakterije imaju dve nehomologne timidilatne sintetaze - geni koji kodriaju za ovaj enzim nisu homologni (znači da su nezavisno nastali u ove dve evolucione linije). homologni = da imaju zajedničko poreklo, da su nastali u ove dve evolucione linije od jednog zajedničkog pretka. Iz tog razloga se zaključuje da je i sama DNK mogla nastati bar 2 puta nezavisno u dve različite evolucione linije. Ovde je stopa mutacije bila 10-8. Kasni DNK svet - današnji svet. Preciznost povećana na 10-9 po nukleotidnom mestu.


3

Nastanak DNK - hipoteze i primeri Kako je nastala DNK

Virusna hipoteza: Smatra se da su virusi sebični genetički elemeti. Ukoliko su RNK virusi nastali još u RNK svetu, pojava sposobnosti virusa da vrše konverziju jedne nukleinske kiseline u drugu - tj. ako virusi imaju nešto što ne mogu da prepoznaju sistemi zaštite "domaćina" to će biti favorizovano. Po virusnoj hipotezi ribonukleotidna reduktaza i timidalatna sintetaza je izmišljotina virusne evolucione linije i kasnije je bila moguća jednostavna tranzicija od RNK u DNK sistem koji je prihvatio i sam "domaćin" tj. ti kooperativni hiperciklusi su mogli to da prihvate. Takav RNK genetički sistem koji može da prebaci informaciju u DNK bi bio favorizovan ukoliko to dodatno povećava preciznost sistema. Da se informacija sa RNK lako prebaci u DNK pokazuju i savremeni genetički sistemi npr. retrovirusi koji rade tu koverziju.

Primer konvertovanja RNK u DNK genetičku informaciju je protozoa Oxytricha zasnovana na DNK sistemu (kao i sve ćelije). Ona ima mikronukleus i makronukleous. -Mikronukleusi su uobičajena jedra eukariota (sadrže određeni broj parova hromozoma, učestvuju u mejozi, rekombinacijama itd.). Nakon konjugacije te jednoćelijske Oksitrihe dolazi do rekombinacije tih njihovih jedara. Mikronukleusi su tu radi reprodukcije -Makronukleus je transkripciono aktivan (metabolički aktivan i održava ćeliju u životu), DNK informacija u makronukleusu se transkribuje i daje sve proteine neophodne za funkcionisanje ćelije. Makronukleusi se sastoje od iscepkanih malih hromozoma u kojim su geni koji se transkribuju. Tokom polne reprodukcije (tj. deobe ćelije) nestaje makronukleus, ali ostaju RNK molekuli koje je makronukleus produkovao pre nego što je nestao. Nakon polne reprodukcije ponovo se regeneriše makronukleus na osnovu informacije RNK molekula koji se nalaze u citoplazmi. Tu postoji konverzija iz infromacije iz RNK u DNK. U eksperimenu može da im se ubrizga još RNK molekula i oni će napraviti više DNK u svom makronukleusu, ili im uklonimo RNK, tj. moguće je manipulisati količinom RNK molekula što će odrediti sastav DNK u makronukleusu. Ovo je ilustracija da je ova konverzija moguća jer postoje i enzimi koji to mogu da odrade.

9

mh inzm

je pR ntr

D

f

k TAEs Msurasv Ps P bab

9. Postana

U RNmakromolekhipercikulsi.

RNKnterakcijam

zaokruženi membranom

Sledeća ednoćelijsk

ProgprokariotskoRNK sveta.

Tad neprecizni sranskripcija

SistemProge

LUCA je Od njega s

Da li je LUCsličan prog

fenotipa. ili je LUC

kod savreme

Tri domenaArhebakterEukarioti susuštinski dru

Molekulska anubjedince kojazlika kao i nvet se može p

Počev od Ravremene ć

Prepotstavlja

Odvbiomakromoazotne baze,budu u visok

ak prvih ć

NK svetu kulski kom.

K sistemi (mma) koji

u enm.

faza u nastke organizacgenot je poj ćelijskoj

je još uvesistemi preva i translacij

m sa preciznenot je preće

poslednji zasu evoluirala

CA bio: genotu - st

CA bio tipičenih ćelija.

a života: rije i Eubaku organizmugačija od p

naliza prokariji su zajednič

na mnogo drugpodeliti na dom

RNK sveta elije (arheb

amo da su p

vajanje (koolekula. Klj, šećeri itd)koj koncent

ćelija

su nastalimpleksi -

molekuli pomoraju

ntitet ob

tanku ćelijecije. preprokariot

organizacij

ek evoluiravođenja jednja se bile mn

nim odnosomelijski stupan

ajednički prsva tri savre

tupanj sa R

čna DNK pr(translaciona

kterije nemmi čije ćelijeprokariota.

iotskih ćelija čki za sve živgih gena - uvmene Arhebak

imamo sleakterije, eub

prve ćelije k

ompartmenjučno je jer koji su motraciji (blisk

i prvi prvi

ovezani biti

bavijen

e je Progen

tski stupanji. "Progeno

ao odnos inog molekunogo neprec

m genotipa i fnj.

redak svih semena ćelijsk

RNK geneti

rokariotska a i transkripc

maju jedro i t imaju jedro

('70): proučave sisteme i

vode se domenkterija, Eubak

edeći niz u bakterije i e

koje su nast

nizacija) ose rešava p

ogli nastati kom kontakt

4

not (stupanj o

nj ćelijske ot" je hipote

između genula u drugi: ciznije od p

fenotipa se zo

savremenih ka organizac

ičkim sistem

ćelija sa čvciona mašine

to su prokaro. Ćelijska

avani su nekipokazalo se

ni i po organikterija i Eukar

evoluciji ćeukarioti)

ale prokario

od životne problem koabiogeno, jtu) u određe

organizacije bio

organizacijetički preprok

notipa (infgeni i njiho

pravih proka

ove genot ili

ćelija. iona nivoa -

mom bez p

vrstom vezoerija kao kod

riotske ćelijorganizacij

i geni rRNK da tu postojizaciji ćelije č

riota.

ćelija: RNK

otske ćelije.

sredine joncentracijer je za njihenoj zaprem

oloških sistema

je tj. stupkariotski stu

formacije) ovi kodiranariota (euge

i eugenot i to

arhebakterij

preciznih v

om između savremenih

je. a im je

iz male i mnogo čitav živi

K svet —>

.

je ključno je malih orghovu polim

mini.

a) je pretho

panj koji jupanj, koji je

i fenotipa ni proteini suenota).

o bi bila ćelij

e, eubakterij

veza između

genotipa i fprokariota).

Progenot -

ua nastanganskih mo

merizaciju ne

odnik tipičn

e prethodie evoluirao i

(protein)u bili manji

a.

e i eukarioti

u genotipa

fenotipa ka

LUCA —>

nak velikiholekula (AKeophodno d

ne

o iz

- i,

.

i

o

>

h K, da


5

Kada su se pojavile ćelijske membrane koje vrše odvajanje od sredine. Postoje dve grupe modela:

1. Ćelija prva - (znači membrana je zaokruživala molekulski RNK (ili DNK) sistem). Prednost ranog membranskog odvajanja živih sistema od okolne sredine je rešavanje problema koncentracije molekula. Prvo je moralo doći do membranskog zaokruživanja skupine molekula koji će međusobno biti u interakciji zbog problema koncentracije. Problem koncentracije je osnovni razlog zašto ovi modeli insistiraju da je moralo prvo doći do zaokruživanja sistema (odvajanja od ostatka sredine) u npr. vodenoj sredini da bi ti molekuli bili na dovoljno maloj udaljenosti (dovoljno koncentrovani) da mogu da stupe u inerakciju. Oparinova supa - u njoj plivaju razni molekuli, ali ne postoji mogućnost da je ona bila toliko koncentrovana da bi svi ti molekuli bili u tesnim interakcijama. (odbačeno) Oparin (koacervati - su ključ nastanka života): - prvo ćelija (pod "prvo ćelija" mislimo membrana), - pa onda unutar tog genetskog sistema postoje razni molekuli koji prvo daju metaboličke procese (pod "metabolizam" mislimo proteini), - onda su geni preuzeli funkciju u kodiranju metaboličkih procesa. Oparinova koncepcija koacervata predstavljala je mogući model protoćelije. Koacervacija je svojstvo velikih molekula koji imaju hidrofilne i hidrofobne delove i dolazi do interakcija između nepolarnih grupa, s jedne, i polarnih grupa vode i jona, s druge strane. Po Oparinu, koacervati su ključ za razumevanje postanka života. -U prebiotičkim uslovima su se formirali koacervati od različitih kombinacija polimera. Oni koji su u stanju da sintetišu sebi slične polimere bi preovladali. -Došlo bi do pojave metabolizma (=proteini) i njegove genetičke kontrole. Po Oparinu: ćelijska organizacija → proteini → geni (metabolizam) (genetička kontrola) Nedostaci (zbog kojih se ova teza danas sve manje zatupa): -Ako se jedan sistem zatvori u membranu on je izolovan od spoljašnje sredine. Ni jedan živi sistem ne može izolovan da opstane, živi sistemi su uvek otvreni sistemi. -Prve membrane koje su nastale morale su biti krajnje jednostavne. Danas su membrane veoma složene, pored lipidnog sloja postoje brojni kanali i proteini koji regulišu komunikaciju između spoljašnje sredine i unutrašnjih sistema, i prve membrane sigurno nisu mogle biti ovakve. -Ukoliko su proteini prethodili genetičkom sistemu, mi danas ne poznajemo način da su proteini mogli da se kopiraju i umnožavaju - da zadovolje nasledljivost i kopiranje kao osnovni postulat živog.

6

2. Odlaganje ćelije (zastupao Ajgen)

Ćelija je odlagana što je moguće duže, iz razloga komunikacije sa spoljašnjom sredinom i potrebe za otvorenošću sistema. Zatvaranje sistema u membrane je moglo da se desi tek nakon što su nastali RNK-zavisni procesi sinteze proteina. Zaokruživanje u membranu bilo je maksimalno odlagano sve dok sami genetički sistemi nisu postali dovoljno kooperativni da sami regulišu sintezu membrana i da se odvoje kao posebni entiteti. Nedostaci: - problem koncentracije tih molekula usled odsustva membrane. - kompartmentizacija sistema. Ukoliko u vodenoj sredini imamo puno molekula, čak i ako je ta vodena sredina veoma koncentrovana i da ti molekuli stupaju u neku interakciju, ne može se očekivati da će oni biti stalno u skupini, da ih voda ne razblaži i izmeša sa drugim molekulima. Rešavanje tog problema (dakle, nema membrane jer je membrana previše složena) znači mora da postoji nešto umesto membrane a to su neorganske pore u stenama: Prvi kompartmenti koji su sadržali različite molekule i njihove interakcije su bili od neorganskih pora u stenama koje su bile dovoljno male da bi u sebi sadržavale dovoljnu koncentraciju. Prvi genetički sistemi bi nastali u neorganskim komoricama. Dobar model daju Ventisti. Net: Hemolitoautotrofi su grupa bakterija koja sadrži specijalizovane lance disanja koji im omogućavaju dobijanje energije oksidacijom neorganskih supstrata (neorganski supstrati su donori elektrona i osnovni izvori energije). Bakterije sa ovakvim tipom metabolizma zastupljene su u prirodnim sredinama u velikom broju, posebno u vodi i zemljištu.


7

10. Karakteristike LUCA Problemi - tip naslednog materijala kod LUCA

Teze: -LUCA je bio progenot -LUCA je bio već DNK sistem kao i sve savremene prokariotske ćelije. Osnovni razlog teze da je LUCA morao biti DNK ćelija je što danas ne postoji ćelijski organizam zasnovan na RNK (postoje RNK virusi, ali nisu ćelijski organizmi), danas su sve ćelije DNK ćelije. Ako je LUCA bio DNK sistem onda bi morao da zadovolji neke uslove, ali: Između Arhebakterija i Eubakterija ne postoji homologija za enzime koji učestvuju u metabolizmu DNK (replikaciji, transkripciji): DNK polimeraze, primaze, helikaze i timidaltnu sintazu. Od 6 poznatih DNK polimeraza samo dve imaju univerzalno poreklo, one su vrlo specifične i vrše reparaciju DNK. DNK polimeraze nemaju homologiju između Arhea i Eubakterija. Nemaju homologiju, njihovi geni ne potiču od jednog zajedničkog pretka, znači da su nastali nezavisno u te dve evolucione linije - i to LUCU dalje pomera u RNK sistem.

Ako su elementi DNK sistema nastajali nezavisno u dve evolucione linije, LUCA-u onda stavljamo u RNK svet.

Ortologni su geni za DNK ligaze (to je diskutabilno, jer se te dve familija ligaza ne preklapaju između arhea i eubakterija) i ribonukleotidne reduktaze. Još u prilog tezi da je LUCA bio RNK sistem: RNK enzimi ne mogu sintetisati dezoksiribonukleotide, to mogu da rade proteinski enzimi, znači nije pronađen ribozim koji može sintetisati dezoksiribonukleotide. Zaključak:

LUCA je bio RNK sistem sličan savremenim RNK virusima.

Genetički sistem LUCA-e je bio sastavljem od više iscepkanih RNK molekula (kao virus influence A) što liči na Ajgenov hiperciklus (svaki sa jednom ili više fja). (Virus influence A ima 10 do 12 gena, a ima 8 ili 9 nezavisnih RNK molekula (svaki RNK nosi po jedan ili dva gena).

Kao i mnogo RNK virusa, LUCA je mogao imati početke enzima za sintezu DNK. Postoje danas visrusi koji to rade. LUCA je bio RNK sistem sa iscepkanim genomom i imao je bar inicijalnu mogućnost da sinteniše 2L DNK na osnovu RNK matrice (kao savremeni retrovirusi). LUCA nije koristio DNK kao glavni infomacioni molekul. DNK sistemi su nezavisno evoluirali kod linija koje su vodile ka arhebakterijama i eubakterijama.

8

Postoje suprotne tvrdnje da je LUCA morao biti DNK sistem U prilog idu analize stotina familija proteina kod stotina savremenih organizama, po kojim za veliki broj osnovnih ćelijskih funkcija postoji homologija između arhea i eubakterija. To ponovo LUCU pomera u DNK ćelijski sistem. Pitanje je ovde kako se prepoznaje homologija, neki proglašavaju nešto homologijom, što drugi autori ne smatraju homologijom, tu ne postoji konsezus. Funkcija molekula zavisi od njegove 3D strukure (a ne od sekvence). Možemo da pretpostavimo da ne mora da bude sekvence konzervisana kroz evoluciju, već struktura. Katalizator podrazumeva određenu 3D strukturu koja pravi aktivno mesto i omogućava neku hemijsku reakciju. Znači da određeni protein koji obavlja ezimsku fju (katalizuje neku reakciju) mora imati određenu 3D strukturu. 3D strukture za određene enzimske funkcije su mnogo više konzervisane nego sekvenca tih proteina. Manje-više istu 3D konformaciju mogu da naprave proteini koji imaju i donekle različit raspored aminokiselina. (Imaju iste 3D strukture, jer obavljaju određene funkcije) Zato se u ovoj analizi radila filogenija 3D struktura (a ne sekvence) tih veoma konzervisanih proteina. Analiza 3D struktura proteina koji imaju visoko konzervisane domene, koji kod svih organizama u dubokim filogenijama imaju istu 3D strukturu, pokazala da je konzervisanost strukture mnogo veća od konzervisanosti sekvence. To je pogodno za analizu dobokih i ranih filogeija. Te analize 3D struktura su pokazale: da je LUCA mogao imati samo 5 do 11% savremenih proteoma (tj. proteina koje imaju savremene ćelije/ proetom je set proteina specifičnog tipa ćelije koji vrši neku f-ju). da je LUCA posedovao elemente za ribozome, za sintezu proteina, moguće da je imao i bazični metabolizam za sintezu oba tipa membrane (kao kod oba tipa savremenih prokariota). da nije posedovao gene uključene u transkripciju (DNK u RNK), ni enzime za sintezu dezoksiribonukleotida, ni gene koji omogućavaju vanćelijsku komunikaciju. Ova analiza bi tvrdila da je LUCA bio RNK sistem. Homologija u kontekstu gena: dva gena u dve evolucione linije potekla od jednog zajedničkog gena. To su ortologni geni: od jedne predačke kopije gena i od tog pretka imamo dve evolucione linije, i jedna i druga evoluciona linija bi morale da u svom genomu imaju taj gen. Da li su oni evoluirali ili ne, da li su se menjali i u kojoj meri su se menjali, to nas ne zanima - ta dva gena su ortologna, vode poreklo od jedno istog DNK niza.

Paraloni geni - ako je kod pretka došlo do duplikacije oba gena, oni bi trebali da budu prisutni i kod jednog i kod drugog.


9

Ksenologni - strani gen, uleteo iz drugog organizma horzontalnim transferom. Da li je LUCA imamo membranu

Ćelija podrazumeva membranu. Da li je poslednji zajednički predak dva prokariotska ćelijska domena imao membranu? Arhebakterije i Eubakterije u svojim membranama imaju nesrodne lipide, kod Arhebakterija su izoprenski estri, a kod Eubakterija su estri masnih kiselina. To su nehomolgni molekuli sa nehomologim sistemima sinteze, to ukazuje da je LUCA bio RNK sistem koji nije imao membranu. Savremeni podaci ukazuju da oba domena imaju osnovne bazične gene za sintezu oba tipa membrane. Danas se smatra da je eukaritoska ćelja nastala endosimbiozom dve prokariotske ćelije, domaćin je bila arhebakterija, a od eubakterijskog endosimbionta je nastala mitohondrija. Membrana eukariota po hemijskom sastavu je sličinija eubakterijskoj membrani. Tako da bismo mogli da kažemo da je eubakterija mogla biti domaćin, mada danas svi podaci govore da ona nije bila domaćin. Zbog tvrdnje da postoje geni koji obezbeđuju bazičnu sintezu oba tipa membrane smatra se da su eubakterije i eukarioti zadržali identični tip membrane, a da su arhee evoluirale drugi tip membrane kao rezultat adaptacije na ekstremne uslove u kojim žive. Bez obzira na ovo, čak ukoliko je LUCA imao sisteme za sintezu oba tipa membarne, postoje drugi razlozi zbog kojih LUCA nije imao membranu: - složena membrana (selektivno propustljiva) zahteva veoma složen genom koji učestvuje u njenoj sintezi, da ima elemente za sintezu proteina sastavnih delova tih membrana za složenu komunikaciju sa spoljašnjom sredinom, a to je DNK genom. Ne očekuje se da složeni membranski sitemi koji podrazumevaju brojne proteine mogu biti prisutni u RNK genomima. Nijedan RNK genom koji danas znamo (RNK Virusi) nije dovoljno složen da bi mogao imati takvz složenu membranu. Ako prepostavimo da je LUCA bio RNK sistem, moramo tvrditi da nije mogao imati membranu. Dakle LUCA bi bio progenot, a pošto nema membranu, morao je biti smešten u neorganskim komoricama. LUCA verovatno nije imao membranu (Prema Kunin-Martinovom modelu), Argumenti: 1) zato što su to različite (nehomologe) membrane kod arhea i eubakteria 2) složenu savremenu membranu koja mora omogućiti semipermeabilnost (komunikaciju sa spolj. sredinom) može imati samo sistem sa složenim genomom - DNK genomom. Nijedan RNK sistem koji danas znamo (RNK Virusi) nema dovoljno složen genom da bi mogao imati membranu kakvu zahtevaju današnje ćelije.

10

Ventisti Ventisti su najznačajniji istraživači koji se salažu sa odlaganjem ćelije.

Ventovi su hidrotermalni izvori na dnu okeana. Postoje i danas. Bili su izvorište Ajgenovih hiperciklusa i tu su nastale te ćeljske formacije. Postoje i geotermalne hipoteze, gde na velikim dubinama u kopnu postoje slični uslovi, pa se ventisti i geotermane hipoteze slažu u mnogo podataka. Ventovi su sastvaljeni najviše od sulfida gvožđa i nikla. Oni rastu kako se materijal iz dubine zemlje izbacuje zajedno sa vodom. Sulfidi Fe i Ni su bili prvi katalizatori brojnih organskih reakcija. I danas su prisutni kao katalizatori i kofaktori brojnih reakcija u živim sistemima. Iz dubine zemlje u okean se zajednom sa vodom izbacuje mnogo molekula sa raznim funckijama u prebiotičkoj hemiji: amonijak, cijanovodonik, vodonik sulfid. Ti ventovi imaju T od 90-100oC, ka površini T opada. Voda koja izlazi kroz ventove ide do dubine od 3km gde se zagreva do oko 200oC (zbog visokog pritiska), što je važno jer reakcija H2O sa jonim Fe na 200oC daje vodonik. Ventvi su bili izvor vodonika takođe. Smatra se da su prvi organizmi bili anoksični, nisu koristili O2 za metabolizam, već vodonik. Vodonik koji dolazi sa velikih dubina i CO2 u vodi na većoj visini su osnova za redoks hemiju, tj. osnova za sintezu raznih redukovanih jedinjna ugljenika (ugljvodonika). Eksperimentalno je dokazano da su to uslovi za nastanak redukovanih jednjenja ugljenika. Pitanje energije Smatra se da su tioestri bili energetski molekuli. Tioestri kao visoko energentski molekuli lako nastaju u uslovima prebiotičke hemije (exp). Abiotički (tj. neenzimski) u uslovima prebiotičke hemije lako nastaju Acetil-tioestri kao što je acil-fosfat. Smatra se da je lako abiotično nastajanje acil-fosfata bio proces koji je uveo fosfate u energetsku priču u biohemiji. Lak nastanak acilfosfata i velika energija koja se oslobađa pri hidrolizi ove veze (raskidanje fosfatnih veza) je energija koja se koristila u procesima koji su početak biohemije. Zato se smatra da je acil-fosfat mogao biti prekursor ATP-a koji je danas osnovni energentski molekul.


11

Današnji hidrotermalni izvori imaju vrlo male komorice, značajno manje od veličine današnjih ćelija (1-100 mikrometara), porozne su (postoji komunikacija između komorica i molekuli mogu da se provuku), stalno nastaju nove komorice kako vent raste. U neorganskim komoricama (koje su bile dovoljno male da obezbede visoku koncentraciju) se odvijale sve reakcije. Pošto su komorice bile porozne mogle su da razmenjuju molekule, molekuli su mogli da se mešaju, da odlaze u druge genetičke sisteme gde bi mogli biti uklopljeni u neke nove molekulske interakcije. Ako je neki hiperciklus uspešan u stabilnosti, replikaciji, preciznosti, nastajanjem novih komorica on je mogao biti umnožen i zaposedao ih. I to je sistem Prirodne selekcije, ali ovde nema jedinke već hipercikluse i varijabilnost tih multimolekulskih kooperativnih sistema kao osnov za delovanje PS-e. Ventisti kažu da je LUCA nakon nastanka RNK zasnovane biohemije i ulaska proteina u priču bio takođe jedan sistem u neorganskoj komorici. Od LUCA koji je bio RNK sistem sa potencijalom sinteze DNK molekula nezavisno su nastajali sistemi koji su vodili ka dvema današnjim prokariotskim linijama Arheama i Eubakterijama. I to je teza Ventista. Poroznost komorica omogućavala je razmenu RNK molekula i uslove za odigravanje rekombinacija (analogno horizontalnom prenosu genetičkog materijala kod savremenih prokariota). Geološko formiranje novih komorica koje su naseljavali najefikasniji stvoreni genetički sistemi je pandan deobi ćelija. U ovom modelu, selekcija deluje na individualne jedinice (na sadržaje svake komorice). A to je jedan od preduslova da bi došlo do razdvajanja početne populacije na veći broj evolucionih linija. Ona linija sa boljim translacionim sistemom (koji se nasleđivao) je pobeđivala u borbi za replikaciju.

12

Formiranje membrana

LUCA je morao jednog trenutka da napusti neorganske komorice, a da bi ih napustio morao je zaokružiti membranom genetički sistem koji je evoluirao. Zna se da alifatične masne kiseline lako nastaju abiogenim putem, kao što nastaju azotne baze koje ulaze u sastav informacionih molekula, kao što nastaju i AK-e. 2015. naučnici su od dva jednstavna molekula cijanovodinka i vodonik sulfida uspeli da u mreži raznih jednostavnih hemijskih reakcija uz katalizu raznih metala (Fe, Ni itd) sintetišu i lipide, azotne baze i razne AK-e, a izvor energije je bilo UV zračenje. Dakle, u prebiotičkoj hemiji je mnogo toga moglo nastati na jednostavne načine. Kako su formirane membrane - osnovna ideja: Abiogeno nastale alifatične masne kiseline koje imaju polarne i nepolarne svoje delove (tj. hidrofobne i hidrofilne) u vodi naprave kapljice i sfere. Masne kiseline sa hidrofobnim delovima će napraviti sfara. Smatra se da su te male sfere mogle da putuju kroz neorganske komorice. Jedna grupa istraživača kaže da je to bila jedna membrana od izoprenoida. (Dakle, LUCA je mogao imati jednu membranu od izoprenoida) Starije teorije (još uvek prihvatljive) tvrde da se radi o dve membrane - prvo je bila sfera od lipida, i ako je ona ušla u komoricu i sa njene spoljne strane će biti mnogo molekula koji su već bili u komorici i napravil interakciju. Ti molekuli se kače za sferu, i ona počinje da se udubljuje i spajanjem se dobija dvostruka membrana. Po ovoj tezi prvi ćelijski sistemi sa membranom liče na gram negativne bakterije. Kako je taj jednostavni lipidni sloj mogao da postane polupropustljiv: Smatra se da SRP-ovi (ribonukleoproteini koji su i danas važni u živim sistemima, zovu se još i partikule prepoznavanja signalnih sekvenci na polipeptidima), prepounaju i targetiraju protein sa hidrofobnom signalnom sekvencom (domenom) ka plazma membrani. Taj protein može svojim hidrofobnim delom da se ugradi u membranu. To SRP-ovi i danas rade. SRP-ovi koji imaju RNK deo su bili ti koji su počeli da ubacuju proteine u lipidne membrane i tako su nastale poluprpostljive membrane koje su mogle komunicirati sa spoljašnjom sredinom. Pošto su SRP-ovi prisutni kod oba prokariotska domena smatra se da ih je imao i LUCA. Protonska ATP-aza koristi razliku potencijala između dve strane membrane za sintezu ATP-a. Njoj ne trebna biogena membrane već samo postojanje hidrofobnog sloja koji omogućava energetski potencijal. Pošto je protonska ATP-aza prisutna u oba domena, pretpotstavlja se da je imao i LUCA. Za funkcionisanje ATP-aze nije neophodna biogena membrana već samo hidrofobni sloj (koji su mogle činiti masne kiseline). Svakom sistemu je potrebna energija. Kod savremenih ćelija za obezbeđivanje energije je ključna ATP-aza. Za ATP-azu je bitno da postoji razlika u membranskom potencijalu, sa jedne i druge strane. Spoljašnost membrane je previše kisela i da bi se kiselost izjednačila protoni žele da se vrate unutra, to koristi ATP-aza kroz mali otvor prolaze protoni, i ATP se izbacuje.


13

11. Filogenetski odnosi između tri domena života Mreža umesto korena života

Fosil najstarije prokariotske ćelije ima 3,5 milijarde godina (Dva prokariotska domena života su nastala u to vreme). Fosil Eukariota je star 1,8 milijardi godina. Postanak života (nekih prvih faza) je mogao da počne pre 4,5 do 3,8 milijarde godina, jer su ovi procesi zahtevali određeno vreme, to bi znači da su ti molekulski sistemi mogli da prežive nestabilne uslove zemlje, velika bombardovanja meteoritima itd. Pokušaj da se odredi koren života se radio na analizma brojnih gena koji se nalaze u ćelijama sva tri domena (razne rRNK itd.). Mnogi od tih gena su paralogni geni (duplirani još kod predaka, a onda preneti u obe prokariotske evolucione linije i kod eukariota) i danas ih vidimo i kod oba prokariota i kod eukariota. Pri rekonstrukciji filogenije koristimo ortologne gene. Kada rekonstruišemo filogeniju težimo da ukorenimo stablo. Kad imamo tri domena života mi možemo da odredimo njihove međusobne odnose, ali ne znamo gde se nalazi koren. Kada radimo rekosntrukciju odnosa pojedinih taksona, da bismo ukorenili tu filogeniju (tj. videli gde je zajednički predak te grupe taksona) koristimo autgrupni takson. Npr. hoćemo da uradimo filogenetske srodničke odnose između 5 vrsta istog roda. Da bismo mogli da vidimo koji je takson stariji, koji takson je iz kog izveden i da ukorenimo tu filogeniju, koristimo autgrupni takson i to je neka vrsta koja ne pripada tom rodu i isto je udaljena od analiziranih taksona. Kad radimo filogenetske odnose između različitih grupa ljudi, autgrupni takson bi bio šimpanza. Tako da ćemo na osnovu te sekvence koju nađemo kod šimpazne i tazličitih sekvenci koje nađemo kod savremenih ljudi proceniti koje bi bila najstarija varijabilnost uočena kod savremenih ljudi. Ovde bi najstarija bila ona najsličinija sekvenci na autgrupnom taksonu. Kad analiziramo 3 domena života nemamo autgrupni takson. Zato se koriste paralogni geni gde jedna kopija služi kao autgrupna kopija za rekonstrukciju filogenije ove druge kopije i obratno. Te analize različitih gena su pokazale da su Arhebakterije i Eubakterije starije od Eukariota. Izgledalo je da su eukarioti nastali od Arhebakterija i da su Eubakterije filogenetski najstarija grupa, i da se koren života nalazi između Bakterija i linije koja je vodila ka Arhebakterijama i Eukariotima. Međutim, analize različitih gena su dale različte rezultate ko je stariji Arhebakterije ili Eubakterije. Po nekim analizama su Eubakterije prvi ćelijski organizmi, a po drugim su Arhebakterije, po prvim analizama iz Eubakterija su izašle arhebakterije pa iz njih eukarioti. Druge analize daju obrnutu situaciju. Danas je nesporno da se Eukarioti nastali kombinovanjema Arhebakterije i Eubakterije, a koren života je između dva prokariotska domena Arhebakterija i Eubakterija tj. da ni Arhebakterije i Eubakterije nisu starije ili mlađe, nego da ta dva ćelijska sistema nastaju u isto vreme (nije jedan predački, a drugi izvedeni sistem, već su oba podjednako stara). Poslednji zajednički predak svih prokariota se nalazi između Arhebakterija i Eubakterija.

14

Kada koristimo ksenologne gene (ne znamo da je gen ksenologni) možemo da pobrkamo filogenije. U jednom srodnom taksonu ga ima, u drogom srodnom taksonu ga nema, a ako ne znamo da je taj gen ksenologni možemo da zaključimo da nisu srodni. Zato se danas proverava da li je gen ksenologni i zato znamo da je tih razmena bilo jako puno. Ljudski genom ima preko 160 gena koje je dobio od bakterija, ali kao naknadni unos gena kada je već formirana naša evluciona linija (to je ksenologni gen - upad it ekog frugog genoma). Testiranjem da li je gen ksenologni u nekoj evolucionoj liniji ili ne, kako su oni povezani u filogeniji, pokazalo se da su prvi genetički sistemi bili jako u komunikaciji i da su se geni šetali i prenosili od jednog od drugog. Danas tvrdi da mi nemamo koren života već imamo mrežu u tom korenu, da je transfer gena iz jednog u drugi sistem bio veoma intenzivan. Koren života je mreža života. Kod prokariota se samo 1% gena se prenosilo vertikalno (transgeneracijski), a sve ostalo se mešalo između različitih eubakterijskih genoma. Najznačajnije za eukariote jeste mešanje gena između arhebakterije i eubakterije, i tada su formirane eukariotske ćelije. Horizontalni transfer: neki geni Eukariota su srodnji Arheama, a neki srodniji Eubakterijama, to znači da su prvi oblici života imali intenzivnu razmenu gena (hor. transfer gena) - gen iz Arhea se prenosio i Eubakterije i obrnuto. Postanak eukariota je takođe podrazumevao veliki horizontalni trasnsfer. Veliki intenzitet horizontalnog transfera (postojanje ksenolognih gena u svakoj od grupa) pokazuje precizna analziza koje razlikuje ksenologne od ostalih gena: kod prokariota se samo 1% gena prenosio isključivo vertikalno (transgeneracijski u okviru jedne evlucione linije tj. nikad između različitih vrsta prokariota), a sve ostalo se mešalo na početku života. Zaključak: koren života je mreža života - sve što je u početki nastajalo kao specifično z ajedan domen (Arhebakterije ili eubakterije) intezivno se mešalo.

S

1 ci rta g2

Dd d sd

SKRIPTA, 12. Nastan

Prvi ciklusu jeste

stabilan sis

Analekonstruišeada imamo ne

Filoggena i HTG2,85 milijard

Arhe taksonasta famil(geni

SlediDesila se kodulikacijw i

Danadanašnjih slo

Da bsve te elemdanašnjem g

Eksp

Prinnak eukar

genetički se već ćelijskstem.

liza više he istoriju genesporne ćelijsk

genetske anG-a bile veom

di godina) ueozoik je tra

- Tad nona), jer je

anci, nestanci- Tad je

lija gena koji važni za sn

i ProterozionsolidacijaHTG, ali st

as novi genoženijih i st

bi gen danasmente i zato genu da bi b

panzija je m

ncipi moleku

riotske će

sistemi morki sistem i D

hiljada famna od samihke fosile, znač

nalize pokazma intezivn

u okviru Arhajao do pre 2nastaje naj

bio najintezi gena, HTGe nastalo 27e danas imajnabdevanje

ik koji ima va genoma ntope su kon

i ne nastajutabilnijih ges nastao on

su sistemibio gen.

mogla da se

ularne i fenelije

rali su biti DNK sistem

milija gena h početaka či već postoji ć

zale su da sne u perioduhezoika. 2,5 milijardjveći broj zivniji nastan. 7% svih saju savremenićelijskih si

već usaglašnakon Arhe

nstante od po

u intenzivnoena koji posmora da im

i bili nestab

e desi u tom

notipske evo

15

vrlo jednosm, ali je on m

danas pris(uz pretpostaćelija) slika:

su stope nasu koji zove

di godina: bakterijsk

nak svih gen

avremenih i organizmi)itema energ

šene stope, ieozojske ekočetka Prote

o. Onda su mseduju brojnma sve te elebilni i jedn

m periodu,

olucije,

stavni i nesmorao još pu

sutnih kod avku da je živo:

stanka novihemo Arheoz

kih taksonanomskih nov

familja gen: geni važnijom).

i one se nisukspanzije, i erozoika pa

mogli, jer sune regulatoremente. Ranostavniji i

jer je sistem

I

tabilni. To uno da evolu

sva 3 domot nastao pre

h gena, neszojska eksp

a (jednoćeviteta - novih

na (tj. skoroi za respira

u bitno mendalje posto

a do Faneroz

u geni bili nne sekvencenije, pretponije im tre

m bio još u

van Petrovi

po Darvin uira da bi b

mena, pokoko 3,5 milij

stanka genapanzija (pr

lijskih proh gena, dupl

o trećina svihciju i transf

njale ni u Faoji postanazoika (dana

nestabilni, ze. stavljamo, d

ebalo sve on

uvek nestab

ić 2015

Ajgenovomio usaglašen

kušala je dardi godina je

, duplikacije 3,3 do pr

okariostskihlikacije gena

h savremenifer elektron

anerozoikuak, nestanakašnjice).

za razliku o

da nije imano što treb

bilan.

m n

da er

e re

h a,

h na

u. k,

d

o a

16

LECA (last Eucariotic common ancestor)

LECA (poslednji eukariotski zajednički predak) je eukariotska ćelija - kombinacija Arhebakterije i Eubakterije. Nesporni fosili eukariotskih ćelija su od pre 1,8 milijardi godina. Nastajali su i nešto ranije, postoje fosili koji su složeni i izgledaju kao višećelijski kolonijalni oblici (stari preko 2 milijarde godine) pa neki tvrde da su to već eukarioti. Procene su različite a, 1,8 mlrd. god. je nesporni fosil. Eukariotska ćelija, za razliku od prokariotske ima složen citomembranski (endomembranski) sistem: spoljašnja membrana, membrana ER-a, Goldži kompleks, endozomi, lizozomi, jedarana membrana, bioenergentske organele mitohondrije i plastidi. Citomembranski sistem je složen sistem membrana unutar ćelije, nastao je od plazma membrane prokariotskog tipa* invaginacijom (uvijanjem) unutar ćelijskog sistema on je omogućio eukariotskoj ćeliji povećanje dimenzija u odnosu na prokariotsku ćeliju, što je bitna razlika. (može biti veća i do 100x). * po hemijskom sastavu više liči na eubakterijsku membranu, ali to je ishodna membrana u odnosu na predačku. Prisustvo bioenergetskih organela - Mithondrija i Plastida, najuočljivija razlika. Mitohondrije

Bioenergetske organele - mitohondrije. Mitohondrije su endosimbionti. Upad buduće mitohondrije u ćeliju je pokrenuo seriju događaja koji je doveo do formiranja eukariotske ćelije do evolucije eukariotske ćelije kakvu danas imamo: -formiranje nove organele - potpuno drugačijeg metabolizma, -formiranje jedra je inicirano ovim događajem, -formiranje eukariotskih gena (sa intronima/ inicirali su seksualnu reprodukciju, formiranje eukariotskih hromozoma). Sporenja o tome kako je izgledao domaćin Ranije se smatralo da su postojali Protoeukarioti (danas odbačeno) koji je bio prokariot koji je imao sve što ima eukariot, osim mitohondrija tj. amitohondrijski eukariot. Protoeukariot bi bio amitohondrijski eukariot. Smatralo se da su oni prelaz između protokariota i pravog eukariota. Danas postoje parazitske protozoe Arhezoe koje nemaju mitohondrije, a imaju sve ostalo što imaju druge eukraiotske ćelije. Smatralo se do su Arhezoe relikti toga prelaznog oblika između prokariota i eukariota. Ali, to je odbačeno, jer bez obzira što Arhezoe nemaju mitohondrije, mnogi od ovih taksona imaju hidrogenozome i mitozome (= redukovane mitohondrije), ili bar imaju gene u jedarnom genomu za hitšok proteine Hsp60 i Hsp70 za koje se zna da su poreklom iz mitohondrija. One su sekundarno izgubile mitohondrije. Nikad nije postojao Eukariot bez mithonodrija protoeukariot nije mogao biti ćelija koja nema mitohondrije, a ima jedro i citomembranski sistem.


17

Danas prihvaćeno: - Domaćin je Arhebakterija - Eubakterije iz grupe alfaproteobakterija su preci mitohondrija (endosimbiont) Najjača tvrdnja da su Arhebakterije domaćini, pored hemijskih podataka, tipova gena koji su karakteristični za današnje eukariote, je da su proteini koji se nalaze u jedarcetu Eukariota su homologni Arhebakterijama. Funkcija jedarca je da produkuje materijal za ribozome. Kako je došlo do upada Eubakterijske ćelije u Arhebakterijsku ćeliju. Postoje dve grupe hipoteza: Fagotrofne i Sintrofne hipoteze.

⌦Fagotrofne hipoteze (većinom odbačene):

- Budući domaćin Protoeukariot je endocitozom ili fagocitozom progutao budućeg endosimbionta tj. buduću mitohondriju. - Domaćin je bio Protoeukraiot sa složenim citomembranskim sitemom, jer fagocitoze nema bez složenog citomembranskog sistema.

Fagocitoza je složen mehanizam koji zahteva energiju, razvijen citomembranski sitem. Današnje bakterije ne mogu da vrše fagocitozu (tj. ne mogu da gutaju druge ćelije na ovaj način). Ova teza se opovrgava:

- jer su Arhezoe su od početka imale mitohondrije tj. nema prelaznih formi od eukariota do prokariota tj. nema protoeukariota. - Mitohondrije su neophodne za snabdevanje energije za fagocitozu. Potrebna je veća energija za fagocitozu od onog što proizvodi membrana prokoraiotske ćelije.

Fagotrofna hipoteze su odbačene, jer su smatrale da postoji protoeukariot (prelazna forma bez mitohondrija. Postojanje prelaznih formi (eukariota bez mitohondrija) obara otkriće da Arhezoe imaju relikte mitohondrija Mitozome (redukovane organele koje nemaju više svoje genome) ili genetičke relikte u jedru Arhezoa poreklom od genoma endosimbionta. Osnovni razlog da se odbace fagotropne hipteze je što ne postoje prelazne forme bez mitohondrija: Arhezoa sada nemaju mitohondrije, ali nekada su imale što dokazuju relikti mitohodnrija.

18

⌦Sintrofne hipoteze Ne bave se pitanjem kako je jedna bakterije dospela u drugu bakteriju, činjenica da je u više navrata pronađeno da jedan prokariot u sebi ima drugu prokariotsku ćeliju govori da je to moguće. Moguće da je bilo neko liziranje i otvaranje membrana, koje se posle ponovo oporave nakon ulaska jedne ćelije u drugu. Sintrofne hipoteze polaze od toga da je ulazak jedne ćelije u drugu ćeliju je moguć iako to nije fagocitoza.

Među sintrofnim hipotezama postoje dve grupe: 1) Pokretač nastanka Eukariotske ćelije je povećanje koncentracije O2 u morima.

- Prvobitni metabolizam je bio anoksičan, i - Desilo se zasićenje kiseonikom i to je pokretač evolucije eukariotske ćelije.

Ranije se mislilo da je pre oko 2,3 milijarde godina došlo do velikog povećanja koncentracije kiseonika. Ćeliji domaćinu bi bilo korisno da u sebi ćeliju endosimbionta koji može da metaboliše kiseonik (jer je kiseonik toksičan), i ukoliko dođe do povećanja koncentracije kiseonika i ako u sebe primi nekog ko može da koristi taj kisonik domaćin se zaštitio. Ova teza je do '90 godina bila vladajuća - da je alfaproteobakterija imala sposobnost da koristi kiseonik koji za nju nije bio toksičan i da je to pokrenulo celu simbiozu između domaćina Arhebakterije i te Eubakterije. Međutim, geohemijske analize pokazuju da sve do pre oko 500 miliona godina nije bilo toliko zasićenje kiseonikom posebno ne okeani i ne na tim dubinama gde se pretpostavlja da su nastajali ćelijski organizmi. Dakle, sredina pre oko 2 miljarde godina nije bila prezasićena kiseonikom da bi to imalo efekta i stimulisalo simbiozu između dve ćelije. I tu nastupa Hidrogenska hipoteza. 2) Hidorgenska hipoteza Spomenuli smo hidrogenozome, mitohondrije i mitozome. Hidrogenozomi su danas organele. Kod najvećeg broja savremenih organizama hidrogenozomi i mitozomi više nemaju genom. Hidrogenozomi kod današnjih organizama koji žive u anoksičnim uslovima imaju metabolizam zasnovan na vodoniku. Ukoliko je Alfaproteobakterija bila fakultativno anerobna, a fakultativno aerobna bi mogla za početak domaćinu Arhebakteriji da pruži izvor vodonika. Ako je Arhebakterija bila neka metanogena bakterija njoj je potreban vodonik. Po ovoj tezi: - vodonik je ključan, i - endosimbiont je ponudio svom domaćinu vodonik, a ne zaštitu od kiseonika. Alfaprotobakterija, koja će biti budući ili mitohondrija ili hidrogenozom, je fakultativno anaerobna: u anaerobnim uslovina imala je metabolizam zasnovan na Vodoniku, a pri povećanju koncentracije Kiseonika na aerobni metablizam.


19

Hidrogenska hipoteza: Knjiga Alfaprotobaketrijski endosimbiont (eubakterija) je bio fakultativni anaerob - njegov metabolizam je krenuo da evoluira ka aerobnom, ali je suštinski bio anaeroban. U sredini bogatoj kiseonikom mogao je imati metabolizam zasnovan na kiseoniku, a u anaerobnim uslovima metabolizam zasnovan na vodoniku. Po hidrogenskoj hipotezi: prvi endosimbiont bio je fakultativno anaeroban i u uslovima koji nisu bili prezasićeni kiseonikom, imao je ulogu da svog domaćina Arhebakteriju koja je bila anaerobna snabdeva vodonikom. Po ovoj hipotezi vodonik je ključan - Arhebakterija je bila anerobna metanobakterija čiji se metabolizam zasniva na vodoniku. Ovde je prednost za domaćina bilo snabdevanje vodonikom. Pretpostavlja se da je tako i bilo - da je valuta u prvoj simbiozi bio vodonik, a ne kiseonik. Razlog ove tvrdnje je i taj kad gledamo filogenetsko stablo savremenih organizama, u vrlo udaljenim grupama organizama možemo da nađemo prisustvo hidrogenozoma znači da je u svakoj od tih grupa ta organela nezavisno evoluirala u pravcu hidrogenozoma. Danas se prihvata ova hipoteza, da je vodonik ključan, ranije se mislilo da je kisonik ključan. Došlo je do upada jedne ćelije u drugu, jedna ćelija je prvo bila endoćelijski parazit, a kasnije je evoluirala u ćelijsku organelu. Danas postoje intraćelijski paraziti koji su jako redukovani, koji ne mogu da opstanu van ćelije, pa se može reći da su to buduće organele tj. organele u nastajanju.

Kada je ušla jedna ćelija u drugu ćeliju (jedna ćelija drugoj ćeliji nudi energetsku valutu bilo H ili O) moralo je doći do reorganizacije metabolizma.

Smer reorganizacije: Ćelija domaćin nije mogla da se odrekne svoje dominacije jer je ipak domaćin vladao veliki selektivni pritisak da jedarni geni ćelije domaćina budu superiorni u odnosu na gene endosimbionta, odnosno da ih kontrolišu. Taj selektivni pritisak je doveo do značajnog smanjenja genoma mitohondrije. Genom mitohondrije čoveka ima 37 gena. Jedarni genom domaćina preuzima dominaciju nad genomom endosimbionta, preko 2000 proteina koji kontrolišu funkcionisanje mitohondrija i plastida kodiraju jedarni geni. Ti geni su nastali tako što su neki prešli HTG-om iz mithonodrija u genom domaćina, neki geni u domaćinovom genomu su kooptirani za nove funkcije, neki su de novo nastali, mutirali ili su se duplirali. Danas mitohondrije jesu zadržale genom ali značajno smanjen.

20

Zašto je uopšte mithondrija zadržala genom tj. neke gene? Objašnjenje je CoRR hipoteza po kojoj su mithondrije zadržale gene neophodne za brzu reakciju na promene u električnom potencijalu unutrašnje membrane mithondrije (što u protivnom može biti pogubno za ćeliju - gubitak raznih enzima, nedostatak ATP-a). Zadržani geni (njihov produkt je blizu membrane gde treba da deluje) su neophodni za tu brzu reakciju, i održavanje elektrostatusa čitave ćelije. Potencijal koji pravi jedna mitohondrija, je jako velika energija i predstavljena na jednom kvadratnom metru ravna je energiji koja se oslobađa u blesku munje. Kontrola toka elektrona, gde se pravi potencijal, je jako važna. Ekariotske ćelije imaju puno mitohondrija koje prave velike količine energije. Energija koju eukarioti imaju po genu je do milion puta veća od one koju imaju prokarioti po genu. To je važno zbog toga što je jako skupo imati veliki genom. Bez mitohondrija genom ne može biti veliki - energija koju mitohondrije obezbeđuju je omogućila značajno povećanje veličine eukariotskog genoma i da bude i do 200.000 puta veći od porkariotskog genoma. Količina energije koju imaju prokarioti ne omogućava da prevaziđu energetsku barijeru i da ti genomi mogu biti veći. Mitohondrije su omogućile povećanje genoma, kao i kasniju diverzifikaciju i broj gena, luksuziranje sa različitim genima i nekodirajućim delovima genoma. Prokarioti to ne mogu da imaju jer nemaju tu količinu energije. Knjiga Ako domaćin treba da preuzme apsolutnu kontrolu nad endosimbiontom, zašto danas ipak imamo gene u mitohondrijskim genomima, zašto nisu svi prešli u genom domaćina. Rešenje: Mitohondrije su organele koje barataju sa ogromnim energetskim potencijalom. Membrana mitohondrije podnosi jaku struju. Greška u membranskom potencijalu je letalna za ćeliju. CoRR geni ostali u mitohondrijama vrše brzu reakciju na promene membranskog potencijala. Geni: Brza kontrola transfera e-. CoRR(redox regulacija) Smatra se da je to bio filter koji će geni ostati, a koji neće ostati u samoj mitohondriji.


21

PLASTIDI Knjiga

Danas: Plastidi su nastali 500 miliona godina posle nastanka mitohondrija, putem endosimbioze pretka cijanobakterija sa eukariotskom ćelijom koja je već posedovala mitohondrije. - Karakteristični za biljke, autotrofe, čija je autotrofija zasnovana na fotosintezi. - Plastidi su ušli kao endosimbionti (= predak Cianobacteria) u eukariotsku ćeliju koja je već imala mitohondrije i to se desilo pola milijarde godina nakon nastanka eukariotske ćelije. - Primarna endosimbioza uletanje tadašnje Cianobakterije u Eukariota u kladi Plantae ili Archaeplastida (gde pripadaju i današnje zelene i crvene alge i kopnene biljke.) Postoje različiti plastidi u različitim evolucionom linijama. Pošto je manje verovatno da su plastidi mogli nastati više puta u različitim evolucionim linijama, postavljen je model Vreća za kupovinu. Model VREĆA ZA KUPOVINU: - inicajni događaj ulaska jedne cijanobakterije u eukariotsku ćeliju je napravio konstrukt plastida, - kasnijim uletanjem drugih cijanobaketrija došlo je do ubacivanja novih gena u neku od evolucionih linija jer ima više različitih plastida u različitim evolucionim linijama. Sekundarna endosimbioza se dešavala kasnije: uletanje nekih zelenih algi koje su već imale plastide. To se desilo kod grupa koje danas vrše fotosintezu (dijatomeje, mrke alge, dinoflagelate). To su bile situacije koje su dovele do formiranja Eukariotske ćelije.

22

13. Postanak jedra i introna

Kako je došlo do reorganizacije genoma domaćina i mitohondrije (molekulski nivo) Prvi ulazak endosimbionta Alfaproteobakterije u Arhebakterijskog domaćina podrazumeva postojanje dva ćelijska sistema - jedan u drugom. To je nestabilno stanje. Da bi ta dva sistema (jedna ćelija u drugoj) mogla da funkcionišu morali su: 1) da usaglase deobe (jer ako se ovaj unutra deli mnogo puta, napuniće ćeliju i ubiće domaćina/ ukoliko se domaćin ćelija deli, a ovaj unutra se ne deli dobiće se ćerka ćelija bez endosimbionta). Pretpostavljamo da događaj upada endosinbionta u ćeliju domaćina nije morao da se desi samo jednom, već se to dešavalo miljardama puta. Mogućnost da se to u prvom trenutku usaglasi je previše mala. To je prvi izvor smrtnosti ovih simbionata. 2) I jedan i drugi ćelijski sistem imaju svoju ekspresiju gena i daju produkte koji su unesaglašeni. Domaćin i endosimbiont su morali da usaglase ekspresiju gena. Samo oni sistemi domaćina i endosimbionta koji su bar donekle uskladili ekspresiju gena mogli su da opstanu. To je takođe izvor velike smrtnosti ovih sistema, jer je vrlo mali broj kombinacija mogao to da podrži i podnese. 3) Membrana endosimbiontske ćelije se mnogo puta lizirala i njen materijal je izlazio u citoplazmu domaćina (čiji genom još nije bio izolovan jedrom). Dolazilo je do rekombinacije dva ova genoma. To je moglo dovesti do poremećaja u genomima i nefunkcionalnosti izvor smrtnosti. Tako da se ovo svelo na neke srećne kombinacije koje su uspele da prevaziđu ove problem. Upad Alfaprotobakterije u Arhebakterije imao je velike posledice na organizaciju genoma buduće eukariotske ćelije, odnosno u početku na Arhebakterijski (domaćinov) genom.


23

Pokretač velike modifikacije genoma domaćina su introni grupe II koji i danas postoje kod alfaprotobakterija. I danas Arhebakterije imaju introne grupe II, koje danas nalazimo i kod Eubakterija, kod organela eukariota, potvrđuju da je ovaj događaj bio takav. Introni grupe II su samoiskrajajući introni koji mogu biti jako veliki (do 2,5 kB kilobaze), nalaze se kod današnjih Eubakterija. Samoiskrajujći su jer imaju deo koji kodira za jednu RNK (od 400 do 800 nukleotida) koja ima vrlo konzervisanu strukturu i koja učestvuje u procesu samoiskrajnja. in vitro možemo da iskoristimo tu RNK i njenu sekundarnu i tercijarnu strukturu da obavi katalizu samoiskrajanja. Međutim, in vivo u tom procesu joj pomažu enzimi koji su takođe kodirani sa tim intronima. Intron grupe II ima sekvencu koju zovemo IEP (intron encoding protein) koji ima dva domena:

- jedan obavlja reverznu transkrapciju - drugi domen je maturaza (enzim koji prepoznaje specifične sekvence introna i pomaže ovom RNK molekulu u iskrajanju tog introna).

Intron grupe II ima: RNK domen, ima domene za reverznu transkriptazu i za maturazu. Introni grupe II u susretu sa naivnim arhebakterijskim genomom koji nema sisteme zaštite (jer on nema ove introne), dešava se sledeće: - Intron grupe II ima reverznu transkripciju, a kad ima tu mogućnost on se ponaša kao ME - može da se kopira i da upada na različita mesta u Arhebakterijski domaćinov genom. On se kopirao, i smatra se da je taj prvi upad morao da ima veliko umnožavanje tih introna koji su se ponašali kao ME i upali na mnogo mesta u Arhebakterijski genom.

Kada su se ti introni grupe II premeštali po genomu, i kada su se replikovali i ako je učestvovala i reverzna transkripcija: bilo je puno grešaka, njihovo premeštanje može biti vrlo falično. Smatra se da su ti introni grupe II zbog velikog broja mutacionih grešaka izgubili sposobnost da se sami premeštaju. Ako nemaju sposobnost da se sami premeštaju (da cis regulišu sami sebe) morao je da se pojavi mehanizam trans regulacije njihovog iskrajanja i tako nastaju splajsozomi.

Znači: Ono što je nekad radio intron grupe II sam i što radi u današnjim bakterijama sam, sada je morao da se pojavi mehanizam koji će da radi to svim intronima - da ih iskraja jer oni nemaju sposobnost da to sami rade.

Smatra se da su splajsozomi koji su danas kompleksne strukture koje rade iskrajanje introna iz primarnog transkripta nastali iz tog razloga.

24

Građa Splajsozoma: - od 5 malih U RNK i 200 proteina. - SM proteini sa U RNK čine jezgo splajsozoma. (5 U RNK = 1, 2, 4, 5 i 6) U RNK su izvedene od RNK elemenata introna grupe II SM proteini (koji su prisutni kod Arhea gde i danas rade različite obrade RNK) su regrutovani u splasozome da bi učestvovali u obradi RNK (tj. u iskrajanju inrona iz primarog transkripta).

Exp. (2013) Kvasac: U6 RNK može sama da radi iskrajanje vrlo sličnim mehanizmima kao RNK iz introna grupe II, ne trebaju joj proteini, ali samo in vitro.

To potvrđuje da su U RNK poreklom od RNK elemenata introna grupe II. To nas približava tezi koja je bila potpuno odbačena, da su introni ostatak RNK sveta, da su to RNK molekuli koji su od starta u RNK svetu učestvovali u obradi RNK transkripata, pa odatle U RNK u splajsozomima vodi poreklo. Tj. približava nas ribozimskoj ulozi RNK molekula. Nastanak jedra Ukoliko se sve ovo desilo, onda imamo genom koji ima mnogo introna u sebi, koji su imobilisani i ne mogu više sami da se iskrajaju. Da bi taj genom funkcionisao, sintetisao proteine, morala je splajsozomima da se izvrši obrada. Mehanizam iz primarnog transkripta mora prvo da iskroji introne da bi ta iRNK ušla u ribozome i da bi se sintetisao protein. Tu nastaje problem jer proces koji rade splajsozomi je spor u odnosu na translaciju. Pojavila se potreba da se genom gde se vrši transkripcija i obrada fizički odvoji od procesa koji vrši sintezu proteina. Pretpostavlja se da su to razlozi zbog kojih je dolazilo do invaginacije membrana i nastanka složenog citomembranoskog sistema, a jedrova membrana jeste deo citomembranoskog sistema. Svaki organizam koji je putem mebrana uspeo da zaštiti svoj mehanizam je bio selektivno favorizovan. Selektivno favorizovanje složenog citomembranoskog sistema je dovelo do evolucije ćelija kakve danas imamo - sa složenim citomembranskim sistemom i jedrovom membranom. Ulazak mitohondrija u eukariotsku ćeliju, postanak introna i postanak jedra se smatra jednom kaskadom događaja koji idu jedan za drugim. Introni grupe II su inicirali nastanak, jedra i introna, eukariotskih hromozoma. Da je to bilo tako pokazuju i neki elementi koji učestvuju u transportu iRNK iz jedra u citpolazmu i tu postoje vrlo složeni mehanizmi: - Jedarni transportni faktor 2 u eukariotima pokazuje visoku homologiju sa alfa proteobakterijama. - NMD sistem koji kontroliše sazrevanje RNK kod eukariota ima komponente poreklom i od Arhebakterija i od Eubalterija. Splajsozomski introni kod Eukariota su poreklom od introna grupe II - to se zna jer su mehanizmi iskrajanja, sekvence prepoznavanja dosta slični kod splajsozomskih inrona (kod Eukariota) i introna grupe II (kod Eubakterija), sve analize homologije ukazuju da to jesu homologi sistemi.


25

__________________________________________________________________________________ Nema u knjizi i nema u Ispitnim pitanjima(daje čisto informativno) Šta je moglo da omoguću to divljanje introna grupe II po domaćinovom genomu: 1. Domaćinov genom je morao biti naivan i bez odbrambenih mehanizama, što je vrlo verovatno jer i danas Arhebakterije nemaju te introne (mogu da imaju neke druge, ali vrlo retko). To je omogućilo divljanje introna grupe II. 2. ME prave haos po genomu i to je verovatno letalno za taj sistem. Da bi taj sistem mogao da opstane populacije su morale biti dovoljne male, u kojima je efiksanost PS vrlo mala. Selekcija u velikim populacijama lako eliminiše ono što je štetno. U malim populacijama slab je efekat selekcije, prenos u narednu generaciju je prenos svega što iole može da preživi i da opstane. 3. Taj upad je u određenoj meri morao biti čak i selektivno favorizovan. Interes ME-a da izaziva rekombinacije u dva genoma je da bi se širio. Postoji i interes tog domaćina da se rekombinuje ako već ima agresivne ME-e. Rekombinacija izaziva asocijaciju na seksualno razmnožavanje, pa je onda upad ćelije koja će dati mitohondriju (i njeni introni grupe II koji su izazvali taj krš pogenomu) inicirali prve seksualne procese tj. rekombinacije koje danas vezujemo za mejozu i za procese slične mejozi. Dakle, kod prvih eukariota, u prvo iniciranim kršem koji se dešavao zbog ME i koji je značajno smanjio verovatnoću preživljavanja takvog jednog sistema, došlo je do iniciranja procesa rekombinacija, jer bez rekombinacija tovarenje novih introna u jedan genom znači propast tog sistema. Rekombinacije povećavaju verovatnoću preživljavanja. Smatra se da je LECA imao mehanizme rekombinacije, tj. prve mehanizme koji su vodili sekusalnoj reprodukciji. Između ostalog, zato što su filogenetske analize pokazale da je on verovatno imao gen spo11 koji danas inicira rekombinaciju u mejotičkoj deobi. __________________________________________________________________________________

26

__________________________________________________________________________________Postanak eukariotskih hromozoma Nema u knjizi - daje informativno

Pored toga što su inicirali nastanak jedra i introna u u eukariostkim genima, smatra se da je ulazak introna grupe II inicirao i nastanak eukariotskih hromozoma. Eukariotski hromozomi su za razliku od porkariotskih su linearni, a ne cirkularni. Smatra se da su Introni grupe II sa sobom nosili SINE elemente. Ti predački SINE elementi su imali i mogućnost reverzne transkripcije. Ovi SINE elementi bez LTR (dugačkih terminalnih ponovaka) imali su puno Guanina i Citozina. Kada Introna grupe II ulete u cirkularne bakterijske hromozome, mogu da dovedu do prekida na hromozomu. Sistemi reparacije kada dođe do dvolančanih prekida pokušavaju da to zalepe. Po ovom modelu, SINE elementi postavljali su se na krajeve tih prekida i tako postali deo zaštite tih lineranih delića hromozoma - štitili su te deliće od enzima koji treba da ih ponovo slepe. Zašto se tvrdi da su SINE elementi morali imati puno guanina - puno guanina na krajevima hromozoma (telomerama) guaninske kvartete (slika - a). Današnja telomera ima repetitivne sekvence, jednolančani niz sa 3'OH krajem i oko 200 nukleotida. Tu je puno Gunanina koji prave guaninske kvartete na ovim krajevima, a onda kada se taj 3' kraj nađe u blizini dvolnačanog niza napravi još telomerski petlju. Funkcija telomere je i danas da zaštiti genom od nasrtaja onih enzima koji stalno hoće da zalepe dvolančane prekide. Suštinska funkcija telomera je da spreči mehanizam da se ponovo genom spoji i da nemamo više hromozome. Znači, po ovoj tezi SINE elementi su takođe mogli da prave guaninske kvartete i da sprečavaju te različite enzime da popravljaju i da ponovo lepe krajeve i to bi bile Prototelomere po ovom modelu. Smatra se da su Prototelomere imale ulogu u segregaciji hromozoma pri ćelijskoj deobi, tako što se telomerni heterohromatin kačio za mikrotubile deobnog vretena, što danas rade centromere. Ovde se pretpostvalja da je funkcija u segregaciji sa telomera bila spuštena u subtelomerne regione. Npr.

Kod kvasca kada se desi delecije centromera to dovodi do pojave neocentromera u subtelomernim regionima, i te neocentromere mogu da inkorporišu u sebe histone koji su karkateristrični za centromere. Kod nekih biljaka i životinja tokom mejoze uočava se centromerna aktivnost u subtelomernim regionima - končići deobnog vretena se i tu kače. Kod ljudi na dvolančanim prekidima, dolazi do vezvanja proteina koji su specifični za centromere i to ukazuje na ispravnost ovog modela.

Ukoliko postoji spuštanje funskije segregacije hormozoma ka subtelomernim regionima, mogu se javiti bicentrični hromozmi (sa 2 centromere), pa se smatra da je to rešeno tako što je došlo do novih kidanja hromozoma i dobija se mnogo više hromozoma nego na početku. Ovo je ideja kako je ulazak introna grupe II indukovao mnogo toga: u strukturi genoma, u intraćelijskim strukturama, u strukturi jednog genoma koji je nekada bio cirkularni a sada je sa linearnim hromozomima. LUCA je verovatno imao skup proteina hromatina tj. sva 4 histona koji ulaze u sastav nukleozoma i imao je neke proteine koji učestvuju u remodelovanju hromatina (4 familije histonskih acetil transferaza, 2 histonske dezacetilaze, DNK metiltransferaze), bio je veoma sposoban da reguliše ekspresiju svojih gena. _________________________________________________________________________________


27

Kako je izgledao LECA - Last eusariotic ancestor (poslednji zajednički predak svih eukariota)

Komparativna genomika Mitohobdrije + jedro (sa porama) + linearni hromozom - fakultativna polna reprodukcija

- haploidno/diploidno stanje - regulacije ekspresije FECA (first eucariotic common ancestor) LECA

Druge organele autogenog porekla Mikrotubularne aksoneme - bičevi, pseudopodije Ključni motorni proteini

Filogenetske analize, na osnovu toga šta sve imaju svi današnji predstvanici ćelijskog života (komparatovna genomika) pokazuje da je LECA bio vrlo kompleksan i imao je: - Mitohondrije, jedro, linearne hromozome - Fakultativnu polnu reprodukciju što mu je omogućilo da ima haploidne i diploidne faze

- Ako ima rekombinaciju - onda ima adaptaciju na duže staze. - Haploidno i diploidno stanje (danas prisutno kod nekih vrsta kvasaca) - haploidno stanje može da bude otporno na određene uslove života. a diploidno na neke druge (na kraće staze mogućnost boljeg preživljavanja).

- Mogućnost regulacije ekspresije reagovao je na efekte iz spoljašnje sredine. - Imao je i druge organele autogenog porekla (koje nisu bioenergetske) već poreklom od citomembranskog sistema koji je zaokruživao neke delove ćelije. - Imao je mikrotubilarne aksoneme i bazalna tela znači da je LECA imao treplje i bičeve.

Ovaj sistem je neophodan da bi mogao i ameboidno da se kreće - pseudopodije. Mogao je da ima vrlo različite načine kretanja.

- Imao je i ključne motorne proteine slične miozinu koji su im nepohodni za kretanje. Zbog svoje složenosti smatra se da je LECA takođe evoluirao, i da je njemu prethodio FECA. LECA je poslednji a FECA je prvi eukariotski predak. Evolucija svih ovih elemenata je prethodila onome što zovemo LECA. Dakle na osnovu svega ovog: - LECA je bio pokretni heterotrof sa mogućnošću fagocitoze (pseudopodije omogućavaju fagocitozu). - Imao je spektar metaboličkih i ćelijskih funkcija koji su mu omogućavali preživljavanje u različitim životnim sredinama. Kada poredimo neke današnje eukariotske ćelije i LECU, kažemo da su neke eukariostke ćelije mnogo prostije (da su evoluirale u pravcu prostijeg sistema nego što je bio LECA), a druge su evoluirale u pravcu još većeg usložnjavanja. Ovakav LECA sposoban da preživi u vrlo različitim životnim uslovima, da naseljava i neke nove uslove je omogućio da imamo tako veliki diverzitet sadašnjih Eukariota.

28

14. Poreklo eukariotskih gena

Eukariotski genomi su himere. Dolazilo do rekombinacije između endosimbionta i arhebakterijskog domaćinai imamo gene i tamo i ovamo. U današnjim Eukariotskim genomima ima više Euakterijskih gena, nego Arhebakterijskih gena. Geni poreklom od Arhebakterija (domaćinovi geni) su pretežno uključeni u informacione procese (= svi procesi metabolizma same DNK - replikacija, transkripcija, zaštitni mehanizmi itd). Geni poreklom od Eubakterija su pretežno uključeni u metabličke procesa. Iako ima više Eubakterijskih, Arhebakterijski geni su značajaniji i pokazuju veći nivo ekspresije. Arhebakterijski geni su duplo više eksprimirani od eubakterijskih gena. Kada mutiraju geni koji su Arhebakterijskog porekla fenotipski efekti su mnogo teži i letalniji. I ovo potvrđuje da bez obzira što su Eukarioti himere - arhebakterijska faza je najvažnija za eukariotske organizme. Procenti i podaci sada ne moraju biti važni. Odgovor na pitanje zašto ih je ostalo manje je: jer su mnogo važni, mnogo jaki.


29

15. Evolucija virusa

Virus je neživ - ne može samostalno da živi, živi samo unutar ćelije domaćina. Stara ćelijska premisa - osnova svakog života je ćelija. Da bi se smatrali živim moraju imati ćelije. Virus nije ćelija i ne može da živi van sistema. Ali se uspešno replikuju - ali ne samostalno, već kad uđu u ćeliju, nakon toga dobiju kapsid i postaju virioni - neaktivne partikule: ne mogu sami da se kreću, ni da rastu. Virioni su inertne partikule koje omogućavaju da oni pređu od jednog do drugog domaćina ne rastu, ne menjaju se, ne kreću se itd.

Postoji podatak da jedan virus kad je izložen visokoim temperaturama, dobije repiće što je neobično za jedan neživ entitet.

Postoje veliki virusi (Girus - Giant virus): jedan veliki se zove mama virus i može u sebi da ima drugi virus manji i može da se razboli tj. postoji fenotipski efekat malog virusa u velikom virusu. Ako se nešto može razboleti možemo ga nazvati živim. To je već filozofsko pitanje o tome šta je živo. Virusi su značajni za priču o evoluciji, njih je više na zemlji od svih ćelijskih organizama. Kod virusa je problem što se ne može napraviti jedinstveno filogenetsko drvo jer, postoje: RNK virusi, 2L RNK virusi, retorvirusi, 1L DNK virusi, 2L DNK virusi, veliki, mali od 2 gena do preko 1200 gena (girusi). Velika je raznovrsnot, funckionišu na različite načine, pa ne postoji nešto zajedničko što je potrebno za pravljenje filogenetskog stabla. Zato postoji više hipoteza o postanku virusa koje ne isključuju jedna drugu. Hipoteze: ⌦ Virusi imaju primordijalno poreklo - vode poreklo iz ventova od nastanka prvih genetičkih sistema. Primordijalno poreklo prvenstveno vezujemo za RNK viruse. Po ovoj tezi, kada su nastali ti prvi genetički multimolekulski kompleksi, ti sistemi su išli polako u pravcu povećanja kooperacije. Neki od tih molekula su bili izuzeti iz te priče, nisu se uklapali. Ti minimalno udruženi molekuli su postali budući virusi. Udruživanje tog minimalnog broja molekula je omogućavalo da oni mogu da prelaze iz jedne komorice u drugu i da koriste te glomaznije i sedentarne sisteme za svoje potrebe i za svoje umnožavanje. Dok su se drugi usaglašavali i povećavali svoju kompleksnost, ovi nisu, ostajali su i dalje sebični elementi - i od tih malih skupina su nastali virusi.

30

Hipoteza nastanka DNK molekula - ti promordijalni virusi (RNK virusi) su prvi stekli mogućnost da sintetišu DNK molekule da bi se odbranili od genetičkih sistema domaćina. ⌦ Otkriće velikih virusa koji mogu imati mnogo gena (više od nekih prokariota / npr. virus ima 1200 gena, a najmanja samostalno živeća ćelija 490 gena) je podstaklo brojne hipoteze da virusi nastaju posle ćelija, pri čemu se tu izdvajaju dve grupe hipoteza: 1) Hipoteza pobeglih gena: Kada je već postojala ćelija (ćelijski sistem), mali skup gena je dobio autonomiju. Ta autonomna jedinica je mogla da se ponaša drugačije u odnosu na ostatak ćelijskog sistema, kasnije je dobila sposobnost da formira kapside - i nastali su virusi. Virusi su nastali tako što je mala grupa gena unutar već postojećih ćelija, stekla autonomiju. Ta mala grupa gena je imala minimalnu sposobnost replikacije i počeli su da funkcionišu kao nezavisni entiteti. 2) Redukcionsitička hipoteza: Neki veliki virusi (DNK virusi - Girusi) su nastali tako što je jedna ćelija uletela u drugu ćeliju i postala obligatni intracelularni parazit (gubila gene i funkcije, danas ima takvih primera). Redukovana je do stupnja kad je postala minimalno funkcionalna (stekla kapside i infentivne sposobnosti) - to je poreklo nekih virusa tj. da su neki virusi nekada bili ćelije. Ove teze se ne isključuju - različiti virusi mogu imati bitno različito poreklo. Bakterije većinom napadaju DNK virusi, RNK virusi su retko zastupljeni kod prokariota. Eukariote većinom napadaju RNK virusi - postojanje jedrove membrane onemogućava ulazak DNK virusa u jedro domaćina, a RNK je mnogo više dostupna.


1

4.Evolucija arhitekture genoma Populaciona genetika i delovanje evolucionih mehanizama Genetička struktura populacije Mi u Amfiteatru smo jedna populacija. Naš genski pul (ili sin. genofond) je skup svih naših gena. Genski pul (genofond) opisujemo preko učestalosti alela i genotipova. Genetička struktura populacije je opis genskog pula. Najjednostavniji slučaj koji smo radili je jedan gen sa 2 različita alela. Kako ćemo da opišemo genofond tj. genetičku strukturu ove populacije. Kako ćemo da odredimi učestalosti genotipova i alela? Iz jedne bare uzmemo uzorak žaba iz te populacije. Kako ćemo da izaberemo gen za koji hoćemo da odredimo genetičku strukturu populcaije. Nećemo uzeti fenotipove jer ne znamo kako taj gen utiče na fenotip (razne stvari mogu da utiču), može za neke posebne osobine mada je tih osobine jako malo. Uzećemo neki gen za bilo šta, i uzećemo uzorak iz te populacije i uradićemo genotipizaciju za taj gen, za taj uzorak (koji treba da je dovoljno veliki i da dobro reprezentuje tu populaciju, ne možemo da uzmemo npr, dve jedinke i da odredimo genetičku sttrukturu populacije): - Recimo da je to neki gen A, sa alelima A1 i A2 (nećemo reći dom i rec, jer ne znamo da su oni baš u toj interakciji, mogu biti kodominantni, nepotpuna dominansa, aditivni u odnosu na još neke gene gde zajedno učestvuju u determinaciji neke fenotipske osobine). - Tu od 100 žaba dobijemo da je 50 genotipa A1A2, 30 je gentipa A1A1 i 20 je gontipa A2A2. 100 žaba: 50A1A2 30 A1A1 20 A2A2 - to su dobijene učestalosti genotipova. Iz učestalosti genotipova računamo učestalost alela: npr. zanima nas p, i to je učestalost alela A1. genotip A1A1 A1A2 A2A2 broj žaba 30 50 20 Učestaloti genotipova (jedinki su) P(homozigota) + H(heteorizgota) + Q (homozigota) P (A1A1) 30 Prvo računamo učestalost genotipova H (A1A2) 50 Q (A2A2) 20 ________ 100 Učestalot alela računamo preko uč. genotipova: p= P+1/2H i q=1-p p (A1)= 0.3+0.25 =0.55 q=0.45

Učestalost genotipa A1A1 je 30/100 = 0,3 A1A2 0,5 A2A2 0.2

2

Da li je populacija u ravnoteži računamo preko X2 testa uč GT-a D O (D-O)2 O A1A1 30 p2N 30,25 0.002 A1A2 50 2pqN 49,5 0.005 A2A2 20 q2N 20,25 0.003 Σ100 (to je N) Σ je X2=0.01 0.552*100 =30,25 2*0.55*0.45*100= 49,5 0.452*100= 20,25 Računamo (D-O)2 O Računamo df (stepen slobode) kao broj genotipova - br.alela 3-2=1 Gledamo iz tabele X2=0.01 < 5 T znači prihvata se populacija je u ravnoteži. Očekivane učestalosti alela su p2+2pq+q2 (HardiWajnebrg ravnotež) Poklapanje Dobijenih i Očekivanih testiramo preko X2 testa Genetičku strukturu populacije će da menjaju Evolucioni mehanizmi. Evluciona promena u populaciono genetičko smislu znači promena učestalosti alela. Evolucioni mehanizmi vrše promene učestalosti alela (kroz generacije). Evolucioni mehanizmi su: Genetički drift, Prirodna selekcija, Mutacije, Protok gena. Kada se menja učestalost Genotipova. Evolucioni mehanizam će promeniti učestalost alela i naravno da će promeniti i učekivane učestalosti genotipova. Promenom učestalosti alela menjaju se i očekivane učestalosti genotipova. Dovoljna je jedna generacija slučajnog ulrštanja da se dobije poklapanje očekivanih i dobijenih učsetalosti. Slučajno ukrštanje (panmiksija) će dovesti do toga da na osnovu učestalosti alela mi možemo da dobijemo odgovarajuće učestalosti genotipova ako je slučajno ukrštanje. Ako nemamo slučajno ukrštanje npr. Inbriding, menjaće se učestalost genotipova. Kod inbridinga se biraju jednike koje su u većem stepenu srodstva (znači oba homozigota), što znači da nose iste alele i samim tim sklapanje alela u genotipove je češće homozigote je češće homozigotno sklapanje. Učesatalost alela u jednoj populaciji znači: koliko alela je A1 a koliko je A2. Učestalost genotipova je kako su se ti aleli spakovali u jedinku tj. koja dva alela su ušla u jedinku. Kod inbridnga (asortativno ukrštanje po stepenu srodstva) biće više pakovanja tih alela u homozigote nego u heterozigote jer odstupaju dobijeni od očekivanih genotipova.


3

Prirodna selekcija Kako ona menja učestalost alela. Ona favorizuje neke alele, a neke eliminiše, na osnovu uspeha u reprodukciji i preživljavanju. Npr. populacija žaba u kojoj postoji varijabilnost za osobinu - dužinu nogu. Roda lovi žabe. Žabe sa dužim nogama bolje skaču i lakše pobegnu. Selektivni pritisak je predator (roda). Pretpostavimo (pojednostavljeno) da jedan alel doprinosi doprinosi dužim nogama, a drugi alel tog gena doprinosi kraćim nogama. Znači postoji varijabilnost za dužinu nogu. Selekcija će favorizovati one sa dužim nogama (jer roda lovi one sa kraćim nogama), favorizovati znači da će one sa dužim nogama da prežive, da se reprodukuju i njihovi geni (tj. njhove aleli) idu narednu generaciju - to je selekcija. Prirodna selekcija je posledica toga što neke jednike sa određenim genetičkim varijantama slabije preživljavaju i manje se reproduju od nekih drugih jedniki koje imaju druge genetičke varijate. Znači PS je posledica, nije PS neki faktor koji će tu nešto da eliminiše ili nešto da favorizuje, već je posledica toga što u populaciji postoji razlika u jedinkama u preživljavanju i reprodukciji zbog toga što se razlikuju po odreženim svojstvima. Šta određuje uspešnost selekcije u eliminaciji nekih genetičkih varijanti: Imamo Adaptivnu vrednost za neki geneotip u populaciji, i Koeficijent selekcije koji je suprotan u odnosu na adaptivnu vrednost. S=1-W Koeficijent selekcije je mera smanjenja adaptivne vrednosti tog genotipa u toj konkretnoj životnoj sredini u toj populaciji. Mi ako znamo koji je alel utičući na neko svojstvo koje je važno za preživljavanje i reprodukciju učestalost tih alela se menja u zavisnosti od toga kako utiče na određeno svojstvo. Mi možemo u konkretnoj populaciji sa konkretnom genetičkom strukturom, sa konkretnim selektivnim pritiscima, da predivimo koji će alel ići u pravcu povećanja svoje učestalosti, i konačan ishod bi bio njegova fiksacija. Drugi evolucioni mehanizam koji nam je važan je GENETIČKI DRIFT. (izostavićemo mutacije i protoka gena, zato što: kad nešto mutira menja se učestalost određenog alela i kad nešto mutira postaje manje učestalosti, a povećava se učestolst onog u koga se pretvara ovaj prvi.) Drift Greška u uzorku: -imamo populaciju roditelja i tu znamo da su učestalosti alela p=0,3 i q=0,7. -pretpopostavimo da se svi ukrštaju i da svi oni prave gamete, imamo populaciju gde postoji jasna smena generacija. -kad dođe sezona da treba da se ukrštaju, svi ti roditelji naprave gamete i očekujemo da će učestalost alela u gametskoj fazi biti ista. Očekivane učestalosti alela u gametima koji produkuju ovi roditelji će biti iste tj. p=0,3 i q=0,7 -međutim, ovi roditelji (prave dva različita tipa gameta sa p i sa q alelom) naprave jako mnogo gameta. Samo jedan vrlo mali deo ovih gameta će da se realizuje i napravi narednu generaciju. -narednu generaciju daje taj mali uzorak - i tu je greška u uzorku, koliko taj mali uzork odstupa od čitavog gametskog pula, ne odražava učestalost alela kod roditelja. I ako puno odstupa u narednoj generaciji, potpuno slučajno možemo da imamo p=0,5 i q=0,5. Promenila se učestalost, a mi ne znamo zašto, nije delovala selekcija, nego je taj uzorak gameta koji će konačno dati naredno generaciju slučajan i on može značajno da odstupa. Što je manji uzorak mogućnost odstpuanja je veća.

2g g -P-U-M-Mo V pa u V --o ŠŠ e

N

1

Npr. ž20oro dece 10greška uzorka

To jgamet spojit

Parentalna roUkoliko svi Međutim od Taj uzorak p

Može potpunodstupa od ro

Ovde

Kod Varijansa. D

Kod premana učeako znamo a

Driftu kojoj meri

Varijansa u

Vp =

varijabilnoveličine pop

očekivan op

Što je veća vŠto je manja

Iz toefekta drifta

Efek

Najbolje je

Najj100 jedinki u

žena je hetero0 da ima A1 ana individualnje greška uzti sa kojim.

oditeljska poprave gametovog pula g

po učestalostno slučajno doditeljske gen

e je slučajno

Drifta možDrift posmaPrirodne se

estalosti aleadaptivne vr

t je stohastii će se desiti

učestalosti a

= p*q Ne sti, učestalo

opulacije: štpseg promen

varijabilnosa populacija

og razloga ua uzima se (N

ktivna velič

reći: Efekt

ednostavniučestvuje u

ozigot i ima 2alel, a drugo dnom planu. I kzorka i ne zI to je Drif

opulacija, rodte, učestalostgameta samo tima alela ne

da bude u F1neracije. To j

ost - učestal

žemo samo atramo krozelekcije koj

ela (tj. da prrednosti gen

čki mehanii promena.

alela Vp za

osti alela nato je veća pna je veći.

st u populaca - stohastičk

u evolucionN) veličina

čina popula

tivna veliči

iji primer j reprodukci

20oro dece. Njdesetoro će imkad to ekstrapzavisi ni odft.

diteljska genet alela u gammali uzorake mora da od

1 p=0,9 i q=0je drift i to s

lost alela se

da procenimz Varijansu.ja je determrocenimo mnotipova i n

zam, nije d

avisi od: uče

ajveća očekpopulacija

iji - stohastki efekat je

no genetičk populacije

acije

na je genet

je: 1 bik i iji, samo što

4

jeni gameti mmati A2 - ali poliramo na čid čega drug

eracija - učesmetskoj fazi bk gameta će ddgovara uče0,1. ne zato e dešava u sv

e menja stoh

mo očekiva

ministički mmaksimalno njihove učes

deterministič

estalosti ale

kivana promočekivan op

ički efekat mveći.

kim modelime.

tička posled

99 krava uo je odnos p

mogu da oni ilto ne mora ttavu populacij

gog osim os

stalost alela Aiće ista.

da napravi naestalosti alelaIz puke slučvakoj popula

hastično, ne

anje opsega

mehanizam, variranje u

stalosti.

čki proces k

ela i veličine

mena je u najpseg prome

može biti v

ma koji uzi

dica jedne p

u selu. 1 bipolova jako

li A1 ili A2 atako da budeiju. sim od stoh

A je p=0,5, a

arednu genera gametske fčajnosti taj uaciji.

epredvidivo.

variranja u

možemo dčestalsoti al

kao PS, pa z

e populacije

jvarijabilnijena je manj

eći.

imaju u obz

populacije

ik oplođuje narušen 99

alele. Očekivae: mogu svi d

hastičkih pro

a alela a je q=

raciju. faze tj. rodite

uzorak može

.

u narednoj g

a procenimlela) u nare

zato ne mož

e.

jm populaciji, što je m

zir efekat d

.

svih 99 kra:1.

ano je da će odda imaju A2.

ocesa koji ć

=0,5.

eljske generamanje ili viš

generaciji i

mo kolika ćeednoj genera

žemo da zn

ijama; i odmanja popul

drifta, kao m

ava u selu,

d ove To je

će se

acije. še da

to je

e biti aciji,

namo

acija

mera

svih


5

Kad se izračuna efektivna veličina populacije odatle dobije se Ne=4, a realne brojsnot N=100. Posledica ovog ukrštanja 99 krava i 1 bik - sva telad biće polubraća i polusestre, i genetička varijabilnost je jako opala, kao da se ukrštalo samo 4 jedinke po principu slučajnosti. Dakle, EVP je posledica po genetičku strukturu, usled raznih razloga, ovo je ilustrativan primer.

Prolazak kroz usko grlo, takođe može da dovede do odstupanja N od Ne. To je fluktuacija brojnosti. Tu pada EVP jer opada varijabilnost. EVP je samo drugi način da opišemo genetičku varijabilnost. Kad populacija prođe kroz usko grlo, ostaje nešto malo varijabilnosti. Kasnije kad populacija doživi populacioni bum, njena varijabilnost će se zasnivati na tome što je ostalo nakon prolaska kroz usko grlo. Dakle, na genetičku varijabilnost najviše utiče period kada je populacija imala najmanju brojnost jer je tu svašta nestalo.

EVP je značajno veća kada se radi o genima na autozomima u odnosu na gene na X i Y hromozomu i mitohondrijama. Mitohondrijska DNK ima 4x manju efektivnu veličinu od gena autozomima. - Autozomi: kada se ukrštaju diploidne jedinke - za jedan konkretan gen na autozomu, za nastanak zigota su potencijalno u igri 2 alela od mame i 2 alela od tate, znači 4 različite varijante. - Kod mitohodrija je u igri 1 lokus, samo od mame. To smanjuje efektivnu veličinu 4 puta. Budući zigot ima na raspolaganju samo maminu mitohondriju = 1 varijntu od mame. - Kod Y hromozoma je isto - njega daje samo tata, i u tom ukršatanju je u igri 4 autozomna alela, a samo 1 za Y hromozom. Efektine veličine populacija, kada procenjujemo lokuse na mitohondrijskom genomu i na Y hromozomu su 4 puta manje od efektivnih veličina na autozomima. - Kod X hromozoma ima 3: 2 od mame i 1 od tate. To je 3/4 od autozoma. Kod mala EVP-e, efekat drifta je tada vrlo izražen.

EVP se smanjuje usled odsutanja od očekivane raspodele broja potomaka. (Puasonova raspodela broja potomaka) u stabilnoj populaciji je najčeće 2, tj. svako ukrštanje daje dva potomka i održava se stabilna brojnost. Odstupanje od očekivane raspodele broja potomaka (mali broj ukrštanja daje ogroman broj dece - npr. 50 porodica daje po mnogo dece npr. 15-oro dece) se odražava na genetičku varijabilnost u narednoj generaciji: -kada najveći broj porodica ima 2 ili 3 deteta tu se održava varijabilnost - puno porodica daje manji broj dece. - Kada taj isti (tj. mali) broj porodica daje ogroman broj dece to obara genetičku varijabilnost.

Reproduktivna varijansa je broj potomaka od 0 pa naviše. Muškarac može da ima heiljade dece, sa različitim ženama. Žena ne može da ima toliko dece. Reprodktivna varijansa žena je mala u poređenju sa muškarcima. Muškarci mogu da nemaju uopšte dece ili da imaju mnogo dece sa mnogo žena. Zbog fenomena Reproduktivne varijanse EVP je manja kod Y hromozoma nego kod mitohondrije, jer tu ta disproporcija može biti ogromna.

6

Najbolji primer za to je Džingis Kan. Y haplotip Džingis Kana ima oko 0,5% ljudi na svetu, a u Mongolskoj populaciji čak i do 5%. Zato što je Džingis Kan osvajo teritorje, oplođuje žene, ostavlja svoje sinove da to isto rade, ubijao je reproduktivno zrele muškarce.

Selektivno prepoznatljivi geni su oni koji imaju neki fenotipski efekat. Znači, gen koji utiče na formiranje razvića neke osobine, a to utiče na adaptivnu vrednost tog genotipa. Selektivno neutralni geni - njih selekcija ne prepoznaje. Kimura je smatrao da je najveći broj lokusa u genomu selektivno neprepoznatljiv, i sve što vidimo od varijabilnosti na tim lokusima u genomu nema veze sa selekcijom tj. to su slučajne promene na tim alelima. Na učestalost alela koje ne prepoznaje selekcija u jednoj populaciji utiče: -Mutacija koja generiše te alele, selekcija to ne prepoznaje. -Pored mutacija mehanizam koji će da utiče na učestalost neutralnih alela je slučajnost tj. Genetički drift. Selekcija tu ništa ne vidi, drift može pukom slučajnošću da menja učestalost alela. Drift može da dovede do fiksacije nekog alela, a do eliminacije drugog alela - stohastičnim mehanizmom. Ako znamo da selekcija koja favorizuje jedan alel, može u nekom trenutku da dovede do fiksacije tog alela i da taj gen postane monomorfan i neće više biti onog drugog alela, na koji način na neutralnim genima može da dođe do supstitucije jednog alela drugim alelom? Uzimajući u obzir da mutacioni proces na tom lokusu generišu varijabilnost na tom lokusu, a ono što može da fiskira ili eliminiše neki alel je drift, dakle dva mehanizma: Na promene učestalosti neutralnih alela utiču dva mehanizma: -mutacije koje menjaju te gene i -genetički drift koji stohastički menja njihove učestalosti, eliminušući ili fiksirajući te genetičke varijante.


7

Šta određuje brzinu supstitucije neutralnog alela drugim alelom Ako imamo Ne jedinki (to je EVP), onda imamo 2Ne alela (ako je diploidni organizam). Od 2Ne alela verovaznoća de će bilo koji od njih biti fiksiran je 1 od 2Ne. Verovatnoća da će alel biti fiskiran je:

Verovatnoća za svaki od ovih alela da će biti fiksiran je ista, zato što su oni selektivno neutralni i nijedan nema prednost u odnosu na drugi. To je 1/2Ne.

Verovatnoća generisanja alela je 2Ne x stopa mutacija (v): Stopa mutacije je verovatnoća pojave mutacije po genu po generacije; po nukleotidnom mestu po godini. Verovatnoću da će se mutacija desiti možemo da definišimo za ceo alel, po nukleotidnom mestu itd. Broj novih alela u populaciji zavisiće od: broja alela x verovatnoća da će oni mutirati (v). Prvo je verovatnoća da će alel biti fiksiran, a drugo je verovatnoća da će biti generisan alel tj. generisana genetička varijabilnost. Ukoliko želimo da vidimo kolika je verovatnoća da se fiksira mutirani alel po generaciji mi ćemo pomnožimo: broj novonastalih alela x verovatnoća fiksacije alela.

iz toga sledi

i dobije se da brzina neutralne supstitucije zavisi od stope mutacije (v) Kada skratimo 2Ne i 2Ne dobija se da je verovatnoća fiksacije bilo kog alela po generaciji jednaka stopi mutacija. Znači brzina neutralne supstitusije po genu zavisi isključivo od toga koja je verovatnoća da će taj gen mutirati. Ova formula potpuno izbacuje iz igre veličinu populacije (a uvek smo mislili da je drift taj koji zavisno od veličine populacije efikasnije ili manje efikasno fiksira ili eliminiše neki alel), dakle verovatnoća da se fiksira mutirani alel po generaciji uopšte ne zavisi od veličine populacije. Evo zašto: - U jednoj velikoj populaciji u kojoj ima puno alela, stopa realizovanih mutacije je velika, ali je manje verovatnoća da će biti fiksacije driftom jer je efekat drifta tu jako mali (u velikoj populaciji). - U maloj populaciji stopa realizovanih mutacija je mala, jer ima malo alela koji bi trebali da mutiraju, ali je efekat drifta veliki - Tako da ova dva stohastična mehanizma po ovoj formuli se potiru, i dolazimo do toga da brzina neutralne supstitudije alela zavisi od stope mutacije i nema veze sa veličinom populacije. Ovde ne govorimo o konkretnom alelu, već o brzini supstitucije alela u čitavoj populaciji.

8

Pokazalo se da od veličine populacije zavisi to da li će se jedan alel ponašati kao da je selektivno neutralan ili kao da je pod uticajem selekcije. (Ko selektivno prepoznatljivog alela mi možemo da determinišemo (procenimo) koji će alel ići ka fiksaciji, a koji će bit eliminasan / kod neutralnih alela ne znamo koji će alel biti eliminisan, a koji će biti fiksiran znači potpuno su različite promene genetičke strukture po učestalostima alela: u prvom slučaju znamo put je determinisan, a u drugom slučaju ne znamo ishod jer je proces stohastičan). Ključno: Koeficijent selekcije je stepen smanjenja adaptivne vrednosti genotipova koji nose određeni alel. Ne - govori o veličini efekta drifta Mi hoćemo da uporedimo selekciju i drift, sa dva potpuno različita ishoda: PS: Alel koji smanjuje adaptavni vrednost će biti postepeno eliminisan Drift: za drift je nebitno kakav je efekat tog alela na preživljavanje i reprodukciju, njegov efekat je stohastičan. I što je manja populacije ta stohastičnost je veća. Zamislimo da imamo dve populacije: jednu veliku i jednu malu. U maloj populaciji efekat drifta (stohastičnost) nadvladava efekat prirdone selekcije. U velikoj populaciji stohastični efekti su mali (neprimetni) jer je uzorak gameta koji će praviti narednu generaciju veliki Zamsilimo sada da imamo jedan selektivno prepoznatljiv gen i on obara adaptivnu vrenost, ali ne puno (znači nije letalan, neće ubiti tu jedinku ako se pojavi kod nje i da ona ne ostavi potomstvo, npr. ima koeficijent selekcije 0,05). U velikoj populaciji to će da se oseti - Taj alel će vremenom kroz generacije sve više da povećava svoju učestalost jer povećava adaptivnu vrednost svojim nosiocioma. Međutim, taj isti gen koji ima isti efekat na preživljavanje i reprodukciju jedinki u maloj populaciji. Za drift koji je stohastičan nije važno kakav efekat taj gen ima na svoje nosioce, i on ne dozvoljava da se ovo diferencijalno preživljavanje i reprodukcija vidi kroz generacije, jer je stohastični efekat značajno intenzivniji. Dakle, mi imamo gen koji jeste selektivno prepoznatljiv, aleli na tom genu utiču na adaptivnu vrednost jedinki, ali u malim populacijama to se ne primećuje, ako je koeficijent selecije mali (= da nije letalan, da ne utiče jako na preživljavanje i reprodukciju) i taj gen se u maloj populaciji ponaša kao da ga selekcija uopšte ne prepoznaje. Što je veći koeficijent selekcije (= što je veći uticaj alela na preživljavanje i reprodukciju) populacija mora da bude sve manja da bi stohastični efekat nadvladao efekte diferencijalnog preživljavanja i reprpdukcije. Kad imamo male koeficijente selekcije, populacija i ne mora da bude toliko mala a da imamo varijabilnost na tom genu, promene genetičke strukture se dešavaju kao da je on potpuno selektivno neutralan.


9

To je ovde opisano (to govori formula koju je dala Ohta): - Ukoliko je veliki koeficijent selekcije (=da neka genetička varijanta drastično smanjuje adaptivnu vrednost jedinke), populacija mora biti jako mala da bi Drift nadvladao efekte Selekcije. - Ako su koeficijenti selekcije mali, populacija i ne mora biti toliko mala da bi slučajni efekti nadvladali determinističke efekte selekcije. Ohta he dala ovu formulu, koja je ključna ovde: , a to je da: -što je manja populacija koefeicijent selekcije može biti i veliki, ipak će se promene učestalosti na tom genu ponašati kao da su neutralne. -kada su koeficijenti selekcije mali, populacija ne mora biti jako mala (tj. može biti i prilično velika) da bi stohastični efekti nadvladati efekte prirodne selekcije. Evolucija arhitektire genoma

Evolucija veličine genoma Kad pogledamo čitav živi svet, počevši od virusa do vć eukariota zapažamo porast veličine genoma. Virusi: Postoje virusi cirkovirusi sa samo 2 gena (1 do 4 kilobaze) što je jakmo malo. Potoje girusi: minivirus sa 1018 gena (do 1,2 mega baza) i megavirus sa 1200 gena, što su veliki genomi. Bakterije: Bakterije imaju veće genome od virusa, ali ima i jako malih bakterija: -Micoplasma genitalium sa 482 gena slobodnoživeća bakterja, i misli se da ispod toga jedna slobodno živeća ćelije ne može da funkcioniše. To je minimalan broj gena za samostalan život jedne ćelije. -Hodgkinia cicadicola sa 169 gena, obligatni parazit, koji je jako redukovao svoj genom da ne može ni da živi van ćelije, i ima svega 169 gena iako je bio prokariotska ćelije, sada je ovakav. Prokarioti i Eukarioti

10

Eukariostki genomi su neuporedivo veći od prokariotskih. Prokarioti idu do 9MB (mega baza) do 8000 gena. Kod Eukariota genomi su veći od 100 MB, obično kod višećeliskih organizama (biljaka i životinja) postoji 13.000 gena pa naviše. Mitohondrije su Eukariotima omogućile ekspanziju veličine genoma. Bakterije nikada ne mogu da prevaziđu tu energetsku barijeru za povećanje genoma, a Eukarioto to mogu zato što imaju neuporedivo više energije po gemu (105 do 106 pta veću energiju po genu u odnosu na Prokariote). Organizacija genoma kod Prokariota i Eukariota - razlike

Kod Prokariota i Virusa genomi su minimalno složeno organizovani, najveći deo genoma su kodirajuće sekvence (= sekvence koje kroz fazu transkripcije i translacije daju neki proteinski produkt, i pod "geni u najklasičnijem smislu" mislimo na takve gene). Eukarioti: Što je veći genom to je više nekodirajuće skvence. Genomi koji su veći i 10000x od prokariotskih genoma imaju samo 100x više kodirajućih nizova. Eukarioti su obavili ekspanziju svojih genoma, ali ne toliko na račun broja gena. Veliki deo genoma čine ME. Jedna od osnovnih determinanti povećanja veličine genoma Eukariota su Mobilni genetički elementi (ME), važni su za organizaciju i funkcionisanje genoma eukariota i za njegovu evoluciju. Kod biljaka do 80 % genoma čime ME. ME su sekvence koje mogu da se kopiraju i šire po genomu (copi-paste, cut-paste), mogu da menjaju svoje položaje u genomu, da menjaju svoj broj u genomu, mogu da prelaze iz genoma jednog organizma u genom drugog organizma (jumping gens - skoči geni). U ME spadaju: -Transozoni koji su sposobni da se sami replikuju (Retrotranspozoni, DNK transpozoni) imaju gene za transpozazu, reverznu transkriptazu. -ME koji su izgubili sposobnost da se sami replikuju ili je nikad nisu ni imali, ali koriste ove gene transpozona koji to još imaju i tako mogu da povećavaju svoj broj u genomu, ili mogu kao virusi, najsloženiji ME-i, da prelaze i u druge genome. -U ME-e spadaju i kopije gena (retrogeni, retropseudogeni) koji su već postojali u genomu, a onda su sa njihove RNK prepisani i ubačeni u neko drugo mesto u genomu (to su retroelementi koji mogu ili ne moraju biti funkcionalni). Uslovno rečeno, postoje: -klasični ME koje svrstavamo u dve osnovne kategorije - Retroelementi i DNK mobilni elementi -retroelementi koji su se proširili po genomu (unutar istog genoma)


11

Nemaju svi ME sposobnost da se sele, mnogi retorvirusi su postali endogeni retorvirusi, izgubili su sposobnost da se šire. 8% genoma čoveka odlazi na humane endogene retrovirusi (herv), oni nemaju sposobnost da se sele, samo 1% od njih u ljduskom genomu je zadržao tu sposobnost. Kod različitih genoma ME su zastupljeni u različitom procentu. Eukariostki geni su diskontinuirani, Imaju puno introna. Što je veći genom, introni su brojniji i veći (trend): -Kod eukariotskog genoma od 100MB podjaednako su zastupljeni i egzoni i introni. -Kod genoma od preko 25000MB čak 95% sekvence u genima čine introni, a ne ezgoni. Evolucioni trend: povećanje genoma ne povlači za sobom toliko povećenje broja gena koji kodiraju (ne povećanje infomacije), nego povećanje količine nekodirajučeg genoma. Intergenske DNK - između gena. Mali genomi od 1MB, imaju svega 20% intergenske DNK. Genomi veći od 10MB imaju dp 80% intergeneske DNK. Broj gena varira po dužini - Po jednoj megabazi kod Prokariota ima 1000 gena - Po MB kod Eukraiota ima u proseku 12 gena (jer oni idu sa mnogo nekodirajućih sekvenci, intergenskih regiona) Trendovi koji su pokazani genomskim studijama: Evolucija genoma Eukariota ide u pravcu gomilanja velike količine nekodirajućih nizova, dok Prokarioti u sebi zadržavaju samo ono što je osnovno funkcionalno (oni redukuju značajno regulatorne sekvence, oni su irganizovani u operone - geni u bakterijama imaju zajedničke regulatore). Strategija Prokariota je da smanje genom, da ga učine što kompaktnijim, a Eukariota je da se luksuzira sa količinom genoma i da ga značajno uveća.

Slika: organizmi koji su sekvencionirani: bakteriofagi, DNK virusi, prokarioti, jednoćelijski eukarioti, životinje, kopnene biljke (tj. više biljke). X osa - veličina genoma Y osa - MB kodirajuće DNK (= samo egzonski nizovi) 1) kodirajući nizovi Sve do višećelijskih organizama (biljaka i životinja) postoji dosta stabilno povećavanje kodirajućih nizova sa povećanjem veličine genoma, ali kod višećelijskih životinja i biljaka nema te pravilnosti tj. kod njih veličina genoma ne utiče na procenat kodirajućih nizova. 2) intronska DNK Prokarioti suštinski nemaju introne (imaju 0,2 % introna i to su oni bakterijski samoiskrajajući)

12

Sa povećanjem veličine genoma raste intronska DNK, ali kod višećelijskih ta pravilnost je značajnija. Što je složeniji organizam, veličinu njegovog genoma bolje prati količina introna. 3) intergenska DNK Postoji jasna pravilnost. Evolucioni trend idući od virusa do eukriota: - povećanje veličine genoma - povećanje broja kodirajućih gena (uz napomenu da se to kod velikih genoma gubi) - povećanje broja ME-a (što je veći genom, veća je kiličina ME-a) - veći je broj i veličina introna - veća je količina intergenske DNK. Koji deo genoma nam govori o fenotipskoj složenosti

G-paradoks je paradoks broja gena i fenotipske složenosti organizma. Sa morfološkom složenošću organizma nije jasno korelisan broj kodirajučih gena. Najbolje korelisano sa morfološkom složenosšću organizma je nekodirajuća DNK (ncDNK). To je neočekivano otkriće i znači: što je organizam morfološki složeniji ne znači da ima veću količinu kodirajućih gena, ali znači da ima veću količinu nekodirajućih sekvenci. U tim nekodirajućim nizovima se nalazi mnogo regulatornih elemenata, nizovi koji kodiraju za miRNK, za razne nekodirajuće male, duge RNK koje regulišu ekspresiju gena. Osnovni trend u evoluciji genoma kod eukariota nije povećanje količine informacije, već povećanje količine i složenosti regulatornog genoma (tj. povećavanje i poboljšavanje načina kako da se ta informacia iskoristi). To znači da je regulatorni genom taj koji evoluira, a ne informativni genom.


13

Ova formula pokazuje kako je došlo do prethodno rečenog. Zanemarićemo priču o mitohondrijama koje su suštinski te koje su omogućile da se pređe energetska barijera povećanja genoma kod Eukariota. Kako je moglo nešto što se ubacuje u genom, što nema svoj efekat na fenotip da se održava u jednoj populaciji? Jer kad god postoji neka promena u genomu to je mutacija (promena sekvence - ubacivanje nekog novog niza u taj genom će da poremeti funkcionisanje genoma) i očekivali bismo da to bude glatko eliminsano prirodnom selekcijom. Međutim, zato i postoji teza da je osnovni mehanizam u povećanju veličine genoma Drift (a ne selekcija) i da su se genomi povećavali u mali populacijiama. Naravno, da nije moglo da opstane nešto što je pravilo veliki nered po genomu (ubacivanje i umnožavanje ME, duplikacije što bi povećavalo veličinu genoma), ono što ima jako loše efekte na preživljavanje i reprodukciju će biti eliminisano. Ali, "ono" što ima mali koeficijent selekcije se neće ni videti u maloj populaciji i to će da opstaje. Dakle, isključivo u malim populacijama možemo da zamislimo da bi svi ovi efekti koji dovode do povećanja genoma mogli da opstaju. Zato se kaže: Veliki genomi su evoluirali u malim populacijama. Prokarioti bi imali drugu strategiju (da zanemrimo mitohondrije) jer su njihove populaicije su jako velike i tu svaka mala promena u preživaljavnju i reprodukciji ima transgeneracijski efekat. Oni izbaciju sve što je višak i sve što im i najmanje ugrožava usklađeno funkcionisanje genoma. Sve što im i najmanje obara adaptivnu vrednost biće eliminisano. Oni nemaju šanse zbog svoji populaciji da nagomilavaju nešto u genomu što u tom trenutku ne koriste. Dok, kod eukariota koji mogu da zadržavaju u svojim genomima te viškove, ti viškovi jednog dana mogu biti iskorišćeni. Ti viškovi su ili neutralni, ili malo obaraju adaptivnu vrednost, ali se to ne odražava na genetički strukturu populacije, zato što je populacija mala i stohastički efekti su značajno veći nego selektivni efekti.

Kada su Eukarioti dobili mitohondrije to je dovelo do: - značajnog povećavanja ćelije (uvrtanja membrane, dobijanja citomembranskog sistema) - veća ćelija (kompleksnija ćelija) ima sporiju deobu, samim tim i manja brojnost populacije - kasnije kada dolazi do višećeličnosti to znači još manje populacije

14

- kod male populacije, efikasnost purifikujuće selekcije koja će izbacivati viškove koji bi smanjivale adaptivnu vrednost je sve manja neutralne mutacije tj. dodaci genomu će se održavati u populaciji. Da su populacije velikih organizama (eukariota) velike, genomi ni bi mogli da budu toliko veliki. Ovo je važno, jer mi po defoltu mislimo da je promena u genomu koja se desila - negativna i da će biti eliminsana. Neće uvek biti eliminisana, poesbno u malim populacijama. To ne znači da pojedine duplikacije u genomu selekcija neće i da favorizuje - fenomen genske amplifikacije i adaptivne mutageneze.

Kod prokaritoa vrlo često pod dejstvom stresa dolazi do duplikacije gena. Toksini, antibiotici, promena hranljivog medijuma je stres za bakterije i kod njih dovodi do duplikacije pojedinih gena ili čitavih genoma. Primer populcija e.coli - koja je u Laktoznom operonu imala LacZ- mutaciju - enzim koji treba da učestvuje u metabolizmu laktoze je bio mutiran. Mutacija u laktoznom opreonu (LacZ- mutacija) čini ih nesposobnim da metabolišu laktozu, pa se očekivalo da u medijumu sa laktozom one ne mogu da opstanu Ta kultura je držana u medijumu sa laktozom (i očekivalo se da neće ili će slabo preživljavati) i nakon određenog broja generacija u toj populaciji se pojavi LacZ+ mutacija. Pojava te mutacije je dosta češća nego što se očekuje po prinicipu slučajnosti. Po defoltu Mutacije su slučajne, nisu indukovane sredinom. Adaptivna mutageneza podrazumeva da sredina izaziva tačno određnu mutaciju koja će da poveća adaptivnu vrednost tog organizma. Ovaj ekpertimet je doveo u pitanje tu tezu o mutacijama - ako se korisna mutacija pojavljuje češće od očekivanog po principu slučajnosti, onda se tu nešto ne slaže. Rekonstruisani su događaji u tom ekperimentu: U medijumu sa laktozom su bakterije koje ne mogu uspešno da metabolišu tu laktozu, ta populacija je jedva preživljavala jer im je enzim slabo funkcionalan, ali ipak ima neku skabu funkciju. Nakon određenog broja generacija LacZ- gen je dupliran (desila se Genska amplifikacija). Stres koji je izazvao tu duplikaciju je medijum. Pošto ima već broj kopija gena - veći broj mutacija mogu biti realizovane i dobija se u jednoj od kopija LacZ+. Dupliranje jeste bilo selekciono favorizovano, jer bez obzira što taj enzim nije potpuno funkcionalan, ali poželjno je da ga bude što više jer će efikasnije da se metaboliše ta laktoza. Sa povećanjem broja kopija LacZ- povećava se šansa pojave korisne mutacije. Kada se pojavila "+" mutacija na jednoj kopiji, druge kopije su vremenom nestajale zbog delovanja PS-e (to su viškovi koji više nisu


15

potrebni - one bakterije koje su imale i "+" mutaciju i kopije bile su manje uspešne od onih koje su eliminisale nepotrebne kopije i selekcija je ove druge favorizovala). Danas, genomika ukazuje da nisu sve promene u potpunosti slučajne. Stres za eukarite i prokariote izaziva pomamu ME-a da skaču po genomu. Najverovatnije su pod stresom mehanizmi supresije ME-a dosta manje efikasni (koji ih inače zadržavaju da ostane tamo gde jeste, da se ne kopira, umnožava i premešta po genomu), tad ME-i dolaze do izražaja i počinje da prave različite stvari po genomu (jedna od stvari je povećavanje verovatnoće duplikacije). Takođe, u genomu Eukariota, postoje regioni koji imaju više mobilnih elemenata, i ti regioni se zovu genske fabrike i tu su geni koji važni za odgovor na životnu sredinu (posebno na stresne uslove). Jer, kada postoji stres, tada ustvari imamo mobilisanje mobilnih elemenata da indukuju neku varijabilnost koja može pomoći genomu (tj. organizmu) u stresnim uslovima. Genomi su evoluirali tako da imaju stresom indukovane adaptivne odgovore. (biće na poslednjem predavanju)

Genomi eukariota su prepuni mobilnih elemenata. Mobilne elemente aktivira stres, tada trče po genomu, povećavaju genomsku dinamiku i odatle mogu da proizađu mnoge adaptacije na određene životne sredine. Mobilni genetički elementi su sekvence koje imaju sposobnost da se kopiraju, iskrajaju iz genoma, ugrađuju na druga mesta u genomu ili da prelaze iz jednog organizma u drugi. Premeštaju se unutar genoma ili između genoma - sin. skočigeni. Postoje 2 osnovne klase ME-a: Klasa I - Retrotranspozomi. Retrotranspozomi imaju: RNK intermedijar i enzim reverznu transkriptazu. Njihovi transkripti se reverznom transkriptazom prepisuju u tDNK i ugradi ih u DNK genom. U klasu I spadaju (ima ih različite složenosti): *- Retrovirusi najkompleksniji retrotranspozoni, imaju svoje gene, imaju gen za reverznu transkriptazu. Kada se ugrade u genom, oni su često i ostajali u tom genomu u evolucionoj liniji eukariota. Ljudi u svojim genomima imaju 8% samo endogenih retrovirusa (nekada ugrađenih virusa u genom koji su ostali u našim genomima i danas). To su nekada bili egzogeni virusi koji su se ugradili u genom i tu su imobilisani (više se nisu pomerali). Od tih 8% je oko 1% zadržalo neku aktivnost, a ostali su u potpunosti imobilisani, nepokretni delovi genoma. - LTR transpozoni

16

- Retrotranspozoni sa invertovani ponovcima - Retrotranspozoni sa ili bez dugačkih nizova na kraju. *- LINE (lajn) elementi - dugački elementi koji se nalaze raspršeni po genomu. U ljudskom genomi ih ima oko 17%. L1 je zadržao gen za reverznu transkriptazu, i on se koristi u ljudskom genomu za reverznu transkripciju. Drugi su izgubili taj gen i pasivizovani su u genomu. *- SINE (Alu) šort ubačene elemente svuda po genomu, tu su kod ljudi najvažniji Alu elementi. U ljduskom genomu ih ima oko 13%. Klasa II - DNK transpozoni DNK transpozoni - nemaju RNK intermadijar u procesu premeštanja po genomu. Imaju svoje enzime koji učestvuju u njihovom iskrajanju i ubacivanju u druge delove genoma i to je gen za transpozazu (njihov enzim je transpozaza i ona to sve radi). Detalji o ME ne treba - da znamo o ove dve kategorije, i njihove efekte na evoluciju genoma.

1) Direktni efekti nastaju: - Ako se ME ugradi u egzon - pomera se okvir čitanja tog egzona i potpuno menja genetičku infomaciju. - Ako se ME ugradi u intron - može da utiče na alternativno iskrajanje -Ako se ME ugradi u CIS regulatorne elemente gena: u promotor, pojačavač, utišavače menjaće regulacije ekpresije to gena. - u regulatorne sekvence samog gena u promotor (za promotor se vezuju osnovni transkripcioni faktori koji u kompleksu imaju RNK polimerazu da bi se pokrenula transkripcija tog gena) - menja se specifičnost vezivanja transkripcionih faktora, menja se ekspresija u tom genu. - u druge regulatorne elemente važne za ekspresiju gena: pojačavači, utišavači (koji biti udaljeni od gena, za njih se vezuju specifični transkripcioni faktori važni za regulisanje ekspresije tih gena) - menja se specifičnost vezivanja transkripcionih faktora, menja se ekspresija gena. Najčešće očekujemo da su direktni efekti ME-a štetni i da će biti eliminisani iz populacije. U malim populacijama blago štetni efekti neće biti eliminasni, jer u malim populacijama selekcija nije efikasna. Tako imamo primere: Primeri: Kod ljudi - više od 1000 gena ima ME u promotorima. To je definitivno promenilo način regulacije ekpresije tih gena. Kod primata u promotor gena za alfa-amilazu koja učestvuje u metabolizmu skroba (razgradnja skroba u pljuvački) ubačen je endogeni retro virus (ERV) koji je promenio ekspresiju tako da se on ne


17

eksprimira samo u pankreasu, već je počeo da se eksprimira i u pljuvačnim žlezdama. To je bitna promena regulacije ekspresije ovog gena. Kako smo počeli sve više da se oslanjamo na hranu sa skrobom koja postaje sve važniji izvor energije - selektivno je favorizovana duplikacija gena za alfa amilazu pa mi imamo 3 x više gena za alfa amilazu nego šimpanza. Duplikacije su bile favorizovane, potrebno nam je puno alfa-amilaze jer se tako hranimo. Kod pasa - alfa-amilaza se i dalje eksprimira samo u pankreasu, ali u odnosu na vukove koji imaju samo 2 kopije, psi mogu da imaju i do 40 kopija. Za 12.000 godina domestikacije pasa selekciono favorizovanje duplikacija ovog gena je bilo jako. ME mogu da imaju sopstvene regulatorne elemente i kada se ugrade u blizinu nekog domaćinovog gena preuzimaju regulaciju ekpresiju tog gena svojim regulatornim elementima ME mogu da utiču i na druge vidove ekspresije gena

- Kod ljudi 12% miRNK potiče od ME-ata. Znači, ME-i nose sekvencu sa kojih se transkribuje miRNK. Znajući da miRNK reguliše posttranskripcionu ekspresiju gena i da jedna miRNK može da reguliše na stotine gena, onda se jasno vidi veliki uticaj ovog ME-a (koji je ishodni za ovu mkRNK) na ekpresiju.

miRNK su mali RNK molekuli koji se vezuju za npr. iRNK i blokiraju njihovu translaciju (npr. degradirajući ih) - regulišu ekspresiju gena, da li će taj gen biti prepisan u protein ili ne. 12% gena za miRNK potiče od mobilnih elemenata. Jedna miRNK može da se veže za brojne iRNK, pa je procena da ME na ovaj način kontrolišu na hiljade gena u našem organizmu.

- SINE nizovi se vezuju za komplekse RNK polimeraze II i tako utiču na regulaciju transkripcije ili sa proteinskkom kinazim R negulišu translaciju.

Može se reći da su ME u velikoj meri preuzeli regulaciju ekspresije gena u eukariotskim genomima.

2) Pasivni efekti su posledica toga što se neki ME kopirao na mnogo mesta u genomu. Pasivni efekti ME-a su vezani za nehomologne rekombinacije. Pasivni efekti ME ne menjaju aktivno genetičku informaciju ili njenu ekspresiju kao aktivni efekti, već pasivno dovode do toga da mutira genom. U procesu rekombinacije moraju da se prepoznaju homologi nizovi. Ako u različitim hromozomima (u različitim delovima genoma) postoje homologe sekvence porekolom od ME koji se kopirao na mnogo mesta ugenomu, one mogu da se spoja i da se desi rekombinacija između njih - nehomologna rekombinacija. Pasivni efekti MEata su: pojava različitih hromozomskih rearanžmana, mogu dovesti do duplikacije ili delecije gena što bitno menja strukturu genoma.

18

Rekombinacija se dešava u mejozi i podrazumeva crossing over između homologih hromozoma. Znači, postoje homologne sekvence koje se moraju prepoznati - homologi hormozomi se spajaju i dešava se crossingover između njihovih hromatida. Rekombinaciju mogu da poremete mobilni elementi: ME se kopirao na više mesta u genomu pa se na nehomologim delovima genoma javljaju homologe sekvence koje mogu da se pronađu i spoje i da dođe do ilegitimne rekombinacije. To izaziva brojne homozomske rearanžmane, duplikacije, delecije itd. Primeri: 1) Kod antropoidnih majmuna Alu-Alu rekombinacija dupliranje gena za hormon rasta. Alu su mobilni elementi specifični za primate, spadaju u SINE elemente iako su SINE elementi uglavnom nastali retrotranskripcijom iz nekih tRNK nizova, ovi Alu su poreklom od 7SL RNK koja je sastavni deo SRP-ova. Alu nizovi su doživeli veliku ekspanziju u evolucionoj liniji primata (posebno čoveka). Alu-Alu rekombinacija dovela je do dupliranja gena za hormon rasta, kod antropoidea koji imaju od 5 do 8 kopija, i dobili su tkivnu ekspresiju tako da se neki od tih gena eksprimiraju u placenti što je važno za razviće embiorna. Alu čije su kopije bile prisutne u raznim delovima genoma, izazvali su ilegitimnu rekombinaciju kojom se hormon rasta duplirao. To je bilo važno za evoluciju primata, jer je hormon rasta postao aktivan i u placenti (tokom embrionskog razvića) što je uticalo na evoluiranje razviće kod primata. 2) Cerkopitekoidea (majmuni starog sveta) Alu-Alu rekombinacija je dovelo do duplikacije opsinskih gena što je dovelo do pojave trihromatskog viđenja, razlikovanja boja. Sa trihromatskim viđenjem ide i bolja vizuelna komunikacija, što je povezano i sa drugačijom socijalnom organizacijom kod ljudi. Kada posmatramo genome različitih eukariotskih organizama, ME su česti oko gena koji brzo evoluiraju i koji su neophodni za brzi odgovor na neki sredinski stimus (stres iz spoljašnje sredine). To su geni uključeni u imunske odgovore, metaboličke brze odgovore itd. Ti regioni bogati ME-ima se zovu genske fabrike. Odatle ideja o evoluciji genoma kao programiranog za odgovor za razliite stresore. U delovima genoma sa puno ME-ata desio se veliki broj duplikacija gena, tj. tu ima puno multigenskih familija koje nastaju duplikacijama gena (i to su paralogni geni). Konzervisani regioni (npr. Hox jata) nemaju ME ili ih imaju vrlo malo. Kod kičmenjaka u Hox jatima nema ME-ata (predstavljeni samo jednim filumom), a kod beskičmenjaka ima ME-ata (i tu ima 30 filuma). Jedan od razloga 30 telesnih sklopova naspram jednog jedinog telesnog sklopa dovodi se u vezu između ostalog i sa prisustvom mobilnih elemenata.


19

ME su mutageni agensi, menjaju genom i u strukturnom i u funkcionalnom smislu oni povećavaju evolvabilnost (potencijal za evoluciju) taksona. Živi fosili (organizmi koji se milionima godina nisu menjali i jako liče na fosilne nalaze od pre 400 ili više miliona godina) imaju jako malo ME-ata. Latimerija (dvodihalica) nije se menjala 400 miliona godina, Sfenodon 220 mil. godina Neurosposra crassa (jednoćelijska gljiva, pravi kolonijalne oblike) - zaštitila se od bilo kakvog upada ME-ata, poseduje RIP mehanizme koji eliminišu svaki upad ME-a. Ne može se desiti ni jedna duplikacija u genomu. Njen genom nema mogućnost da se značajnije menja. Nema nikakvu evolvabilnost, osim genetičke varijabilnosti koju ima u određenim genima nema druge mogućnosti da odreaguje na stres. Zbog toga i vidimo u genomima Eukariota, da nije glavna strategija Eukraiota da eliminišu ME-e, već da ih stave pod kontrolu (da kontrolišu gde se nalaze, gde su poželjni da budu, a gde su nepoželjni). Ako se pojavi ME u visokokonzervisanom regionu, taj organizam će biti elimisan (neće opstati) selekcija će ga eliminisati. Ako se ME pojavi u delu genoma gde ne pravi štetu, a potencijalno se pokaže da može da poveća odgovor na stres, ti organizmi će da opstaju, i u tim regionima će se taložiti ME-i. Naravno, da postoje mehanizmi da se oni drže pasivizovanim unutar genoma i to je veoma razvijeno kod Eukariota.

20

Značaj ME se vidi kod Živih fosila (vrsta koje se dugo nisu menjale). Ranije se smatralo da se živi fosili nisu evoluciono menjali jer žive u stabilnim životnim sredinama pa nema pritisaka životne sredine koji bi izazvao njihovo menjanje. Danas se zna da živi fosili (Latimerija) imaju jako malo mobilnih elemenata i zato je njihova evoluabilnost dosta smanjena. ME načelno imaju negativan efekat na adaptivnu vrednost svojih nosilaca. Očekujemo da će svi mutogeni efekti koje izazivaju biti štetni. Ipak eukariotski organizmi se nisu potpuno odrekli od ME-ata i sprečili njihov efekat? Gljiva Neurospora crasa je ekstremni primer zaštite od ME, evolucija njenog genoma je išla u pravcu potpune zaštite od ME. Ona ima RIP sistem zasnovan na RNK i proteinskim kompleksima koji sprečavaju upad ME, sprečavaju duplikacije (kopiranje) gena. To je potpuno konzervisan genom i pri drastičnoj promeni uslova ne može da opstane, jer ne može da odreaguje. Njena evoluabilnost je limitirana (ne može da evoluitra), jer ne postoji način da dobije nove pozititvne fje kreiranjem novih genetičkih elemenata, zaštićena je od bilo koje promene. Zato najveći broj savremenih organizama nije išao u pravcu eliminisanja ME-ata iz svojih genoma, već u pravcu kontrole mobilnih elemenata. Adaptacija genoma je: - dinamičnost (da se dinamično menja), - evoluabilnost, a tu ME imaju jako važnu ulogu.


21

Osnovni način odbrane je: Kada se ugradi ME - tu se transkribuje neka RNK. Onda RISK kompleksi (domaćinski sistemi zaštite) umnože tu RNK. Ta RNK se udruži sa proteinima u RISK kompleksu koji će da: -unište transkript mobilnog elementa ili -da diriguju njegovom metilacijom ukoliko se ugradio u genom (=proces DNK metilacija), ili -modifikuju histone i spreče njegovu dalju transkripciju. NIJE BILO NA PREDAVANJU Eukarioti nisu eliminisali ME-e, evoluirali su mehanizme koji će da drže ME-e pod koktrolom i to su mehinazmi epigenetičke regulacije ekspresije gena: DNK metilacija, modigikacije histona, RNK interferencija. Hipoteza "odbrane domaćina" po kojoj je prva uloga ovih mehanizama (koje danas nazivamo mehanizmi epigenetičke regulacije ekspresije gena) bila odbrana domaćina od ME-ata, a kasnije su preuzeti za kontrolu i regulaciju ekspresije sopstvenih gena. Potvrda ove hipoteze je: - Analiza genoma pokazuje da su ME-i više i češće metilovani od ostalih delova genoma i tako imobilisani. - Genomsko utiskivanje je prvi ustanovljen mehanizam nasleđivanja epigenetičke informacije. Mnogo više ME-ata se nalazi u kontrolnim regionima genomskog utiskivanja nego u drugim regionima. Mehanizmi epigenetičke regulacije zaista efikasno prepoznaju ME-e. Ukoliko se metiluje ME, to može da ima uticaj i na regulaciju susednih gena. Primeri: (Kada se metiluje ME koji se nalazi uz gen domaćina, on reguliše eskpresiju tog domaćinovog gena) -Kod Antropoidea (antropoidnih majmuna) - Alu element se metiluje (ovde je u pitanju DNK metilacija) i to reguliše gen CCRK koji ima ulogu u odlaganju apoptoze. Ovaj gen je posebno aktivan u mozgu (neokorteksu), ova metilacija dovodi do povećane aktivnosti ovog gena i tim i odlaganja apoptoze i nastaje veća količina neurona u neokorteksu. Ranije se mislilo da metilacija gasi aktivnost gena, međutim metilacija često aktivira gen. Kod Antropoidea, modifikacija ME može uticati na transkripcionu regulaciju susednog gena. To je gen CCRK koji je negativan regulator apoptoze (usporava ćelijsku smrt). Reglacija ovog gena se odigrava preko CpG dinukleotida koji se nalaze na susednom Alu elementu. Uobičajeno je da metilacija regulacionih elementa uzrokuje smanjeje njihove transkripcije, ima i slučaja da neki geni mogu biti aktivirani CpG metilacijom. Fja CCRK gena je povećanje nervnih ćelija u neokorteksu (aktivniji kod čoveka nego kod šimpanze) usled inhibicije apoptoze neurona, to znači da je evolucija regulacije njegove ekpresije posredovana mobilnim elementima odredila i evoluciju ljudskog mozga.

22

ME ne mogu da se prenose transgeneracijski ukoliko su ugrađeni samo u somatske ćelije. Da bi se nešto transgeneracijski prenosilo mora biti ugrađeno u gametsku ćelijsku liniju. Upravo je gametska ćelijska linija najpodložnija trčanju ME-a po genomu. Da bi ME-i postali sastavni deo genoma nekog organizma (eukariota), moraju početi da se vertikalno prenose (transgeneracijski, sa roditelja na decu), a ne samo horizontalno kao što rade ME-i. Za ME-e se kaže da imaju horizontalni prenos između jedinki iste populcije, između jedinki različitih vrsta. Da bi ME-i ušli u sastavni deo jednog genoma jedne evolucione linije, oni moraju da uđu u gametsku liniju, jer se gameti prenose u narednu generaciju. Kod sisara je to "jednostavno", zato što kod njih: -tokom formiranja gameta (u ranoj fazi gametogeneze) dolazi do masovne demetilacije (skidanja epigenetičkih markera), a znamo da su mehanizmi epigenetičke kontrole ti koji drže pasivizovane ME-e. -i u ranim fazama embriogeneze (preimplantaciona embriogeneza) takođe dolazi do masovnog brisanja epigenetičkih markica. I otvara se mogućnost "divljanja" ME-a. Mogu da rade svašta. PiwiRNK pokušavaju tu da drže stvari pod kontrolom, ali otvara se mogućnost u gametogenezi i preimplantacionoj embriogenezi (kada se još ne odvaja germinativna ćelijska linija od somatske linije) da dođe do upada ME-a u gametsku ćelijsku liniju. U ovde dve faze su epigenetički markeri u genomima manje-više potpuno izbrisani. Tada ME-i mogu da rade svašta: Ako se oslobađaju ME-i (tj. prepisuju se), postoji mogućnost da reverzna transkriptaza (koja se sintetiše sa L1 mobilnog elementa u ljudskom genomu / kod sisara - ljudi L1 mobilni element i dalje ima aktivnu reverznu transkriptazu) kopira iRNK koja ima neki poliA repić (iRNK dobije poliA repić nakon što joj se iskroje introni), da je reverzno prepiše u cDNK, i da ta reverzna kopija gena upadne na neko drugo mesto u genomu. Ako upadne u genom na nekom drugo mesto - u gametsku ćelijsku liniju, to može da se nasledi i potencijalno može da postane sastavni deo genoma te evolucione linije - to su tzv. retro geni. Eksperimenti koji su rađeni na gametima i embrionima miševa pokazali su da: -tada ME-i imaju najveći efekat, -ukoliko se tu dese efekti, mogu se prenositi i u naredne generacije. Tada počinje trčanje ME-a po genomu, tada se aktivira reverzna transkriptaza (L1), takođe postoji i mogućnost da nastanu retrogeni (tj. geni koji su eksprimirani u ovim fazama, koji imaju svoju iRNK, prepišu se reverznom transkripcijom, nastaje DNK kopija i taj gen se ugradi na drugom mestu u genomu).


23

Od obrađne iRNK (izbačeni su introni), koja se prepiše u cDNK i ugradi na drugo mesto u genomu, nastaje retrogen. Retrogen se prepoznaje po tome što ima istu sekvencu kao roditeljski gen, nema introne i ima ostatke poliA repića. Reverznom transkripcijom najčešće nastaje retrospeudogen (izgubi f-ju).

Ovakve retrogene nazivamo obrađenim pseudogenima. Neobrađeni pseudogeni imaju introne i mogu nastati duplikacijom gena nehomologom rekombinacijom, pa taj dupliran gen postane pseudogen koji sadrži i nekadašnje introne. Obrađeni pseudogeni su izgubili introne, obrađeni su u toj iRNK, i prepisani u cDNK i ubačeni negde drugde u genom.

Najčešće će nastati retropseudogen zato što: 1) reverzna transkriptaza mnogo greši u kopiranju i 2) iRNK nema regulatorne elemente (nema promotore i dr). Pa retrokopije kada se ugrade u drugo mesto u genomu najčešće nisu funkcionalne. Oni su najčešće retropseudogeni, zato što su pored introna izgubili i CIS regulatore. (mali broj iRNK sadrži neke regulatorne sekvence u 3' UTR-u; najčešće su kopije koje su se uglavile ne mogu da se transkribuju zato što nemaju CIS regulatore) Međutim, dešava se ta retrokopija ugradi u blizini CIS regulatora nekog drugog gena (npr. da se ugradi u intron nekog gena, pa ga aktivira njegov CIS regulator). To se desilo kod duguljastog paradajza: Retrotranspozon je kopirao deo genoma domaćina od 25kB (i to je kodirajući deo gena IQD12 koji učestvuje u oblikovanju ploda). Taj deo kopiran sa tim retrotranspozonom se ugradio u drugi hromozom (znači potpuno drugo mesto u genomu), u blizinu tuđih regulatornih elemenata - i tako je nastao retrogen SUN. Kada neka kopija postane retrogen i uglavi se u drugi deo genoma, potpuno je izmenio svoju regulatornu mrežu (vreme, mesto, interakciju sa drugim proteinima itd.). To se desilo ovde - SUN retrogen koji je ubačen na drugo mesto, aktivira se značajno ranije u razviću ploda nego njegov roditeljski gen, i zato se dobija duguljast plod. U ljudskom genomu do sada je opisano 163 retrogena. Kod njih 25 roditeljski geni su nestali, pa su ovi ostali "siročići retrogeni". Originalni gen bi bio eliminisan, a njegov retrogen zadržan jer se ugradio u neko drugo mesto u novu regulatornu mrežu koja je bolja, pa roditeljski gen može da nanosi štetu, ili je neutralan i vremenom akumulira mutacije koje selekcije ne vidi i tako nestaje.

24

Retrogen od roditeljskog gena razlikujemo po tome što ima slične sekence kao i roditeljski gen, ali nema introne i ima zadržan deo poliA repića. Kada se kopira iRNK sa nekog gena u cDNK, najčešće će nastati retropseudogen zato što: - reverzna transkriptaza mnogo greši u kopiranju i - iRNK nema regulatorne elemente (nema promotore i dr). Pa retrokopije kada se ugrade u drugo mesto u genomu najčešće nisu funkcionalne - predstavljaju retropesudogene. Međutim dešava se da se neka retrokopija ugradi u blizini regulatornog elementa (CIS regulatora) nekog drugog gena i tada ta retrokopija postaje retrogen (kad se kaže retrogen - onda je aktivan). Pozajmio je regulatorne sekvence od tog gena (promotor, utišavače, pjačavače). Poenta je u da se retrokopija sa iRNK nekog gena prepiše u cDNK i ugradi u druga mesta u genomu. Ukoliko se ta cDNK ugradi blizu neke regulatorne sekvence, ona može biti i funkcionalna i takvih primera ima mnogo, samo u ljudskom genomu 163.

Najviše retrogena je na X hromozomu. Najviše retrogena opstaje na X hromozomu jer postoji gašenje jedne kopije i tu se zadržavaju, jer je tu najmanja šansa da će dupla doza da nanosi štetu funkcionisanju genoma i organizma. Dešava se da postoji veliki izvoz gena sa X hromozoma na autozome, i to često služi mužjacima kod npr. sisara. Primer: 1) GLUD2 gen (glutamat dehidrogenaza 2) koji je nastao od GLUD1 gena na X hromozomu, i preselio se na 10. hromozom (autozom). Glutamat dehidrogenaza treba da metaboliše neurotransmiter glutamat (signalni molekul). Na 10. hromozomu ovaj gen povećava efekat glutamat dehidrogenaze. Na ovom retrogenu u našoj evolucionoj liniji desile su se 2 nove mutacije - što je povećalo aktivnost ovog enzima što je važno za funkcionisanje mozga. 2) PGK (fosfogliceratna kinaza 2) preneta sa X hromozoma na autozom. Fosfogliceratna kinaza 2 učestvuje u metabolizmu šećera. Ispoljava se u testisima. Pošto se polni hromozomi u gametogenezi gase (X hromozom u spermatogenezi se ugasi) i ukoliko je na tom ugašenom X hromorzomu gen važan za metabolizam šećera i energiju spermatozoid će biti sklabo pokretan. Kada je taj gen prebačen na autozom i kada se on aktivira i daje mogućnost da se metaboliše fruktoza to značajno povećava sposobnost oplodnje tj. adaptivnu vrednost i to će biti selektivno favorizovano.


25

Molekulska domestikacija ME-ata podrazumeva uticaj ME-ata u nastanku novih gena domaćina. Postoje situacije da mi horizontalnim transferom dobijemo gen i da on postane deo našeg genoma. (Preko 100 gena u evolucionoj liniji čoveka je poreklom od bakterija) Molekulska domestifikacija podrazumeva da gen dospe odnekud (horizonatlnim transferom), uglavi se u genom domaćina, postane deo njegovog genoma koji se vertikalno prenosi (transgeneracijski) i tako uglavljen u genom domaćina dobije nove funkcije. ME može da se uglavi u gen i dobije se novi egzon koji se iskraja alternativno ili ne. To je slučaj sa PTPN1 genom (proteinska tirozinska fosfataza) - fragment poreklom od L3 elementa. Geni koje smo stekli od virusa. Telomeraza je reverzna transkriptaza, poreklom je od mobilnog elementa koji je bio sastavni deo introna grupe II (SINE elementa koji nosi i gen za reverznu transkriptazu). Introni grupe II imaju gen za reverznu transkriptazu. Telomeraza je poreklom od reverzne transkriptaze introna grupe II. Ugradila se u genom eukariota. Neki insekti su izgubili gen za telomerazu, i tu f-ju preuzimaju dva retrotranspozona (retrotranspozoni se stavljaju na kraj i kopiraju se)

Evolucija placente kod sisara ne bi bila moguća bez gena koji su preuzeti od virusa. Bez ME-ata, tačnije bez virusa ne bi bilo sisara, jer ne bi bilo placente da u evolucionoj liniji koja je vodila ka sisarima nije došlo do preuzimanja nekih gena od virusa: (Eutheria - pravi sisari, Metathreia - torbari.) ⌦peg10 gen, koji je izveden iz gag gena jednog retrotranspozona, je ključan za evoluciju najjednostavnije placente - kratkotrajna placenta kod Metatheria (torbara). gag gen kod retrotranspozona, kod virusa vrši sintezu viriona (proteinskog omotača), on se uselio u genome predaka sisara i omogućio formiranje te inicijalne placente danas prisutne kod torbara. Placentrani sisari su imali još dodataka gena koji učestvuju u formiranju placente. ⌦Kod Eutheria (koji imaju dugotrajnu placentu, krvni sudovi koji snabdevaju embrion dugo traju), došlo je uglavljivanja još jednog gena peg 11 gena koji je takođe izveden iz gag gena ali drugog

26

retrotranspozona. Njegova f-ja je održavanje embrionskih kapilara duže u placenti, u kasnijoj trudnoći, što je produžilo trudnoću u odnosu na torbare. ⌦Kod sisara, da bi trudnoća mogla duže da traje, bila su potrebna još dva gena sincicin1 i sincicin2 koji su izvedeni iz env gena (jednog endogenog retrovirsa) koji sintetiše glukoprotein. Taj glukoprotein kod virusa ima f-ju da prepoznaje receptore na ćeliji domaćina i kada se tu zakači da vrši fuzionisanje omotača virusa i membrane ćelije da bi genetički sadržaj virusa ušao u ćeliju. Placenta sisara je sincicijum, što omogućavaju geni sincicin1 i sincicin2 (membrane su u najvećoj meri nestale, brojna jedra su rasuta u tom organu). Kod virusa taj gen ima i imunosupresorske sposobnosti, što važi za placentu jer sprečava imunski odgovor majke u odnosu na fetus (na "strano telo fetus" koje se nalazi u telu majke). Jedan domen ovog glukopoteina ima imunosupresorske sposobnosti - smanjuje sposobnost domaćinskog imunskog sistema da ga uništi. Taj glukoprotein radi to isto i u placenti. Placenta je sincicijum fuzionisanih ćelija endometrijuma što omogućava ovaj glukoprotein koji to isto radi i kod virusnih partikula. Placenta sprečava migraciju ćelija između majke i embriona i omogućava odbranu embriona od imunskog sistema majke. ⌦Pored ovih novih gena važnih za održavanje trudnoće, pronađeni su i razni transpozoni MER20 transpozoni koji regulišu ekspresiju brojnih gena uključenih u trudnoću. MER20 transpozoni sadrže CIS elemente i direktno za sebe vezuju transkripcione faktore. Mnogi geni aktivni u formiranju placente Euteria imaju ispred sebe MER20 transpozone. Pored novih gena, imamo i transpozone koji nose regulatorne elemente koji su potpuno promenili regulatornu mrežu gena koji se aktiviraju u placenti. - Poređenje Oposuma (torbara) i Euteria (placentarnih sisara - ljudske placente) pokazalo je da Euterie imaju 1500 gena aktiviranih u placenti koje Oposum nema. To omogućavaju MER20 transpozoni koji sadrže CIS elemente (regulatorne sekvence) i ugrađeni pored gena uključenih u trudnoću kod sisara učestvuju u regulaciji ekspresije tih gena. Ovo su primeri molekulske domestikacije - geni koji su odnekud stigli postali su sastavni deo našeg genoma. Ti mobilni elementi su pasivizovani, upotrebljeni, i vrše važne f-je u našim genomima.


27

VDJ rekombinacija je način da se dobiju različite imunoglobuline receptore na T-ćelijma imunskog sistema.

To je klasična rekombinacija unutar ćelija koje prave različite kombinacije V, D i J egzona (varijabilni, divezifikujući i vezujući). Tu postoje različiti egzoni V, D i J, oko njih se nalaze kratki invertovani ponovci RSS koji su izvedeni iz DNK transpozona. Takođe, postoje RAG1 i RAG2 - proteini koji treba da prepoznaju različite kombinacije RSS-ova, da ih slepe i da iseku ostatak. Tako se prave kombinacije. RAG1 i RAG2 su mali proteini bez introna (njihovi geni nemaju introne) i oni su transpozaze izvedene iz gena DNK transpozona. I tako se dobijaju određene kombinacije ili imunoglobulina ili ćelije (T-ćelije koje treba da imaju odeđeni receptor za prepoznavanje patogena). Bez transpozona ne bismo imali imunski sistem kakav imamo. ME su u velikoj količini prisutni u Eukariotskim genomima, preuzeli su mnoge f-je koje naši genomi (organizmi) ne bi imali da nemamo gene dobijene od ME-a.

28

Ako kažemo da su ME-i mutageni agensi, jasno je da povećavaju varijabilnost, dovode do nastanka novih vrsta (specijacije). Oni povećavaju plastičnost genoma, genetičku varijabilnost - u dve populacije postoje različiti mutageni efekti mobilnih elemenata što je izvor varijabilnosti i početak divergencije tih populacija. Stres pojačava aktivnost ME-ata. Adaptivna radijacija nekog taksona može da se poveže sa nekim stereogenim uticajima i aktivnošću ME-ata. Takosni koji imaju puno ME-ata, očekivano je da imaju puno vrsta, jer uloga ME u specijaciji je značajna. Ljiljci (su sisari koji imaju mnogo vrsta, jedna od najbrojnijih grupa), adaptivna radijacija je počela pre 55-44 miliona godina, oni imaju veliku količinu i aktivnost retro- i DNK trasnpozona. Glodari - kod čoveka endogeni retrovirusi su skoro potpuno pasivizovani i nemaju mogućnost da se sele po genomu, kod glodara veliki procenat endogenih retrovirusa su zadržali tu sposobnost. Ribe Ciklide - brza adaptivna radijacija i nastanak ogromnog broja vrsta, pre 5 miliona godina nastalo je 2000 novih vrsta u tri jezera - morfološki diverzitet je veliki (ponašanje, isharana), genetički diverzitet (kad paratimo njihove sekvence) je vrlo mali. Taj mali genetički diverzitet je nespojiv sa ogromnim morfološkim (fenotipskim) diverzitetom) - SINE elementi i vreme njihovog ugrađivanja u genome su povezani sa drastičnom fluktuacijom nivoa vode kod ovih jezera pre 5 do 3 miliona godina što je jako stresno za ribe. Taj stres se povezuje sa velikom altivnošću ME-ata (u ovom slučaju SINE elemenata koji su doveli do diverzsifikacije i adaotivne radijacije).

S

s

p

o hf r r s ek H

SKRIPTA,

Kod specifičnih m

DNK

Pre 8primata, zato

Pre 4

opada. Ulog

Alu hominida tj.filogenija Al

-klasazdvajanja

-Aluazdvajanja

-Alusveta i homi

- U eekspanzija -kopija ovih A

-NajvHomo.

Prin

primata, namobilnih ele

K transpozo

80-65 milioo što ogrom

Uvreme

40 miliona gu povećanja

elementi s. ljudi. Genlu elemenatsa Alu nizopolumajmu

uS (mlađa kmajmuna n

uY (najmlađinoida.

evolucionoj postoji 3.4Alu nizova,više Alu niz

ncipi moleku

astanak novemenata - A

ni su bili vrTM

ona godina man broj prim

U genomu čena (to je vr

godina su a diverziteta

su glavna nealogijom gta kod prim

ova - AluJ una i majmuklasa Alu

novog i starođa klasa) ek

j liniji čove4 puta veći b, a šimpanzazova je ugra

ularne i fen

vih taksonaAlu elemena

rlo aktivni uTo znamo jer ME-ata i postasmatra se dmata ima ov

čoveka od reme nastan

obuzdani Da i razne dru

komponentgena se pra

mata: se ugradila

una. Divergeelemenata)

og sveta i pokspanzije pr

eka u okvirubroj ovih Aa oko 1500.ađeno pre o

notipske evo

29

a, velika divata.

u vreme nasgenealogijom

anak određenoda su DNKve DNK tra

74000 do 9nka primata,

DNK transpuge stvari p

ta u evolucati koji su i

a u genomeencija dve k doživela jočetak njihore 30 milio

u AluY (naAlu nizova k

. oko 2 milion

olucije,

vergencija i

tanka primam gena možemog gena i gene

K transpozonanspozone i

98300 fiksir, ljudi su za

pozoni, njihpreuzimaju A

ciji primatai kada Alu

e primata pkrupne evoluje ekspanzove diverzifona godina

ajmlađe katkod čoveka

na godina -

I

i radijacija

ata. mo da odredimetičke varijantni bili vrlo njihove trag

ranih DNKadržali iste t

hova aktivnAlu elemen

a, posebno elemnti bili

pre 65 miliucione linij

ziju pre 45fikacije. - vreme ra

tegorije Alunego kod ši

vreme poja

van Petrovi

se povezuj

mo vreme postte u genomimaefikasni u gove u geno

K transpozonte DNK tran

nost kod prnti.

antropoidni ugrađeni -

iona godinae. miliona g

azdvajanja m

u elemenataimpanze. Č

ave prvih pr

ić 2015

e sa aktivn

tanka i ugrađia. vreme nastomima.

na potiče iznspozone).

rimata znač

nih majmu- napravljen

a i to je vr

godina - vr

majmuna st

a) postoji veČovek ima 5

redstavnika

nošću

ivanja

anka

z tog

čajno

una i na je

reme

reme

tarog

elika 5530

roda

30

Evoluciona linija čoveka obeležena je velikom aktivnišću Alu nizova. Oni si važni, preuzeli su puno f-ja, nekada su od njih postali introni, od nekih Alu nizova postali su egzoni nekih gena, neki Alu nizovi su važni za regulaciju ekspresije drugih gena, neki Alu nizovi su važni za editovanje RNK. Imaju mnogo funkcija u genomima čoveka i primata, važni su i oblikovali su našu evolucionu liniju. Tamo gde su se ugradili njihov položaj je vrlo konzervisan. Kad je nešto konzervisano znači da je jako važno. Oni nakon ugradnje, više se ne premeštaju, jer su dobili značajne f-je u genomima.

SKRIPTA,

5. TRENDO

Nsavremenih Filosloženiji ge Sto najbolje Upo A (tj. kodiraju Trend je p

- K - B - B - B v O

Povsmo očeki/manje od p Ipa

Pri

OVI U EVO

Nesporan tr

h organizam

ogenetski menomi su ve

Sa povećanj koreliše sa

oredo sa bioočekivalo se

ući deo) koji

povećanje g

Količina inte

roj ME (važ

roj i veličin

roj kodirajuažne za ispo

On ne koreli

većanje genivali. Kada pirinča i mnoak, trend po

rincipi mole

OLUCIJI G

rend tokom ma (virus - pr

mlađi organeći.

em veličinea morfološko

ološkom slože da sa poveimaju različi

genoma u o

ergenske DN

žna determi

na introna (s

ućih gena (=oljavanje geše baš najbo

noma, krozse mislilo

ogih drugih oostoji: sa u

kularne i fe

ENOMA

evolucije, okarioti - euk

nizmi imaju

e genoma, uom složeno

ženošću orgaećanjem složite funkcije u

okviru tog t

NK (intergen

inanta velič

svrtavamo ih

=gene koji denetiče infoolje sa feno

z evolucijuda čovek im

organizma), iuvećanjem s

enotipske ev

1

-

počevši od arioti - višeće

u veće geno

u njemu nepšću organiz

anizama najženosti genomu organizmu.

trenda pove

nske nekod

ine genoma

h u nekodir

daju proteinmacije). tipskom slo

u, je bilo prma bar 100i to je G parsloženosti r

volucije,

najranijih ielijski euarioti)

ome - što s

proporcionalzama (sa broj

jviše raste nma raste info.

ćanja genom

dirajuće DNK

a i plastično

rajuće delov

nski produkt

oženošću or

raćeno i po.000 gena (radoks. raste i broj

i najjednost) je poveća

su organizm

lno puno rajem tipova ćel

nekodirajućiormacija za

ma najviše s

K)

osti genoma)

ve genoma),

t/ kao i geni

rganizma.

ovećanjem (ispotavilo s

gena.

Ivan Petro

tavnijih orgnje veličine

mi morfološ

astu nekodirlija u organizm

i deo genomkodiranje ra

se povećava

),

,

i za rRNK, t

broja gene da ima isto

ović 2015

ganizama pae genoma.

ški i fenotip

rajući regiomu, tkiva).

ma. azličitih prote

a:

tRNK koje

a, ali ne kao kao nemat

a do

pski

oni,

eina

su

ako toda

2

Arheozojska ekspanzija - To je period u geološkoj istoriji pre oko 3 milijarde godina. U tom periodu: - nastao je ogroman broj prokariotskih organizama (jednoćelijskih organizama). - najveće su stope nastanka gena, nestanka gena, HTG-a i duplikacije gena. - genomi su se tek uspostavljali, nisu bili fino regulisani kao što su danas. Tada je bilo moguće da nastanu novi geni, a danas je to teško zamislivo. Henry Miller (1936) - Omnis gena e gena — novi geni mogu nastati samo od već postojećih gena. Novi geni nastaju od starih gena - duplikacijama, reverznom transkripcijom. Danas je teško zamisliti da gen nastaje ni iz čega tj. iz bilo koje sekvence DNK, što je tokom Arheozojske ekspanzije bilo moguće, zato što su danas geni jako složeni (gen podrazumeva kodirajuću sekvencu i mnogo regulatornih nizova). U vreme Arheozojske ekspanzije genomi su još uvek evoluirali, interkacija između gena i regulacija aktivnosti gena je bila na niskom nivou. Bila je veća verovatnoća da iz jedne nekodirajuće sekvence (ni iz čega - de novo) nastane kodirajući niz - gen. (da se iz jedne sekvence bez regulatornog niza dobije transkript). Nakon Arheozoika, ne očekujemo da je puno gena nastajalo de novo, tj. iz nečega što nije bilo kodirajuće i što nema ni jedan regulatorni element. Kako su se genomi usaglašavali, evoluirali da budu preciznije regulisani smanjivala se stopa nastanka gena denovo - u Proterozoiku je bila veoma mala, a Faneroziku je zanemarljiva. Kako su novi geni nastajali u današnjem genomu Kada se kaže broj gena misli se na gen u tradicionalnom smislu tj. gen koji kodira za protein ili kodira za standardne RNK molekule koji učestvuju u čitanju genetičke informacije (tRNK, rRNK). Pored toga što današnji geni imaju mnogo regulatornih nizova, na regulaciju jednog gena utiču i drugi prisutni geni. Aktivnost gena nije nezavisna od drugih gena u genomu. Pored toga što svaki gen ima svoje CIS regulatore, promorote, pojačavače, to da li će se aktivirati zavisi i od drugih gena koji ga kontrolišu - Koncept regulatornog genoma. Regulatorni genom - Način na koji se ostvaruje i ispoljava genom u fenotipskom smislu. Genoma je mreža gde su neki geni su regulisani nekim drugim genima. Jedan gen koji zovemo regulatorni gen može da reguliše ekspresiju mnogo drugih gena.

Što je veći broj gena koji jedan regulatorni gen reguliše — on je dublje umrežen u regulatornom

genomu, nalazi se u dubini mreže (na njega se kači i od njega zavisi veliki broj drugih gena). Što je manji broj gena koje jedan regulatorni gen reguliše, on se nalazi sve bliže periferiji mreže.

U centru ove mreže će biti neki geni koji su važni sa determinaciju razvića organizma (Hox geni, geni koji regulišu Hox gene). Plejotropija - kada jedan gen utiče na veliki broj gena. Epistaze su interkacije između gema - uticaj jednog gena na ispoljavanje drugog gena. Današnji genomi funkcionišu po principu značajnih efekata plejotropije i epistaze.

SKRIPTA,

Ple Poš(homeostaz Duposledice, Duproblem u To Pol Povećanjeregulatornu m 1) d 2) d U isod jednog z

Dupliranj Dupopstane to i to daje m Dupliranj Dobtranskribuj Aksa produkti Nprreceptor, ov U situaciji Kplejotropni

Priejotropija i što su genzu) jednog r

uplikacija čto je najčeš

uplikacija phomeostazine znači da

lazeći od os

e broja genmrežu, ili genduplikacijomduplikacijom

stom genomuzajedničkig g

e čitavog gplira se celje potencija

mogućnost da

e pojedinačbija se duje se duplo vo taj produkima drugih r. duplirao svde će biti pr

kada se dup

Kada se dupi), jer postoj

rincipi moleepistaza či

ni umreženiregulatorno

čitavog genšće poremećpojedinačni regulatorna se to ne de

snovne prem

na u genomoma u prošlom čitavog gm pojedinač

u kada se umgena, ali su se

enoma - nla regulatoral za koevola nastanu po

čnih gena upla doza pviše iRNK. kt interagujegena, što m

se gen za nereviše hormo

plira čitav g

plira čitav je i duplika

kularne i feine regulatoi, nastanak

og genoma.

noma - Polćaj funkcionih gena -

nog genomaešava i da se

mise, novi g

mu kod savrosti - genoma genoma i čnih gena

množavaju gee duplirali i p

astaje Poliprna mreža (luciju novihotpuno nov

proteinskog

e sa drugimmože biti proeki hromon, na i premalo

genom pove

genom većti svih onih

enotipske ev

3

orni genomnovog ge

liploidija jenisanja genogde da se . e nije dešav

eni nastaju

remenih gepredaka savre

eni oni su hopostoje u isto

ploidijom(cela mrežah regulatorne funkcije.

g produkta

m genima, duoblem za fu

da bi ostvaro receptora.

ećava se kol

ća je šansa h gena sa koj

volucije, m. ena (nove

e mutacija oma. nalazi taj

valo u evolu

od starih ge

enoma ( genoemenih linija)

omologni paom genomu p

a intergensknih mreža tj

jednog ge

uplirana kolnkcionisanjrio svoju f-j

ličina i horm

da opstanujima treba d

kopije gen

i kao svaka

gen ako se

uciji.

ena.

oma koji su vse dešava n

aralogni. Hopa su paralog

kih interakc. dupliranog

ena - kodi

ličina tog prje čitavog gju on mora

mona i recep

u geni koji da interaguj

Ivan Petro

na) utiče n

a mutacija

e eksprimir

već uspostavilna 2 osnov

mologni su jgni.

cija), i ako g partnerstv

irajući gen

rodukta bićegenoma.

da se veže z

ptora. Dakle

su dublje uu i koje treb

ović 2015

a organiza

ima negati

ra opet nas

li bitno regulisna načina:

jer vode pore

taj organizva između g

n se duplir

e u kompeti

za odgovara

e:

umreženi (vba da reguli

ciju

ivne

staje

sanu

eklo

zam gena

ra i

iciji

ajući

više išu.

4

Što je veća plejotropija jednog gena (što je dublje umrežen) veća je šansa da će taj gen opstati ukoliko se duplira čitav genom. (geni za TF-e koji regulišu aktivnost drugih gena, Hox geni) Nakon duplikacija čitavih genoma duplirane kopije pojedinačnih gena koje opstaju tokom evolucije su: - geni za različite TF-e (TF-i su produkti regulatornih gena), - za različite ribozomske funkcije - za transdukciju signala To su sve geni sa vrlo visokim nivoom plejotropije. Kada duplira pojedinačni gen veću šansu da će opstati imaju geni koji su bliže periferiji (sa manje plejotropnih efekata, koji ostvaruju značajno manje interakcija sa drugim genima) čija povećana doza neće bitno uticati na celu regulatornu mrežu. Kod biljaka su to geni za sekundarne metabolizam i geni važni za odbranu od biotičkih stresora. Produkti sekundarnog metabolizma su važni za odbranu od herbivora. - Ovo ne znači da će ovi duplirani geni sigurno opstati, već da imaju veću verovatnoću da opstanu. - Takođe, ne znači da ukoliko se duplira čitav genom neće opstati i neki plitko umreženi gen, kao i što ne znači da ukoliko se duplira pojedinačno neki regulatorni gen da neće postojati šansa da opstane. Ako vidimo da su se dva gena duplirala i nalaze se u kopijama u genomu (bez obzira da li su nastali duplikacijama čitavih genoma ili duplikacijama pojedinačnih gena) to su paralogni geni, zanima nas kada je nastala ta duplikacija. (kada se desila duplikacija, kada je došlo do poliploidije)

Paranomi su kolekcije dupliranih gena. Starost do dulikacije se određuje tako što se: - Uporede sekvence dva paralogna gena - gledamo sinonimne mutacije - Tražimo sinonimne nukleotidne zamene (sinonimne zamene nemaju fenotipski efekat - nema promene u AK sastavu proteinskog produkta i njegove funkcionalnosti), jer brzina neutralnih supstitucija zavisi od stope mutacije. Sinonimne mutacije ne vidi selekcija i ne može da ubrza neke od tih zamena ili eliminaciju, tako da brzina zamene neutralnih nukleotida zavisi samo od stope mutacija. Kada Procenimo koliko se dva paralogna nukleotidna niza razlikuju u sinonimnim mutacijama. Znamo da je prosečna stopa tih sinonimnih zamena po nukleotidnom mestu od 10-8 do 10-9. Na osnovu ta dva podatka možemo da odredimo vreme: Proporcija sinonimnih mutacija kroz 2X stopa mutacija (jer pratimo dva nukleotidna niza) dobija se vreme. Kako određujemo da li je gen sam dupliran ili je kopija gena nastala nakon poliploidije. - Važno je da odredimo kada se desila duplikacija - Ukoliko se desila davno i ukoliko u udaljenim filogenetskim grupama postoje vrlo konzervisane familije gena to znači da je došlo do duplikacije čitavih genoma.

Znači, ukoliko su konzervisane čitave multigenske familije u udaljenim grupama, veća je verovatnoća da je do te duplikacije došlo tako što se umnožio čitav genom nego da su se u nezavisnim evolucionim linijama nakupljale iste kopije.

Ovako se zaključuje da li je bio dupliran samo gen ili su multigenske familije nastale duplikacijom čitavih genoma.

SKRIPTA,

Poliploid

Biljuočavaju (t Komnogo vrsinsektima) Svaproistekli i To načine, ali Ranmanje rigidkod sisara Polhaploidni gspoje dva d - Adiploidni gtetraploid. - Adruge vrstdiploidni ghibrid alot Alonego u okukoliko su to Bez Polgenom ops Ipanovina i n Tak Tajrearanžmanfuzionisati

Pridija

jke imaju vtipa milion

od životinjasta koje nem

kod kojih i

aka evoluciiz bar jedne

su veoma postoje njih

nije je mogdna, polni h200 miliona

liploidije ngameti. Akodiploidna ga

Autopoliplogameti. Spa

Aloploidija te. Ukolikogamet koji stetraploid, t

opoliploidijkviru svake o gameti iz dvez obzira na rep

liploidije susatati. ak, često se astanka ve

ko dobijen oj tetraploid na između sa drugim h

rincipi mole

veću šansugodina, tj. b

a koje imajumaju diferenima novijih

ona linija , dve ili tri rstare polip

hovi tragovi

glo da dođehromozomia godina, št

nastaju u go ne dođe dameta dobij

oidija - u pajanjem dv

- nastaje hio u gametosadrži genomtj. tetraploid

ja je češća od ovih vr

e različite vrstproduktivne iz

u mutacije,

dešavalo delikog broja

organizam ineće zauveta dva set

hromozomi

kularne i fe

u poliploidnblisko vremu diferencirancirane polnpoliploidija

eukariota i runde polipploidije (dri.

e do intenz su u mnog

to je jako m

gametogenedo razdvajana se tetrap

procesu gamva gameta

ibrid ukrštaogenezi togme dve razdna populac

jer je nerazrsta. (50x je te).

zolacije do ukr

najčešće su

da poliploida novih tak

ima duple seek ostati teta hromozoima, neki ge

enotipske ev

5

ne specijacijme kada su nane polne hne hromozoa i mogućno

biljaka i žiloidije.

revne) koje

zivnih polipgim evoluci

malo).

ezi kad mornja dobiće sloid.

metogenezesa diploidn

anjem dve rg hibrida nličite vrste. cija od koje

zdvajanje hrveća verovat

rštanja vrsta d

u štetne i ob

dni organizmksona.

etove hrometraploid, jeoma: neki eni će se gu

volucije,

je. Kod bilnastale dve nhromozome ome (među osti poliploi

ivotinja dan

su tokom

ploidija jerionim linija

raju da se rse diploidni

e ne dođe dnim setom

različite vrsne dođe do

Ukrštanjemmože da na

romozoma utnoća da se h

dolazi, ne često

baraju adap

mi opstanu

mozoma, umer će tokompojedinačni

ubiti, neki op

ljaka je češnove vrste).je jako retvodozemci

idne specija

nas (genomi

vremena m

je regulaciama mlado

razdvoje hri broj hromo

do razdvajahromozom

te, diploid j razdvajanj

m sa istim tastane nova

u gametogehromozomi u

o i ne između

ptivnu vredn

u i oni su i

esto 2 homom evolucije

i hromozompstajati.

Ivan Petro

šća i nove . ka, ali i kodima, gmizavacije.

i tih evoluc

modifikovan

ija genomaotkriće (pol

romozomi dozoma u ga

anja hromoma (od iste

je i ima genja hromozotakvim hibria vrsta.

nezi hibridu gametogenez

svih vrsta, ali

nost, i pitan

izvor važni

olga on ima(milioni go

mi će se g

ović 2015

poliploidije

d životinja ivcima, riba

ionih linija)

ne na razli

a bila značalni hromozo

da bi se doametu. Kada

ozoma i dobvrste) nas

nome i jednoma dobijaidom dobija

da do 50x čezi neće razdv

i dolazi.

nje da li će

ih evolucio

a 4. odina) doćigubiti, neki

e se

ima ama,

) su

ičite

ajno omi

obili a se

biju taje

ne i a se a se

ešće vojiti

e taj

onih

i do i će

6

I od Tetraploida dobija se Diploid čiji je genom zasnovan na nekadašnjoj poliploidiji. Poliploidija je češća kod biljaka: - Zato što biljke nemaju polne hromozome koji su velika barijera za poliploidiju. - Razviće biljaka i životinja se razlikuje.(pod razvićem podrazumevamo sve moguće interakcije između gena koje treba da dovedu do postanka određenog fenotipa tj. jedinke)

- Razviće životinja je kao Betovenova simfonija: sve je usklađeno i regulisano. Veoma je tesna i veoma regulisana interakcija između gena. - Razviće biljaka je džez improvizacija. Kod biljaka je mnogo manja regulacija tokom života i rasta, zato one imaju spsosbnosti koje životinje nemaju (da se vegetativno razmnožavaju, da od jednog organa naprave drugi organ).

Geni u genomu su u različitim interakcijama - velika mreža različitih interakcija gena. - Kada se duplira čitav genom, duplira se i cela interakcijska mreža. - Kada se duplira samo jedan gen, dobija se samo duplikat u proizvodu tog jednog gena (dupliciran je samo genski produkt). Sudbine gena nakon duplikacije:

1) da bude ugašen (= pseudogen), pseudogenizacija može tokom niza generacija da rezultira da duplikon bude potpuno eliminasan iz genoma. 2) da postane funkcionalan gen i obavlja istu funkciju kao roditeljski gen, ili da evoluira nove funkcije.

Kod dupliranja čitave mreže - duplira se i gen i svi ostali geni sa kojim je on u interakciji. Kod dupliranja pojedinačnog gena - duplira se samo on, ali ne i drugi geni sa kojima je on u interakciji. Ako se duplira jedan plejotropni gen (duboko umrežen u regulatornoj (interakcijskoj) mreži, koji je u interakciji sa velikim brojem gena - plejotropija), a da se ne dupliraju drugi geni sa kojim je on u interakciji, duplikon najverovatnije neće opstati, jer bitno remeti kompletnu mrežu interakcija. Duboko umreženi geni imaju veću šansu da opsatnu ako se duplira cela regulatorna mreža. Duboko umreženi geni su: - geni za TF-e koji regulišu aktivnost velikog broja drugih gena, - različiti geni bitni za razviće organizama (HOX geni). Od njih očekujemo da će imati mnogo veću verovatnoću da opstanu ukoliko je kopirana cela interakcijaska mreža. Ako se duplira sam gen, veću šansu da opstanu imaju geni koji su na periferiji mreže, koji nemaju toliko interakcija. Njihovo umožavanje može da dovede do toga da gen opstane i da čak dobije novu funkciju, ali to najčešće ne uspeva u novoj mreži.


7

Proučavanja evolucione istorije genoma biljaka (koje i danas češće od životinja doživljavaju poliplodinu specijaciju), pokazuju da je predački broj hromozoma cvetnica (Angiosperme) bio 7 do 9.

Veličina ćelije je u korelaciji sa brojem hromozoma u jedru te ćelije, na osnovu veličine ćelije kod fosila može se pretpostaviti broj hromozoma u ćelijama fosila.

U različitim evolucionim linijama biljaka desilo se mnogo poliploidnih događaja.

-70% današnjih cvetnica i 95% mahovina i paprati nastalo poliploidnom specijacijom, tj. imalo poliploidne događaje u svojoj evolucionoj prošlosti, uglavnom alopoliploidiju (iz opisanih razloga). - 2 do 4% savremenih cvetnica u svojoj bližoj evolucionoj prošlosti ima poliploidnu specijaciju. Arabidopsis thaliana je vrsta nastala iz poliploidnog događaja, a danas je diploid.

Iz dupliranih genoma (duplog seta hromozoma) tokom miliona godina evolucije može da nastane diploidni organizam: rearanžmanima i diferenciranjem hromozoma koji prestaju da budu kopije, postaju nezavisni hromozomi koji nose sopstvene gene koji su rekombinovali. Analiza 7000 multigenskih familija (tj. paranoma) kod Arabidopsisa pokazala je da je bilo 3 runde potpune dulikacije genoma. Starost tih duplikacija: 1. runde je pre 100 do 168 miliona godina 2. runde 66-109 miliona godina 3. runde 24-40 miliona godina Genom, koliko god bio umrežen i regulisan, je vrlo osetljiv na stres. Stres dovodi do nestabilnosti genoma: pokreće ME-e, povećava se i verovatnoća pojave gameta sa dupliranim hromozomima - poliploidije. Evolucija je išla u pravcu da održava plastičnost i nestabilnost genoma - smatra se da su genomi adaptirani da budu plastični i da reaguju na stres. Genom koji je potpuno rigidan ne može da odreaguje na stres, ne može da kreira novu varijabilnost, koja bi omogućila opstanak. Rigidni genomi su selektivno eliminasni. (Neurospora krasa koja još nije eliminisana je rigidan genom). Načelno: Evolucija plastičnosti (nestabilnosti) genoma je ustvari adaptacija - važan momenat.

8

Prve dve runde poliploidije se vezuju za velike preomen (stersore) u životnoj sredini: - pre oko 100 miliona godina desio se raspad Pangee, ogromni tekstonski poremećaji. - porast količine CO2, vulkani.

Ti stresovi su pokrenuli nestabilnost genoma i njegovo dupliranje. Iz paranoma se vidi da su iz drevnih poliploidija preferencijalno zadržani geni koji su veoma duboko umreženi u genomu:

- geni za razne TF-e, za transdukciju signala, za razviće biljaka. - geni za odbranu od abiotičkih stresora (suša, niske T, slanost zemljišta)

Poliploidija može biti selektivno favorizovana: povećanje veličine ćelije je važno za biljke na višim nadmorskim visinama. Veće ćelije, duže traje deoba tih ćelija, svi njeni procesi su efikasniji na visokim nadmorskim visinama, na nižoj T to je selektivno favorizovano.

Poliploidije kod Arabidopsisa su prilično nove poliploidije. Analizira genoma i paranom mnogo savremenih biljaka, pokazala je da su sve biljke sa semenom sigurno doživele 2 potpune duplikacije genoma veoma stare: - pre oko 319 miliona godina to se dovodi u vezu sa postankom biljaka sa semenom (Spermatophyta) i (period poslednjeg zajedničkog pretka svih biljaka sa semenom) - pre oko 192 miliona godina - što je poslednji zajednički predak svih Angiospermi (skriveno semenica tj. cvetnica). Nastanci novih taksona vezuju se između ostalog i za događaje poliploidije. - U različitim evolucionoim linijama (kao i kod Arabidopsisa) desili su se dodatno noviji poliploidni događaji: - Vrlo mlade poliploidije: 3. runda kod Arabidopsisa se desila pre 40 miliona godina.

- Soja ima mladih poliploidija (pre 50 miliona godina) i geni unutar poilploidija još uvek evoluiraju. Ti duplirani geni su aktivni u različitim tkivima i kod srodnih vrsta soje postoje razlike, isti geni su aktivni u različitim tkivima tokom razvića. Ne zna se koji će geni opstati, a koji će nestati, mi smo uhvatili događaj u ovom aktuelnom trenutku i vidimo da se stvari menjaju.


9

Kod svih grupa životinja postoje drevne poliploidije - kod kičmenjaka je to takođe bio slučaj. Genomi današnjih životinja su zansovani na drevnim poliploidnim događajima - paleopoliploidijama. Analiza Hox gena (organizovani su u jata) je najbolji dokaz o poliploidijama kod kičmenjaka: - Cefalohordate (amfioksus) - imaju samo jedno jato. - Kolouste (kičmenjaci bez vilice) - 2 do 3 jata - Kičmenjaci sa vilicom (od riba do sisara) - 4 jata. Kod kičmenjaka sa vilicom (i kod kolousta) je bilo 2 runde duplikacija čitavih genoma: - u prvoj rundi su od jednog dobijena 2 jata, - u drugoj rundi od 2 je dobijeno 4 jata. Pošto ovi duboko umreženi geni postoje u 4 jata znači da je bilo kompletnih duplikacija genoma u dva navrata. (Kod čoveka (kičmenjaka) postoji 4 jata Hox gena na različitim hromozomima) Kambrijska eksplozija je period od pre 550 do 520 miliona godina, vezuje se za naglu pojavu velikog broja višećelijskih taksona, koje od tad nalazimo u fosilnim nalazima. Za kratko vreme od nekoliko 10tina miliona godina nastao je veliki broj svih savremenih višećelijskih filuma. U prekambriji nisu bili čvrsti delovi, dimenzije su bile manje pa je fosilizacija mala i retki su fosili. Uzrok Kambrijskoj eksploziji tj. adaptivnoj radijaciji višećelijske organizacije je povećanje koncentracije kiseonika, što je dovelo do velikog povećanja diverziteta višećelijskih organizama. Runde duplikacije čitavih genoma u evolucionoj liniji kičmenjaka (po proceni starosti paranoma): Prva runda se desila pre više od 600 miliona godina - u prekambrijskoj eri. Foslini nalaz za kog se smatra da je predak svih kičmenjaka je fragilni mali organizam je Pikaija. Nju nalazimo u kambrijskoj eksploziji. Druga runda - pre 550 do 520 miliona godinau vreme Kambrijske eksplozije (veliko povećanje kocnentacije kiseonika, stres za organizme izazvao poliploidne događaje) Stres pokreće ME-e u organizmu, odbrana genoma od ME tada opada i svi drugi parametri koji se tiču dinamike genoma tada padaju i genom počinje nestabilno da se ponaša, a jedna od posledica te nestabilnosti genoma jeste i poliploidija. To dve osnovne poliploidije leže u osnovi genoma današnjih kičmenjaka. Kolouste su naknadno gubile velike delove genoma, i zato imaju 4 jata već 2 do 3 jata. Kod Košljoriba se desila i treća runda duplikacija pre 350 do 236 miliona godina. To se poklapa sa masovnim izumiranjem između Perma i Trijasa pre oko 250 miliona godina. Kod košljoriba postoji veliki broj taksona koji su nastali poliploidnom specijacijom.

10

Poliploidija je reakcija genoma koji je osetljiv (plastičan) na drastične promene životne sredine. Heteroza (=duplirane regulatorne mreže) povećava verovatnoću opstanka u ekstremnim uslovima (širi se ekološka valenca u odnosu na predački takson) - pa tu poliploidiju podržava selekcija. Zato poliploidni taksoni imaju veću invazivnost u nova staništa tj. u nove uslove (što je potvrda da poliploidija može da poveća verovatnoću inicijalnog opstanka te grupe u novim sredinskim uslovima). Velika Heteroza (heterozigotnost) - usled dupliranja garnitura gena postoji velika verovatnoća da na velikom broju tih gena postoji heterozigotnost koja podrazumeva veću varijabilnost u ekspresiji različitih gena, što za posledicu može imati bržu adaptaciju na nove uslove. To omogućava organizmima da nasele i životne sredine u kojima do tada nisu mogli da žive. Savremene poliploidne vrste su jako invazivne, mogu da naseljavaju brojna staništa koja njihovi diploidni rođaci ne mogu. Mnogo su tolerantniji na ekstremne prilike. Knjiga Nastala poliploidna populacija može da se raširi po različitim staništima, da kolonizuje nova staništa. Uslediće adaptacija manjih populacija na svako od tih specifičnih staništa (na različite uslove). Tu postoji veliki potencijal za nastanak novih taksona, jer svaka od tih grupa se adaptira na posebne sredinske uslove, a ima duplirane nestabilne genome. Očekujemo: intenzivan nastanak novih vrsta (= adaptivna radijacija). Poliploidije su indukovale adaptivnu radijaciju - to objašnjava model Recipročnog gubitka gena: Model Recipročnog gubitka gena - evolucione priče tih populacija (koje su veoma heterozigotne, nestabilnih genoma) koje su naselile nove životne uslove, će se bitno razlikovati: neki geni će se gubiti u jednoj populaciji, a neće u drugoj. Dolazi do recipročnog gubitka gena u različitim populacijama.

Kontekst životne sredine i interkacija između gena dovešće do toga da različiti geni u te dve populacije budu izgubljeni.

Posledica recipročnog gubitka gena je genetička inkompatibilnost te dve populacije, a samim tim i reproduktivna izolacija: u početku postzigotna izolacija jer hibridi iz te dve populacije sa različitim genomima ne mogu da opstanu (invijabilni su, ili su sterilni) i to je početak procesa specijacije. Ako posle izvesnog vremena dođe do pokušaja stvaranja hibrida između jedinke različite populacije, dobijeni hibrid je često genetički inkompatibilan: ili je sterilan, ili u gametogenezi ne može da napravi vijabilne gamete, ili slabo vijabilan ili nije vijabilan (ne može da opstane jer nema parnjake gene usaglašene u regulaciji svoje ekspresije). Model Recipročnog gubitka gena objašnjava povezanost poliploidije sa intenzivnom adaptivnom radijacijom.


11

Kako duplirani genomi izlaze na kraj sa nestabilnošću i sa novim sredinskim uslovima? - Prve promene nakon ploidije su Epigenetičke (nisu genetičke jer one podrazumevaju određeno evoluciono vreme). Epigenetički mehanizmi regulišu ekspresiju, neke gene utišavaju, neke ekprimiraju. Nestabilni (duplirani) genom, u novim uslovima, prvo pokuša reguliše ekspresiju, tako da taj organizam uopšte može da opstane u novoj sredini. Potvrda da su prve promene epigenetičke su eksperimenti sa novim hibridnim vrstama, npr. dve vrste Arabidopsisa u ekperimentu lako da prave hibridnu vrstu - Arabidopsis suecika. Tu se pokazalo: - Hibridi su značajno veće mase - Prvo se promenio se epigenom (tj. šta jeste, a šta nije eksprimirano) kod hibridne vrste koja je poliploidna: -Utišani su geni za cirkadijalni ritam

Cirkadijalni ritam prati smenu dana i noći, reguliše ekpresiju gena tokom dana i noći. Biljke gase gene za fiksiranje CO2 tokom noći, jer tokom noći nema svetlosti za fotosintezu. Kod ovog hibrida ugašeni su geni za cirkadijalni ritam koji će da ugase gene za apsorpciju CO2, tako da i tokom noći dolazi do fiksacije CO2. I tu se vidi da se odmah nakon poliploidije menja epigenetička kontrola gena.

Taj duplirani aloploidni genom se nađe u konfliktu, i ovo je pokušaj da se to reguliše, i on usled toga postaje veći, što mu verovatno omogućava da prevaziđe neke druge genomske probleme. Poliplodija je praćena adaptivnom radijacijom - poliploidne grupe u kojima su događaju poliploidije bili češći imaju više vrsta. - Košljoribe (koje su više nego drugi kičmenjaci prolazili kroz runde poliploidije tokom svoje evolucije) spadaju u najbrojnije vrste kičmenjaka, preko 20.000 vrsta. - Trave (preko 10.000 vrsta) - nastanak trava se vezuje sa poliploidiju pre 50 -70 miliona godina, znači nastanak i onda je usledila adaptivna radijacija vrsta trava. - Legumionze - preko 19.000 vrsta (nastanak ove grupe biljaka se dovodi u vezu sa poliploidijom pre intenzivne adaptivne radijacije). Ovo ide u prilog tezi da su genomi adaptirani da budu plastični i nestabilni (da je njihova plastičnost i nestabilnost jedan vid adaptacije genoma). Rigidni genomi u stresnim uslovima bi bili eliminsani, opstaju oni koji su manje rigidni (koji su plastični) bez obzira što je to najčešće loše za pojedinačne jedinke.

12

Adaptivna radijacija je nastanak ogromnog taksona (vrsta) za kratko evoluciono vreme. Poliploidije su indukovale adaptivnu radijaciju, jer poliploidni organizam podrazumeva sledeće: - njegova mreža regulacije je mnogo labavija i manje regulisana nego kod ustaljenog genoma koji je evolucija doterala. Sve je duplirano i nestabilno i velike promene se mogu tu očekivati. -Velika Heteroza. (Heteroza je heterozigotnost). Usled dupliranja garnitura gena postoji i velika verovatnoća da na velikom broju tih gena postoji heterozigotnost. Heterozigotnost podrazumeva mnogo veći potencijal za ekspresiju različitih gena. To omogućava organizmima da nasele i životne sredine u kojima do tada nisu mogli da žive. Savremene poliploidne vrste su jako invazivne, mogu da naseljavaju brojna staništa koja njihovi diploidni rođaci ne mogu. Mnogo su tolerantniji na ekstremne prilike. Kada nastane poliploidna populacija može da se raširi po novim staništima i uslediće adaptacija na svako od tih specifičnih staništa. Tad postoji i veliki potencijal za nastanak novih taksona, jer svaka od tih grupa se adaptira na posebne sredinske uslove. O tome govori model Recipročnog gubitka gena - evolucione priče svih tih populacija (koje su veoma heterozigotne) koje su naselile nove životne uslove, će se bitno razlikovati: - Neki geni će se gubiti u jednoj populaciji, a neće u drugoj. - Neki geni će dobiti neke funkcije je u jednoj populaciji, a drugačije funkcije u drugoj populaciji. Dolazi do recipročnog gubitka gena u različitim populacijama. Ukoliko posle izvesnog vremena dođe do pokušaja stvaranja hibrida između jedinke iz jedne i druge populacije, često desi da dobijeni hibridi budu genetički inkompatibilni (hibrid je ili sterilan, ili u gametogenezi ne može da napravi vijabilne gamete, ili je veoma slabo vijabilan ili uopšte nije vijabilan i ne može da opstane jer nema parnjake gene koji su usaglašeni u regulaciji svoje ekspresije).

Model Recpročnog gubitka gena objašnjava povezanost poliploidije sa intenzivnom adaptivnom radijacijom.

Prve promene (prve fenotipske razlike) kod poliploida su Epigenetičke (nisu genetičke jer one podrazumevaju određeno evoluciono vreme). Epigenetičke: - Pre svega se desilo dupliranje gena, - Taj duplirani genom treba neke gene da ugasi u svojoj ekspresiji, a neke da upali uspostavlja potpuno drugačiju regulaciju. Kada pričamo regulaciji gena - pričamo o epigenetičkim promenama. Dakle prve promene za početak jesu epigenetičke. Poliploidne grupa organizama (taksoni koji imaju priličan potencijal za poliploidiju tj. za pojavu poliploidnih genoma) i broj vrsta u tim grupama:

Košljoribe koje su više nego drugi kičmenjaci prolazili kroz runde poliploidije imaju preko 20.000 vrsta.

Trave (poaceae) imaju preko 10.000 vrsta a nastale su tek pre 70 do 50 miliona godina što je vrlo skoro "juče" u evloucionom vremenu.

Leguminoze imaju preko 19.000 vrsta i tu se pokazalo da je zapravo pre intenzivne adaptivne radijacije bilo tih starih poliploidija.


13

Duplikacije pojedinačnih gena

Pojedinačni duplirani geni nastaju nejednakim krosing-overom. Nejednaki krosing-over (homologi hromozomi se pogrešno spoje - pomereni za određeni region) dovodi do toga da se dobiju genomi koji imaju umnožene neke delove u kojim mogu da se nalaze čitavi geni i samim tim se dobije duplirana kopija gena. Osnovni način nastanka pojedinačno dupliranih gena (gena duplikata) je nejednaki krosing over. U krosing-overu se sparuju homologi hromozomi i dolazi do rekombinacije. Kod nejednakog krosing-overa dolazi do ilegitimnog sparivanja (hromozomi su pomereni) i do krosing-overa dolazi na mestima na kojima ne bi trebalo da dođe. Rezultat toga je duplikacija tih regiona u nekim genomima gde je došlo do krosing overa, a u drugim genomima je delecija. Procenjena stopa nastanka novih kopija gena 0.001 do 0.017 po genu na milion godina. (znači, toliko gena nastaje na milion godina)

Posledice nejednakog krosing-overa: Nejednakim krosing-overom je dobijen hromozom sa dupliranim regionom 1) - Postojanje hromozoma sa dupliranim regionom povećava šansu za novi nejednaki krosing-over tj. za nove duplikacije. Veća je šansa za novi krosing-over jer što je više kopija veća je šansa da će se ti hromozomi ponovo pogrešno spojiti jer se prepoznaju homologi nizovi, a ima više homologih nizova. Na osnovu jednog krosing-overa i posledičnog povećanja verovatnoće za novi krosing-over može da se dobije veliki broj kopija gena. 2) - Druga posledica je homogenizacija članova multigenske familije - povećanje sličnosti između kopija i usporavanje njihove divergencije usled učestalog krosing-overa = koincidentna evolucija. Ukoliko genom ima 2, 3 ili 4 kopije, u nekoj od tih kopija se desi mutacija. Treba da se desi rekombinacija sa drugim genomom koji takođe ima te kopije i različite mutacije u tim kopijama. Kada dođe do rekombinovanja između njih - dolazi do homogenizovanja (mešanja) tih kopija. Što se više te kopije mešaju, u različitim genomima je njihova sličnost je sve veća. Koincidenta evolucija je tendencija članova multigenske familije da evoluiraju na sličan način. Posledica nejednakog krosing-overa je dobijanje (identičnih) duplikata gena, ti geni bi predstavljali multigenske familije (= paralogni geni koji su nastali kopiranjem jednog predačkog gena na ovaj način).

14

Koincidentna evolucija 1. ⌦Jedan od mehanizama koji dovodi do te homogenizacije je proces nejednakog krosing-overa. Kada se dešava dobijanje novih kopija, dobija se veliki broj identičnih članova multigenske familije. Tako da je nejednaki krosing-over jedan od mehanizama u tzv. koincidentnoj evoluciji. 2. ⌦Konverzija gena (ili genska konverzija) je drugi mehanizam u koincidentnoj evoluciji koji ne dozvoljava da geni unutar multigenske familije evoluiraju zasebno dovodi do homogenizacije članova multigenske familije. Konverzija gena je jednosmerni transfer jednog DNK niza na drugi DNK niz. Sekvenca koja će biti prepisana na drugi DNK niz je donorska, a druga je primajuća. Intralokusna konverzija gena (intraalelska) - Konverzija gena se najčešće odvija tokom rekombinacije i reparacije pogrešno vezanih baza (DNA mismatch repair). U procesu rekombinacije, nastali heterodupleks može sadržati jednu ili više pogrešno vezanih baza. Mehanizmi reparacije popravljaju pogrešno sparene baze, pri čemu kao matricu za popravku mogu koristiti lanac sa drugog DNK molekula što dovodi do zamene jedne sekvence drugom (slika) -

a) Šematski prikaz razmenjenih delova u heterodupleksu. b) Genska konverzija - niz e koristi se kao matrica za reparaciju pogrešno vezanih baza (e' je niz suprotnog pravca) Posledica je odsupanje od očekivanih mendelovskih proporcija u potomstvu. c) Popravka bez genske konverzije: obe DNK koriste svoje sekvence kao matricu za popravku pogrešno vezanih baza, Interlokusna genska konverzija (između lokusa na istom ili različitim hromozomima) - odvija se u multigenskim familijama (kopijama gena) koje su dovoljno međusobno slične (npr. paralogni nizovi). Pogrešno sparivanje sličnih nizova tokom krosing-overa, ugradi se pogrešna baza. Popravka jednog niza može da se dešava na osnovu drugog niza - na osnovu jednog niza se popravljaju drugi paralogni geni i to je interlokusna genska konverzija. Neproporcionalno se širi donorski. Posledica je da će različiti geni u multigenskoj famliji da liče međusobno. Genska konverzija će se dešavati sve dok su geni u multigenskim familijama dovoljno slični.


15

U koincidentnoj evoluciji mehanizmi koji onemogućavaju veliku divergenciju između nizova sve dok su ti nizovi dovoljno slični su: nejednaki krosing over (nelegitmna rekombinacija) i genska konverzija koji funkcionišu u homogenizaciji multigenskih familija sve dok su ti nizovi dovoljno slični, jer oba podrazumevaju homologno sparivanje različitih lanaca na različitim molekulima genoma. Jednaka je verovatnoća za bilo koji sekvencu da bude donorska, i za bilo koju drugu sekvencu da bude primajuća sekvenca tog donorskog niza. Međutim, često dođe do Molekulskog vođenja (Molecular drive). Molekulsko vođenje je neproporcionalno učešće jedne sekvence kao donorske. Očekivali bi smo da svaka sekvence ima jednaku šansu, ali se desi da jedna sekvenca dominira kao donirajuća sekvenca u genskoj konverziji. To se dešava pukom slučajnošću (po ugledu na genetički drift ovo se zove genomski drift). Pukom slučajnošću jedna sekvenca može više da posluži kao donorska, a što je češća ta sekvenca povećava se šansa da će upravo ona ponovo biti donorska. Posledica po multigensku familiju je homogenizacija članova multigenske familije, koji liče jedni na druge i tokom evolucije se održava njihova velika sličnost. I to se dešava sve dok su oni dovoljno slični. To ne znači da ne može da dođe do divergencije članova multigenske familije. Ovo jesu procesi homogenizacije, ali ne znači da su svemogući i da će držati svaku sekvencu jednoj multigenskoj familiji identičnom. Danas u genomima postoji veliki broj multigenskih familija, veliki broj gena je smešten u multigenskoj familiji.

Da li selek Evolucija

⌦ Poshistone, tR Tu kopije osteliminisanapseudogen Dak Gen Selpotrebna otranskripcij Povobezbedi dkojoj se jed Evou razviću ktim selekcigena za rRN ⌦ Seldivergenci Jednjegova cidrugo vremfavorizovamultigensk Primdve familijpostoji feta

kcija ima ul

paralognih

stoje velike RNK, rRNK

je veliki seanu identiča - tu selek

n. Otuda mu

kle, selekcij

nske familij- Gensk Da hi- tRNK- rRNK svaki

lekcija će fogromna koijom dobija

većanje koldovoljna kodna kopija n

oluciono stakada je potrija će favoriNK na bar 5 h

lekcija moiju gena u o

dan gen u is regulatorme, u drugoati tu mutackih familija.mer su globje alfa i betaalni hemogl

logu u održ

h kopija

multigenskK).

elektivni prčne). Svakakcija favor

ultigenske fa

ja favorizuj

je kod kojihke familije ston mutira

K - važno je K - zbog svo

transkript b

favorizovatioličina nekoono što je p

ličine produoličina prodnekog inten

ari način je rebna velikizovati zadrhromozoma,

ože da favokviru mul

okviru murn sekvencaom tkivu. U

ciju i pokre. binske famia familije globin, kasnij

žavanju ko

ke familije (

ritisak da ta promena iizuje akumamilije kod

e svaku mu

h je važno dza histone.

a to bi bio veda nemutir

oje vrlo važnbude identič

i postojanjeog produktapotrebno u v

ukata na odukta. Evolnzovno trans

i dalje jakoka količina pržavanje tih, znači multig

vorizuje ultigenske faultigenske a) na načinUkoliko je

enuće se div

ilije gena. Pgena za alfa je tokom ra

16

pija gena k

(familije gen

te kopije gei odstupanje

mulaciju muljudi sadrže

utaciju koja

da svaki član eliki problemraju ne f-je, važnčan.

e ogromnoga, poželjno velikoj količ

snovu duplluciono novskribuje).

o važan - hprodukta, je

h kopija, ali genske famil

u nekim samilije. familije m

n da se sadto povoljn

vergencija g

Postoji veliki beta globi

azvića pale s

koji su nast

na) u kojim

ena budu ie jedne od t

utacija kojee 30% pseud

će neku "po

n ima identi

m za organi

no je da su

g broja kopje postojančini.

likacije genvi način je

histoni, tRNer su ćelijskmoraju biti

lije koje imaj

slučajevima

mutira (mutd eksprimirao selekcija gena u okv

ka globinskain. Tu su kose drugi gen

tali na ovaj

m su geni ide

dentične (stih kopija nće ugasiti

dogena.

ogrešnu kop

ičnu sekven

izaciju DNK

sve kopije o

pija ovih gnje velikog

na je evolue regulacija

NK, rRNK imke deobe jai identične ju identične

a i

tira a u će

viru

a super famopije značajni).

j način?

entični (gen

selekcija fane može da

taj gen. U

piju" da uga

ncu, npr.

K u jedru.

ovog gena i

gena - ako g broja kop

uciono stara (specijaliz

maju ključnako intenziv(Čovek ima sekvence).

milija koja sjno divergir

nske familije

avorizuje daopstane i b

Ugašeni gen

asi.

identične i d

je organizija sa kojih

ri način dazovana ćelij

ne f-je posebvne i sam50 do 70 ko

e razdvojilarale (kod sis

e za

a te biva n je

da

zmu h se

a se ja u

bno mim opija

a na sara


17

Te multigenske familije imaju nešto različite sekvence, ista je funkcija, samo je različito vreme. Ukoliko neka kopija gena u multigenskoj familiji previše odluta pa remeti f-ju, tada će biti favorizovano njeno gašenje i pseudogenizacija. ⌦ Selekcija za neke gene može da favorizuje njihovo kopiranje i formiranje multigenskih familija sa što većim brojem kopija. Analiza 10000 familija gena kod sisara pokazala je da 1,6% tih familija imaju veću promenu u broju članova nego što se to očekuje da je proces potpuno slučajan. Selekcija favorizuje povećavanje broja članova i to su različiti geni: imunsku odgovori, transkripcija, translacija, razviće neurona tj. mozga, međućelijska komunikacija itd. Povećanje broja članova u multigenskim familijama (i povećanja broja multigenskih familija) je korelisano sa brojem ćelijskih tipova tj. sa morfološkom složenošću. Što je organizam morfološki složeniji imaće više multigenskih familija sa više članova unutar multigenskih familija.

18

Nastanak novih (funkcija) gena

Kako bez dulikacija gen može da se menja tako da dobije neke nove f-je?

Jedan ortologni gen (predački gen) u dve evolucione linije evoluira (dva ortologna gena vode poreklo od jedne predačke kopije). U tim različitim evolucionim linijama oni mogu da se menjaju na različite načine, da stiču različite mutacije. Evoluciona promena jednog gena u jednoj evolucionoj liniji se može razlikovati od evolucione promene tog istog gena u drugoj evolucionoj liniji - ima mnogo slučajeva gde jedan isti ortologni gen u dve evolucione linije obavlja drugačije funkcije (promena f-je).

(geni evoluiraju, menjaju se na različite načine, učestvuju u procesima adaptacije, upadaju u različite ćelijske kontekste i samim tim obavljaju nešto drugačiju funkciju)

Kako gen može da dobije još neke funkcije pored one koje originalno ima?

Genetička piraterija je vrbovanje gena da radi i neke druge stvari - DNK niz može da kooptira neke nove funkcije, i to na sledeći način:

- gen ima svoj CIS regulator (npr. pojačavač) - ako mutira pojačavač, on (pojačavač) može da poveća afinitet za neki drugi TF. To znači da u nekoj drugoj ćeliji (tkivu) u kojoj se eksprimira taj TF, on može da aktivira taj gen i ubaci ga u novi ćelijski kontekst gde do tada taj gen nije bio aktivan.

To je mogućnost da ta j gen (produkt tog gena) u novom kontekstu hemije te ćelije gde se i drugi geni eksprimiraju, u interakciji sa tim drugim genima može vremenom da dobije potpuno novu funkciju. Genetička piraterija je angažovanje istog gena (nastalog za jednu funkciju) u novom genetičkom kontekstu, u ćelijama u kojim do tada nije bio aktivan, za neku novu funkciju. Tu moramo da uzmemo u obzir i mogućnost da jedan AK niz može da napravi različite 3D konformacije. Ako napravi različite 3D konformacije, onda može da radi različite stvari u različitim ćelijama, u interakciji sa drugim proteinima koji se nalaze u tim ćelijama. Dogma s početka molekularne biologije: "1 gen - 1 protein - 1 funkcija" je danas odbačena. Što je organizam složeniji njegov gen (protein) ima više funkcija. 1 gen čoveka ima prosečno 2 do 3 funkcije (radi različite stvari u različitim tkivima, ćelijskim kontekstima) - i to je Funkcionalna plejotropija. Primer:


19

Kristalini kod svih kičmenjaka je to jedan gen - isti produkt, kada se eksprimira

(translatira i nastane polipeptid): - u sočivu oka, ponaša se kao strukturni gen sočiva oka. - u drugim tkivima (npr. jetri) to je klasičan enzim, ima potpuno drugu ulogu i konformaciju. Kristalini koji imaju i strukturne i enzimske uloge i nalaze se kod svih kičmenjaka. Strukturni proteini sočiva oka i enzimi u drugim tkivima.

BMP familija gena kičmenjaka, multigenska familija sa mnogo gena. BMP4 ima mnogo funkcija, reguliše: apoptozu, razviće kostiju, CNS-a, zubne gleđi. Putem genetičke piraterije je angažovan da radi mnogo toga. BMP2 kod ptica, uz sve ovo što radi kod ostalih kičmenjaka, ovde u interakciji sa još jednim genom (tj. njegovim produktom) dovodi do razvića pera. (BMP2 se aktivirao u epidermisu i u interakciji sa drugim genom će dovesti do razvića pera). Pero je inovacija koja se pojavila zbog genetičke piraterije. Može se reći da su ogromna većina savreminih gena generalisti, vrlo malo gena su specijalisti (uključeni u samo jednu funkciju). Priča "1 gen - jedna osobina" je odbačena.

20

Nastanak novih gena podrazumeva: 2014 - novi gen duplikat koji može zadobiti nove funkcije, kao i - jedan gen koji menja svoju funkciju. ⌦ Gen može da menja svoju funkciju bez duplikacija:

Jedan predački gen u dve evolucione linije koje divergiraju, to su ortologni geni (geni u različitim evolucinoim linijama, a potiču od istog predačkog gena). U tim različitim evolucionim linijama oni mogu da se menjaju na različite načine: da stiču različite mutacije, da učestvuju u različitim procesima adaptacije. Tako geni menjaju svoju funkciju, da stiču nove funkcije.

Još jedan jako važan način sticanja novih funkcija je genetička piraterija. Što je organizam složeniji to njegov gen ima više funkcija. Prosečan ljudski gen ima 2 do 3 različite funkcije. Što su organizmi jednostavniji njihovi geni imaju manje funkcija. ⌦ Genetička piraterija znači da gen počinje da biva kooptiran za različite funkcije:

Geni imaju svoje regulatorne elemente (Cis regulator, npr. pojačavač). Ako dođe do mutacija u nekim regulatornim elementima oni mogu da postanu osetljivi na neke druge TF-e na koje do tada nisu bili osetljivi (i sad mogu da budu aktivirani ili inaktivirani tim TF-ima) To znači da taj gen u nekom drugom tkivu u kome do tada nije bio aktivan zbog mutacije u regulatornom elementu postaje aktivan jer ga TF-i sada tu aktiviraju. (kooptiran = preuzet).

Genetička piraterija znači angažovanje istog gena (koji je nastao za jednu funkciju) u potpuno novom genetičkom kontekstu, u novim ćelijama u kojim do tada nije bio aktivan. To je česta situacija o kojoj govori činjanica da što je organizam složeniji to je gen angožavan u više različitih funkcija - i to je funkcionalna plejotropija. Primer su kristalini kod svih kičmenjaka: to je jedan isti gen koji obavlja dve potpuno različite funkcije: može da bude strukturni protein u očnom sočivu i da radi različite enzimske funkcije u drugim tkivima (jedan isti proteinski produkt obavlja potpuno različite funkcije). To je zato što se na osnovu iste aminokiselinske sekvence u proteinu mogu dobiti različite 3D konformacije, a samim tim i različite funkcije tih proteina u ćelijama u kojim u interakciji sa nekom drugim proteinima. BMP familija kod kičmenjaka, to je multigenska familja, mnogo gena. BMP4 je kod kičmenjaka zadužen za: apoptozu, razviće skeleta, razviće dorzalnog centralnog nervnog sistema. Ovaj gen ima više funkcija, jedan gen je genetičkom piraterijom angažovan da radi mnogo toga. BMP2 kod ptica učestvuje u razviću pera. Dakle to kooptiranje gena, "prevara gena da radi još dodatne poslove" je uobičajena stvar u evoluciji. Priča jedan gen - jedana osobina više ne pije vodu. Dakle, geni su generalisti, nisu specijalisti. Veoma mali broj gena radi samo jednu stvar.


21

Nastanak novih funkcija gana kada postoji duplikacija gena Kada se duplira gen, u startu su roditeljski gen i njegova kopija identični. Kako će nova kopija da dobije drugačiju f-ju. Modeli Nastanka novih gena prilikom dulikacije:

1. Gen se duplira (ovde se podrazumeva da je duplikacja neutralan događaj) 2. U kopiji gena se akumuliraju mutacije koje selekcija ne prepoznaje (mutacije su neutralne) 3. Akumulirane mutacije mogu pod određenim okolnostima (npr. promena životne sredine, ili unutrašnje sredine ćelijskog konteksta) mogu da se pokažu povoljnim i da dovedu do toga da gen bude uključen u neku f-ju i tada selekcija počinje da ga prepoznaje i deluje na njega preko f-je koju je dobio.

Klasični model polazi od stare paradigme "1 gen - 1 protein - 1 funkcija" tj. gen je specijalista za jednu f- ju. Gen A (roditeljski) se duplira i nastane Gen B (kopija) Gen A nastavlja da funkcioniše kao i pre duplikacije. Gen B akumulira različite mutacije bez nadzora selekcije (mutacioni događaji uzrokuju da se dobiju različite varijante Gena B) U nekom trenutku te mutacije (taj polimorfizam na genu B) u nekim novim okolnostima (npr. u novoj životnoj sredini ili se promenio ćelijski kontekst neki drugi gen je mutirao i izmenio hemiju ćelije) mogu se pokazati povoljnim - da gen bude uključen u neku novu f-ju, dobio je neku novu f-ju. Selekcija tada počinje da prepoznaje na taj gen i deluje na njega preko njegove funkcije. U tom slučaju selekcija će favorizovati određenu varijantu novog gena koji je najbolje radi tu f-ju. U početku se akumuliraju neutralne mutacije koje selekcija ne vidi, a kada to postane značajno, selekcija će favorizovati neku od mutacija koja najbolje radi tu novu funkciju. Klasični model je odbačen, jer: - Duplikacija gena nije neutralan događaj: u genomu su prisutni duplirani geni (roditeljski i kopija) oba se transkribuju i duplira se proizvod koji je u kompeticiji za interakciju sa drugim proteinima u ćeliji, narušava se regulatorna mreža. (primer: duplikacije pojedinačnih gena) - Mutacije koje akumuliraju geni nisu neutralne, već su najčešće štetne i dovode do narušavanja proteina, smanjuju adaptivnu vrednost jedinke. Zato je nemoguće da ih selekcija neće videti. U ćeliji se nagomilavaju ti nefunkcionalni proteini. Selekcija će prepoznati i eliminisati mutacije koje smanjuju adaptivnu vrednost. - Model podrazumeva da su geni specijalisti da obavljaju samo jednu f-ju (1 gen – 1 f-ja) što znači da su na periferiji regulatorne mreže. Koncepcija geni kao specijalista je danas odbačena.

22

Svi drugi modeli govore da su geni u startu generalisti, da mogu da imaju više f- ja, što je bliže današnjem znanju da su geni generalisti. Model "Izbegavanje adaptivnog sukoba"

Gen je generalista ima više f-ja. Npr. dve funkcije.

Akumuliraju se mutacije koje poboljšavaju jednu funkciju gena, ali slabe druge fje. Selekcija bi favorizovala tu mutaciju (alel) kada bi bila samo jedna "dobra" funkcija, ali zbog toga što lošije funkcioniše u drugoj, to umanjuje adaptivnu vrednost i to je adaptivni sukob dve funkcije gena.

Npr. gen za kristaline: u sočivu oka je strukturni, u nekom drugom tkivu je enzim. Neka mutacija može da poboljša strukturnu f-ju i selekcija bi to favorizovala. Ali, ta mutacija pogoršava enzimsku funkciju. To je adaptivni sukob dve funkcije.

Ni jedna mutacija ne može biti favorizovana, jer su funkcije u koliziji.

Rešenje je da se gen duplira i da se razdvoje funkcije gena: vremenom jedan gen preuzima jednu funkciju, a drugi drugu. Selekcija će posebno delovati na ove gene preko njihovih funkcija. Selekcija će favorizovati u svakom od tih gena mutacije koje su dobre za funkciju koji je preuzeo.

Npr. kod svih kičmenjaka postoji jedan gen za kristaline koji ima strukturnu i enzimsku funkciju, osim kod kokoške gde je on razdvojen i postoje geni za kristaline i ASL gen. Kokoška je rešila problem duplikacijom ovih gena, i sada ima dve fje za dva gena koji su paralogni geni.

Primer: kristalini - kod kokoške je došlo do razdvajanja fje. Imamo duplikat: jedan funkcioniše kao protein u očnom sočivu, a drugi funkcioniše kao enzim; ovaj model opisuje situaciju razdvajanja funkcija.


23

Model "Neofunkcionalizacija"

Desi se duplikacija gena

Roditeljska kopija nastavlja da obavlja svoju f-ju

Na roditeljskom genu selekcija funkcioniše kao što je i do tada funkcionisala (ta f-ja je favorizovana). Druga kopija može da akumulira mutacije koje mogu promeniti fju te kopije. Selekcija od početka prepoznaje mutacije u toj kopiji. Direkciona selekcija deluje na tu kopiju u pravcu poboljšanja te nove funkcije, tj. favorizovaće one mutacije koje poboljšavaju novu funkciju. Prva kopija zadržava originalnu funkciju. Druga kopija evoluira za novu funkciju, zahvaljujući tome što su mutacije koje se dešavaju od starta vidljive za selekciju. Klasični model je podrazumevao da su mutacije neutralne. Nefunkcionlizacija podrazumeva da svaku mutaciju u kopiji odmah prepoznaje selekcija. Nefunkcionalizacija je pogodna za gene koji se nalaze na periferiji regulatorne mreže, jer nije jednostavno da duboko umreženi geni dobiju nove fje. Primer: Geni za terpenske sintetaze kod smrče koji služe za odbranu od patogena i herbivora (smola). Familija gena za terpenske sintaze (enzime) koja je uključena u modifikaciju sekundarnih metabolita, nastala je neofunkcionalizacijom (više rundi).

Terpenske sintaze deluju na različite supstrate (sekundarne metabolite) i nastaju (monoterpenoidi, seskviterpenoidi, diterpenoidi) različiti terpenoidi koji čine terpenoidni profil svake jedinke smrče.

Terpenske sintaze (enzime) imaju funkciju da prave terpenoidne profile svake jedinke kojim se ona brani od herbivora i patogena; Mala promena, 1 ili 2 AK u enzimu, menja specifičnost supstrata na koje taj enzim deluje i samim tim se pravi novi terpenoid koji učestvuje u formiranju terpenoidnog profila. Smrče su rasprostranjene jer imaju uspešnu odbranu od napadača.

24

Neki važni duboko umreženi geni su takođe doživeli neofunkcinalizaciju, npr.: Svi kičmenjaci imaju jata SCCP gena (proteini koji regulišu vezivanje kalcijuma) koji su nastali od jednog starog gena metazoa koji je bio važan za formiranje vanćelijskog matriksa. Postoji dve familje ovih SCCP gena, svaka ima po 20 oko kopija: - jedni su kiseli SCCP geni - rade osifikaciju kolagenskog matriksa u kostima i dentinu zuba. - drugi su pqSCCP geni - uključeni su u formiranje zubne gleđi. Kopiranjem gena za zubnu gleđ su nastali geni koji učestvuju u sintezi kazeina u mleku sisara. Kazein u mleku je važan za metabolizam kalcijuma kod novorođenčadi.

Geni koji učestvuju u sintezi kazeina su nastali od kopija gena za zubnu gleđ. To su potpuno nove funkcije proistekle iz kopiranja gena.

Model "Subfunkcionalizacija" sin. Duplikacija-degenracija-komplementacija Najprihvaćeniji model jer je najjednostavniji model, podrazumeva najmanji broj evolucionih događaja.

Gen je generalista i duplira se (desi nejednaki krosing-over i dobijemo kopiju) Oba gena (i roditeljski i potomačka kopija) mutiraju, akumuliraju mutacije.

-Te mutacije će: -U roditeljskom genu gasiti jednu funkciju, ali ta mutacija je efektivno neutralna jer njegovu funkciju nadomešćuje kopirani gen. -U kopiranom genu je obrnuto - mutacije gase funkciju koja ostaje aktivna kod roditeljskog gena, i ta je mutacija efektivno neutralna zato što roditeljski gen nadomešćuje tu funkciju.

(Npr. ako je gen na početku imao 2 funkcije) nakon podele: mutacije gase jednu funkciju u

roditeljskom genu, a u drugoj kopiji gase onu drugu funkciju. Ove mutacije su efektovno neutralne, jer jedan gen nadomešćuje f-ju drugog, dobijaju se proteini neophodni za obe funkcije (ćeliji nije bitno da li su ti proteini dospeli sa jedne ili dve kopije gena, ona dobija ono što joj treba). - Selekcija će favorizovati specijalizaciju ovih gena za svaku pojedinačnu funkciju. Ovaj model se smatra najverovatnijim modelom nastanka novih f-ja gena prilikom duplikacije, zato što zahteva najmanji broj evolucionih događaja.


25

Mutacije su najčešće štetne, ovde je uključena ta činjenica - jedan gen mutira i gubi jednu funkciju, a drugi drugu, ali pošto imamo dva gena u kojima se gase dve različite funkcije to je efektivno neutralno i selekcija to neće eliminisati jer ta dva gena nadomešćuju f-je jedan drugom. ⌦ Najverovatniji slučaj za najviše gena, geni mogu : da započnu ovu priču po najverovatnijem modelu subfunkcionalizacije (gde je gen generalista i gasi različite funkcije u kopijama), a da završe kao neofunkcionalizacija, (tj. da evolucijom dođe do takve divergencije, da se pojavi potpuno nova funkcija jednog gena neofunkcionalizacija) Ovo je najverovatniji slučaj za najviše gena, da je proces nastanka novih funkcija gena počeo kao subfunkcinalizacija, a da je dalja divergencija dovela do neofunkcionalizacije. ________________________________________________________________________________ Sve ovo su teorijski modeli, i teško je da se opredelimo za jedan od modela. Retke su situacije gde možemo, npr, za smrču i sintetaze to je jednostavno - gen se pojavio, mutirao je i uključio se u drugi metabolički put. Tu je jasno, ali u najvećem broju slučajeva ne možemo da se opredelimo za jedan model.

26

Pričano je o ME, genima koje smo dobili o virusa, načinima da se geni iz jednog genoma ubace u drugi genom i da postanu sastavni deo genoma u poptuno novoj evolucionoj liniji u kojoj ih do tada nije bilo. Ovde pričamo o dva ćelijska (ne o virusima) organizma koji imaju dobro evoluirane gene i mogućnosti da ti geni budu prebačeni u drugi ćelijski organizam i postanu njegov sastavni deo. Da je neki gen ksenologan (ksenologni gen - strani gen, dospeo iz jedne evolucione linije u drugu), da kod predaka nije postojala neka kopija tog gena i da je ubačen iz druge evolucione linije, detektujemo metodom Filogenetske nesaglasnosti:

Ako na osnovu mnogo gena rekonstruišemo filogeniju između neke grupe taksona (npr. grupe različitih kičmenjaka). Različite grupe gena koje analiziramo nam daju neku parsimonu filogeniju, i sada kad uradimo neki npr. hiljaditi gen i on potpuno odskače iz priče - to je dobar kandidat za ksenologni gen. Znači u neku od tih grupa se ubacio gen iz nekog drugog organizma, koji nije sastavno predačke grupe. Danas za to postoji softerska oprema - koja može otkriti koji je gen ksenologni i dospeo u neku evolucionu liniju, prilično skoro i iz kog organizma je verovatno dospeo.

Između prokariota Prokarioti između sebe lako razmenjuju gene.

- Rezistencija na antibitike (u bolnicama bakterije razmenjuju gene preko plazmida) - U crevima gde živi mnogo bakterija (čovek ima 1014 sopstvenih ćelija, više ima bakterijskih ćelija u sebi 1015). Proučene se bakterije koje čine crevnu floru. U crevima ljudi živi oko 40.000 različitih vrsta bakterija. Svaki čovek ima svoj profil bakterija - mešavine vrsta bakterija koje u njemu žive (znači nema sve te vrste, već neke od njih). Ljudi koji žive na istom prostoru međusobno sličniji po tom profilu. To je zbog različite ishrane. Između bakterija u našim crevima dolazi do velikog transfera gena. Neke bakterije kod Japanaca (koje su inače uobičajene u ljudskim crevima) imaju sposobnost razlažu velike polisaharide koji se nalaze u algama. Gene za te enzime koji mogu da hidrolizuju te polisaharide su dobili od morskih bakterija. Ti geni su iz morskih bakterija ubačeni u genome običnih crevnih bakterija Japanaca, jer oni puno koriste sirove alge u ishrani i na taj način unose i bakterije koje žive na algama.


27

Kod postanka Eukariotskih ćelija (drevni HTG), kada je ušao endosimbiont u ćeliju domaćina one su razmenile gene. Endosimbiont je tad izgubio najveći broj gena, ali je mnogo tih gena prešlo u genom domaćina to su primarne endosimbioze. Sekundarne i tercijarne endosimbioze su se dešavale još mnogo puta u različitim grupama. Kod jednoćelijskih eukariota koji lako progutaju drugog jednoćelijskog eukariota ili bakteriju, ima mnogo situacije da je nakon liziranja progutane ćelije došlo rekombinacije sa domaćinovim genomom. Kod nekih je ta progutana ćelija vremenom postala obligatni intracelularni parazit i takođe izgubila mnogo gena. Ta razmena gena je velika - postavljena je hipoteza (to posebno važi za jednoćelijske eukaiote) "ono si što jedeš" - hrana menja onog koji tu hranu jede. To kod višećelijskih organizama nije tako jednostavno, ali kod jednoćelisjkih eukariota je ta razmena prilično intenzivna. Duže zadržavanje endosimbionta povećava šansu da domaćin uzme gene iz njega tj. iz onoga što je pojeo. I višećelijski organizmi su mnoge gene dobili od bakterija. Čovek je bar 160 gena dobio od bakterija (ne samo čovek već naša evoluciona liniji i naši srodnici). Monosiga brevicolis (jednoćelijski eukariot - hoanoflagelata bičar) je sestrinska grupa svih višećelijskih životinja (ovo je grupa iz koje su nastale Metazoe tj. višećelijske životinje). Monosiga je 103 gena dobila od algi, a 25% od tih gena je bakterijskog porekla jer su te alge u sebe već unele neke bakterijske gene. Neki od tih gena su prisutni kod nas, npr. gen za teneurin (to je složeni transmembranski protein neophodan tokom razviće nervnog sistema svih životrinja), dobili smo ga od algi. Terestrične biljke su dobile ćelijski zid tako što su od bakterija dobile gen za enzim pal koji učestvuje u sintezi lignina. To su zemljišne bakterije koje imaju gen za taj enzim, koji verovatno preko gljiva koje inficiraju biljke uleteo u biljni genom. Smatra se da je 11 gena prebačeno iz gljiva terestrične životinje, i sada čine važne sastavne delove genoma kopnenih životinja. Razmena bi se podržavala tokom evolucije: - kod organizama koji su prihvatili te strane gene to može značajno da proširi ekološku nišu. - kod insekata ima mnogo primera gde će neki paraziti (npr. bakterjski intracelularni parazit Volbahia, ili razne druge bakterije ili eukariotski paraziti) omogućiti da metabolišu nešto što ranije nisu mogli, što ima proširuje ekološku nišu. - konvergentna evolucija između filamentoznih gljiva i oomiceta. Ove dve grupe su filogenetski jako udaljene: filamentozne gljive su filogenetksi bliže životinjama, a oomicete su bliže nekim fotosintetičkim protistima, ali izgledaju i funkcionišu vrlo slično (njihov metabloizam je vrlo sličan). One prave sincicijalne hife imaju gen za enzima koje izlučuju napolje, i napolju se dezintegriše hrana do AK-a i šećera, pa osmotrofijom uzimaju te elemente.

28

Bar 11 gena su razmenili - Oomicete su dobile od filamentoznih gljiva tih 11 gena, i sada žive u istim ekološkim nišama i to je primer konvergentne evolucije (evoluirale su za isto stanište, na sličan način, ali ne nezavisno već zato što su razmenile gene). Postanak novih gena iz nekodirajuće DNK nc(DNK)

Mogućnost da, bez obzira što je prošla Arheozojska ekspanzija, se iz nekodirajućih delova genoma dobiju funkcionalni geni. Ranije se mislilo da je to nemoguće. U različitim grupama organiazama se desilo da iz nekodirajućih delova nastaju geni. To je redak događaj, ali je identifikovan. Gen koji je nastao iz nekodirajućeg regiona poznajemo po tome što ga nema nigde u čitavom živom svetu. (Može čak da ima i introne). U svemu ono što je sekvencirano (a danas je sekvencirano mnogo taksona) ne možemo nigde da nađemo tu sekvencu, znači nije ni horizontalno, već se odjednom (ni iz čega) pojavila u evolucionoj liniji.

Plasmodium vivax (odgovoran za malariju kod ljudi) ima 13 gena nastalih iz nekodirajućih regiona.

Primati imaju 15 novih gena od kako su se razdvojili od godara.

Kod Čoveka su nađena 4 takva gena, koja su specifična samo za čoveka, f-ja im je nepoznata: - 3 gena nemaju introne, Otvoreni okviri čitanja (ORF)* do 163 potencijalnih AK-a.

Oni se nalaze unutar introna poznatih gena, ali na suprotnom lancu (dakle, koriste neke cis regulatore). iRNK sa ovih gena se javljaju u različitim tkivim ali ne zna im se f-ja.

- 4-ti gen je složeniji (FLI33706 gen), ima 5 klasičnih introna. Aktivan je u mozgu (posebno u neokorteksu, cerebelumu i srednjem mozgu), važan za ljude.

- Poznata je njegova evoluciona istorija: inicijalni događaj je bila insercija jednog Alu niza koji je formirao prvi egzon, i koji je izmenio strukturu primarnog transkripta tako da su se otvorila mesta za splajsovanje. To se desilo pre 38 miliona godina. Imaju ga i nama srodni primati. - Kod ljudi su se desile i dve mutacije koje su eliminisale dva stop kodona, i time otvorile mogućnost za formiranje iole smislene iRNK. - Pojavljuju se u mozgu ali ne zna im se f-ja. Kod ljudi sa Alchajmerom je veći nivo transkripcije ovog gena.

Procenjuje se da je bar 15 gena u evolucionoj liniji čoveka nastalo iz ncDNK od kada smo se odvojili od šimpazi. Našli smo 4, ali procenjujemo da bi na osnovu stope nastanka moglo da bude bar 15. Za to vreme, duplikacijama je nastalo 400 do 700 gena.


29

Verovatnoća da se to desi j veoma mala, ali pokazalo se da nije nemoguće, posebno u sekvenci koja je blizu bar neke regulatorne sekvence i da se tu otvoreni okvir čitanja može preobraziti u nešto što će dati transkript i što će eventualno imati neku f-ju. Protogen je ORF sa potencijalom vezivanja transkripta za ribozome. Kod kvasca se smatra da je bar 1900 nekodirajućih nizova za otvorenim okvirom čitanja zapravo protogen (između funkcionalnog gena i nefunkcionalnog otvorenog okvira čitanja). Transkripcija ovih protogena se dešava kada je kvasac pod stresom. Ovi protogeni se nalaze blizu mesta vezivanja četriri TF-a koji se aktiviraju kada je kvasac pod stresom. Ne zna im se f-ja, ali je očigledno da se aktiviraju u određenim trenucima. * Otvoreni okviri čitanja (ORF) - kada se sekvencira genom, kako testiramo šta je gen. Otvoreni okviri čitanja bi bili potencijalni geni - počinju sa start kodonom i dugo nemaju stop kodon. Otvoreni okvir čitanja je potencijalni gen, ali samo potencijalni, i onda njega analiziramo. Analiza uključije da li i kakav bi polipeptid taj gen mogao da da, i ima li smisla taj polipeptid (to može softverski da se testira). Može da se testira koja je verovatnoća da se transkript veže za ribozom, što je važno radi nastanka polipeptida. Sve te metode se koriste da bi se za beki otvoreni okvir čitanja reklo da je gen ili potencijalni gen, protogen. Protogen je ORF sa potencijalom vezivanja transkripta za ribozome.


1

6. Geni eukariota - na koji način se struktura gena menjala i evoluirala kroz vreme, - na koji način se povećavao broj egzona, introna. Geni eukariota (ogromnom većinom) imaju diskontinuiranu strukturu - imaju kodirajuće nizove egzone koji su isprekidani nekodirajućim nizovima intronima. Postanak introna je vezan za postanak eukariotske ćelije. Nastanak eukariotske ćelije podrazumeva upad alfaproteobakterije (eubakterija) u ahrebakterijskog domaćina. Taj događaj je pokrenuo evoluciju usaglašavanja ta dva genetička sistema (domaćin - endosimbiont) koja su se našla u jednom entitetu. Tadašnje alfaproteobakterije od kojih mitohondrija vodi poreklo (pošto današnje sadrže), su verovatno sadržale introne tipa II, koji su samoiskrajajući introni koji imaju enzim maturazu sa domenom reverzne transkriptaze i zato su mogli samostalno da se šetaju po genomima. Između domaćinovog genoma i genoma endosimbionta došlo je do rekombinacije i introni grupe II su vršljali i po domaćinovom genomu. To je bilo inicijalno za formiranje introna koje zovemo splajsozomski introni za čije iskrajanje kod eukariota je neophodna struktura splajsozom. Eukariotski splajsozomski introni su porekolom od introna grupe II. Ovako su nastali i evoluirali splajsozomski introni kod LECA-e (Last eucariotic common ancestor). Kod današnjih eukariota, najveći broj introna su splajsozomski introni (koje iskrajaju splajsozomi) to su introni tipa III. (najzastupljniji su u eukariotskim genima). Introni tipa I i II su samoiskrajajući prisutni su kod bakterija i u nekim genima u organelama u eukariotskim ćelijama. Introni tipa IV se iskrajaju endonukleazama i nalaze se kod nekih gena za transportne RNK.

Što su organizmi biološki složeniji (mlađi) povećava se broj i veličina introna. (priča: koji delovi genoma prate morfološku složenost organizama kroz filogeniju). - Sisari imaju puno gena sa intron-egzon struktutrom - 88% gena. - Najveći broj splajsozomskih introna su U2 introni. Introni ne nose informaciju za sinterzu proteina. Skupi su za održavanje u genomu: obrada primarnog transkirpta. Održani su u eukariotskim genomima i tokom evolucije sa povećanjem biološke složenosti organizama njihov broj i veličina su se uvećavali. Razlozi zašto su održani (kroz filter selekcije): Sadrže elemente za regulaciju ekspresije gena Važni za evoluciju, povećanje evoluabilnosti eukariota (potencijala za evoluciju). Kodirajuća informacija je izdeljena nekodirajućim sekvencama, što daje mogućnost da se kodirajuće sekvence kombinuju na različite načine, što ima veći fenotipski potencijal, nego kod kontinuiranog genoma. Njihove kombinacije mogu da daju neka nova svojstva proteinu. Osnovni razlog jeste povećanje evolucionog potencijala, tj. potencijala za evolucione promene.

2

Splajsozom je struktura koja se kači za krajeve introna, iskraja intron i zalepi egzone, pri obradi primarnog transkripta RNK, da bi se dobila iRNK. Struktura Splajsozoma: - URNK - male RNK bogate uridinom. U1,U2,U4,U5,U6. - Proteinski deo: SM proteini URNK su izvedene iz introna grupe II (homologija sa sekvencama introna grupe II prisutnih kod današnjih bakterija) SM proteini su kooptirani za ovu f-ju iz arhebakterijskog domaćina jer i danas arhebakterija imaju srodne proetine koji učestvujuu obradi primarnog transkripta RNK. Intron (da bi ta sekvenca mogla mogla da se iskroji iz primarnog transkripta RNK) mora da ima signalna mesta koja prepoznaje splajsozom: - mesta iskrajanja 5' GT - AG 3' - mesto grananja, - polipirimidinski niz i - sekvence različiti pojačavači i utišavači iskrajnja koji se nalaze i u egzonu i u intronu. (ovo sve nabrojano su CIS sgnalna mesta) Intron mora da ima ova signalna mesta (ove CIS signalne elemente) koja označavaju da to mesto u primarnom transkriptu jeste intron, potrebna za splasozom da bi splajsozom izvršio iskrajanje. U2 introni su "glavni introni", kod ljudi 99% introna jesu U2 introni. U2 je URNK koja ulazi u sastav snRNP komponente splajsozoma koja se vezuje za mesto grananja (znači, ona prepoznaje mesto grananja). U12 intoni su malo zastupljeni (ali su prisutni kod skoro svih eukariota), kod ljudi manje od 0,5% introna su U12 introni. U12 splajsozomi imaju U12RNK koja prepoznaje mesto grananja. Zašto su većinski U2, a zašto je U12 introna kod eukariota malo. Pošto sve glavne grupe eukariota imaju i U2 i U12 introne (koliko god da ih je malo), postoji teza: Kod eukariotskih predaka su postojali (podjednako ili manje-više) i U2 i U12 introni. U12 introni su postepeno izbacivani iz gena jer su jako rigidni. Mesta iskrajanja koja splajsozomi treba da prepoznaju su vrlo konzervisana, značajno konzervisanija nego za U2 introne. Svaka mutacija koja menja mesto grananja bi onemogućila ispravno iskrajanje. Tako da su vremenom U12 introni zamenjeni U2 intronima koji su značajno fleksibilniji po pitanju signalnih mesta (tj. može varirati sekvenca). Vremenom mutira neko mesto grananja koje treba da prepoznaje U12 splajsozom, taj intron se neće iskrojiti i dobiće se neadekvatan produkt koji će biti eliminisan prirodnom selekcijom. Neke mutacije u mestu grananja su mogle da omoguće U2 splajsozomima da učestvuju u tom iskrajanju (Manji broj mutacija može da transformiše U12 u U2 intron) i tako su potisnuti U12 introni.


3

Postoje: -U2 introni, najčešći kod eukariota, zovu se glavni introni. Mesto grananja prepoznaje U2 URNK -U12 introni, prisutni skoro kod svih eukariota, veoma malo zastupljeni u genomu (do 0.5%). Imaju posebne U12 URNK koje se vezuju za mesto grananja. Pošto veliki broj eukariotskih linija ima i oba tipa introna, znači da su preci eukariota imali oba tipa introna, a da su postepona gubili U12 introne. Zašto? U12 tip introni su vrlo rigidni. Njihovi splajsozomi koji u sadrže U12 URNK imaju rigidno prepoznavanje tačno određene signalne sekvence, pa zahtevaju da se signalne sekvence introna ne menjaju (da budu konzervisane). Zato su U12 introni vremenom nestajali, jer je bio potreban mali broj mutacija da U12 splajsozomi ne mogu da prepoznaju ove introne. Manji broj mutacija može da transformiše U12 u U2 intron i zato danas dominiraju U2 introni. U2 introni su liberalniji i može postojati veliko variranje sekvence. Nastanak introna (splajsozomskih introna)

Hipoteza kasnog introna Pri nastanku eukariotske ćelije (tj. pri nastanku mitohondrija) nastaju i splajsozomski introni i oni se nalaze samo kod eukariota. Ova priča o postanku introna (splajsozomskih) kod eukariota spada u hipoteze kasnog introna. Hipoteza ranog introna - odbačena Prve prokariotske ćelije i arhebakterije i eubakterije nekada davno su imale mnogo introna (koji su bili samoiskrajajući introni). Ti introni su u eukariotskoj liniji evoluirali u splajsozomske introne, a vremenom su se masovno gubili iz prokariotskih genoma. Odbačena - pitanje je kako je došlo do masovnog gubitka introna u baš svakoj evolucionoj liniji prokariota. Kod eukraiota postoje 2 osnovne katergorije gena (dve osnovne intron-egzon arhitekture gena): -mali introni veliki egzoni kod beskičmenjaka i protista (=jednoćelijski eukarioti), tj. najjednostavniji organizmi. introni do 100 nukleotida, -veliki introni mali egzoni kod kičmenjaka, kod sisara je to jako izraženo egzon do 130 nukleotida, introni do 6000 nukleotida. Tu postoje i razlike na koji način se obavlja proces iskrajanja.

Kod organizama koji imaju velike egzone, u obradi postoji intronsko definisanje iskrajanja. Cis elementi pojačavači i utišavači iskrajanja (signali iskrajanja) se nalaze u intronima. Kod organizama koji imaju velike introne signali iskrajanja se nalaze u egzonima, tj. važniji su Cis regulatori u egzonima koji omogućavaju iskrajanje. To je egzonski definisano iskrajanje.

4

U eksperimetnu kod drozofile ili kvasca, kada im se produži njihov kratki intron to poremeti iskrajanje (pa se dobije nefunkcionalni proteinski produkt), ili onemogućava iskrajanje introna. Znači, pristupi u iskrajanju kod malog i velikog introna su različiti. ______________________________________________________________________________ Samoiskrajajući introni tipa I i tipa II ___________________________________________________________________________________ Broj introna po genu Sa povećanjem složenosti broj introna raste. Prosečni broj introna po genu: - Gljive do 5 - Biljke do 6.7 - Beskčmenjaci do 5 - Kičmenjaci 8 introna po gena (i to su veliki introni)


5

Mehanizmi gubljenja i sticanja introna PITANJE 27

Introni su se tokom evolucije eukariota i gubili i sticali. Komparativna analiza svih mogućih eukariotskih grupa (ustanovljeni neki ortologni introni). Ortologni introni - struktura i položaj im je manje-više ista, taj intron (ukoliko se nalazi kod npr. anemone i čoveka) je nasleđen od zajedničkog pretka. Na osnovu te analize (ortolognih introna, položaja i prosečne dužine introna eukariota - 150 nukleotida), procenjeno je da je LECA (koji nastaje u bombardovanju intronima grupe II) bio bogat intronima 4,6 do 6,3 introna po genu. LECA je imao mnogo introna, bio je vrlo diskontinuiran u genetičkoj infomaciji. U nekim evolucionim linijama dolazilo do povećanja broja i veličine introna (veliki introni), a kod drugih evolucionih linija je dolazilo do redukcije broja introna (tu su mali introni). Mali introni (kod beskičmenjaka i protista) se lakše gube i stiču. Kod njih postoji veća dinamika sticanja i gubljenja introna.

Egzoni: mali egzoni se lakše stiču i gube Kod kompleksnih genoma koji imaju velike introne, stope sticanja i gubljenja introna su jako male. Introni kod sisarskih genoma se teško stvaraju, ali teško i nestaju.

Najčešći razlog gubljenja introna je reverzna transkripcija obrađene iRNK

Kada se obrađena iRNK prepiše u cDNK i ugradi se u neko drugo mesto u genomu dobije se retrogen bez introna (jer se dobija od obrađene iRNK iz koje su introni već izbačeni).

6

Modeli sticanja introna: 1. Model insercija retrotranspozona

Insercijom retrotranspozona u okviru gena može da se napravi novi intron (nova nekodirajuća sekvenca). - Neki transpozon se prepiše u cDNK, ubaci se u egzon gena (podrazumevamo da će to biti veći egzon, tj. ovaj način nastanka introna je verovatniji kod organizama koji imaju velike egzone). - Retrotranspozon koji se ubaci nema signalna mesta iskrajanja koja ima jedan pravi intron. Iskrajanje se dešava kada postoji neki RNK transkript. Taj RNK se različito 3D konformira.

U kraći transkript se ubaci neki deo, ta RNK će se upetljati drugačije. Kada se promeni konformacija primarnog transkripta, brojna mesta u transkriptu mogu funkcionisati kao latentna mesta iskrajanja (latentni signali). Do promene konformacije DNK oni nisu bili vidljivi, a nakon promene se pojave neka mesta koja su slabi signali iskrajanja, ali mogu biti prepoznati od splajsozoma.

- Ako taj ME koji se ubaci u egzon probudi latentna mesta iskrajanja, taj ME može biti iskrojen, i ukoliko se iskraja dalje, uz neke kasnije mutacije ta latentna mesta mogu postati prava stabilna signalna mesta iskrajanja introna. Tih primera nema mnogo (jer treba biti mnogo uslova zadovoljeno: da u transkriptu postoje latentna mesta, da taj ME ne dovodi do značajne promene u kodirajućem nizu kada se ubaci u egzon): kod pirinča je ubacivanjem SINE elementa u gen za enzim katalazu nastao novi intron.


7

⌦ (1) - Insercija retrotranspozoma. Promene u genu se odražavaju na 3D konfiguraciju RNK transkripta koji tu nastaje. Ta RNK može da napravi različite petlje. Ako dođe do insercije nekog introna u gen koji produkuje tu RNK prostorna konformacija te RNK će se izmeniti. Insercija sekvenci u gen ne znači i nastanak introna, jer te sekvence najčešće nemaju signalna mesta iskrajanja (kao pravi introni) koje će prepoznati splajsozom. Postoji problem signalih mesta iskrajanja. Međutim genomi eukariota sadrže mnogo kriptičnih mesta iskrajanja. Ona ne funkcionišu kao mesta iskrajnja introna, ali nekad je dovoljna mala mutacija pa da RNK transkript dobije takvu 3D konfiguraciju i da kriptična mesta postanu prava mesta iskrajanja i to je intron u nastajanju. Konformacijska promena RNK koju izazivaju neke mutacije izazove da određeni segment otkrije skrivena (kriptična) mesta iskrajanja taj segment je intron u nastajanju.

-Insercija retrotranspozona (koji nema signalna mesta iskrajanja) u egzon gena. -Ukoliko nema štetne posledice (jer je to ubacivanje ME) može izazvati promenu 3D konfiguracije RNK transkripta i ispoljavanje kriptičnih mesta iskrajanja. -Dobijaju se novi obrasci iskrajanja koji čine da se taj ME u transkriptu ponaša kao intron. I to je intronizacija mobilnog elementa. Redak slučaj u analiziranim genomima, jer ME imaju štetne efekte. Tako je nastao intron u genu (za katalazu) kod pirinča: SINE element je ubačen u egzon, aktivirao je kriptična mesta iskrajanja u RNK transkriptu i od SINE elementa se dobio intron.

8

2. Model: Reverzna transkripcija prethodno iskrojenog introna ili (intronska transpozicija ili reverzno iskrajanje)

- Imamo transkript nekog gena, tokom alternativne obrade izbacuju se introni. - Izbačeni intron, koji ima sve potrebne signalne nizove, može da se rekombinuje sa istom RNK ili sa nekom drugom prisutnom RNK, tj. da se ubaci na neko drugo mesto iste RNK ili neke druge RNK. - Intron sa svim signalnim nizovima se ubacuje u RNK. Ako se ta RNK reverzno transkribuje u cDNK koja može da se ubaci u drugo mesto u genomu, dobiće se gen sa novim intronom. Sve je počelo od iskrojenog introna koji se rekombinovao sa nekom drugom RNK. Ovde je ključno što imamo introne koji su slobodni i sadrže signalna mesta. Nekoliko gena kod drozofile i cenorabditisa nastalo ovako.

Transkribuje se neki gen.

Obradom primarnog transkripta dobije se: iRNK i taj iskrojeni intron u blizini. Taj intron sadrži sve signalne sekvence, i može ponovo da se ugradi na neko drugo mesto u tu istu iRNK ili u neku drugu iRNK.

Intron (koji ima sva signalna mesta) se ubaci u RNK transkript.

Ako se taj transkript sa ubačenim intronom, reverzno transkribuje i ubaci na neko drugo mesto u genomu dobiće se gen sa novim intronom. Ovo je češći slučaj. Ovakvih gena ima kod drozofile. Ovaj način, olakšava nastanak introna jer iskrojeni intron sadrži signalna mesta.


9

3. Model - Tandemska duplikacija AGGT tetramera u egzonu

AG i GT su 5' i 3' mesta iskrajanja introna. Ukoliko se u okviru egzona desi ova tandemska duplikacija (nejednakim krosingoverom tog gena) GT i AG mogu postati mesta iskrajanja budućih introna. Sve što je između ovih dinukleotida je mogući intron. Deo egzona između ova dva dinukleotida se transformiše u intron. To nije jednostavno i ne može se desiti odmah (već vremenom) jer tu nedostaju drugi signali iskrajanja (npr. mesto grananja). Dakle, mora da postoje i latentna mesta iskrajanja u tom nekadašnjem celom egoznu da bi moglo da se započne iskrajanje tog budućeg introna. Kod nekoliko grupa riba je došlo do ovakvog nastanka introna. 4. Model: Cepanje introna (egzonizacija intronskih nizova)

Imamo dugačak intron i u njega se ubacuje neka druga sekvenca (najčešće ME) Cepanje introna (egzonizacija ME-a) podrazumeva da se u intron ubaci ME, i taj intron će biti podeljen na dva manja ukoliko ME uspe da se egzonizuje tj. ako on sadrži signalna mesta koja će označavati da su njemu susedne sekvence introni, taj ME tad postaje egzon (deo kodirajućeg niza). Alu elementi kod ljudi su to radili mnogo puta. Ima puno slučaja kod primata, posebno sisara koji imaju velike introne, da se pri upadu Alu elementa u intron, taj Alu egzonizuje tj. postane deo kodirajućih nizova. Alu nizovi, sami po sebi, sadrže latentna mesta iskrajanja. Njihov upad već nosi latentna mesta iskrajanja, a taj intron s druge strane već ima svoje mesto iskrajanja. U Antisens orjentaciji kada se on retrotranskribuje dobiju se latentna mesta iskrajanja na mestu gde se ubacuje u intron. Zato su Alu nizovi najupečatljiviji, jer već sadrže nizove koji su latentna mesta prepoznavanja. Kod primata to je čest slučaj. Ovakvo deljenje introna na manje introne je često.

10

U postojećem intronu, postoje ME (Alu) koji u antisens orjentacji sadrže mesta iskrajanja koja mogu da prepoznaju splajsozomi. Ugrađeni su u postojeće introne. I to može dovesti do cepanja jedinstvenog introna. Cepanje introna: sadrži latentna mesta deli ga na 2 manja

Transpozon - ME (Alu niz) se ubaci u intron.

Introni moraju biti dugi (npr. sisarski ili kičmenjački) da bi u njih mogli upadati ME. Alu niz ima kriptična (latentna) mesta iskrajanja. Samo 1 nukleotidna zamena može da

transformiše Alu niz u egzon - Egzonizacija ME. Postojeći intron je egzonizacijom ubačenog ME-a podeljen u dva kraća introna.

Često je kod primata upadanje ME-a (ne samo Alu nizova) dovelo do nastanka novih egzona u genu. 5. Model: Intronizacija egzona

Ovo je čest slučaj nastanka introna. Kod Drozofile u 284 gena 307 novih introna je nastalo ovako. U egzonu se desi mutacija (insercija malog broja nukleotida) koja dovede do nastanka: -PTC-a (prevremenog STOP kodona) i -Slabih signalnih mesta iskrajanja (nužno je), da bi taj deo mogao da postane intron. - U jedru, ukoliko postoje slaba signalna mesta iskrajanja, obrada primarnog transkripta će se dešavati tako da će neki primarni transkripti biti obrađeni, a neki neće (jer su to latentna potencijalna mesta iskrajanja). Kod najvećeg broja PTC (stop kodon) neće biti iskrojen, ali određen procenat će biti iskrojen zbog toga što postoje latentna mesta iskrajanja. - U citoplazmu izlaze i neobrađene i obrađene RNK: iRNK sa PTC, kao i manja količina iskrojene iRNK bez PTC-a. U citoplazmi postoje proteinski sistemi (enzimi) koji prepoznaju falične iRNK. Ako taj preveremeni STOP kodon pokreće aktivnost NMD sistema, onda će NMD sistem da uništava iRNK koje sadrže STOP kodon. (tj. iz njih on nije iskrojen) NMD sistem neće dozvoliti da falične iRNK (sa PTC mutacijom) uđu u translaciju i da nastanu kraći proteini - neće biti fenotipskog efekta ove mutacije.


11

Ukoliko ne postoji šteta od toga što postoje iRNK sa prevremenim STOP kodonom, ukoliko NMD sistem eliminiše tu štetu, a postoji dovoljno obrađenih produkata, to znači da će ova mutacija biti nevidljiva za selekciju, ona će da "čuči" tu zbog postojanja NMD sistema. Ta mutacija prevremeni STOP kodon će biti tu prisutan iz razloga što postoji i obrada u jedru i u citoplazmi (NMD sistem koji elimiše štetu). Utrošak je veliki, ali to daje potencijalno sledeće: Opstajanje te sekvence (mutacije) sa slabim mestima iskrajanja, daje se mogućnost da nove mutacije od slabih mesta iskrajanja naprave prava mesta iskrajanja introna čime će se vremenom, tokom evolucije, gubiti potreba za angažovanjem NMD sistema. I tada se dobija pravi intron. Suština je da NMD omogućava da se greška ne vidi, to je sistem koji prikriva mutaciju. Mutacija se ne ispoljava, nema fenotipski efekat, selekcija je ne vidi i ona opstaje u genomu, potencijalno omogućava nagomilavanje novih mutacija. 6. Model - Duplikacije unutar gena

Najprostiji slučaj: - imamo gen sa egzon-intron strukturom, - desi se nejednaka rekombinacija unutar gena i dolazi do dupliranja i egzona i introna. Nejednaka rekombinacija - pomereno spajanje homologih hromozoma. Na mestu pomeranja se desi rekombinacija. Ukoliko se to desi unutar gena, jedan produkt će imati manjak egzona i introna, a drugi produkt će imati višak egzona i introna. 7 do 30% gena kod filogenetki udaljenih grupa, koji su doživeli ovaj nejednaki krosing-over i tako se produžili (desile su se duplikacije unutar tih gena), stekli su nove introne. Novi introni su nastajali na dva načina: Manje od 50% introna je nastalo duplikacijom već postojećih celih introna sa svim signalnim mestima iskrajanja (tj. bez formiranja novih signalnih mesta iskrajanja). (Manje od 50% ovako nastalih introna su posledica toga što se ceo intron duplirao.) Više od 50% introna koji su ovako nastali, posledica je sledećeg: imamo primarni transkript koji je sada duži i zbog toga menja svoju 3D konformaciju i usled čega se pojavljuju latentna mesta iskrajanja (znači, pojava novih mesta iskrajanja). Latentna mesta iskrajanja tokom evolucije mogu da mutiraju i postanu prava mesta iskrajanja. Genom je prepun latentnih mesta iskrajanja. Genom je plastičan i sadrži mnogo latentnih mesta koja ako se promeni 3D konformacija primarnog transkripta RNK jer je postao duži, mogu da se aktiviraju i postanu prava mesta iskrajanja.

12

28. Mehanizmi gubljenja i sticanja egzona PITANJE 28 Sticanje novih egzona: Sticanje novih egzona je verovatnije kod onih grupa organizama koje imaju male egzone, a velike introne. Veća verovatnoća da nastanu introni je kod onih grupa koje imaju male introne. Ako nastane novi egzon, prateći element je da u isto vreme nastane i novi intron. 1. Dupliranje egzona putem rekombinacije unutar gena tj. nejednakog krosing overa. Najjednosatvniji slučaj. (isto kao i introni) 2. Dupliranje egzona putem retrotranspozicije. Obrađena iRNK se prepiše reverzno u cDNK, ugradi se u intron istog ili drugog gena i dobije se novi egzon koji je značajno duži jer su to svi prikupljeni egzoni iz nekadašnje iRNK (koja zbog obrade nema introne). Taj egzon ima sve signalne elemente koji su potrebni za iskrajanje introna koji je on podelio.

3. Egzonizacija introna (egzonizacije ME) ME koji upadne u intron može da se egzonizuje i tako nastaje novi egzon. Verovatnije je da će se to desiti u genomima čiji geni imaju dugačke introne. Alu elemtni imaju: - poliA repić (koji lako prepoznaje reverzna transkriptaza i zato ima puno njihovih retrotranskripata) i - niz latentnih mesta iskrajanja (koja su slična mestima iskrajanja introna) To je za početak dovoljno da označe koja mesta oko njih jesu introni. To ne znači da će oni biti egzoni sastavni deo informacionih RNK. Kod primata, u mnogo slučajeva, kada se egzonizovao ME, bilo je potrebno da se desi mali broj mutacija da slaba mesta iskrajanja postanu prava stabilna mesta iskrajanja oko Alu niza. ME (posebno Alu) imaju: -poliA rep koji reverzna transkriptaza lako prepoznaje (zato ima puno njihovih retrotraskripata) i -mnogo mesta sličnih mestima iskrajnja. Vrlo mali broj mutacija mogu ta skrivena mesta iskrajanja da pretvore u prava. -Alu niz je ubačen u intron putem retrotranspozicije -Tokom evolucije mutacije od skrivenih mesta naprave prava mesta iskrajanja (strelice na slici) -Posle formiranja mesta iskrajanja, deo Alu niza unutar introna može postati egzon, tj. ostati u iRNK nakon iskrajanja.


13

- Prvi egzon ovog gena je nastao od Alu niza. - Pre 40-58 miliona godina (u predačkim linijama primata) ubačen je Alu element u primordijalni gen za ovaj receptor. - Tačkasta mutacija A u G uzrokovala da se na kraju Alu niza pojavi ATG - alternativni inicajlni kodon za početak traskripcije. - Dugo vremena taj Alu element je samo stajao u genomu. - Pre 25 miliona godina desila se druga tačkasta mutacija C u T, u 5' regionu. Tako se u glavnom nizu pojavilo funkcionalno 5' mesto iskrajanja. - Kasnije, desila se delecija 7 nukelotida u Alu nizu, koja je napravila otvoreni okvir čitanja ORF i tako je nastao prvi egzon ovog gena. (ORF = Start i Stop kodon i smisleni niz koj se može proveravati bioinformatičkim metodama) Ovako je nastao prvi egzon ovog gena. Sudbina novih egzona

Ima mnogo slučajeva da se od Alu niza napravi egzon. Međutim, najčešće (po analizama svih primata) se taj Alu egzon, bez obzira što je egzon, nikada ne pojavljuje u iRNK, odnosno biva iskrojen. Ali, ako ostane tu dovoljno vremena (kako pokazuje filogeija svih sisara) on će postati i konstitutivni egzon. Pratimo vreme od kada se ME ubacio u neki gen: Pojavila su se slaba signalna mesta iskrajanja, vremenom se (mutacijama) pojave i prava mesta iskrajanja, ali on se i dalje ne uključuje u iRNK, tj. pri obradi primarnog transkripta on biva stalno izbacivan i njegova sekvenca se ne nađe u proteinu nakon translacije. Novi egzon se ne ubacuje u protein, jer je to nova sekvenca koja će narušiti f-ju proteina. Budući da se ME nikada ne ispoljava fenotipski (tj. ne prepisuje se u protein), on postoji, u obradi primarnog transkripta se izbacuje (splajsozomi ga eliminišu). To omogućava taj egzon opstaje i postoji tu, ne praveći nikakvu štetu, ali potencijalno akumulira nove i nove mutacije.

12

28. Mehanizmi gubljenja i sticanja egzona PITANJE 28 Sticanje novih egzona: Sticanje novih egzona je verovatnije kod onih grupa organizama koje imaju male egzone, a velike introne. Veća verovatnoća da nastanu introni je kod onih grupa koje imaju male introne. Ako nastane novi egzon, prateći element je da u isto vreme nastane i novi intron. 1. Dupliranje egzona putem rekombinacije unutar gena tj. nejednakog krosing overa. Najjednosatvniji slučaj. (isto kao i introni) 2. Dupliranje egzona putem retrotranspozicije. Obrađena iRNK se prepiše reverzno u cDNK, ugradi se u intron istog ili drugog gena i dobije se novi egzon koji je značajno duži jer su to svi prikupljeni egzoni iz nekadašnje iRNK (koja zbog obrade nema introne). Taj egzon ima sve signalne elemente koji su potrebni za iskrajanje introna koji je on podelio.

3. Egzonizacija introna (egzonizacije ME) ME koji upadne u intron može da se egzonizuje i tako nastaje novi egzon. Verovatnije je da će se to desiti u genomima čiji geni imaju dugačke introne. Alu elemtni imaju: - poliA repić (koji lako prepoznaje reverzna transkriptaza i zato ima puno njihovih retrotranskripata) i - niz latentnih mesta iskrajanja (koja su slična mestima iskrajanja introna) To je za početak dovoljno da označe koja mesta oko njih jesu introni. To ne znači da će oni biti egzoni sastavni deo informacionih RNK. Kod primata, u mnogo slučajeva, kada se egzonizovao ME, bilo je potrebno da se desi mali broj mutacija da slaba mesta iskrajanja postanu prava stabilna mesta iskrajanja oko Alu niza. ME (posebno Alu) imaju: -poliA rep koji reverzna transkriptaza lako prepoznaje (zato ima puno njihovih retrotraskripata) i -mnogo mesta sličnih mestima iskrajnja. Vrlo mali broj mutacija mogu ta skrivena mesta iskrajanja da pretvore u prava. -Alu niz je ubačen u intron putem retrotranspozicije -Tokom evolucije mutacije od skrivenih mesta naprave prava mesta iskrajanja (strelice na slici) -Posle formiranja mesta iskrajanja, deo Alu niza unutar introna može postati egzon, tj. ostati u iRNK nakon iskrajanja.


15

4. Sticanje egzona: A u I prerada

Ovaj način nastanka egzona nije usled mutacije u samom genu, već usled prerade RNK transkripta. Postoje enzimi koji modifikuju sam RNK transkript.

Imamo primarni transkript, ADAR enzimi modfikuju pojedini nukleotid.

A u I prerada je: ADAR enzimi dezaminuju adenin u transkriptu RNK, i od njega nastane Inozin. Kada ADAR enzimi urade ovu preradu, važno je da splajsozomi Inozim čitaju kao Guanin. Primer: NARF gen kod ljudi. Kada imamo AA GT mesto, Adenin se transformiše u Inozin, i kada splajsozomi taj Inozin čitaju kao Guanin dobije se mesto iskrajanja AI-GU koje prepoznaje splasozom (I se čita kao G). Kod NARF gena postoje dva sigurna egzona 7. i 9. egzon, između njih se nalazi jedan dugi intron koji kada se prepiše u primarni transkript, ADAR na jednom mestu promeni A u I, i u primarnom transkriptu se dobije 8. egzon. Taj 8. egzon ne vidimo u sekvenci DNK, ali u primarnom transkriptu nakon ovog editovanja dobije se egzon. Ovde nema promene u DNK sekvenci već editovanje u primarnom transkriptu dovodi do pojave ovog egzona. Ova obrada (pojava egzona) se dešava na tkivno specifičan način: taj 8. egzon je osam puta češći u mozgu nego u mišićima. Da bi ADAR enzimi ovo uradili mora da postoji dvolančana RNK, koja se ovde dobija tako što još jedan Alu niz leži vrlo blizu ovog gena i kada se transkribuje dobije se dvolančani niz koji ADAR niz može da edituje.

16

Elongacija gena PITANJE 29

Pod elongacijom gena se podrazumeva duplikacija egzona, jer se potencijalno dobija duži polipeptid. Dobijaju se duži proteini, zato se to naziva elongacija gena, bez obzira što i dodatak introna produžava sekvencu gena. Poenta je da se produžava protein, to nisu retki slučajevi posebno kad govorimo o duplikaciji egzona. Načini produžavanja egzona i dobijanje većeg proteina: 1. Da se niz nukleotida ubaci u egzone. npr. insercija ME. 2. Kada mutacija preobrati STOP kodon u smisleni kodon - produžava se egzon 3. Kada mutacije obrišu mesta iskrajanja introna - dobija se duži egzon. Ovi slučajevi su malo verovatni jer svaka od ovih mutacija dovodi najverovatnije do frame-shift mutacije (tj. da nastaju nasumični nizovi AK) mala je verovatnoća da će se iz toga dobiti smislen egzon i smislen protein. 4. Duplikacije egzona su najučestaliji slučaj elongacije gena, koje se dešavaju nejednakim krosing-overom. Elongacija gena podrazumeva nejendak krosing-over unutar istog gena, kada se dupliraju i dodaju novi egzoni istog gena. Biće reči o himernim genima koji nastaju nejednakim krosing-overom između različitih gena i tada imamo egzone poreklom iz različitih gena. Sada govorimo o egzonima istog gena koji su se duplirali (umnožili) i tako povećali budući protein. To se četo dešavalo, ima mnogo primera kod kičmenjaka koji imaju male egzone i ogromne introne. Ti introni često imaju ponovljene nizove što povećava verovatnoću nejednakog krosing-overa (da se prepoznaju nizovi iz različitih introna, i time dolazi do smicanja homozoma u rekombinaciji). Što je veći intron koji još ima i ponovljene nizove povećana je verovatnoća da će doći do krosing-overa na tim intronskim mestima i to različiti introni mogu da se prepoznaju kao homologi i da se spoje i da dođe do rekombinacije.


17

Da bi došlo do elongacije gena, moraju da se zadovolje neki uslovi: Proteini koji mogu biti vrlo složeni imaju domene (ili module) koje definišemo kao region unutar proteina koji obavlja jednu specifičnu f-ju (uslovno rečeno to je celina za sebe u jednom velikom složenom proteinu). Domeni mogu biti: ili strukturni ili funkcionalni(važni za f-ju proteina). Povezanost egzona i proteinskih domena u tom proteina: Egzoni i proteinski domeni Domen (oblast, modul) – dobro definisan region unutar proteina koji obavlja specifičnu funkciju (funkcionalni domen) ili predstavlja strukturnu jedinicu (strukturni domen)

- Najjednostavniji slučaj je da jedan egzon kodira za tačno određen domen u proteinu. Jedan egzon - jedan domen u proteinu, drugi egzon - drugi domen u proteinu, treći... Tih situacija ima, ali nisu previše česte. - Dešava se da odnos egzona i domena u proteinu nije tako jasan: da jedan egzon kodira za 2 domena, ili za 2.3 domena. - Da više egzona kodiraju za domen. Veza egzon domen ne mora biti jednostavna. U situaciji kada egzon nije jasno povezan sa domenom (egzon 2 kodira malo za prvi domen, za drugi domen, za treći domen), kada se on duplira dobiće se problematična situacija nije ni jedan od domena dupliran već su oni izmešani. U situaciji kad jedan egzon kodira za jedan domen, pa se duplira taj egzon dobija se čist proteinski domen i veća je šansa da taj protein bude funkcionalan.

18

Duplikacija egzona

Konkretni egzon je jako dobro povezan sa strukturnim domenom proteina (Važno, mnogo češća situacija).

Konkretni egzon je retko povezan sa funkcionalnim domenom proteina. (Ne postoji direktna veza konkretnog ezgona i funkcionalnog domena proteina) Funkcionalni domen proteina nastaje kada se protein upetlja na određeni način, a AK-e koje čine funkcionalno mesto mogu da poteknu iz svih mogućih delova proteina (npr. sa početka polipeptida, posle 100 AK, pa posle 200 itd.) Mnogo je veća šansa da duplikacijom egzona nastanu novi strukturni domeni, nego da nastanu novi funkcionalni domeni proteina. Od gena koji su doživeli elongaciju (tj. povećanje broja egzona), najveći broj gena je duplirao strukturne domene proteina. I mnogi od ovih događaja su unapredili funkcionalnst proteina u organizmu.

� Česti događaji u evoluciji → nastanak složenih gena (pre svega povećanje broja strukturnih domena) � Čovek – 11% takvih gena � Drosophila – 7% takvih gena � Kolagenski gen – ključni događaj u evoluciji Metazoa � Spiralizovana oblast + ponovci glicin–X–prolin � Predački gen familije fibrilarnih kolagena (od sunđera do sisara): � Duplikacija egzona pa duplikacije blokova ponovaka

Čovek - 11% gena je doživelo elongaciju Drozofila - 7% gena je doživelo elongaciju

Kolagenski gen je najupečtljiviji primer, veoma je dugačak, osnovni je sastojak vezivnog tkiva.

Vodi poreklo od prvih najstarijih metazoa (još od sunđera pa do sisara mi možemo da pratimo šta se dešavalo sa tim genima). Molekul kolagena ima: spiralizovanu oblast i mnogo ponovaka glicin - neka AK - prolin. Ti molekuli se upetljavaju i prave kolagenska vlakna. Kolegenska vlakna dugačka zato što je gen doživljavao neprekidne duplikacije egzona i tako je kolagen postao sve duži.

Formiranje kolagenskog gena (Kolagenski geni su sačinjeni od velikog broja egzona): - prvo je došlo do duplikacije jednog manjeg niza (dva tipa egzona od 54 i 45 nt, koji su se prvobitno duplirali u prošlosti) - kasnije su se čitave oblasti (blokovi) egzona duplirali. Ne jedan po jedan, već čitavi paketi egzona su se duplirali i dobio se ovaj gen sa jako velikim brojem egzona. Ova duplikacija je bila značajna za evoluciju metazoa (višećelijskih životinja).


19

30. Mešanje egzona i mozaični (himerni) geni PITANJE 30

� Fuzija egzona dva ili više gena � Fazna kompatibilnost neophodna (0-0, 1-1, 2-2) � Nastanak ovakvih multidomenskih proteina ključan za adaptivnu radijaciju Metazoa (ćelijska komunikacija, transmembranski proteini, ekstraćelijski matriks i sl.)

Himerni (mozaični) gen sadrži egzone koji nisu homologni egzoni, tj. egzone koji vode poreklo iz različitih gena. U nekom trenutku evolucije su se skupili u jednu transkripcionu jedinicu. Nastanak himernih gena: Najjednostavnije i najčešće je nehomolognom rekombinacijom između dva različita gena. Desi se rekombinacija dva različita gena i dobije se lokus koji sadrži egzon iz jednog i iz drugog gena. Postoji i situacija kod susednih gena koji se transkribuju u paketu, pa se onda obradom izbaci intron (intergenski region) i dobije se himerni protein. Može se reći da je i to himerni gen, jer je protein produkt poreklom iz različitih gena (ovde susednih gena). Jedan gen u svojoj transkripcionoj jedinici može da sadrži egzone poreklom od različitih gena. To je fuzija egzona. Ne može bilo koji egzon sa bilo kojim egzonom da se kombinuje, tj. ne može da bude efikasna kombinacija bilo kojih egzona iz različith gena - potrebna je fazna kompatibilnost. Fazna kompatibilnost 0 - 0, znači da se triplet za određenu AK završi na kraju jednog egzona, a od početka sledećeg egzona počinje novi triplet tj. kodon.

Fazna kompatibilnost 1-1

I kada se u obradi primarnog transkripta sastave egzoni, dobije se ceo kodon za određenu AK. Fazna kompatibilnost 2-2

Jasno je da se (i kad su različiti geni u pitanju) mogu kombinovati samo oni egzoni koji imaju istu faznu kompatibilnost, jer ako nemaju doći će do frame-shift-a i egzon neće značiti ništa (dobiće se nasumične AK) Najčešće kod kičmenjaka je faza kompatibilonosti 1-1. Ima puno primera nastanka himernih (mozaičnih) gena, mnogo multidomenskih proteina jako važnih u evoluciji metazoa je nastalo ovako: - Hečkok gen (koji ima jako važne f-je) - geni važni za ćelijsku komunikaciju (za transmembranske proteine, koji su deo ekstraćelijskog matriksa kod metazoa). Mozaični geni su pokretač adaptivne radijacije metazoa, jer je puno gena nastalo ovako.

20

Često u evoluciji metazoa - višečeliskih životinja: Mnogo gena odgovornih za: ćelijsku komunikaciju, ekstraćelijski matriks, transmembranske proteine koji su receptori za razne parakrine faktore, za razviće organizma, je nastalo kao mozaični geni.

Primer mozaičnog gena je Hečkok gen: Jednoćelijska eukariota koja pripada hoanoflagelatama koja je najbliži srodnik višećelijskih životinja ima samo kok domen. Sunđer ima i Heč i Kok ali su sastavni delovi različitih gena, tj. nisu u istoj translacionoj jedinici. Kod drugih Metazoa oba domena su u istom genu. Ovaj gen ima važne funkcije u procesu razvića metazoa. Nastao je fuzionisanjem egzona različitih gena.

Aktivator tkivnog plazminogena – TPA - preobraćanje plazminogena u plazmin (razlaže fibrin u ugrušku krvi) 4 domena: serinska proteaza slična tripsinu (C), kringl (K), prst (F) i epiderm faktor rasta (G) → iz najmanje 3 gena (fibronektin, epiderm faktor rasta i plazminogen)

Primer je gen Aktivator tkivnog plazminogena (TPA) koji vrši preobraćanje plazminogena u plazmin (suštinski dovodi do razlaganja fibrina u ugrušku krvi) Gen TPA ima 4 domena: - Serinska proteaza slična tripsinu (C), - kringl (K) ili pereca - prst (F) - epiderm faktor rasta (G) tj. domen sličan epidermalnom faktoru rasta. Ovaj gen je nastao tako što je iskombinovao egzone iz najmanje 3 gena (fibronektin, epiderm faktor rasta i plazminogen).


21

Gubitak gena

� Neobrađeni pseudogeni – akumulacija mutacija u nekada funkcionalnom genu � Prisutni u velikom broju u multigenskim familijama Pseudogenizacija u familiji za olfaktorne receptore (kod čoveka 55% pseudogeni) � Značaj gašenja gena u evolucionoj divergenciji taksona – brze fenotipske promene – primeri u evolucionoj liniji čoveka Delecija 92bp u CMAH genu – pre oko 2.8 mil.god. Inaktivacija MYH16 gena (miozinski lanac u mišićima za žvakanje) – pre oko 2.4 mil.god. Inaktivacija GULO gena (sinteza prekursora C vitamina) – pre oko 63 mil.god. Delecija 32bp CCR5 gena (koreceptor za vezivanje patogena – HIV)

Geni su se gubili u evolucionoj istoriji iz sastava genoma u nekim evolucionoim linijama.

Gen se može gubiti tako što akumulira mutacije i izgubi svoju f-ju, i od njega nastane pseudogen. (najbolji primer gubitka gena je za početak gubitak njegove funkcije).

Pseudogen je bio nekada funkcionalni gen, koji je akumulirao toliko mutacija da je izgubio f-ju. Te mutacije mogu biti različite (često je to nastanak STOP kodona).

Takvi geni su neobrađeni pseudogeni. Obrađeni pseudogeni su retropseudogeni koji nastaju tako što se iRNK iz koje su već izbačeni introni rezervno transkribuje u cDNK i ubaci se u genom. Neobrađeni pseudogeni su kada legitiman gen koji je akumulirao mutacije i izgubio f-ju. To se često dešava nakon duplikacije gena. Pa tako veliki broj gena u multigenskim familijama (kod čoveka 30% gena u multigenskim familijama) su pseudogeni tj. neobrađeni. Zašto evolucija dozvoljava da nešto što je pažljivo evoluirano u nekom genomu jednostavno izgubi f-ju i nestane. Tokom evolucije selekcija može da favorizuje gašenje nekih gena. Ima mnogo slučajeva kada gašenje jednog gena dovodi do brzog fenotipskog efekta, mnogo bržeg nego da se čeka da jedan gen mutira i promeni svoju f-ju. Nestanak jednog gena može značajno da izmeni fenotip u jednoj evolucionoj liniji. Primeri kod ljudi: ⌦ CMAH gen je važan u sintezi sijalinske kiseline. Svi primati imaju "nana oblik" sijalinske kiseline, osim čoveka kod koga je ovaj gen doživeo deleciju 92 nukleotida pre 2,8 milina godina. Sijalinska kiselina se nalazi na površini ćelije i predstavlja receptor za međućelijsku komunikaciju, a i za brojne patogene koji se kače na površinu ćelije. Nana oblik sijalinske kiseline kod primata, drugi oblik (npr. onog koji mi možemo da proizvedemo). Ako je nefunkcionalan CMAH gen to menja tip interakcije između ćelija, to su površiniski molekuli i ako su oni izmenjeni i interakcije između ćelija moraju biti izmenjene. Ovo se desilo pre 2,8 miliona godina i to se dovodi u vezu sa početkom nastanka roda Homo, što je sve povezano sa početkom velikog povećanja veličine i mase mozga.

22

Nekoliko teza za evoluciju CMAH gena: 1) Deletiran je gen, ali nije bio previše važan, nije bio pod intenzivnom selekcijom, pa se održavao genetičkim driftom. Znači, nevažan je, ostao je zaboravljen u genomu. 2) Ta delecija je bila selektivno favorizovana jer je sprečavala da mnogi patogeni uđu u ćeliju. Neki patogeni mogu da zaraze druge primate, ali ne i naše pretke jer nemaju taj oblik sijalinske kiseline. 3) Promena međućelijske komunikacije, prevashodno u mozgu (jer se ovo dovodi u vezu sa ekspanzijom veličine mozga) je mogla da bude ključna za komunikaciju između neurona i da je selekcija mogla zbog toga favorizuje ovu deleciju tj. utišavanje ovog gena. 1. Gašenje CMAH gena je bilo selektivno neutralno jer nije bitno uticalo na fenotip (znači zadržao ga je drift). 2. Gašenje CMAH gena je bilo selektivno favorizovano, jer ako nema receptora na površini ćelije za koje treba da se vežu patogeni to može da poveća imunsku sposobnost, tj. da smanji infenkcije patogenima. 3. Delecija koja je ugasila CMAH gen je bila selektivno favorizovana jer se time menja komunikacija između ćelija što je važno za evoluciju mozga (komunikacija između nervnih ćelija). Veza: gubitak ove kiseline se desio pre velikog povećanja mase mozga u evolucionoj liniji čoveka, pre oko 2,5 miliona godina. Još primera u našoj evolucionoj liniji: ⌦ MYH16 (miozinski lanac) koji se kod drugih primata aktivira u mišićima za žvakanje. Kod čoveka je inaktiviran i time su oslabljeni mišići za žvakanje (to se desilo pre oko 2,4 miliona godina). Taj događaj se vezuje za povećanje kranijalnog kapaciteta i veličine i mase mozga, zato što jaki mišići tokom ontogeneze organizma drže razviće lobanje pod velikim naponom, što sprečava uvećavanje kranijalnog kapaciteta. Inaktivacijom MYH16 gena kod čoveka koja značajno smanjuje značajno smanjuje jačinu mišića za žvakanje, omogućava se: - povećanje kranijalnog kapaciteta i mase mozga (oslobađa se kranijum jakih mišića tokom ontogeneze) - omogućava finiju kontrlu vilice neophodnu za pojavu govora (jer se slabijim mišićima lakše manipuliše) To je povezano sa evoluciojm roda Homo. ⌦ GULO gen važan za sintezu prekursora za vitamin C, je pre 63 miliona godina ugašen u liniji čoveka. Održavanje inaktivacije ovog gena jer bilo moguće zato što mi vitamin C unosimo hranom. Kod organizama koji hranom unose vitamin C ovaj gen je mogao da ostane ugašen. Ljudi, zamorci i ljiljci nisu u stanju da sintetišu vitamin C, jer u genomu imaju pseudogen za enzim GULO, koji proizvodi prekursor vitamina C. Do inaktivacije GULO gena je došlo pre 63 miliona godina. Inaktiviran GULO gen je mogao biti fiksiran u populacijama predaka putem genetičkog drifta, jer su koristili hranu bogatu vitaminom C. ⌦ CCR5 gen je u nekim ljudskim populacijama doživeo deleciju 32 bazna para. To ljudi su rezistentni na HIV virus jer je to koreceptor za vezivanje i ulazak HIV virusa u imunske ćelije. Ljudi koji su homozigoti za ovu varijantu ne mogu da obole od AIDS-a, jer virus ne može da uđe u njihove ćelije.


23

Najveća učestalost ovog deletiranog alela je u zapadnoj Evropi, neke analize došli su do zaključka da ova mutacije nije straije od 700 godina, i to je 13. ili 14. vek kada je nastala ova mutacija. U zapadnoj Evropi 13. i 14. vek je bio obeležen prljavim gradovima (kanalizacije su tekle ulicama), velikim epidemijama (kuga, kolera, dijareje). Kada je CCRP alel, prisutan kao koreceptor i ako omogućava ulazak HIV-a, mogao je da omogućava i brojnim drugim patogenima ulazak u ćelije, pa je ova mutacija (delecija 32 bp) bila pod velikim selektivnim pritiskom u pravcu fiksiranja. Analize na kunićima pokazuju da kunići sa ovom delecijom su otpornije na razne patogene. To je objašnjenje zašto je u zapadnoj Evropi visoka učestalost ovog alela, jer su tamo ljudi bili izloženi velikim epidemijama. Kako se ide ka ostalim delovima Evrope ta učestalost klinalno opada. Uloga evolucionih mehanizama u zadržavanju pseudogena

Koji evolucioni organizmi mogu da održavaju pseudogene Naš genom je veliki, u njemu se nalazi mnogo toga, pa i ono što nam na prvi pogled ne treba.

Kad budemo govorili o evoluciji mehanizama regulacije, pomenućemo da pseudogeni i nisu u potpunosti neutralni, tj. da i oni mogu da imaju razne uloge u ćelijama (npr. na nivou transkriptoma da regulišu ekspresiju roditeljskih gena).

Veliki genomi (kao ljudski) mogu da čuvaju i razne "viškove" dugo vremena. Kičmenjaci (koji imaju male populacije) mogu da čuvaju mnogo toga u genomu, jer selekcija nije efikasna u izbacivanju. Što je jača selekcija, veća je verovatnoća da će viškovi biti eliminisani. Višak bi bio i pseudo gen. Kod prokariota koji imaju ogromne poupulcije, imaju male genome, jer selekcija teži da eliminiše svaki višak. Pseudogen bi u startu predstavljao višak za genom. Zato kod prokariota ima jako malo i pseudogena. U tim velikim populacijama selekcija izbacuje vaki višak. Primer: - Prohlorokokus (morska cijanobakterija, odgovorna za 20% kiseonika koji dišemo u atmosferi) - Pelagibakter ubikve (alfa proteobakterija, najodgovornija za razlaganje i cirkulisanje ugljenika u biosferi). Te vrste imaju najbrojnije populacije (1028 ćelija). Imaju veoma male genome, bez pseudogena. Tu je selekcija (selekcija za brzimu replikacije, za što veće umnožavanje i brojnost) favorizovala manje genome. Bakterija koja je uspela da izbaci neki pseudogen će biti favorizovana, jer se brže replikuje (manji genom - brža replikacija).

24

Gene koji više ne rade ništa u organizmu, koji više nisu neophodni za funkcionisanje nekog organizma i nisu pod nazorom selekcije genetički drift može slučajnošću da elimiše. Primer: Obligatni paraziti i endosimbionti, koji mnogo svojih gena više ne koriste. Redukovani su i morfološki i genomski (Mikoplazma, Rikecija, Hlamidija), u poređenju sa svojim neparazitskim srodnicima imaju mnogo manje genome. Oni imaju male populacije u jednom organizmu domaćinu. Geni su im izgubili f-ju zbog parazitskog života, i samim tim intenzitet selekcije za te gene je značajno opao. Kod malih populacija, drift je bio mehanizam koji je slučajno fiksirao male genome. Znači, neće ih selekcija čuvati jer više nisu važni. Uloga evolucionih mehanizama u zadržavanju pseudogena I gašenje gena (ne samo sticanje) može biti važno za pravce evolucije, može omogućiti sticanje različitih fenotipskih karakteristika. Kada se gen ugasi, on postaje - pseudogen. U većim populacijama efikacniji evolucioni mehanizam je selekcija, u manjim populacijama je drift: SELEKCIJA U manjim populacijama velika je šansa da opstane i "višak" u genomu. Veliki genom je povezan sa malim populacijama i velikim organizmima selekcija je malo efikasna. Selekcija kod organizama koji su veoma brojni (bakterije) brzo eliminiše pseudogene. One retko imaju pseudogene, jer bivaju brzo eliminasni iz genoma. Vrste: Prohlorokokus (morska cijanobakterija) i Pelagibakter ubikve imaju najbrojnije populacije (1028 ćelija). Prohlorokokus stvara do 20% atmosferskog kiseonika, Pelagibakter je najodgovornija za reciklažu ugljenika. Obe imaju vrlo male genome. Izbačeni su svi viškovi. Tu postoji selekcija za brzu replikaciju i svaki višak koji usporava replikaciju selekcija će izbaciti. DRIFT - I drift ima ulogu u izbacivanju pseudogena. Obligatni paraziti koji žive u drugim organizmima (Mikoplazme i dr.) nemaju velike populcije: domaćin je njihova niša, ne mogu biti brojni, a imaju vrlo male genome. Tokom evolucije se ugasilo mnogo gena koji su nepotrebni (i zato što su nepotrebni nisu pod nadzorom selekcije), pa bi tu postojalo mnogo pseudogena, a zatičemo male genome - pseudogeni su eliminisani. Drift može da odradi slučajne eliminacije koji bi bile na kraju fiksirane, i više nema tih delova genoma koji nisu potrebni.


25


1

7. Evolucija regulacije genske ekspresije (1.)

(Za ispit nisu potrebni primeri, već da se zapamti suština). Sa morfološkom složenoću najbolje koreliše količina nekodirajućeg genoma (deo genoma koji ne nosi informaciju za kodiranje proteina). To je bio iznenađujući nalaz u eri genomike, jer se očekivalo da je informacija presudna za povećavanje kompleksonsti. Živa bića su evoluirala, ne povećanjem informacije koju će sadržati njihove ćelije, već je evolucija išla u pravcu raznovrsnog i invetivnog načina korišćenja tih informacija. Naravno da postoji trend povećanja broja gena koji kodiraju za proteine, ali oni nije zadovoljavajući u smislu objašnjenja tolike kompleksnosti. Današnja genomika gleda na proces evolucije u kontekstu evolucije regulacije genske ekspresije, jer se ispostavilo da je presudno za evoluciju filogenetske složenosti organizama (tj. evoluciju organizama koje zovemo filogenetksi složenim) Na nižem nivou možemo reći da morfološki (fenotipski) složeni organizmi imaju značajno veći broj tipova ćelija. To je jedan od kriterijuma da je jedan organizam značajno složeniji od drugog organizma. To u evolucionoj biologiji predstavlja osnovu koncepcije EVO-DEVO (evolutiona and development). Moderna sinteza Moderna sinteza je genocentrična, jer je u toj koncepciji evolucija je promena učestalosti alela. Genotip direktno određuje fenotip. Od toga kakav je fenotip u određenoj životnoj sredini zavisi adaptivna vrednost, na osnovu razlika u adaptivnoj vrednosti će delovati selekcija i doći će do preomene učestalosti alela, tj. do promena genetičke strukture. Ukoliko direktno napravimo mrežu između genotipa i fenotipa, onda možemo da napravimo i "prečicu", nije nam važno kakav je fenotip, ako znamo genotip, znaćemo i adaptivnu vrednost i znaćamo kakva će biti promena genetičke strukture populacije. Fenotip je tu izbačen iz igre. Pitanje je zašto evolucionu biologiju suštinski ne zanima fenotip, već prevashovno genotip. Razlog za to je Moderna sinteza koja je temelj Evo-devo koncepcije. Ali ona nije sagledala sve što treba u evoluciji, tj. evoluciju ne možemo svesti samo na promenu učestalosti alela i da nas pri tom ne zanima fenotip.

2

Šta je prethodilo ovakvom razumevanju evolucije - da je evolucija jednostavna promenam učestalosti alela. Darvin je postavio osnove današnje evolucione biologije. Kada je nastajala ta teorija Darvin je bio svestan, da nema teorije evolucije bez teorije nasleđivanja: Poznata je njegova pangeneza, tj. gemule koje postoje u svakom delu tela, na koje može da utiče životna sredina. Te gemule mešaju putem krvi pri nastanu potomka koji bi bio izmešana tečnost koja sadrži gemule. Problem sa ovako shvaćenim "mešanim" nasleđivanjem kod Darvina je to što se strašno obara individualna varijabilnost: ako su u pitanju tečnosti cvena i bela, pri njihovom mešanju se dobija roze tečnost i potomstvo je koje se dobija tako je jako međusobno slično. Tu postoji problem sa obaranjem osnovne premise Darvine teorije a to je individualna varijabilnost. Zato se uvodi priča o nasleđivanju stečenih osobina iz sledećeg razloga: ako roditelji sve ono što su stekli tokom života (tj. promene koje su im se desile tokom života) mogu da prenesu na svoje potomstvo, i to je onda novo generisanje genetičke varijabilnosti. Ne znajući ništa o nasleđivanju Darvin je prihvatio staru priču o mešanom nasleđivanju i nasleđivanje stečenih osobina (koje vezujemo i za Lamarka). Veći problem se ticao nasleđivanja stečenih osobina, Darvin je mislio da individue tokom celog života (ontogeneza je proces od rođenja pa do smrti koji uključuje i proces reprodukcije) sakupljaju različite varijacije uslovljene životnom sredinom, i on ne pravi razliku između različitih faza razvića (svejedno mu je da li su u pitanju gameti ili bilo koja faza adultnog razvića). Tu se gubi veza između nasleđivanja i onoga što nasledni faktori trebali da rade u organizmu. Šta rade geni u kontekstu genetike i molekularne biologije? Pravimo različku između dve stvari koje rade geni: 1. Transmisija (prenošenje u naredne generacije) 2. Ekspresija (na koji način se ekspriraju i prave telo tj. učešće u procesu razvića) Molekularna biologija se pre svega bavi onim što rade geni, a genetika nasleđivanjem (transmisijom genom). Tu nastaje problem, jer ako Darvin kaže da nema veze kada se dese neke promene (na početku života, u tekućinama kod adulta, i kasnije kod transmisje), onda nema nikakve razlike između transmisije i razvića. On je izjednačio ontogeniju sa nasleđivanjem. Posledica toga je da se ni jedno ni drugo ne razume dovoljno niti transmisija, niti razviće. To je dovelo do Sumraka darvinizma, tj. do brojnih zamerki Darvinovoj koncepciji. Osnovni razlog sumraka darvinizma: - pored toga što je imao problem sa varijabilnošću ukoliko primeni mešano nasleđivanje, - njegova koncepija prorodne selekcije je bila u velikom problemu ako se prihvati nasleđivanje stečenih osobina i mešano nasleđivanje. Zato što selekcija treba da favorizuje određena svojstva i iz generacije u generaciju bi ta svojstva postojala sve češća. Kod Darvina ukoliko postoji nasleđivanje stečenih osobina, to bi značilo da u svakoj novoj generaciji postoji veliki uticaj životne sredine i kreiranje denovo varijabilnosti. Tu selekcija ne može da bude efikasna, ne može efiksano da favorizuje nešto iz razloga što se tu stalno javlja denovo varijabilnost. Prirodnjaci nisu sumnjalu u samu evoluciju, već u objašnjenje evolucije koje se baziralo na koncepciji prirodne selekcije.


3

1900. godine genetika ulazi u evolucionu biologiju i to je to spasenje Darvinove evolucione teorije. Mendel je spasio Darvina (Darvinovu koncepciju prirodne selekcije), koncepcijom partikularnog nasleđivanja po kojoj su nasledni faktori entiteti koji se prenose nepromenjeni iz generacije u generaciju. Nema potrebe da se uvodi pričo o stečenim osobinama, o kreiranje nove varijabilnosti, jer varijabilnost je sadržana u različitim varijantama gena, tj. različitim alelima. Pojavljuje se novi problem, postoje partikule koje se nasleđuju. Darvin nije pravio potrebnu razliku između individualnog razvića i evolucije, tvrdio je da na evoluciju može da utiče bilo šta što se desi bilo kada u životu organizma. Tu je veza između razvića i procesa evolucije bila nejasna. Kada su se pojavili geni kao koncept, koji postaje važan, postavilo se pitanje: šta je sa procesom razvića, kako uklopiti funkciju i transmisiju. Vajsman, citolog, bavio se embriologijom i biologijom ćelije, otkriva da se ćelijska linija u embrionu (germplazma) odvaja vrlo brzo nakon oplođenja od ćelijskih linija (somatoplazma) koje će napraviti telo. Ako se u embrionu vrlo rano odvaja grupa ćelija koja će napraviti gamete (a naredne generacije prave gameti), a ostalo su somatske ćelije, onda prestaje da bude važno šta se dešava u somatskim ćelijama, jer su gameti ti koje se prenose u naredne generacije. Rano odvajanje germplazme od somatoplazme je značilo da sve što se dešava sa organizmom tokom života (uticaj životne sredine), je potpuno nebitno za nasleđivanje. Gameti se prenose, a sve što se dešava sa telom je nevažno, koliko se telo menjalo tokom ontogenije je nebitno. Moderna sinteza potpuno razdvaja razviće od priče o evoluciji. Evolucija po modernoj sintezi je transgeneracijska transmisija koja se dešava preko gameta, a razviće je nešto što se u svakoj generaciji dešava - razvijaju se organizmi, ali to uopšte ne utiče na to koji će se geni prenositi u naredne generacije. Došlo je do potpunog razvođenja razvića (tj. funkcije gena) i transmisije naslednog materijala. Čitava koncepcija postaje isključivo genocentrična, i sferi interosavanja su samo geni koji se prenose. U modernoj sintezi razviće je izbačeno iz priče o evoluciji. Moderna sinteza je važna jer je raščlanila funkciju gena i transmisuju i doprnila da potpuno razumemo mehanizme prenošenja gena. 1930. godina počinje da se ujedinjuje biohemija sa genetikom i rađa se molekularna biologija. Hemičari su uvleko poznavali proteine, mnogo enzimskih puteva u organizmu. Ovde, sa jedne strane postoji evolucija koju ne zanima šta se dešava u organizmu, šta rade geni u organizmu, a sa druge strane postoji biohemija koja se upravo bavi funkcijom gena. Pauling je važan hemičar za razbijanje stare dogme u biohemiji koja je podrazumevala da su enzimi koloidni rastvori. Suštinsko opredeljenje biohemije je bilo biohemija koloidnih rastvora, po kojoj su enzimi bile skupine polipeptida i nije važno kakve su im strukture (važna je sekvenca, a nevežna je 3D struktura tog proteina koji obavlja nešto u ćeliji), tj. proteini su agregati koji nešto odrade. Iza toga leži još jedna dogma biohemije tog doba, po kojoj su najvažnije veze u molekulima su kovalentne veze - jake hemijske veze. Pauling je uzdrmao priču o kolidnim rastvorima i kovalentnim vezama. Po njemu, struktura je važna jer ona određuje šta radi određeni molekul. A ova 3D struktura se ne pravi preko kovalentnih veza. Sam polipeptid je izgrađen od kovalentnih veza, ali do upetljavanja dovode slabe veze vodonične

4

veze (prevashodno) i jonske veze. Uvođenjem priče o slabim vezama, na velika vrata uvodi priču o konformaciji molekula koji nešto rade u ćeliji. To je bio uslov da se odredi struktura proteina, DNK, jer bez ideje o vodoničnim vezama i bez napuštanja koncepcije koloidnih rastvora to ne bi bilo moguće. U vreme kada nastaje moderna sinteza ('30 i '40 godine prošlog veka), postoji i biohemija (enzimologija) koja izučava šta se dešava u ćelijama. Biohemičari se nisu bavili nasleđivanjem, njih su zanimali enzimi. Bilo je nužno da se postavi pitanje šta su nasledni činioci. Ovo je važno jer se iz ovoga vidi kako nauka funkcioniše: Čitava genetika i sve koncepcije u genetici bile su razjašnjene i sve se razumelo o nasleđivanju (transmisiji), evoluciji bez ikakve ideje šta je gen i kako funkcioniše. Do 40-tih godina postoji kompletna priča o nasleđivanju, populacionu genetiku, evolucionu genetiku, a da se ne zna šta je gen. (Transmisionu) Populacionu genetiku nije bitno ni izmenila priča o tome šta je gen. Kada se utemeljiča transmisiona genetika postavilo se i pitanje šta je to u ćeliji što nosi te nasledne činioce. Citolozi su u 19. veku otkrili da je to jedro i hromatin, ali šta tačno postoji u tom hromatinu i šta tačno nosi naslednu generaciju se nije znalo. Vrlo brzo se otkrilo da se u hromatinu nalaze nukleinske kiseline i proteini. Mišer otkriće DNK. Proteini su još ranije otkriveni. Prva ideja je bila da su proteini nasledni činioci: - Pošto hromatin sadrži i DNK i proteine, mislilo se da proteini nose naslednu informaciju što se uklapalo sa pričom iz enzimologije po kojoj su proteini ti koji sve rade u ćeliji. Pošto se proteini nalaze u jedru i hromatinu, logično je bilo pretpostaviti da proteini nose naslednu informaciju. - za DNK koja ima 4 različite baze mislilo se da to ne može da objasni toliku naslednu raznovrsnost. DNK se odbacivao kao molekul koji je nosilac nasledne informacije, smatralo se da je on samo kostur koji nosi proteine-gene, ili je eventualno izvor energije za gene koji su proteini (jer se već znalo za ATP koji inače ulazi u sastav DNK). 1953. Votson i Krik su predstavili strukturu DNK, i iste godini Herši i Čejs su definitivno potvrdili da je DNK nosilac nasledne informacije. Važan je upad fizičara u ovu priču. Molekularnu biologiju su započeli fizičari. Biologija je bila , prirodnjačka disciplina (biolozi su išli po terenima skupljali biljke i životinje, nisu se previše bavili osnovnim konceptima "zašto i kako". Zašto je Bog ovu vrstu postavio tamo ili ovde). Genetika je to u značajnoj meri promenili. Pitanja "šta je u samoj strukturi i kako da otkrijemo nasledne činioce" su postavili fizičari. Posle drugog svetskog rata postoji veliko interesovanje fizičara za biologiju, i istoričari nauke koji se bave nastancima važnih naučnih koncepcija, kažu da je važno interesovanje fizičara za biologiju počelo kada je koncipirana teorija relativiteta, kvantna mehanika. Fizičarima se činilo da su svi veliki probleme tim teorijama rešeni i zato im je bilo neinspirativno baviti se naučnom oblašću u kojoj su svi veliki problemi rešeni, ostaje naravno pitanje detalja, ali to nije više toliko inspirativno kao što je bilo. Biologija im tada postaje interesantna. Smatra se da su mnogi fizičari prešli u biologiju i iz drugih razloga, fizičari su bili upotrebljeni za politiku rata (atomska bomba), dešifrovanje šifri, i osećali su se iskorišćenim. Oni, razočarani, žele da pobegnu od fizike u oblast koja ima se čini neistražena - biologiju. Maks Delbrik, harizmatični teorijski fizičar koji se bavio kvantnom mehanikom i teorijom relativiteta, smatrao je da biologiji treba drugačiji pristup, dolazi da na ideju da nasledne činioce treba proučavati na isti način kao što se proučavaju atomi. Nils Bor i Šredinger su bili začetnici upliva fizike u pitanja biologije. Nils Bor je držao predavanje 30-tih godina o svetlosnoj terapiji (light and life) i govorio je o važnosti razumevanja fundamentalnih fenomena da bi se razumeo život. Bor (po knjigama


5

istorije nauke) je bio loš predavač, nije se lako mogao pratiti. Delbrik na to njegovo predavanje (lighta and life) i razumeo je potpuno pogrešno Bora. Bor je bio vitalista koji je podržavo da se fizičari bave feenomenom života, ali je njegova teza da mi ne možemo razumeti život do kraja iz razloga što da bi se proučavali osnovi života moramo ubiti živo biće, a ako ga ubijemo ne možemo da spoznamo šta je to što to biće čini živim. Bor je suštinski bio vitalista i rekao je da mi možemo da proučavamo život prihvatajući tu osnovnu premisu da je to stvar koja suštinski nedokučiva i to je osnova vitalizma (elan vitale). One podržavao da se sitni fenomeni u živom trebaju proučavati, ali sam život (vitalna sila) je nedokučiv. Delbrik ga je pogrešno razumeo (razlog je verovatno to što je Bor bio loš predavač), tj. to je razumeo poziv da se tom fenomenu života u tim najsitnijim detaljima priđe na koncepcijski drugi način. A on kao teorijski fizičar iz toga je mogao da zaključi da se fenomenu života treba pristupiti kao i kvantnoj fizici, kao proučavanju atomu. Do strukture atoma se došlo bombardovanjem tankih pločica zlata različitim česticama, pa se gledalo gde su te čestice odlutale, kroz šta su prolazile, a gde su se sudarale i vraćale nazad, i to je praćeno preko rentgenskog filma i došlo se do ideje kako izgleda atom. Delbrik odlazi u Ameriku, bežeći od rata, i kreće sa idejom da bi smo sam nasledan činilac koji je neka partikula (pravi analogiju sa atomom) mogli da razumemo isto tako - bombardujući organizam nekim radioaktivnim zračenjem različitog intenziteta (tada se već znalo za x-zrake koji izazivaju mutacije). Ideja je bila analogija sa drvetom punim plodova - ako gađa u drvo mecima različitih kalibara, oni mogu da mu kažu koliki su plodovi. Ako je preveliki kalibar, on će uništiti mnogo više od jednog ploda koji želi da gađa, ako je premali velika je šansa da će promašti. Fizičari i biolozi koji se sanjm udružuju u toj ideji, kreću od toga da različita zračenja prave različite jonske promene (jonske dimere itd.) i na osnovu intenziteta zračenja može da se izračuna kolike su te jonske promene i koliko jonski molekuli-agregati nastaju usled tog zračenja. Iz takvih eksperimenata, on dolazi do zaključka da je veličina gena 10 ekstrema. Ideja da se na taj način ispita veličina gena, danas znamo, da je bila potpuno pogrešna, međutim njegova procena veličina gena je bila vrlo tačna i to se zove slučajni promašaj, koji se u nauci često i dešava. Delbrikova ideja je bila slična ideju moderne sinteze, zanima ga šta je taj gen, a to šta on radi će ostaviti po strani. On je često govorio da ga "haos" hemije (molekula u ćeliji) ne zanima i da to ne može da nas dovede do razumevanja suštine života. Haos hemije samo pravi šum od koga ne možemo da vidimo suštinu živog - gene. Njegov pravac istraživanja ide niz vodu priče o genocsntričnom procesu evolucije. Ni jedan molekularni biolog nije bio priznat dok ne prođe Delbrikove seminare. Delbrik je promovisao komunikaciju, razmenu ideja. On uvodi i matemaku u biologiju, koja se pokazala jako važnom. Biohemije se pre svega bavila proteinima, molekularna biologija se bavi genima - šta su geni i načinima na koji oni funkcionišu i to je inicirano od strane fizičara. Delbrikova laboratorija je bilo jako važno mesto za molekularnu biologiju - tu su Votson i Krik, kao i Herši i Čejs predstavili svoje rezultate. Onda kada je Delbrik razumeo da stvar preuzima ipak hemija, ovo fizičarima prestaje da bude interesantno, od 50tih kada se otkriva struktura DNK i sve se svodi na hemiju.

6

Gde je u ovoj celoj priči razviće. Bez obzira što je bilo u jednom trenutki nužno da se razdvoji transmisija od funkcije, ponovo se javlja da ideja da te stvari nemogu da se međusobno izoluju. I na tim temeljima zasniva se danas evo-devo koncepcija. Ako je ona prva slika genocentrična teorija, ova slika je eco-evo-devo koncepcija. Eco-evo-devo: Imamo genotipove (važni su za to kakvo će telo nastati), međutim genom nije skup gena gde svaki gen radi nešto drugo (jedan gen jedan enzim). To brzo biva odbačeno, jer se razumelo da genom nije običan skup gena gde je svaki gen za sebe, već geni utiču jedni na druge. Životna sredina, kontekst u kome se dešavaju interakcije između gena je jako važan za formiranje fenotipa. Po prvoj koncepciji Moderna sinteza, odnos fenotipa i životne sredine je sledeći: rodi se fenotip koji je direktno određen fenotipom, u toj životnoj sredini da li je taj fenotip adekvatan ili nije se testira kroz prirodnu selekciju. Životna sredina je filter - statična arena koja filtrira fenotipove koji mogu da opstanu i one koji ne mogu da opstanu. Po evo-devo koncepciji, životna sredina nije samo statična arena, već ona utiča na interakciju između gena, a time utiče i na razviće organizma, utiče na fenotip. Životna sredina ima tu formativnu (kreativnu) ulogu u formiranju fenotipske varijabilnosti na koju deluju evolucioni mehanizmi. Selekcija prepoznaje fenotip (a ne gene). Nije važna životna sredina samo u kontekstu filtritanja fenotipa, već ona ima i kreativnu ulogu u formiranju fenotipova. Kad kažemo da geni utiču jedni na druge, da su u interakciji, da bez te interakcije nema razvića, jasno je zašto razviće ponovo postaje važno. Ako su geni u interakcijama, onda je regulacija ekspresije gena od presudne važnosti z aproces razvića, a samim tim i za proces evolucije. Zato se ovde bavimo evolucijom regulacije ekpresije gena, kako je do toga došlo. Imamo nekoliko saznanja, da veliki deo genoma učestvuje u regulaciji onog manjeg dela genoma koji nosi informaciju. Koji su sve nivoi regulacije ekpresije gena. PITANJE 34 Ekspresija gena:

Fragment koji zovemo gen nosi neku informaciju koja treba da bude na kraju prepisana u protein. Ekpspreija može da se reguliše na više mesta:

na nivou transkripcije (tj. na nivou DNK): 1. Da li će neki gen u određenoj ćeliji biti transkribovan zavisi od toga kakav je njegov cis regulator i koji će TF za njega da se veže. Da li će taj TF da inicira ili inhibira njegovu transkripciju. (danas ćemo se baviti evolucijom cis i trans regulatora). 2. tipovi nukleozoma (modifikacije hromatina)


7

Ako dođe do transkripcije, šta sve može da zadesi taj RNK molekul.

1. primarni traskript prvo mora da se obradi - iskrajanje introna i spajanje egzona da bi se dobila iRNK. 2. moguće je da se od istog gena dobiju različiti alternativni produkti tj. od iste sekvence na DNK postoji mogućnost da se dobiju različite RNK sekvence. To je izvor varijabilnosti. 3. Ova RNK se poliadeniluje, dobija poliA repić. 4. može da se edituje. To je sve izvor varijabilnosti tj. da nastane produkt ovakav ili onakav.

U toj ćeliji ta iRNK koja je konačno nastala kakva god da je. 1. Ta iRNK interaguje sa drugim proteinima, sa drugim RNK transkriptima na mnogo različitih načina, to je interakcija transkriptoma.

Konačno ukoliko uđe u translaciju i nastaje neki proteinski produkt, 1. taj proteinski produkt opet može da se hemijski modifikuje na različite načine.

Znači, na svim ovim nivoima ekspresija gena može biti zaustavljena, tj. ovaj gen može da nedoživi proces prepisivanja u protein. Za biologe, detalji procesa regulacije niu važni, treba razumeti osnovne koncepcije: šta su cis, trans, alternativna obrada primarnog transkripta. Ukoliko jedan gen sintetiše enzim, i ukoliko znamo da jedan zigot nastaje spajanjem dva gameta i nastaje kombinacija gena, kako se dešava da različite ćelije u jednom višećelijsom organizmu imaju potpuno različit ćelijski fenotip, ako te ćelije imaju istu genetiku - to je paradoks jedarne ekvivalencije.

8

Tu je genetika u problemu - nije sve u genima, nije dovoljno da razumemo transmisju već i šta taj gen radi. Embriolozi: pored gena mora da postoji još nešto u citoplazmi (tj.drugi važni elementi), koji će odrediti šta će ti geni da rade ( ključni elementi koji će uticati na diferencijaciju ćelije). Genetičari Holdejn i Rajt prvi pretpostavljaju postojanje nekih elemenata kada i gde će se aktivirati određeni geni (prostornu i vemensku aktivnost gena). Žakob i Mono 1961. definitivno pokazuju na koji način se reguliše ekspresija gena. Do tada je to bila jedna velika crna kutija, ništa se nije do tad razumelo. Tu stupa molekularna biologija - razumevanje kako se ti geni eksprimiraju. Primer: Lac operon

E.coli ima niz gena koji kada se eksprimiraju daju enzime koji učestvuju u metabolizmu laktoze. Bakterijski geni koji su vrlo škrti na veličini svog genoma, imaju organizovane gene u operonima, što bi značilo da regulatorni nizovi koji određuju da li će oni biti aktivirani ili ne su zajednički (tu se štedi na veličini genoma). Postoje 2 para regulatornih nizova koji regulišu da li će Lac operon biti aktivan ili ne: - jedan je lacI niz koji sintetiše represorni protein. U nedostatku laktoze, protein represor se veže za operator i blokira prilaz RNK polimerazi koja tad ne može da prepiše ovu sekvencu, i neće nastati RNK molekul. - drugi set regulatornih nizova je crp gen koji daje CAP protein koji je smešten dosta dalje od lac operona. Aktivira se u nedostatku glukoze. cAMP (koji je indikator male koncentracije glukoze u sredini) aktivira crp gen, pojavi se CAP gen koji je aktivator i vezuje za niz i aktivira transkripciju. U prisustvu laktoze represor lacI je inaktivan, a kada je laktoza odsutna aktivator je u funkciji. Ideja da se razume da se prvi put javljaju misli o tome na koji način bi se mogla regulisati ekspresija gena. Na nivou gole DNK (da li će se aktivirati, ili neće određeni gen), ne pričamo o hromatinu razlikujemo 2 osnovna tipa regulatornih nizova: trans i cis regulatori.


9

Trans regulatori su nizovi nukleotida, bilo gde u genomu, čiji se produkt protein koji zovemo transkripcioni faktor (TF), ili neki RNK molekul vezuje za cis regulatore u blizini gena koji treba da bude regulisan. Trans regulatori su nizovi koji se nalaze bilo gde u genomu (svuda u genomu) i daju neki produkt koji treba da se zakači za cis regulatore, koji se nalaze u blizini gena koji treba biti aktiviran ili inaktiviran. U cis regulatore spadaju: - promotori Za promotor se vezuje kompleks nespecifičnih TF-a sa RNK polimerazom. Odatle, kada se vežu kreće transkripcija. -pojačavač Pojačavač je niz koji može biti blizu ili prilično daleko od gena čiji je ovo pormotor. Za njega se vezuju specifični TF-i. Kada se specifični TF-i vežu za pojačavač, napraviće kopmleks sa kompleksom koji se vezuje za promotor (tj. stupa sa njim u interakciju) i tada može da počne transkripcija tog gena (aktivira transkripciju) ili je inaktivira. Specifični TF-i su ključni za to šta će ta ćelija da sintetiše, koji će geni biti aktivni u konkretnoj ćeliji. Oni prepoznaju specifične pojačavače i ukoliko se vežu onda će ti konkretni geni biti aktivni, a drugi neće biti aktivni. Pojačavač može da funkcioniše i kao utišavač, zavisni od toga koji se TF za njega vezuje. Vezivanje TF-a može ili da blokira ili da aktivira aktivnost nekog gena. U cis regulatore spadaju: -Promotori koji su vrlo blizu gena -Pojačavači ili Utišavači koji su ili blizu ili dalje od gena, u intronima, u 3'UTR, u kodirajućim delovima gena. Kada se za njih zakači TF, gen će ili da se transkribuje ili neće. -Izolatori su intergenskim regionima i prave branu da kada se aktivira jedan gen da se ne nastavi tranckripcija i na sledeći gen. Izolator pravi izolaciju između dva gena. Ovakvo sagledavanje priče za razliku od ideje "1 gen-1fenotip i eto je evolucija", kad razmatramo regulaciju interakcije između gena, vidimo regulatorne gene koji daju neki TF koji će d areguliše druge gene. Važno je i koji je to TF, koja je varijanta tog TF-a, da li je on varijabilan, da li postoji polimorfizam za taj regulatorni gen, jer to je gen koji će da reguliše ostale gene.

10

PITANJE 35 Geni su umreženi, utiču jedan na drugog, zato mi više ne posmatramo evoluciju kao evoluciju gena, već evoluciju genoma - regulatornog genoma.

Od svih gena koje ima neki organizam, postoji mreža gena u odnosu na to ko tu koga reguliše. Na samom kraju te mreže su završne baterije gena (ili tzv. strukturni geni) koji leže neposredno ispod određene osobine koju mi vidimo. Da li će oni biti aktivni ili ne, zavisi od toga da li je neki drugi gena aktivan ili ne. A njega reguliše neki drugi gen koji je još dublje umrežen, pa njega regulišu neki geni koji su još dublje umreženi. I to je regulatorni genom u čijoj organizaciji postoji hijerarhija:

- Na periferiji se nalaze zavšni geni (npr. geni za neki enzim, npr. da li će se variti glukoza ili ne) to su završne baterije gena. - Njih aktiviraju neki drugi geni, a ove neki drugi geni itd. - regulatorni geni (kodiraju TF-e) - Za višećelijske organizme su važni signali koje ćelije jedna drugoj daju (različiti parakrini faktori, adhezivni molekuli, različiti faktori koji će da definišu u kojoj ćeliji će biti šta aktivirano.

Ridl - Koncepcija evolutivnih opterećenja Postoje osobine koje su periferne, a postoje i osobine koje su suštinske za razviće jednog organizma, npr. notohorda kod kičmenjaka. Kod svih kičmenjaka to je suštinska osobina, bez te notohorde u procesima razvića oni ne bi bili kičmenjaci. Sve što je bliže periferiji se menja značajno lakše. Postoji hijerarhija evolucionih opterećenja: - osobine i geni koji se nalaze na periferiji su dosta slobodni da se menjaju, jer ako se on promeni to ne utiče ni na šta drugo. - što je duže umrežen gen to je njemu teže da se menja. On može da se promeni, ali efekat je ogroman. Kada se regulatorni gen promeni, on menja regulaciju velikog broja drugoh gena, efekat je najverovatnije pad adaptivne vrednosti je takav da taj organizam nemože da opstane. Što su dublje u mreži veća je verovatnoća da su geni konzervisani, jer su važniji. U genetici fenomen da jedan gen utiče na veći broj osobina tj. gena je plejotropija. Veća plejotropija znači veću evolucionu konzervisanost i dublju umreženost u regulatorni genom.


11

PITANJE 36

Cis regulatorna paradigma - (poznata su nam evolutivna opterećenja): Lakše je da se promeni cis regulator nekog gena jer to utiče samo na njega. Može da se promeni cis regulator nekog TF-a (gena za TF-e) koji će imati veće efekte. Ako se promeni kodirajuća sekvenca to ima ogromne posledice. Lakše je menjati tokom evolucije cis regulatore koji će da menjaju svoju osetljivost na ovaj ili onaj TF, to ima manje posledice po organizam, nego kada se promeni trans regulator što ima velike posledice. Po cis regulatrnoj paradigmi osnovi uzrok fenotipske evolucije (raznovrsnosti) kod složenih organizama (složenih regulatornih genoma) je evolucija cis rgulatora.

To se vidi kada posmatramo bitne TF-e u grupi metazoa gde kod vrelu udaljenih takosona možemo da vidimo da su oni vrlo slični, čak i ako su divergirali pre 200 miliona godina. Oni su jako opterećeni i zato je njihova promena značajno soprija.

Cis regulatorna paradigma - promene cis regulatora najbitnije za evoluciju višećeliske organizacije i evolucione promene višećeliskih organizama i z objašnjenih razloga.

Načini men Evolucija

Pojda li imaju ZahU jednoj ćTF-a, nema To Budaktivni, a kmogu da ev Postoje: Paktivan sam S

Pojovaj gen nćelije u jeditd. Za prostorno ( Primrazličitih T eveneurona, akvreme i izapali i gasi r Zahvaljuju

njanja cis re

cis-regulat

jačavači su u afinitet da hvaljujući peliji TF će a šta da se vje osnovni

dući da su koji neaktivvoluiraju (d

Prosti nestrmo u jednom

Složeni ili m

jačavač možneće biti ekdnom trenut

diferencija(tkivno) i vr

mer je eve gTF-a. e gen kada ktivira se i aziva difererazličite gen

ući složenom

egulatora

tora:

važni za odse za njih v

postojanju pse vezati zaveže za cis rnačin da se

pojačavači vni u određda se menjaj

ruktuirani pm tipu ćelije

modularni p

že da ima rksprimiran stku u proce

aciju ćelije remenski sp

gen kod dro

se aktivirau prekursor

encijaciju pone u različit

m pojačavač

dređivanje kveže neki TFojačavača r

a određeni pregulator nereguliše dif

jako važniđenom tipu ju).

pojačavačie i nigde dru

pojačavači

različit brojsamo u jednesu razvića,

nije samo pecifičnu ek

ozofile koji

a u određenrima mišićnotpuno razltim tipovim

ču može da

12

koji će gen F ili ne. različite ćelipojačavač i ekog gena i ferencijacij

i za diferenćelija), važ

i za koje mougde.

j sekvenci znom tipu ću drugom

važno koji kspresiju reg

ima pojača

nom tipu ćnih ćelija. Uličitih tipov

ma ćelija. On

se aktivira u

u kojoj ćeli

ije imaju i rtaj gen će bon neće bita ćelija u je

ncijaciju ćelžno je to ka

ože da se ve

za koje se velije, već mtipu ćelije u

gen se aktguliše ovaj o

avač od 20,0

ćelije određU mnogo razva ćelija. I on je prilično

u različitim

iji biti aktiv

različite genbiti aktivanti aktivan. ednom višeć

lije (za defiako oni izgl

eže samo je

vezuju razlimože biti eku drugom tr

tivira, već iodnos cis-tr

000 nukleot

đuje diferenzličitih ćelijovaj eve gen

duboko.

m tipovima ć

van ili ne, z

ne koji su ko. U drugoj ć

ćelijskom or

finisanje togledaju i na

dan TF. Ta

ičiti TF-i. Tksprimiran renutku u p

i kada se orans regula

tida koji mo

ncijaciju oda on se aktin je takođe

ćelija u razli

zavisno od t

od njih aktivćeliji nema

rganizmu.

ga koji su gkoji način

akav gen će

To je važnou jednom t

procesu razv

on aktivira. ator.

ože da veže

dređenih tipivira u razliTF koje će

ičito vreme.

toga

vni. tog

geni oni

biti

o jer tipu vića

Tu

e 20

ova čito e da

.


13

Modularnost jednog cis regulatora omogućava da (ukoliko se za jedan modul tog cis regulatora vezuje jedan TF, a a drugi modul drugi TF) ako se jedan modul promeni to neće uticati na funkcionalnost drugog modula. Ukoliko je prvi modul važan za aktivaciju ovog gena u jedanom tipu ćelije, a drugi modul za aktivaciju tog gena u drugom tipu ćelije, promena prvog modula neće uticati na drugi tip ćelije i to značajno smanjuje plejotropne negativne efekte ovih promena. Promena jednog modula može da dovede do toga da taj modul više nema afinitet za neki TF. Npr. ima 5 različitih modula za neki gen, jedan modul je važan za vezivanje TF-a u jednom tipu ćelije koji treba da aktivira taj gen u tom tipu ćelije. Ukoliko mutira taj modul, u tom tipu ćelije nastaće problem sa aktivnošću tog konkretnog gena, ali to neće uticati na aktivnost tog istog gena u drugom tipu ćelije i to je mozaična plejotropija. Ako mutira prost pojačavač, on će uticati na kompletnu funkciju tog gena. A kada je mozaičan, jedan modul može da se menja, a da ne utiče na f-ju tog gena u drugim tipovima ćelija. To je važno za evoluciju cis regulatora, jer na taj način može da se manje f-ja gena u jednom tipu ćelija, a da ne remeti f-ju gena u drugom tipu ćelija - to je ovde suština. Ako se kod modularnih cis regulatora jedan modul promeni i taj promenjeni modul sada pokazuje afinitet ne samo prema svom TF-u, već i prema nekom novom TF-u koji sada takođe može da se veže za taj modul. Može da se pojavi novi modul cis regulatora (što nije neobično, jer 11 do 20% cis regulatora u ljudskom genomu potiče od ME, tj. ME se tu ugradi i njegovi regulatori počinju da regulišu taj gen tako što za sebe vezuju neke nove TF-e). Ukoliko se modul pojačavača promeni tako da počne da se vezuje neki drugi TF, ili se pojavi novi modul koji vezuje neki drugi TF koji će da aktivira ove gene - može da dođe do toga da se taj gen aktivira u ćeliji u kojoj se nikada ranije nije aktivirao. Znači u ćeliji u kojoj do tada nije bilo TF-a koji bi aktivirao taj gen, neka promena modula cis-regulatora je takva da TF koji postoji u toj ćeliji počne da aktivira i ovaj gen. Ovo je način da jedan gen stekne različite f-je (genetička piraterija), da se aktivira negde gde se ranije nije aktivirao; može da se pokaže kao koristan za taj novi ćelijski kontekst i da dobije novu f-ju.

14

Način da jedan gen zadobija nove f-je je taj da se promeni njegov cis regulator i da on postane aktivan u nekom novom kontekstu (novom tkivu, novom delu tela) gde ima neku f-ju koju pre nije imao. Razlog zašto geni mogu da imaju veliki broj f-ja je taj što imaju složene pojačavače koji su ih uključivali u različite ćelijske kontekste. Važno je i da su pojačavači modularni, jer to tim genima omogućava da steknu neke nove f-je i da se f-je menjaju bez uticaja na druge f-je koje taj gen ima. Šta sve može da se desi pojačavaču?

1. U postojećem modulu može da se desi mutacija i onda da se taj gen aktivira u nekom novom kontekstu. Promeni se regulatorna mreža u kojoj učestvuje taj gen. 2. Može da se dobije novi modul od npr. ME-ta koji sada aktivira gen tako gde ranije nije bio aktiviran i opet ga ubacuje u novu regulatornu mrežu. 3. Najčešće se dešava da se ne promeni potpuno mogućnost vezivanja starog TF-a ukoliko modul mutira, već se promeni afinitet prema vezivanju za taj TF. Ako se promei afinitet taj gen će biti u manjem stepenu eksprimiran, ili ukoliko se radi o inhibitoru biće u većem stepenu eksprimiran. 4. Ne mora da se promeni čak ni sam modul cis regulatora, može da se promeni dužina molekula DNK u blizini tog modula.

Npr. tandemski ponovci se tu dese, poveća se dužina molekula DNK. Ako se promeni dužina, to menja prostornu konformaciju vezivanja TF-a i to može da promeni aktivnost ovog gena.

Primer: Prerijska i Planinska voluharica. Prerijska je socijalna životinja, monogamna. Planinska je divlja, solitarna, ne učestvuje u odgoju potomstva, poligamna. Razlog razlike u ponašanju je pojačavač gena za vazopresinski receptor koji se aktivira u određenim delovima mozga, i nije mutirao sam gen, niti je mutirao konkretan modul, u blizini ovog gena desila se promena u broju tandemskih ponovaka. Više tandemskih ponovaka dovelo je do veće aktivnosti vazopresinskog receptora kod prerirjske voluharice (porodične), tj. ona ima više receptora za vazopresin. Plaininske voluharice koje imaju manji broj ponovaka u blizini ovog gena, imaju i manje receptora za vazopresin i imaju drugačije ponašanje. Dakle, ništa se posebno nije desilo ni u genu, ni u njegovom cis regulatoru, nego u blizini.


15

Ovo su molekuli koji su u interakciji i presudna je konformacija, ako je nešto duže promeni se konformacija i ima efekta.

Pojačavači mogu da se nađu na različitim mestima. Često su udaljeni od gena koji kontrolišu (na mestima koje zovemo genske pustinje - tu nema kodirajućih nizova). Što su složeniji organizmi rastojanje između pojačavača i gena koje on kontroliše je veće.

- Kod beskičmenjaka je 100 kilobaza udaljenost pojačavača od gena koji treba da reguliše. - Kod kičmenjaka udaljenost pojačavača u odnosu na gen koji oni kontrolišu je i više od 1 megabaze.

Budući da se u tim delovima nalaze važni cis regulatori, ti delovi genoma iako su nekodirajući jesu konzervisani (= nisu se menjali kod filohenetski udaljenih taksona).

Čovek i miš imaju na stotine mesta tzv. conserved non-coding sites. to su nekodirajući nizovi koji su toliko konzervisani da su i kod čovek i miša identični.

Nekad se mislilo da je to "junk DNA" i da je nebitno šta se tu nalazi, međutim sad znamo da se tu nalaze vrlo važni regulatorni nizovi - cis regulatori ( više od 50% tih nizova su pojačavači). Primer kod ljudi: Kod ljudi u tim nekodirajućim konzervisanim nizovima postoje iznenađujuće promene u odnosu na ostale sisare. To su human conserved delecije, delecije koje su se desile u tim regionima ne postoje ni kod jednog drugog sisara - 510 takvih delecija postoji u našem genomu, a kod ostalih sisara ne postoje. Dva primera: - Delecije u blizini gena za androgenski receptor. To je receptor za testosteron. Testosteron kada se zakači za receptor jedne ćelije (on ide i u jedro) reguliše koji će geni biti aktivni u tim ćelijama koje su osetljiva na testosteron. Ova delecije je izbacila važan pojačavač za androgenski receptor.

16

Kod ljudskih mužjaka u odnosu na druge sisare odsustvuju facijalne mirisne dlačice, jer testosteron ne može da aktivira te gene koji su važni za formiranje facijalnih mirisnih dlačica u tom delu tela. Takođe, nedostaju keratinizirane čekinje na penisu (koje drugi sisari i primati imaju), pri čemu je taktilna osetljivost mnogo manja nego kod drugih sisara i primata što produžava kopulaciju. Kod primata koji imaju više keratiniziranih dlačica na penisu kopulacija traje kraće, kod onih koji imaju manje dlačica kopulacija traje duže, što je korelisano sa monogamijom. Oni sa manje dlačica monogamni, više porodični. Jedna delecija u pojačavaču je odgovorna za ove promene u ljudskoj evolucionoj liniji. - Delecija (samo u našoj evolucionoj liniji) u blizini gena koji je aktivan u mozgu čija je uloga da zaustavlja ćelijski ciklus i da aktivira apoptozu. Ako se aktivira apoptoza u neuronima, oni umiru. Pošto je deletiran pojačavač za ovaj gen, odlaže se apoptoza, produžava se ćelijski ciklus i samim tim ima više neurona. Tu nije došlo do promene u kodirajućem nizu, već u cis regulatoru - nema ga više i zato nema aktivacije gena koji su kod drugih sisara aktivni. PITANJE 37

TF-i su evolucioni više opterećeni, ali to ne znači da ne mogu da evoluiraju. Oni sporije evoluiraju, manje se menjaju između filogenetski vrlo udaljenih taksona. Jedan TF nosi sa sobom čitavu regulatornu mrežu - ima gene koje aktivira.

Npr. Pax6 ima svoju regulatornu mrežu tj. gene koje aktivira i koji su važni za formiranje očiju i prednjih delova nervnog sistema.

Kada se eksperimentalno ubaci Pax6 iz jednog taksona u drugi takson, on može prilično da obavi funkciju - razviće očiju i nervnog sistema. Međutim, kada ubacimo TF iz jedne udaljene vrste u drugu vrstu, on može da odradi mnogo poslova (da aktivira odgovarsjuće gene), ali ne rekonstruiše se


17

kompletna regulatorna mreža tj. ne može u potpunosti da restaurira f-ju u vrsti u koju je ubačen, a to znači da on jeste malo evoluirao, takođe moguće je da su evoluirali i cis regulatori u mreži gena na koje taj TF utiče. Bitne razlike između domena koje nam mogu razjasniti evoluciju modula regulatorne mreže: Kod prokariota, TF-i prepoznaju dugačke nizove (sekvence u cis regulatorima) da bi bili efikasni. Regulacija je vrlo zavisna od sekvence tog cis regulatora. Kod eukariota, sve je mnogo labavije: - TF-i prepoznaju značajno kraće nizove, i - Njihova efikasnost zavisi od drugih proteina sa kojima su u interakciji. TF-i se jako retko direktno vezuju za cis regulator, izuzetak su TF sa cinkovim prstima koji ne moraju da interaguju sa drugim proteinima u ćeliji. Većina drugih će morati da interaguje sa drugim proteinima u ćeliji u kojoj su se našli, da naprave različite tipove interakcija da bi mogli da se vežu (to tzv. pomoćnici proteina). TF-i većinom zahtevaju da interaguju sa nekim drugim proteinom da bi mogli da ostvare f-ju vezivanja za cis-regulator kod eukariota. To daje mnogo veću evolucionu plastičnost eukariotima, npr. mogu da se promene proteini sa kojima interaguje TF, to menja njegovu konformaciju i time mogućnost afinitet za neki cis regulator. Kod eukariota postoji trend da se što više oslobađa stega evolucije.

Iz toga sledi da: TF-i iako imaju plejotropne efekte, ne znači nužno da njihove mutacije imaju plejotropne efekte.

Ako jedan TF u jednom tipu ćelije zahteva postojanje nekog proteina da bi postavio svoju odgovarjuću konformaciju i da bi se vezao sa cis regulator, a u drugom tipu ćelije neki drugi protein mora da interaguje da bi ostvario svoju f-ju. Ako se promeni neki deo TF-a za interakciju sa proteinom u jednom tipu ćelije to neće uticati na njegovu aktivnost u drugom tipu ćelije.

U tom smislu njegova mutacija ne mora nužno biti plejotropna. Znači, kao i kod modula cis regulatora, i u ovom slučaju, upravo zbog toga što oni međusobno interaguju, interakcija se može menjati u jednom tkivu, ali ne nužno i u drugom. Zašto je to tako?

18

Otkriće SLiM-ova ( = kratkih linearnih motiva u trnaskripcionim faktorima) je jako važno. SLiMovi (u proteinima) su mali broj aminokiselina koje obezbeđuju ovu interakciju između proteina, nalaze se u nestruktuiranom delu proteina (nisu važni za strukturu i f-ju proteina, ali su važni za vezivanje sa drugim proteinima). SLiM-ovi imaju 3-10 AK, a samo 2 do 3 su neophodne za ovu interakciju. Pošto je to mali niz, vrlo lako može da se on promeni (lako evoluira), jedna mutacija u tom delu može da dovede do promene aminokiselina u SLiM-u i da promeni interakciju sa drugim proteinom i na taj način izmeni f-ju TF-a. Dakle, nije se promenila njegova funkcionalnost, ali se promenio onaj deo proteina koji nije važan za njegovu f-ju, ali koji je važan za to kako će on da interaguje sa drugim proteinima.

Ako se desi promena u SLiMu, promeniće se i interakcija sa drugim proteinima, samim tim to može da uslovi promenu f-je tog TF-a u određenom tkivu. Ali ako to ne utiče na interakciju sa drugim proteinom u drugom tkivu, onda prva promena neće uticati na ovu drugu funkciju.

To su vrlo kratki nizovi. Važno je da se SLiMovi nalaze u delu proteina koji nije aktivni centar, već u delu proteina koji je važan za međuproteinske interakcije.

I ovde Tandemski ponovci mogu da menjaju aktivnost TF-a. Mnogo gena za TF-e ima tandemske ponovke, pa promenom njihove dužine (npr. broja tripleta) može da se menja i funkcionalnost određenog TF-a. Primer:

Runx2 gen kod rasa pasa utiče na osteogenezu (facijalnu morfogenezu) i otud različite rase pasa imaju različite oblike njuške i vilice.

Runx2 gen je TF, i kod različitih rasa je različite dužine (usled različitog broja tandemskih ponovaka) što menja funkcionalnost TF-a.


19

TF može da mutira u u kodirajućem nizu.

Primer je FOXP2 gen koji ima važne uloge (aktivira gene za razviće hrskavice, vezivnog tkiva, za kranijofacioalno razviće, motoričke funkcije u mozgu - cerebelum).

Kod ljudi je FOXP2 gen važan za evoluciju govora, pravi senzo-motorne neuronske mreže važne za motoriku govora. Aktivan je u Brokinoj oblasti (važnoj za motoriku govora). U evolucionoj liniji čoveka desile su se dve nesinonimne mutacije (nesinonimne mutacije menjaju AK u proteinu) i te dve mutacije su bile selektivno favorizovane, i dovele su do toga da taj gen učestvuje u formiranju neuronske mreže koja omogućava motoriku govora. (motorika jezika) Kada FOXP2 mutira, umesto da se aktivira u Brokinoj oblasti, on je rasuto aktiviran i nastaje problem sa motorikom govora.

20

PITANJE 38

Prvi nivo regulacije - cis i trans regulatorima koji dovode do toga da se ćelije razlikuju u jednom istom telu, kao i na koji način se ta regulacija može menjati kroz evoluciju (bilo evolucijom cis, bilo evolucijom trans regulatora). Trans regulatori su više opterećeni, ali to ne znači da se oni ne mogu menjati, slobodu njihovog menjanja čini to što kod eukariota: 1. Nisu vezani za dugačku sekvencu koju treba da prepoznaju u cis regulatoru, 2. Oni su u interakciji sa drugim proteinima, to ih oslobađa za evoluciju, pa efekti mutacija ne moraju biti plejotropni (tj. mutacije mogu da se odraze na jedno tkivo, ali ne na drugo). To im omogućava da evoluiraju iako su jako opterećeni. Drugi nivo regulacije je Alternativno iskrajanje. (Introni i egzoni) Od istog primarnog transkripta alternativnim iskrajanjem mogu nastati različite iRNK, a samim tim i različiti proteini sa različitim funkcijama u različitim tkivima. Ovaj nivo omogućava da se od iste DNK sekvence dobiju različiti fenotipovi. Što je organizam morfološki složeniji, ima više gena koji imaju alternativno iskrajanje (AS), veći broj gena može da daje alternativne (različite) RNK produkte, a samim tim različite proteine. Kod prostih organizama taj broj gena je mali.

Caenorhabditis elegans (nematoda) svega 25% gena mogu alternativno da se iskrajaju. Tu je uglavnom 1 gen 1 protein. Drosophila – 60% Čovek – 95% gena koji kodiraju proteine sa intron-egzon strukturom imaju alternativno iskrajanje. Prosečan gen ima 2 do 3 proteina. Što je složeniji organizam - veća je mogućnost koju daje jedan isti DNK niz, i time omogućava veću fenotipsku složenost. Biljke – oko 50%

Kod ljudi, bar 30% varijabilnosti u inter-individualnim transkriptima je poreklom od alternativnog iskrajanja (ne zbog toga što imamo različite sekvence u DNK, već zbog toga što se naši geni različito iskrajaju). Bar 30% interindividualne varijabilnosti je poreklom od alternatovnog iskrajanja. Životna sredina može da utiče na AS.


21

Primer veze životne sredine i AS: Receptor za Acetil-holin esterazu koja razlaže Acetil-holinnakon što on izvrši f-ju pobuđivanja neurotransmisije. Gen za taj receptor ima 6 egzona i daje 4 različita produkta ovog enzima. Pod stresom se najviše formira R varijanta ovog enzima, to je mali protein koji može da se kreće kroz međućelijske prostore i da ulazi u ćelije, važan je za odgovor na akutni stres. Ako je stres hroničan, i stalno se iskraja i formira ova varijata, to može dpvesti do mnogo neurodegenerativnih bolesti (Achajmera i Parkinsona).

Tkivna specifičnost AS Ostvariranje tkivne specifičbosti alternativnog iskrajanja.

Kontrola uz pomoću brojnih regulatornih proteina. Uloga SR proteina - vezivanje za pojačavače iskrajanja, pozicioniranje splajsozoma i kombinovanje egzona

RRM domen (RNA-recognition motif) RS domen – podložan fosforilaciji serina – regulacija interakcije sa drugim proteinima Izbor varijante iRNK zavisi od odnosa količine različitih SR

Evolucija SR proteina vezana za višećelijsku organizaciju 1-ćelijski eukarioti – 1 ili 2 gena za SR (kvasac nema) Metazoa –9 familija SR gena

Uloga hnRNP (heterogenous nuclear RNP) - inhibicija iskrajanja Pozicija nukleozoma – oko kasetnih egzona manja gustina nukl. Modifikacije histona i metilacija DNK → ćerke ćelije

Kad se jedan gen eksprimira u različitim tkivima, njegov primarni transkript može različito da se iskraja u različitim tkivima. Različite iRNK se formiraju od istog gena u različitim tkivima. To je tkivna specifičnost AS-a. Još nije potpuno jasno kako dolazi do tkivno specifičnog AS-a, tj do toga da je u određenom tkivu AS takvo da se npr. 1. i 3. egzon (intron) se izbacuju, a u drugom tkivu 1. i 3. egzon ostaju u iRNK. Ali ideje postoje: ⌦ SR proteini (proteini sa puno serina i arginina) tu imaju ulogu, kače se za sekvence pojačavače iskrajanja bilo na egzonu ili intronu, oni su vodilje za splajsozom koji tu treba da se veže i da obavi iskrajanje. SR protein ima domen koji prepoznaje sekvencu na RNK i ima drugi domen preko koga stupa u interakciju sa drugim proteinima. U jednoj ćeliji koja ima svoj hemijski sastav proteina, interakcije jednog SR proteina koji treba da kaže koji intron će da se iskroji, a koji neće (odnosno koji će egzon da ostane, a koji neće), njegov efekat zavisi od toga kakva je njegova interakcija sa drugim proteinima. Na osnovu toga kako intergauje sa drugim proteinima zauzima konformaciju prepoznavanje određenih mesta iskrajanja. SR protein može da se fosforiliše, što dodatno može da odredi sa kojim će proteinima da bude u interakciji, a samim tim i koja će mesta iskrajanja da prepozna. U jednoj istoj ćeliji mogu da postoje različiti SR proteini koji će da prepoznaju različita mesta iskrajanja. Kompeticija između različitih SR proteina može da odredi koji će mesta iskrajanja da se prepoznaju i da se tako odredi koji će se transkript dobiti.

22

O njihovoj važnosti za višećelijsku organizaciju (za diferencijaciju ćelijsku preko AS-a) govori i činjenica da: - 1-ćelijski eukarioti imaju samo 1 ili 2 gena za SR proteine. - kvasac uopšte nema gene za SR proteine - metazoa (višećelijske) životinje imaju 9 familija gena za SR proteine. Ukoliko ima više SR proteina, ima i više opcija za AS, odnosno za diferencijaciju ćelija u veći broj tkiva. ⌦ hnRNP (heterogenous nuclear RNP) su proteini u kombinaciji sa RNK molekulima. Takođe regulišu AS, ali suprotno od SR proteina, inhibiraju AS. Kad se vežu za određeno mesto, tu neće doći do kačenja splajsoma i do iskrajanja tog dela. Interkacija tj. Balans između: - SR proteina (koji treba da aktiviraju iskrajanje), - njihova interakcija sa drugim SR proteinima i drugim proteinima u ćeliji, - pa inhibitori iskrajanja jeste balans koji pravi specifičan obrazac iskrajanja u određenom tkivu. Toliko se zna o tome zašto bi AS u određenom tkivu uvek išlo na određeni način. ⌦ Kako će se izvršiti AS zavisi od i toga kakav je hromatin u tom delu, jer se samo iskrajanje započinje tokom transkripcije (pri završetku transkripcije), dakle, važno je i šta okružuje tu DNK sa koje se prepisuje RNK molekul. Oko kasetnih egzona (sin alternativni egzoni) je manja gustima nukleozoma nego oko konstitutivnih egzona. ⌦ Kako su modifikovani histoni (da li su metilovani, acetilovani, na kom mestu metilovani itd.). Da li je DNK metilovana je takođe važno za to kakvo će biti AS. Pošto se ti epigenetički markeri (metilacija DNK, modifikacije histone) prenose na ćerke ćelije prilikom deobe - jedna ćelija u tkivu prenoseći taj epigenetički obrazac prilikom deobe, preneće i obrazac AS-a. Pa zato sve ćelije u jednom tkivu imaju isto AS.


23

Mehanizmi regulacije AS: - RS proteini i hnRNK proteini - Izgled hromatina položaj nukleozoma, modifikacije histona, određuje iskrajanje: -Kod kasetnih egzona (sin. alternativni egzoni) je manja gustina nukleozoma nego kod konstitutivnih egzona što znači da pozicija nukleozoma definiše način iskrajanja. -Modifikacije histona i metilacija DNK se razlikuju između različitih egzona. Sve ove epigenetičke modifikacije (histoni, metilacija DNK) se nasleđuju prilikom deobe ćelije, tako da će sve ćelije u jednom tkivu imati isti obrazac iskrajanja primarnog transkripta. Tkivna specifičnost alternativnog iskrajanja je regulisana na ove načine.

Evolucioni značaj AS Upoređivanjem vrsta koje su više ili manje udaljene vidimo da postoje: - species specifični egzoni koji su se pojavili u tim linijama i - species specifične iskrojene varijante. Razlike u species specifičnim egzonima i species specifičnim obrađenim iRNK su velike i kod vrsta koje su prilično skoro divergirale:

Čovek i šimpanza, čak i ako imaju identične gene, na različite načine iskrajaju gene (na različite načine obrađuju primarni transkript). Čovek i šimpanza imaju 7% razlike u ortolognima genima po pitanju AS-a to znači da se jedan isti gen kod čoveka i šimpanze različito iskraja. Postoje species specifični obrasci iskrajanja.

Čovek i makaka imaju još veće razlike

Čovek i miš - razlike od 90% uključuju i species specifične egzone i iskrajanje.

24

Brzina evolucionih promena koje se dešavaju upravo zbog postojanja egzona i alternativnog iskrajanja je 2,7 x 10-3 po genu na milion godina. Stopa tačkastih mutacija je 10-9 do 10-6 po genu. Brzina evolutivnih promena usled postojanja egzona i AS je veća u odnosu na promenu sekvence (tačkaste mutacije). Stopa promena načina šta će se raditi sa transkriptom (dobijanje različitih produkata) je mnogo veća nego brzina promene same DNK sekvence (1000x veća). Zbog ovog nivoa regulacije ekepresije gena postoji neuporedivo veća brzina evolucije kod eukariota, nego što bi se to očekivalo na osnovu promene sekvence DNK, samim tim postoji mnogo veća evolucija fenotipskog diverziteta. Evolucija nije samo promena gena, evolucija je promena ekspresije gena, koja se dešava različito u srodnim evolucionim linijama.


25

Poliadenilacija - dodavanje poli(A) repa na iRNK PITANJE 47

Obrađeni transkript ima: kapicu, 5' nekodirajući deo (5'UTR), kodirajuću sekvencu, 3' nekodirajući deo (3'UTR).

Poliadenilacija je proces dodavanja poliA-repića na 3'UTR kraj iRNK. To je važan deo sazrevanja iRNK. PoliA-repić je važan za sudbinu iRNK:

PoliA-repić daje stabilnost iRNK

Bitan za transport iRNK u citoplazmu

Da li će ući ili ne u translaciju.

Izvor varijabilnosti koji je važan za evoluciju (Varijabilnost produkata): I na ovom nivou može od istog RNK molekula (čak i istog obrađneog transkripta), zahvaljujući razlikama u poliadenilaciji da se dobije različit RNK produkt. Evo kako:

3'UTR region može da sadrži različita početna mesta poliadenilacije. Pa će time 3'UTR biti različite dužine. Poliadenilacija (repić) može da počne sa različitih mesta na 3'UTR, jer on sadrži alternativna mesta poliadenilacije.

3'UTR region sadrži puno regulatornih nizova, neke nizove prepoznaju regulatorne male RNK (miRNK) i vezuju se za njih i mogu da blokiraju translaciju tj. ne puštaju ga u translaciju. (Takođe prepoznaju ih i proteini za transport iRNK u citoplazmu).

Mesta za poliadenilaciju mogu biti i u kodirajućem nizu. Ako odatle krene poliadenilacija nastaje kraći gen tj. kraća iRNK (takav gen može da ima drugačiju f-ju). Sa te kraće iRNK dobija se drugačiji protein.

Mesto poliadenilacije može biti i u kodirajućem regionu, ako odatle krene poliadenilacija dobiće se kraća RNK. Iako je na početku dobijen alternativni transkript pune dužine, poliadenilacija može da ga skrati i u translaciji će dati drugačiji protein.

To je varijabilnost koja nije vezana za varijabilnost sekvence DNK, već se na nivou RNK molekula menja produkt. Poliadenilacija je još jedan nivo regulacije ekpresije gena i može da dovede do varijabilnosti u produktima gena sa jedne iste DNK sekvence.

26

Pošto poliadenilacija postoji kod sva tri domena života (Arhea, Eubakterija, Eukariota) smatra se da je i LUCA morao imati gene za ovaj mehanizam. Kod prokariota i eukariota poliadenilacija znači različitu stvar, što ima veze sa nastankom jedra i obradom koja se kod eukariota dešava u jedru, a kod prokariota u citoplazmi jer nemaju jedro.

Kod prokariota poliadenilacija dovodi do degradiranja iRNK. Prokarioti kada poliadeniluju RNK time je označavaju za degradaciju.

Kod eukariota je suprotno, ona iRNK koja nema poliA repić biće degradovana. U citoplazmi kada joj se skrati poliA repić ispod nekog nivoa, ona ide u degradaciju. Jedino poliadenilacija malih ncRNK (osim dugih RNK, tj. lncRNK) uzrokuje njihovu degradaciju.

U citoplazmi eukariota polako se gube adenini iz poliA repića, skraćuje se, i kada taj broj postane suviše mali te iRNK odlaze u degradaciju. Jedina iRNK koja nema poliA repić je sa gena za Histone (oni imaju petlju koja imitira poliA repić). Poliadenilacija u citoplazmi

U citplazmi eukariota postoje razlike poliadenilacija u različitim tipovima ćelija: ⌦ Poliadenilacija u gametskim ćelijama - jajnim ćelijama: Majka u jajnu ćeliju spakuje sve što je zigotu potrebno na samom početku, jer zigot ne počne odmah da koristi svoje gene:

- Majka napravi iRNK koje nemaju veliki repić i tako se skladište u jajnoj ćeliji. - Nakon oplođenja proteini (od kojih je najvažniji CPEB protein) počinju da produžuju repić i ta iRNK se aktivira.

To je mamina iRNK u citoplazmi. Mama je unapred programirala i uskladištila iRNK, koja će biti aktivirana poliadenilacijom i napraviće se proteini koji će po pravilnom redu aktivirati embrionske gene da bi započelo razviće embriona. U svim drugim ćelijama iRNK moraju da imaju duge repove da ne bi bile degradirane. U gametima u ranoj embriogenezi, prve ćelije nakon deobe čuvaju iRNK sa malim repićima. Poliadenilacija u citoplazmi će da aktivira te iRNK. Gameti na drugi način čuvaju te iRNK.


27

⌦ U neuronima, u postsinaptičkim mestima se takođe skladište iRNK sa malim repićima. Poliadenilacija će aktivirati tu iRNK i ona će ući u translaciju. Važno jer je telo neurona udaljeno od sinapse sa drugim neuronom. Tu se arhiviraju iRNK sa malim repićima koje se brzo poliadeniluju u citoplazmi i obave što treba. Ovi proteini (CPEB) su povezani sa učenjem. Za formiranje memorije je važna sinteza novog seta proteina u blizini same aktivirane sinapse. Ti proteini se sintetišu tako što se iRNK sa malim repićima dodaje repić i one postaju aktivne i na taj način se označava aktivna sinapsa. CPEB enzimi rade ovo - prepoznaju iRNK. Kod beskičmenjaka 2, kod kičmenjaka 4 gena rade ovo: - regulaciju razvića gameta tako što aktiviraju uskladištene iRNK. - obeležavanje sinapse (kičmenjaci ne zna se...) Kod beskičmenjaka CPEB nizovi imaju duge PoliQ nizove (poliglutaminske nizove) koji imaju prionske osobine (prave agregate koji liče na prione). Strukture poliQ nizova daju prionske struture. Prionske osobine: - stvaraju agregate otporne na razne enzime koji bi ih iseckali. - mogućnost da drugim sličnim proteinima promene konformaciju da budu slični prionskoj strukturi. To je otkriveno na jednom pužu, njegova sinapsa koja je aktivna kada napravi prionsku strukturu, ostaje zauvek obeležena aktivna sinapsa koju ne može ni jedna proteaza da razruši jer proteaze ne deluju na prione. Kod kičmenjaka (i čovek) nije jasno da li je aktivna sinapsa obeležena na ovaj način, jer njihovi CPEB proteini imaju kraće poliQ nizove (i nije jasno da li imaju prionska svojstva). Ćelijska osnova memorije je bazirana na uskladištenim iRNK u tom neuronu u presinaptičkoj membrani. A moguće je da imamo i te prione koji obeležavaju (markiraju) aktivnu sinapsu.

28

Prerada RNK (editovanje) Imali smo obradu primarnog transkripta - alternativno iskrajanje, zatim mogućnost poliadenilacije kao nivoi regulacije ekspresije, sada i prerada (editovanje) RNK - još jedan nivo regulacije ekspresije gena.

Mogućnost da se na primarnom RNK transkriptu hemijski izmeni neki nukleotid, tako da to postane druga sekvenca, ne u DNK nego u RNK molekulu. Prerada RNK (editovanje) su modifikacije iRNK (u koje ne spada alternativno splajsovanje), vrše se putem insercija/delecija nukleotida, zamene nukleotida puten hemijske modifikacije nukleotida. One menjaju nukleotidni sastav iRNK (promeni se sam kodon i da se dobije drugačiji protein). Prerada je kotranskripcioni ili posttranskripcioni proces koji menja strukturu gena na RNK nivou, pa ako su to geni koji kodiraju proteine, prerađena iRNK će nositi drugačiju informaciju za AK sastav proteina od one zapisane na DNK. Najpoznatije su „A-u-I prerade.

Mehanizmi prerade RNK su različiti: Kod protozoa (1-ćelijski eukarioti, u mitohondrijama) i virusa: Prerada RNK se vrši delecijama i insercijama nukleotida, pa se dobija drugačija sekvenca primarnog transkripta. Kod višećelijskih organizama najčešće se dešava zamena nukleotida putem hemijske modfikacije:

A u I prerada - dezaminacijom Adenina nastaje Inozin. Kao što ga je splajsozom čitao kao Guanin, i u translaciji se Inozin čita kao Guanin, i dobije se drugi kodon, a time i drugačiji protein. Tu preradu (dezaminaciju Adenina) radi enzim ADAR.

A u I prerada promeni sekvencu i taj deo može da se prepozna kao signal za iskrajanje.

C u U prerada, dezaminacijom Citozina, nastaje Uracil koji takođe menja kodon u kodirajućem nizu. Enzim je APOBEC.

Oba enzima i ADAR i APOBEC nastali su od adenozinskih dezaminaza (ADAT) koje rade modifikaciju tRNK. Nastali su duplikacijom ovih gena i evoluirali da rade druge stvari. ADAR3 je aktivan samo u mozgu. Kod ljudi prerada u mozgu je 35x češća nego kod miševa, najčešća je u genima sa Alu nizovima. APOBEC3 kod čoveka ima 8 varijanti i ima osnovnu ulogu u mozgu. Sa fenotipskim usložnjavanjem se dešava i ekspanzija ovih gena (čovek ih ima ukupno 8).


29

Evoluciona uloga prerade RNK

Ovaj način omogućava postepenost evolucione promene.

Neće svi transkripti sa nekog gena biti prerađeni: neki će biti, a neki neće. (U ređim situacijama će svi transkripti biti prerađeni). To je mogućnost da se kreira skrivena (kriptična) varijabilnost u određenim organizmima.

Ukoliko je za funkcionisanje proteina koji će nastati potrebno da transkript npr. ne bude prerađen, a neki prcenat tog transkripta ipak bude prerađen - ta prerada se neće odraziti na adaptivnu vrednost organizma, ako ujedno postoje i neprerađeni i prerađeni. Potrebna varijanta će ostvariti funkciju i pokrivaće ostatak neadekvatnih transkripata. Ona druga varijanta neće biti selektivno prepoznatljiva jer neće uticati na fenotip organizma

Prerada povećava varijabilnost, ali to je prikrivena kriptična varijabilnost i ona je neutralna. Ta varijabilnost može da opstane ukoliko je neutralna.

Ako se promene uslovi životne sredine, one prerađene varijante mogu da se pokažu kao adaptivne, proteini koji nastaju od prerađenih varijanti mogu da budu bolje funkcionalni u novim uslovima, nego oni neprerađeni (koji su bili funkcionalniji pre promene uslova). Kada se promene uslovi životne prerađeni produkt gena (mehanizam prerade) može da bude veoma adaptivan i tada selekcija može da ga favorizuje (da postoji selektivni pritisak da ta prerada postane mnogo intenzivnija). Ovaj postranskripcioni nivo regulacije povećava evoluabilnost, čuva varijabilnost koja ne utiče na adaptivnu vrednost organizama, ali je uvek prisutna. Ovaj mehanizam, koji podrazumeva ujedno i ispravan i neispravan produkt, povećava evolvabilnost populacije.

Hipoteza "rekodiranja DNK": prerada RNK može dovesti do rekodiranja DNK informacija. Intenzivna prerada transkripata se dešava na genima važnim za reparaciju i nadziranje kvaliteta DNK. Geni za reparaciju treba stalno da popravljaju eventualne greške u DNK molekulu. Njihovi transkripti intenzivno podležu editovanju. Ako nešto podlegne editovanju i dobije se varijabilni enzim koji treba da popravlja DNK, to je takođe mogući izvor mutiranja i same DNK. Zato je prerada RNK mogućnost za rekodiranje DNK, jer imamo transkript koji pod uticajem životne sredine može drugačije da se preradi, a on treba da reguliše mutacije na DNK molekulu. Ovo je mogućnost da sama prerada može da utiče direktno na sekvencu u genomu. To donekle rešava pitanje zašto kod nekih srodnih vrsta u jednoj situaciji imamo u genomu zapisan kodon koji daje određen protein, a kod druge srodne vrste, taj protein može da nastane tek nakon editovanja na nivou RNK. Znači nešto što je opciono na RNK nivou kod jedne vrste, kod druge vrste je obligatno jer je upisano u genom. To je povratna uloga da RNK može da utiče na to kako će DNK sekvenca izgledati.

30

Transkripti gena koji treba da poprave DNK su izloženi preradi i ako ta prerada još i zavisi od uticaja spoljašnje ili unutrašnje sredine: - U ćeliji imamo preradu RNK transkripata koji treba da daju enzime za reparaciju DNK. - Ukoliko ti RNK molekuli ne budu prerađeni kako treba neće funkcionisati ni reparacija i oštećenja na DNK će ostati. Onda je ovo mehanizam koji pod uticajem životne sredine održava mutaciju, neće se popraviti ono što bi trebalo da se popravi. Znači preko RNK prerade (pod uticajem životne sredine) se održava neka mutacija. To je „re-kodiranje DNK” koje je RNK dirigovano preko prerade ili neprerade RNK molekula sa onih gena koji su odgovorni za reparaciju DNK.


1

8. Evolucija regulacije genske ekspresije (RNK jezik, remodelovanje hromatina) Pitanje 39 Nekodirajuće RNK

Transkriptom je skup RNK molekula u ćeliji, nastalih transkripcijom sa DNK. Transkriptom čine: različite iRNK prepisane sa kodirajućih delova genoma i razne nekodirajuće RNK. Od DNK do proteina, postoji važan deo regulacije (posttranskripcioni) i to je transkriptom, interakcije između RNK molekula koje menjaju ekspresiju gena. U ćeliji, od RNK molekula nalazimo: - iRNK (transkripte se gena koji kodiraju proteine) - rRNK - tRNK - brojne ncRNK (nekodirajuće RNK) koji su važni za evoluciju kompleksnih fenotipova

ncRNK mogu poticati sa svojih gena (tj. transkripcionih jedinica u genomu), iz intergenskih regiona, iz introna (sekvenci koje se nalaze u intronu), promotora. Sa različitih pozicija se dobijaju ncRNK, za koje se ranije smatralo da je to transkripcioni šum, da pri transkripciji gena koji kodiraju proteine nastaje još svakakvo đubre (šum bez ikakve f-je). Danas se zna te ncRNK kojih ima jako puno, imaju važne fje u regulaciji ekspresije gena. Sa onoga što nazivamo nekodirajući deo genoma (= svi oni delovi genoma koji ne pripadaju genima koji kodiraju proteine) se transkribuje mnogo toga sa važnim f-jama. Kod ljudi se 70-90% genoma transkribuje, naravno ne u svakm tipu ćelije, različite ćelije tj. ćelije koje pripadaju različitim tkivima, se razlikuju po tome koji od tih nekodirajućih delova genoma se transkribuje. Što znači da ovo nisu transkripcioni šumovi, đubre, već imaju važne uloge. Tu su jako uznapredovali eukarioti, što su složeniji to je više ncRNK sa vrlo različitim funkcijama.

Prokarioti imaju samo 2% genoma koji kodiraju za neku ncRNK (tj. RNK koja neće da se prepiše u protein).

2

Eukarioti tj. čovek ima: oko 20.000 gena koji kodiraju za proteine, ali ima 10.000 pseudogena koji ne kodiraju za proteine, ali koji se transkribuju (iako ne nose informaciju za polipeptid oni se transkribuju) i prisutni su u transkriptomu ćelije (bar 20% pseudogena se transkribuje), 9000 nizova za male ncRNK, 10000 do 32000 nizova za duge ncRNK.

Što je organizam morfološki složeniji - ima više nekodirajućih nizova koji se transkribuju. Nekodirajuć niz je niz koji ne kodira za protein, ali se transkribuju i daju RNK.

Uloga ncRNK u ćeliji se naziva terminom RNK interferncija (ili RNK utišavanje). Oni regulišu da li će neka iRNK ući u translaciju, kakva će biti stabilnost te iRNK, kada će ući u proces tranlacije, one diriguju u velkoj meri aktivacijom i inaktivacijom gena u samom genomu - u jedru. Uloga ncRNK u ekpresiji gena su uglavnom inhibitorne, pa se ovi mehanizmi zovu RNK utišavanje ili RNK interferencija (ali ne moraju biti uvek inhibitorne). Suštinski, pošto ncRNK učestvuju u svim mogućim ćelijskim procesima, diriguju ne samo postrtanslacionim nivoima regulacije (da li će ili neće ući u prcese tranlacije), već diriguju i aktivacijom i inaktivacijom gena u genomu (u jedru) možemo reći da RNK upravlja velikim brojem procesa u ćeliji. RNK nije sluškinja u ćeliji (da radi ono što nalaže DNK), već upravlja mnogim procesima aktivacijom gena, transkripcijom, translacijom i izgleda nam da RNK upravlja ekpresijom naslednog materijala. To je logično ako se setimo genetičkih sistema čiji je začetnik bila RNK i ona se nije odrekla svojih upravljačkih uloga u genetičkim sistemima. Na koji način ncRNK u jednoj ćeliji regulišu da li će gen koji je transkribovan ući u translaciju i dati proteinski produkt, što je jako važno jer gen koji ne daje proteinski produkt ne učestvuje u formiranju fenotipa ćelije. Što znači da i RNK molekuli značajno učestvuju u diferencijaciji ćelija i tkiva.


3

Male ncRNK Kada se male ncRNK pojave u transkriptomu, nc RNK po principu komplemetarnosti treba da prepozna neku ciljnu iRNK, zakači se za nju i spreči je da ode u proces translacije ili je uništi. ncRNK to ne radi sama, već regrutuje i proteine koji će sve to da urade. U ovom procesu učestvuje jedna hetergona grupa proteina koja se udružuje u RISK kompleks.

Ta grupa proteina počinje da se asembluje kada se u ćeliji pojavi neka (velika) dsRNK koja je triger za formiranje RISK-a.

Triger za formiranje RISK-a je velika dvolančana RNK. Taj triger će dovesti do udruživanja proteina koju će biti sastavni deo RISK kompleksa koji treba da utiša neku iRNK.

RISK treba da prepozna tu dsRNK (ds=dvolančana), secka tu veliku dsRNK i dobijaju se mali komadi koji su zapravo male ncRNK. Male ncRNK imaju između 20 i 30 nukleotida.

Transkribuje se nešto sa genoma i dobije veliki dsRNK koja je signal za RISK, pre svega za dajser enzim u okviru RISK-u, da krene da secka tu veliku dsRNK na manje komadiće tj. male nc RNK.

RISK čine različiti proteini, ali su ARGONAUT proteini ključni. ARGONAUT proteini imaju više domena i rade više f-ja: - Jedan domen postavlja male ncRNK u poziciju da može da prepozna neku ciljnu iRNK. - domen koji secka ciljnu iRNK.

Suština malih nc RNK: - Mala RNK treba da utiša ekspresiju gena, tako što će sprečiti iRNK da uđe u translaciju. - Da bi se to desilo u ćeliji mora da se pojavi dsRNK koji nije odmah regularna mala ncRNK, već je značajno duži. - Enzimi iz RISK-a seckaju dsRNK na manje komade, zatim u RISK-u se jedan lanac odbacuje, ostaje mali ncRNK koji će da prepozna i da se zakači za iRNK, a enzimi RISK-a mogu da je secnu.

Što se više ide ka filogenetski složenijim organizmima, posebno kod metazoa, sve je više RISK-ova koji su kompleksniji, sve je više ARGONAUT proteina koji mogu na različite načine da deluju na druge RNK transkripte u ćeliji. - Kvasac ima samo 1 gen za Argonaut protein. - Caenorabditis ima 27 --"-- - kod većine metazoa postoje dve velike klade Argonaut proteina: - AGO klada - PIWI klada, po tome gde su locirani i gde su najaktivniji.

Argonaut proteini koji su ključni delovi RISK-a (ima više gena) dele se na ove dve velike klade (tj. familije) gena.

AGO klada proteina se nalazi svuda u citoplazmi, ili je grupisana u agregate koji se nalaze u citoplazmi - P telašca i granule stresa. P telašca imaju razne proteine, endonukleaze koje tu mogu da seckaju i degradiraju nakupljene RNK molekule, ili jednostavno da ih zaustave da ne odu u translaciju i da odlože njihovu translaciju.

4

Granule stresa su agregati citosola koji se pojavljuju u stresu i takođe arhiviraju iRNK, a kad prođe stres odlučuje se da li će te RNK biti iseckane (degradirane) ili će otići u translaciju. PIWI klasa su Argonaut proteini koji su prevashodno aktivni u germinativnoj ćelijskoj liniji i uloga im je da utišaju ME kojih u genomu ima puno.

Ima puno malih ncRNK molekula, ali 3 osnovne klase malih ncRNK su: siRNK (small interfering), miRNK (mikro RNK) i piRNK (piwi RNK) koje se međusobno razlikuju, ali se njihove funkcije često i preklapaju. siRNK i miRNK - nastaju (kako je na početku rečeno) iz dvolančanih prekursora (iz dsRNK). - veličina im se kreće od 21 do 25 nuklotida. - siRNK i miRNK se nalaze kod svih višećeljskih organizama piRNK - izvedena iz jednolančanih RNK - veličina im je i do 32 nukleotida - piRNK se nalaze kod životinja i najjasnije f-je imaju u germinativnoj ćelijskoj liniji.


5

siRNK

siRNK (kao i miRNK) počinje od prekursora koji je duža dsRNK - prekursor mogu biti 2 nezavisna lanca ili jedan isti transkript koji može komplementarno da se veže u strukturu ukosnice. Nizovi koji će kada se prepišu dati dsRNK prekursor, mogu biti egzogenog ili endogenog porekla. (egzogeno - ME koji su se ugradili u genom organizma). siRNK vrlo često nastaju od dsRNK prekurskora koji su poreklom od ME-ata, tj. transkripcijom ME-ata. Kada se napravi dugači dsRNK prekursor, prilazi enzim Dajser (koji je endoribonukleaza iz familije RNazaIII čisto informativno) i isecka na manje komade, i dobiju se mali ds siRNK od 21 nt (dvolančane si RNK od 21 nt). RISK kompleks se već udružio, u njemu se nalaze Argonaut i drugi proteini, jedan lanac sa tog malog ds siRNK se uklanja (i on se zove passinger ili putnik), a drugi je vodič koji je u sastavnom delu RISK-a. I dobijen je aktivan siRNK-RISK. Aktivirani RISK ima u sebi razne proteine, postavljen mali siRNK molekul (nekodirajuću siRNK) koji kruži po citoplazmi i prepozna neku iRNK sa komplenetarnim nizom. Kada je pronađe, veže se za nju i PIWI domen Argonaut proteina može da secne tu iRNK i tako je uništi (i ne može da ide u translaciju), RISK se odvaja, a endonukleaze u ćeliji završavaju degradaciju te iRNK. RISK može da ponovi celi proces, da ponovo degradira iRNK na koje naleti.

Ovde pričamo da degrtadira iRNK, ali može i drugi RNK sa kojima je komplementaran u transkriptomu.

siRNK nemaju svoje nezavisne gene, za razliku od miRNK. Često potiču sa sekvenci egzogenog porekla tj. sa ME, ili sa ponovljenih nizova (tandemskih ponovaka) iz okoline gena - i to je DNK template za sintezu dsRNK prekursora.

6

Da bi siRNK obavile svoju f-ju moraju ili potpuno ili delimično da budu komplementarne sa drugim RNK nizom koji treba da utišaju.

Ranije se mislilo da je neophodna potpuna komplementarnost, a danas se zna da komplementarnost ne mora biti potpuna.

Ove opisane f-je siRNK se događaju u citoplazmi, ali danas znamo da siRNK rade mnogo toga i u jedru. Evolutivni aspekt Prvo se smtralo da siRNK imaju isključivo ulogu da zaštite genom domaćina od ME, i da je to razlog zašto su prekursorkse dsRNK poreklom sa transkripata sa ME u genomu. Ali, vremenom se otkrivalo da siRNK ne interaguju samo sa ovim transkriptima, već i sa drugim RNK koje potiču sa sekvenci endogenog porekla (tj. sastavnog dela genoma domaćina, a ne stranog). Pitanje: ovaj vid regulacije je važan za odbranu od ME (koji su ušli u genom), ali kako je došlo do tranzicije da siRNK može da reguliše ekpresiju endogenih gena. To je tranzitna RNK interferencija.

Kako je došlo do tranzicije uloge siRNK u zaštiti od egzogenih RNK na regulaciju endogenih RNK ?

Kod biljaka i nematoda postoje enzimi RNK-zavisne-RNK-polimeraze (RdRP) koji na osnovu RNK niza mogu da sintetišu nove RNK nizove. (RdRP Mogu da transkribuju jednolančani niz i da naprave dsRNK molekule).


7

To je važno kod biljaka i kod nematoda, jer kad postoji jed niz (RNK molekul) koji može nanovo da se kopira, povećava se mogućnost da će se dobiti dsRNK molekuli, a samim tim i siRNK. Postojanje enzima RdRP kod biljaka i nematoda, rešava problem RNK tranzitem interferencije, jer od svakog transkripta koga može da umnoži RdRP može potencijalno da nastane dsRNK, pa time i siRNK. Da bi se napravio dsRNK, mora da postoji komplementarnost, i što je više RNK transkripata sa istog niza, veća je šansa za pravljenje komplementarnih dsRNK, koji su prvi signal (prekursor) za sintezu malih siRNK. Kod insekata i kičmenjaka ne postoji ovaj enzim, kako je onda došlo do tranzitne interferencije? Pošto genomi kičmenjaka imaju puno ponovljenih nizova, pseudogena koji su potomci nekih roditeljskih gena, ME, raznih duplikacija (jer su to veliki genomi). Brojni ponovljeni nizovi kada se transkribuju mogu da naprave dsRNK koja je signal za sintezu siRNK. Kod kičmenjaka koji imaju puno ponovljenih sekvenci nije neophodna RdRP da bi se indukovala sinteza siRNK. Zahvaljujući takvoj organizaciji genoma interferencija pomoću siRNK postala je moguća ne samo za egzogene nizove već i za endogene. Biljke imaju RdRP i intenzitet utišavanja od jedne siRNK je značajno uvećan, jer RdRP stvaraju siRNK (i od jednolančanih RNK koje transfoemišu dsRNK, a zatim ih dajseri obrađuju u siRNK). Primer (slika) pseudogen može da bude odgovoran za utišavanje svog roditeljskog gena. Pseudogen nastaje nakon kopiranja roditeljskog gena koji se ugasi različitim mutacijama, ali je i dalje su im sekvence jako slične (Pseudogen i roditeljski gen imaju veliku sličnost sekvence).

a) Gen se transkribuje i nastaje iRNK. Pseudogen se antisens transkribuje i dobije se RNK koja je komplementarna onoj sa roditeljskog gena. Ta dva lanca daju dsRNK. I na taj način je iRNK sprečena da ode u translaciju. Ona je i triger za RISK - da je dajser secka i nastanu siRNK.

8

b) Pseudogen može da sadrži ponovke, pa nakon transkripcije pravi dsRNK oblika ukosnice, koja je signal za formiranje siRNK, koja će da se koristi za utišavanje roditeljskog gena.

U molekularnoj biologiji se sve zasniva na kompelementarnosti, pa je važno da se dobiju međusobno RNK molekuli, da se napravi dsRNK koja će inicirati celi proces pravljenja malih nekodirajućih RNK.

Histonske dezacetilaze su važni enzimi koji učestvuju u remodelovanju hromatima, njihovi pseudogeni se utišavaju na ovaj način. Njihovi pseudogeni prave siRNK koje utišavaju histonske dezacetilaze. Pošto su histonske dezacetilaze važne za regulaciju ekpresije gena na nivou transkripcije, jasna je važnost uloge siRNK, jer histonska dezacetilaza treba da ukloni acetil-grupu sa histona što će pokrenuti aktivaciju gena. siRNK ovde ne radi samo cis regulaciju određenog gena, ona može posredno da ima i veoma velike transregulatorne uloge.

Prisustvo pseudogena može značajno da utiče na regulaciju roditeljskog gena. Pseudogene više ne posmatramo kao neutralne zaostavšine evolucije, oni imaju svoju vrlo bitnu funkciju u regulaciji ekspesije.

Uloge siRNK

⌦ Uloga siRNK u zaštiti od ME (upada strane RNK u genom) veoma stara evoluciona uloga siRNK, sreće se kod prokariota. CRISPR NIZ (je niz na bakterijskom hromozomu sa palindromima) između palindromskih sekvenci se ubacuje deo genoma nekog infektivnog agensa (npr. bakteriofag, plazmid), tako da bakterija u ovom delu svog hromozoma čuva deliće nekada infektivnih agenasa koji su je napali, pamti sve infektivne agense koji su je napali. To je "molekularna karta vakcinacije", imunizovana je na sve prethoden upade raznih infektivnih agenasa. U blizini su različiti cas geni, helikaze, nukleaze. Ceo CRISPR se prepiše, dobije se veliki RNK transkript koji se isecka na male RNK (crRNK) koje se udruže sa proteinima i koje su komplementarne genomu infektivnih agenasa patroliraju po ćeliji i kada zateknu i prepoznaju neki infektivni agens one ga utišaju (unište).


9

CRISPR NIZ na hromozomu bakterija predstavlja "molekulsku kartu vakcinacije". Kada bakteriju zarazi virus ili plazmid, komadić tog patogena biva ugrađen u genom bakterije. Te deliće nekada infektivnih agenasa baketrija čuva u svom genomu u delu koji se zove CRISPR gde se ti nizovi nalaze razdvojeni nizom palindromskih sekvenci. Između svake od tih kaseta nalaze se i cas geni, helikaze nukleaze. CRISPR niz transkribuje, isecka se na male RNK molekula, i one sa jednim kompleksom proteina "patroliraju" u ćeliji, i kada naiđe infentivni agens čiju sekvencu oni nose taj infentivni agens će biti uništen. I bakterije imaju ovaj RNK vođeni sistem zaštite od egzogenih RNK molekula. Takođe, bakterija kada se podeli preneće na svoje potomstvo isti taj imunitet, preneće iste sekvence tako da će i njene ćerke ćelije biti imunizovane na taj infekteivni agens.

Genom se različitim mehanizmima brani od upada stranih genoma - epigenetički mehanizmi. I RNK odbranu u širem takođe zovemo epigenetičkim mehanizmom odbrane od stranih genoma.

Opsiana je uloga u citoplazmi, gde se siRNK komplementarno vežu za iRNK i zaustave njenu translaciju. ⌦ Regulacija ekspresije gena preko interakcije sa endogenim transkriptima - posttranskripciona regulacija. ⌦ Regulacija ekspresije gena preko remodelovanja hromatina - nivo transkripcije. siRNK mogu u jedru da targetuju gene koji će biti utišani. Kod biljaka postoje različite kategorije siRNK: - casiRNK je poreklom od ME-ata, ili sa delova genoma koji imaju tandemcke ponovke. Kontroliše metilaciju DNK i modifikaciju histona na mestima odakle su casiRNK i potekle. Učestvuju u utišavanju ME-ata u genomima. - tasiRNK su endogenog porekla (različite transkripte endogenog porekla miRNK iseckaju). Targetuju sekvence sa kojih su potekle, učestvuju u remodelovanju hromatina. - natsiRNK sintetišu se sa antisens transkripata, kada je biljka pod stresom. Gen: sa sens lanca se sintetiše sa sens lanca, istovremeno sa antisens lanca se sintetiše prekursor za natsiRNK.

Natsi RNK se javlja kod biljaka koje su pod stresom. Geni se transkribuju u sens pravcu, a u antisens pravcu se transkribuje RNK od koje će nastati natsiRNK. Ova mala RNK će upravljati remodelovanjem hromatina i ekspresijom samog gena.

Kod životinja siRNK takođe može da targetuje gene koji treba biti utišani (ili aktivirani, ali pre svega utišani). Kod kvasca siRNK udružena sa AGO (ARGONAUT) proteinima formira RITS kompleks, učestvuje u transkripcionom utišavanju. Ove siRNK prepoznaje kompelementarne nizove (na mestima odakle su potekli prekursori za ove siRNK) dovodi sve te enzime koji remodeluju hromatin (stvaraju heterohromatin) i utišaju taj gen.

10

Pitanje 41

Po načinu nastanka (biosinteza) miRNK je slična siRNK - neophodan je dvolančani RNK prekursor (tj. niz koji napravi dvolančanu strukturu). Ostalo je slično mehanizmu za dobijanje siRNK:

od primarne miRNK koja ima oblik ukosnice (sa puno mehurova i petlji), enzim uklanja petlje i mehurove (kod biljaka - dicer-like, a kod životinja droša) i pravi prekursorsku miRNK koja je kraća od primarne miRNK. Kod životinja obrada do prekursorske se obavlja u jedru, a nakon toga "polu-pripremljena" odlazi u citoplazmu gde obradu završava dajser i formira se RISK. Kod biljaka ne postoji dajser, već dajser-lajk obavlja pripremu unutar jedra i tako pripremljena mala dsRNK odlazi u citoplazmu i tamo se konstituiše RISK. (Kaže da su ovo nebitni detalji, samo opis da postoje razlike između biljaka i životinja)

Kod siRNK ne postoje posebne sekvence (posebne transkripcione sekvence) koje dovode do formiranja dsRNK. miRNK imaju svoje posebne sekvence. miRNK mogu da imaju sopstvene gene. Gene za miRNK koji imaju svoje cis reulatore za koje se vezuju transregulatori, sve kao i ostali geni. To je razlika u odnosu na siRNK. Postoje miRNK čije se sekvence za sintezu primarnog RNK niza nalaze u intronima i takvi introni se zovu mirtroni (nose informaciju za sintezu miRNK). Kod ljudi, oko 50% svih miRNK potiču sa mitrona, a ostalih 50% imaju svoje gene. miRNK koje potiču sa gena i sa mirtrona imaju drugačiju evolucionu putanju - biće reči o tome.


11

miRNK geni i mirtoni

Kod biljaka, ili nema mirtrona ili im je procenat jako mali. Samo 20% tj. vrlo malo gena za miRNK se nalazi u jatima. Jata = duplirani geni kao multigenske familije, organizovanje gena u jata je karakteristično za multigenske familije. Pritom kod biljaka, u tim jatima uvek se nalaze identične sekvence, izražena je koincidentna evolucija (sve te kopije evoluiraju na isti način) jer je vrlo važno da budu indentične sekvence - povećava se doza.

Geni za miRNK Kod biljaka postoji jako malo mirtrona, miRNK koje se sintetišu uglavnom imaju svoje posebne transkripcione jedinice - gene za miRNK. Geni za miRNK su uglavnom rasuti svuda po genomu, što znači da je većina tih gena nastala nakon potpunih duplikacija genoma (poliploidije), pa je usledilo gubljenje nekih od njih (zato su svuda rasuti). 20% gena se nalazi u jatima, nastali su duplikacijom pojedinačnih gena. U jatima kod biljaka su identični nizovi za miRNK - stvaraju identične miRNK cilj je povećavanje doze određene miRNK. Životinje imaju puno mirtrona (nastanak miRNK: od primarnog velikog dsRNK molekula, po istom principu kao i kod siRNK, koji se isecka na male RNK od 20 nt). Mirtroni - kada se transkribuje jedan gen, dobije se primarni transkript sa gena, obradom primarnog transkripta dobijaju se prekursori za miRNK (koji se nalaze u intronskom regionu). Imaju puno gena za miRNK - 40% njih je u jatima, što znači da su nastali duplikacijama pojedinačnih gena, ali za razliku od biljaka uglavnom kodiraju za različite miRNK. Što znači da su nakon duplikacije te kopije podlegle subfunkcionalizaciji i neofukcionalizaciji. Kako može da evoluira gen za miRNK, kako mirtron? Neke miRNK koje imaju svoje posebne transkripcione jedinice (kao gene za miRNK) su veoma konzervisane. Kao i važni geni TF-i koji su duboko umreženi u regulatornom genomu, i ovi geni su veoma duboko umreženi u genomu i veoma su konzervisani. Geni za miRNK su konzervisani i umreženi duboko u genomu jer: - regulišu veliki broj drugih transkripata, - regulišu i ekpresiju TF-a koji su vrlo duboko umreženi u genomu. - ima mnogo miRNK koje regulišu ekpresiju Hox gena.

12

Neki geni za miRNK su veoma konzervisani

Rad (2007): - Analizirano je 30 familija gena za miRNK kod svih bilateralno simetričnih životinja. - Pokazano je da 18 familija od tih 30 ima veoma malu varijabilnost (vrlo malo su se menjale). - Menjali su se samo oni nizovi koji nisu toliko važni za f-ju miRNK tj. za prepoznavanje ciljne RNK sa kojom miRNK treba komplementarno da se veže. Neki miRNK geni (sekvence) su vrlo konzervisani kod filogenetski udaljenih taksona, kod njih postoje iste miRNK. Znači da su njihove funkcije važne i da te sekvence nemaju tendenciju da se menjaju.

Oko 10% miRNK familija je identično kod kičmenjaka i beskičmenjaka. To ukazuje na njihovu važnu ulogu, kada se evoluciono nisu menjali toliko dugo vremena.

Kako raste morfološka složenost - raste broj gena za miRNK. Što je veća morfološka složenost životinja - raste broj gena za miRNK tj. ima više miRNK koje mogu da regulišu ekspresiju gena na posttranskripcionom nivou.

Što je kompleksniji organizam broj gena za miRNK je sve veći: sunđeri imaju 8 gena za miRNK, knidarije 49, nematode 207, ribe 358, glodari 720, čovek 1424.

Mirtroni su introni koji sadrže sekvencu za miRNK. Pojava da intron dobije ovu (novu) f-ju je

intronska eksaptacija. Ove sekvence za miRNK su veoma varijabilne, lako nastaju i nestaju tokom evolucije. Što je organizam filogenetski mlađi (kako je napredovala evolucija) sve je više onih miRNK koje potiču sa mirtrona u ukupnom sastavu miRNK. Mirtroni su evoluciono mlađi u odnosu na gene za miRNK. Za razliku od gena za miRNK od koji su mnogi duboko umreženi u regulatornom genomu i visoko konzervisani, mirtrni se brzo menjaju, nastaju i nestaju u okviru sekvence u intronu. Bitna razlika između siRNK i miRNK: - za siRNK ne postoje posebni nizovi koji predstavljaju posebne transkripcione jedinice, ili su deo gena. - kod miRNK postoje posebne transkripcione jedinice sa kojih se sintetišu tačno određene miRNK. - Način na koji se dolazi od dsRNK do siRNK ili miRNK je veoma sličan - uključuje RISK, Dajsere... - I siRNK i miRMK vrše f-ju u citoplazmi, gde utišavaju određene iRNK. Ali siRNK može i u jedru da obavi aktivaciju i inaktivaciju gena preko remodelovanja hromatima. - miRNK je skoncentrisana na transkriptom.


13

Kod biljaka neophodno je da miRNK ima potpuna (ili skoro potpuna) komplementernost sa iRNK koju prepoznaje. Neophpdna je visoka komplementarnost između regiona na iRNK i miRNK. Mesta prepoznavanja u iRNK se nalaze u 5' UTR, 3'UTR ili u kodirajućim nizovima biljak. Kod biljaka najčešće dolazi do sečenja i degradacije prepoznate iRNK.

Kod životinja nije potrebna potpuna komplementarnost miRNK i ciljne iRNK. Na miRNK postoji semenski region i to je mali niz nukleotida važan za komplementarno prepoznavanje ciljne iRNK. Semenski region se najčešće nalazi (kod miRNK od 22nt) od 2. do 8. nukleotida, nakon njega ide Adenin. Svega 6 nt je važno za prepoznavanje ciljne iRNK, a ni tu nije neophodna potpuna komplementarnost - tu se vidi koliko je labilna veza između njih.

Niz nukleotida na ciljnoj iRNK koji prepoznaje i za koj se vezuje miRNK preko svog semenskog regiona je MRE (miRNK vezujuće mesto na iRNK).

Na ciljnoj RNK (iRNK) postoje mesta MRE (miRNK vezujući niz na iRNK) koja prepoznaju i za koja se vezuju miRNK preko svog semenskog regiona, najčešće se nalazu na 3'UTR-u na iRNK, ali može da bude i na drugim regionima. Kod životinja, kada se pronađu miRNK preko svog semenskog regiona i MRE na iRNK, (RISK kompleks), najčešće ne dolazi do degradacije iRNK (ne dolazi do sečenja iRNK kao kod biljaka), već se samo zaustavlja i odlaže translacija, ili se skraćuje poliA repić ili se na drugi način se ugrožava stabilnost te iRNK. Razlike: Kod biljaka se najčešće secka prepoznata iRNK, a kod životinja se ne secka već se odlaže translacija. Kod biljaka je važna potpuna komplementarnost i samo 1% iRNK uopšte ima MRE (mesta za prepoznavanje semenskog regiona miRNK molekula). Te miRNK su specifične za tačno određeni transkript. (znači reguliše tačno određeni gen, tj. transkript sa njega).

14

Kod životinja nije neophodna potpuna komplementarnost u prepoznavanju i zato jedna miRNK može da prepozna mnogo različitih iRNK (jedna miRNK može da kontroliše i ekpresiju čak 200 različitih gena, jer nije potrebna potpuna komplementarnost). Jedna iRNK može da ima mnogo različitih MRE-ova, odnosno može za sebe da vezuje mnogo različih miRNK. Kod biljaka nema preklapanje između određenih iRNK i određene miRNK - jedna miRNK za jednu iRNK. Kod životinja jedna iRNK može biti regulisana velikim brojem miRNK, i jedna miRNK može da reguliše veliki broj informacionih RNK. Preklapanje je veliko. Funkcionisanje miRNK

miRNK treba da zaustavi translaciju neke iRNK. Ona neće utišati (ugasiti) gen, je ne može da ode u jedra. Ona će utišati određenu proporciju od ukupne količne iRNK koja se transkribuje sa nekog gena.

Npr. prisutno je malo miRNK, a puno iRNK, to znači da će mala proporcija te iRNK biti utišana, a ostatak će otići u translaciju.

miRNK kvantitativno regulišu nivo ekspresije nekog gena - ne pale ga i ne gase ga, već kvantitativno određuju količinu iRNK koja će ući u proces translacije. To je važno, jer može da odredi sudbinu ćelije. Primer: miR-9a koja kontroliše aktivnost TF-a kod drozofile koji se zove sens. Taj TF ima svoju regulatornu mrežu gena (TF aktivira i inaktivira određene gene) i kada je prisutan u ćeliji upaliće tačno određene gene koji će od te ćelije napraviti prekursorske senzorsne ćelije za različite senzorne organe (SOP ćelije).

- U SOP ćelijama se aktiviraju geni koji vode ćelije u pravcu diferencijacije i formirana senzornih organa. - U neSOP ćelijama (= ćelije koje ne treba da se diferenciraju na taj način) nije inaktiviran sens TF, već je regulisan uz pomoć miRNK. sensTF se eksprimira ali miRNK mu nedozvoljavaju da ode u translaciju i nastane protein TF.

To je pokazano na sledeći način: Kada je kod drozofile inhibirana ova miRNK, nije imalo šta da zaustavi translaciju iRNK sa sens gena. U mnogim od tih ćelija sensTF je prešao prag količine koji je dovoljan da aktivira svoju regulatornu mrežu, tako da je i u određenemo broju neSOP ćelija gde je sensTF prešao prag došlo do diferencijacije kao kod SOP ćelija. Ovde nije regulacija na nivou aktivacije gena, već na nivou njegove kvantitativne ekspresije što reguliše miRNK.


15

Danas znamo da miRNK regulišu veliki broj TF-a, počevši od HOX gena koji su važni za

organizaciju tela višećelijskih životinja, a samim tim utiču na veliki broj ćelijskih f-ja: - vremensku kontrolu ekpresije gena tokom razvića - regulaciju apoptoze (da li ćelija da preživi ili će da se samouništi) - kontrola rasta i diferencijacije ćelija miR-430 familija gena je jedna od prvih koje se aktiviraju u zigotu, osnovna uloga ima je da utišaju mamine iRNK i da dođe do majka-zigot tranzicije i da genom zigota počne da se eksprimira.

Ona je među prvim genima koji se u zigotu eksprimiraju, i njena je uloga da utiša mamine iRNK, i da genom zigota počne da bude aktivan.

Ova ista familija gena je od presudne važnosti za formiranje klicinih listova: ektoderma, mezoderma i endoderma. - međućelijska komunikacija: različiti signalni molekuli su kontrolisani od strane niRNK - razviće i funkcionisanje nervnog sistema. mi RNK omogućavaju brze reakcije i brzo formiranje aktivnih sinapsi.

Za evoluciju čoveka je aktivnost miRNK jako važna i velika u mozgu - tu postoji intenzivna aktivnost miRNK: jer neuron ima akson koji može biti dug i 1m, pa je telo neurona poprilično udaljeno od sinapse (1m) - ta vrlo brza reakcija u sinapsi se ne bi mogla ostvariti bez regulacije koja se ostvaruje preko miRNK: dok bi stigla informacija, dok bi se transkribovalo, to ne bi bila brza neurološku reakciju.

16

Evolucija miRNK Evoluciona dinamika - mnogo veća od evolucije gena koji kodiraju proteine (mnoštvo species-specifičnih miRNK) Laka promena regulatorne mreže ← mutacije dovode do nastanka ili nestanka MRE na iRNK (ili semenskog regiona na miRNK) Evolucija novih miRNK – u početku nivo ekspresije nizak - Prirodna selekcija postepeno proširuje intenzitet i broj regulisanih iRNK Uloge u specijaciji - nastanak reproduktivne izolacije - Veliki broj miRNK na polnim hromozomima (uloga u determinaciji pola) - Npr. kod ljudi X hromozom sadrži informaciju za 10% svih miRNK, a Y hromozom nema miRNK - Evolvabilnost gena na polnim hromozomima obezbeđena evolucijom regulacije ekspresije - Reproduktivna barijera ←poremećena koordinacija regulatorne mreže u hibridnom potomstvu. Brzina evolucije miRNK (izuzimajući gene za miRNK koji su visoko konzervisani) je mnogo veća od evolucije gena koji kodiraju proteine (kod kojih treba da dođe do mutacije nekog nukleotida u kodirajućem nizu, ili u cis nizu). Ovo je mnogo brža evolucija, naročito kod mirtrona. Pošto je vrlo mali broj nukleotida (i na miRNK i na ciljnoj iRNK) važan za komplementarno prepoznavanje, vrlo mala promena - jedna mutacija nukleotida može lako da promeni semenski region na miRNK (ili MRE region na iRNK) i tako potpuno promeni regulatornu mrežu u kojoj učestvuje miRNK. Kod konzervisanih gena sekvenca na miRNK ne može lako da se promeni, ali može da se promeni MRE region na iRNK (tj. ta sekvenca koju će da prepoznaje miRNK). Evolucija regulacije pomoću ovog molekula, na nivou transkriptoma, je jako brza jer se regulatorna mreža jedne miRNK vrlo lako može promeniti sa jednom nukleotodnom promenom. Kada se pojave nove miRNK, one neće odmah da imaju svoju ulogu. One postepeno ulaze u regulaciju nekih iRNK, i ukoliko se to pokaže kao dobro to će biti selektivno favorizovano i svaka mutacija u tom pravcu biće selektivno favorizovana, tako da nove miRNK postepeno proširuju svoju regulatornu mrežu (postepeno dobijaju nove uloge). Uloge u specijaciji: X hromozom sadrži mnogo više sekvenci za miRNK nego Y. Kod ljudi 10% svih sekvenci za miRNK se nalaze na X hromozomu, a Y hromozomu ih nema. Smatra se da miRNK omogućavaju evolvabilnost vrlo rigidnog X hromozoma, tu su geni vrlo rigidni iz razloga što mora da postoji kompenzacija doze između polonih hromozoma. Mnogi od ovih miRNK na X hromozomu učestvuju u imunskim odgovorima, pa je to jedan od razloga zašto žene (ženke sisara) žive duže od mužjaka, jer imaju duplu dozu X hromozoma pa samim tim i više miRNK jer mnoge od tih miRNK nisu utišane kada se utišava jedan X hromozom. Smatra se da je to razlog zašto žene imaju bolji imunski odgovor na kancerogenezu, infekcije, stres, ali je cena toga je da žene češće obolevaju od autoimunskih obolenja od muškaraca, tj. mužjaka sisara.


17

Reproduktivna izolacija: miRNK na polnim hromozomima učestvuje u procesu reproduktivne izolacije. Pošto postoji vrlo brza evolucija miRNK sekvenci na polnom hromozomu kod dve populacije (jer lako evoluiraju, kao što je rečeno), hibrid između te dve populacije biće ili sterilan ili invijabilan jer regulatorne mreže koje formiraju različite miRNK mogu biti nekompatibilne. Reproduktivna barijera nastaje između dve populacije u kojim su brzo evoluirale različite miRNK koje formiraju svoje različite regulatorne mreže - pa hibrid ima problem oko uspostavljanja regulatone mreže koju određuju različiti miRNK transkripti. To može izazvati hibridnu sterilnost ili invijabilnost.

PITANJE piRNK

Njise javljaju Porsa transpozneoblastimregeneracij

Posprotein iz P Nekpahitenu će se epigeneembriogenpočinju da PošpiRNK tad Smepigenetičk plastičnost

Dakle piRN

42

ihov nastanaspermatozo

reklom su ozona. Piwi k

ma (totipotenje tela).

stoje sens iPiwi klase g

ke piRNK elijske deob

Osnovna uetički mark

neze kod sis"šetaju" po

što se u gada imaju važ

matra se da ko nasleđiv

Kod morsti sinapsi).

NK nisu važ

ak i evolucioidi i jajne ć

od transpozoklasa Argonntne ćelije k

Sekeukariotašetanja po

i antisens lagena, a sens

nisu porekbe.

uloga piRNkeri (najvesara. Kada o genomu. ametogenezžnu ulogu d

piRNK moanje.

kog puža A

žne samo u

ija se vezujćelije).

ona (=ME). naut proteinkoje se akti

kvence za , ali ti trano genomu. D

anci jedne s lance obrađ

lom od tran

K je repreeći broj njise obrišu s

zi i u ranimda ih utišava

ogu da targe

Aplizije pi

piRNK reživotne sdugotrajne **

germinativ

18

ju za pojavu

Piwi klasa na se ekspriivne kod or

piRNK sunspozoni suDrozofila i č

iste DNK đuje AGO3

nspozona to

esija ME u ih) obriše

svi epigenet

m fazama eaju.

etuju određ

iRNK učes

egulišu serosredine mee memorije.**Serotonin j

vnoj liniji, v

u germinati

proteina seimira najvišrganizama k

u poreklomu izgubili mčovek ih im

sekvence, a3. piRNK na

o su pahite

germinativu procesu

tički marke

embriogenez

đene gene z

stvuju u fo

otonin zavienja se se je neurotrans

eć izgleda d

vne ćelijske

e vezuje za oše u germinkoje imaju v

m od transpmogućnost

ma jako puno

antisens lanastaje u PIN

enske piRN

vnoj ćelijsku gametogeeri koji drže

ze ME-i ne

za utišavanj

ormiranju d

isnu metilaerotonin ko

smiter značaj

da imaju i b

e linije (kod

ove transkrinativnoj ćeliveoma viso

pozona upaautonomno

o.

nce obrađujNG-PONG o

K, koje su

koj liniji. Šeneze i pree pod kontr

e čuvaju po

e, zbog čeg

dugotrajne

ciju DNK, oji utiče n

jan za formir

brojne fruge

d životinja

ipte koji potijskoj liniji,oku sposobn

alih u genoog iskrajanj

e Piwi i Aobradi.

najaktivnij

Što je važnoeimplantacirolom ME,

od konreolo

ga su važne

e memorije

pod uticajna formira

ranje memor

fj-e.

gde

tiču , i u nost

ome ja i

AUB

je u

o jer ione oni

om,

e za

e (u

jem anje

rije.


19

piRNK su kod životinja vezane za germinativnu ćelijsku liniju gde im je osnovna funkcija inhibicija mobilnih elemenata. Prvo što smo pominjali kada dolazi do te velike demetilacije genoma? U gametogenezi i u prvim fazama razvića dolazi do demetilacije genoma a kod sisara u ovoj pre-iRNK fazi i tada se oslobađaju ME-i da krenu da trče po genomu. Uloga piRNK je da u tim fazama inhibira mobilne elemente. Druge male RNK

snoRNK (small nucleolar RNA) i do 200nt - upravljaju proteinskim kompleksima koji dovode do hemijske modifikacije drugih RNK (rRNK, tRNK, splajsozomskih RNK, drugih ncRNK, moguće i iRNK)

“RNK slične miRNK” - nastale skraćivanjem nekih tRNK - Regulacija ćelijskog ciklusa i apoptoze (preko regulacije iRNK nekih gena)

Grupa malih RNK - regulacija inicijacije transkripcije ← nastaju oko mesta vezivanja RNK polimeraze II - PASR (promoter-associated RNA) – 20-200nt komplementarnih mestima oko promotora - Nastaje skraćivanjem iRNK sa obrađenim 5’krajem - TSSa-RNK (transcription start site associated RNA) – 20-90nt komplementarnih regionu -250 do +50 nt oko mesta početka transkripcije - tiRNK (transcription initiation RNA) – 18nt komplementarnih nizovima nizvodno od mesta početka transkripcije - Uloga u pozicioniranju nukleozoma koji se prvi sreće u genu nakon inicijacije transkripcije One se mešaju u mnogo procesa u ćeliji. snoRNK - dugi do 200nt, nalaze se u nukleolusu (jedarcetu). Nalaze se i u drugim mestima, ali tu su prvo otkrivene. Učestvuju u hemijskoj modifikaciji ribozomalne RNK, transporne RNK, splajsozomskih RNK, moguće i informacione RNK.

snoRNK - male jedarcetove RNK: Prvi put su otkrivene kao RNK molekuli koji učestvuju u modifikaciji rRNK, zbog toga i jesu u jedarcetu i tako su i dobile ime. One utiču na hemijske modifikacije svih nekodirajućih RNK (rRNK, tRNK, splajsozomskih RNK), a moguće i iRNK. One nisu tako male, imaju i do 200 nukleotida.

“RNK slične miRNK” - nastale su skraćivanjem nekih transportnih RNK Učestvuju u regulaciji ćelijskog ciklusa i apoptoze (preko regulacije iRNK nekih gena). Imaju jako važnu ulogu u utišavanju. Grupa malih RNK koji učestvuju u inicijaciji transkripcije Znači ne utišavaju sve, već neke male ncRNK mogu da aktiviraju proces transkripcije i da učestvuju u inicijaciji transkripcije. (Nastaju oko mesta vezivanja RNK polimeraze II). 1) PASR je komplementarna mestima oko promotora gena koji treba da bude transkribovan. Nastaje skraćivanjem iRNK sa obrađenim 5’krajem. Udružuje se sa kompleksom proteina (koji sadrži RNK polimerazu) koji treba da započne transkripciju. 2) TSSa-RNK je komplementarna nizu oko mesta početka transkripcije. Udružuju se sa kompleksom za transkripciju.

20

3) tiRNK vrlo je kratka 18nt, komplementarna nizovima od mesta početka transkripcije do prvog nukleozoma. Uloga u pozicioniranju nukleozoma koji se prvi sreće u genu nakon inicijacije transkripcije: Kada kopmleks (RNK polimeraza) krene da transkribuje, naleti na prvi nukleozom, što otkači kompleks za transkripciju sa DNK, ali taj mali niz koji je do tada sintetisan postaće tiRNK. tiRNK će se udružiti za kompleksom, i kada taj kompleks sa RNK polimerazom počene ponovo transkripciju, ova mala tiRNK učestvuje u modifikaciji tog nukleozoma i omogućava da kompleks sa RNK polimerazom prevaziđe taj nukleozom i da nastavi transkripciju. tiRNK - ima 18 nukleotida komplementarnih nizovima nizvodno od mesta početka transkripcije. Pozicionira prvi nukleozom od početka mesta transkripcije. Kada RNK polimeraza počne da sintetiše RNK i kad dođe do prvog nukleozoma, ona otpada sa lanca i vraća se na početak. Mali transkript koji tu nastaje je tiRNK i ona udružena sa kompleksom proteina modifikuje sam nukleozom pa kada RNK polimeraza ponovo krene da sintetiše RNK više je taj nukleozom ne zaustavlja. To je uloga ove tiRNK.


21

PITANJE 43 Duge ncRNK (lncRNK)

___

Duge ncRNK (lncRNK) su sve ove preko 200nt, a mogu biti i dosta duže. Važne su kao i male ncRNK. Vrlo raznovrsne. Tkivno specifične (u nekim tkivima se transkribuju u nekim ne).

Mogu nastati na različite načine:

- Sens i Antisens lncRNK: Nastaju sa jednog ili više egzona istog ili suprotnog lanca DNK u odnosu na onaj koji stvara iRNK.

Nastaju od jednog ili više egzona istog (sens lncRNK), ili suprotnog lanca u odnosu na lanac od koga nastaje iRNK kada je reč o antisens lncRNK.

- Bidirekcione lncRNK: udaljena od gena za iRNK ali imaju iste cis regulatore lncRNK i iRNK susednog gena sa suprotnog lanca DNK kontrolisane istim cis-elementima

Transkribuju se sa susednog gena u odnosu na gen koji je aktivan i to sa antisens lanca ali ono što je zajedničko za aktivan gen i ovaj lncRNK transkript jeste da su regulisani istim cis regulatornim elementima

- Intronske lncRNK transkribuje se sa introna gena koji kodiraju proteina

22

- Intergenske ima svoj gen za svoj transkript Transkribuje se sa nukleotidnih nizova između dva gena koji kodiraju

proteine. (tj. sa nukleotidnih nizova koji ne pripadaju nijednom klasičnom genu)

- lncRNK poreklom sa 3’UTR regiona

Nastaje unutar 3'UTR regiona gena koji kodiraju proteine, ispoljava se kod sisara: u ćelijama korteksa i hipokampusa mozga, Sertolijevim ćelijama testisa.

Uloge lncRNK

lncRNK imaju više uloga u: - diferencijaciji ćelija - regulaciji aktivnosti TF - genomskom utiskivanju - regulaciji kancerogeneze - prisutne u parapegama u jedru (= strukture važne za transporti iRNKiz jedra u citoplazmu) - Važne su za regulaciju kako će izgledati hromatin u genomu. Na stotine lnc RNK prati prostorno i vremensko aktiviranje HOX gena sisara. Različite lncRNK učestvuju u ovoj kontroli aktivacije gena. - Posrednici u aktivaciji transkripcije nekih gena

Npr. gen ima pojačavač koji je udaljen 1MB (megabazu) od njega, za koga treba da se veže TF koji treba da inicira aktivaciju tog gena, tj. promotora. Tu mora da dođe do takvog upetljavanja da specifični TF dođe u konrakt sa mašinerijom za transkriciju. U tome učestvuju lncRNK i to je pojačavač-RNK koja se transkribuje sa pojačavača, i onda zajedo sa TF-ima učestvuje u promeni konformacije DNK gde će doći do kontakta pojačavača i promotora. To rešava problem sa dugačkim razmacima između cis regulatornih nizova.

- Slično radi i aktivaciona ncRNK.


23

lncRNK kao posrednici u interakciji pojačavača i promotora tj. u regulatornoj ulozi pojačavača omogućavaju upetljavanje genoma tako da pojačavač dolazi u kontakt sa promotorom: Postoje dve klase lncRNK koje pomažu upetljavanje DNK koje omogućava da dođu promotor i pojačavač u blizak kontakt a to su: - pojačavač-RNK (enhancer-RNA) – koja se transkribuje sa samog pojačavača - aktivaciona ncRNK (activating ncRNA) – koja potiče iz nekih nekodirajućih regiona ali je pronađeno da se petlja i u sam taj posao upetljavanja odnosno zgužvavanja genoma

lncRNK posrednici u interakciji pojačavača i promotora kada dolazi do inicijacije transkripcije.

Postoji lncRNK koja se transkribuje sa pojačavača i zove se pojačavač-RNK. (pojačavač nije samo jedan CIS regulatorni element za koga se kače TF-i, već se i on nekad transkribuje) -Pojačavač-RNK ulazi u kontakt sa proteinima koji menjaju koformaciju DNK dovodeći u blizak kontakt pojačavač koji može biti veoma udaljen od promotora. -Aktivaciona ncRNK potiče sa nekodirajućih regiona, ima sličnu funkciju.

24

PITANJE 44 Regulacija na nivou transkriptoma

Suma priče o RNK molekulima. U mnoštvu RNK prisutnih u ćeliji - iRNK, razne ncRNK sa raznim f-jama. Između njih postoji interakcija i to je značajan nivo regulacije ekspresije gena. "ceRNK hipoteza" (hipoteza kompetirajućih endogenih RNK molekula): komunikacija između različitih RNK u transkriptomu se obavlja zahvaljajući miRNK, odnosno zahvaljujući semenskim regionima na miRNK i MRE-ovima na različitim drugim RNK molekulima prisutnim u tom transkriptomu. - Jedna miRNK može da prepozna mnogo drugih RNK u transkriptomu (npr iRNK). - Jedan RNK (iRNK) nosi nizove (MRE-ove) za mnogo miRNK. Umrežavanje i prepletanje ncRNK i drugih RNK molekula je veliko. I lncRNK takođe nose MRE-ove koje prepoznaju miRNK. Ova hipoteza kompetrijaćuih endogenih RNK se tako zove jer: - miRNK kvantitativno reguliše molekule informacione RNK. - postoji ograničena količina miRNK i postoje razne iRNK koje mogu da prepoznaju te miRNK. Ukoliko se miRNK veže za jedne informacione RNK, to znači da miRNK neće utišavati ove druge. Što se više vežu za jednu, ove druge iRNK neće biti zaustavljene i otićiće u translaciju i dobiće se proteinski produkt. Na taj način količina informacione RNK sa jednog gena utiče na to kakva će biti ekspresija drugog gena sa kojim deli taj MRE (MRE je na iRNK). Ta kvantitativna interakcija postaje jako važna. Ranije se mislilo da koliko je iRNK, toliko će dati i proteina. Međutim, budući da postoji "skriveni RNK jezik" koji se bavi komunikacijom MRE i semenskog regiona i umreženim interakcijama, vidimo da količina iRNK sa jednog gena može jako da utiče na aktivnost drugog gena i obratno. Znači, važno je i koje su informacione RNK i koliko su prisutne što utiče na druge transkripte. Količina RNK u genomu je transregulatorni nivo regulacije ekspresije gena.


25

Pseudogeni: Ranije se mislilo da kada se ugasi gen neće biti proteina. Međutim, činjenica da se mnogo pseudogena transkribuje (da ima svoj RNK transkript) znači da nije nevažno da li je pseudogen ostao u genomu ili je bio deletiran i tako ispao iz genoma. Primer je PTEN gen koji je tumor supresor gen, on drži pod kontrolom ćelijski rast. Kada njega nema dolazi do neobuzdanog rasta ćelija (kancer). Ovaj gen ima i svog pseudogen PTEN1. Ako se transkribuju i jedan i drugi transkript sa pseudogena pokupi na sebe miRNK što znači da nema pun miRNK koje će inhibirati sintezu tumorsupresor gena i ćelija je pod kontrolom. Ukoliko se desi nešto sa pseudogenom (deletira se), sva miRNK će se nakačiti na iRNK PTEN gena i neće biti tumorsupresora i doći će do kancerogeneze. Kod kancera koji su uzrokavani ovim poremećajem, nema mutacije PTEN gena, već je problem sa pseudogenom. U ćelijama eukariota su jako prisutne cirkularne RNK, koje nastaju nakon obrade primarnog transkripta gde se egznoi vezuju glava-rep. I dobije se RNK koji ima jako puno MRE-ova. Kao i kod CRISPR-a kod bakterija, i ovo je molekul koji patrolira po ćeliji i skuplja na sebe različite miRNK i obezbeđuje da drugi geni budu aktivni. Oni deluju kao "sunđeri" skupljaju na sebe miRNK da bi drugi geni bili aktivirani. Danas postoji ideja da se prave veštački sunđeri za miRNK, u vidu cirkularne RNK sa MRE-ovima koji će na sebe da skupljaju miRNK, i to može biti terapijski važno ako se utvrdi da je bolest uzrkovana povećanom količinom miRNK koje inhibiraju aktivaciju nekih tumorsupresor gena. Poenta: Ovaj deo regulacije ekspresije gena je jako kompleksan i važan u evoluciji. Evoluciono je dinamičan, mnogi geni se ne regulišu konvencionalnim putevima kako se ranije mislilo (TF ga ugasi, il ga ne ugasi, hromatin ga ugasi ili ga ne ugasi), već upravo na ovom nivou - a to je nivo koji jako brzo evoluira. To čini dinamiku i brzu evoluciju višećelijskih organizama, i što su veći i kompleksniji to je ova evolucija brža.

26

_________________________________________________________________________skripta 44. Regulacija na nivou transkriptoma i evolucioni značaj

Genska ekspresija zavisio raznih interakcija kodirajućih i nekodirajućih RNK transkripata. Odvijanje regulacije

Prema ceRNK hipotezi (kompetirajuća endogena RNK hipoteza): Komunikacija između RNK transkripata se odvija preko mikroRNK (imaju semenski region) i raznih RNK koje imaju MRE (MRE=segmente koje prepoznaje miRNK). Kompetirajuća hipoteza je: ako dve RNK (npr.iRNK) imaju isti MRE, one su u kompeticiji za istu miRNK. Uloga ovoga: Postoji određena količina neke miRNK i sve se vežu za jednu iRNK i neće biti dostupna za drugu iRNK. Na taj način, prisustvo i količina jedne iRNK koja ima isti MRE kao i neka druga, reguliše koliko će ovaj drugi transkript (a samim tim i gen) biti inhibiran preko toga koliko se miRNK vezalo za ovu prvu. Poenta je u titriranju količine miRNK, kada jedna iRNK veže miRNK, druga će biti slobodna i ući će u translaciju. Na ovaj način se reguliše nivo ekspresije. To je po kompetirajućoj hipotezi. Jedna iRNK može da ima više različitih MRE, jedna miRNK može da se vezuje za više različitih RNK transkripata. Znači, sa samo jednom miRNK moguća je komunikacija između velikog broja različitih RNK transkripata u transkriptomu. Pseudogeni - pseudogeni i njihovi roditeljski geni imaju uglavnom identičnu sekvencu, i njihovi MRE si identični. Pseudogeni nisu bez efekta. Ako se transkribuju i pseudogen i aktivni gen, što je više pseudoogena to će oni više vezati za sebe miRNK, a roditeljski gen će biti više aktivan (tj. transkripti roditeljskog gena nisu blokrani), znači prisustvo pseudogena povećava aktivnost gena.


27

Primer: u kancerogenzi, PTEN gena je jako važan tumor supresor (važan TF), oni ima svoj pseudogen i ukoliko se transkribuje i pseudogen, aktivnost PTEN gena je veća i samim tim verovatnoća transformacije ćelije u kancerogenu je manja. Kod nekih ljudi kod kojih je došlo do pojave kancera pokazalo se da se nije desila mutacija u genu, već delecija u pseudogenu. Znači, došlo je do poremećaja regulacije ekpresije. Kada postoji delecija pseudogena on se me transkribuje, sve miRNK se kače na iRNK sa gena koji treba da bude aktivan i tako blokiraju njegovu translaciju. Danas u medicini se pokušava da se kancerska oboljenja leče preko miRNK sunđera ili MRE sunđera, da se zapravo sintetiše RNK koja ima veliki broj oderđenih semenskih regiona i kada se ubaci u ćeliju ona će da vezuje određene iRNK i da blokira njihovu translaciju i to u nekim situacijama može da blokira i transformaciju ćelije. RNK sunđeri su tek u povoju, to je dosta komplikovano jer mogu da se vezuju neke iRNK koje ne bi trebalo da se vezuju.

lncRNK imaju MRE (=mesta prepoznavanja miRNK), miRNK mogu da regulišu i njih. iRNK imaju i regulatronu ulogu. iRNK koje potiču sa različitih gena mogu biti u interakciji preko zajedničkih MRE. Znači, da količina iRNK sa jednog gena može značajno da utiče na to šta će biti sa transkriptima sa drugog gena (tj. da li će ući u tranlaciju i nastati proteini). I količina je važna; da li će jedan protein i u kojoj meri biti sintetisan zavisi od toga koja je količina iRNK nekog drugog gena sa kojim je ovaj prethodni gen u komunikaciji preko njihovih RNK transkripata. ________________________________________________________________________________

28

PITANJE 45 Remodelovanje hromatina i evolucioni značaj

Nivo transkripcije: Pričano je o regulaciji transkripcije na goloj DNK (na osnovu CIS nizova koje treba da prepozna neki TRANS regulator). Međutim, DNK u jedru nije gola, okružena je nrojnim histonskim i nehistonskim proteinima. Sada pričamo o histonskim proteinima. Gola DNK je umotana oko nukleozoma. Nukleozomi su telašca koja se zovu histonski oktameri i sastoje se od po 2 molekula H2A, H2B, H3 i H4 histona. Oko njih je umotana DNK, između njih je DNK koja je različite dužine (zavisno od tkiva, u neuronima je vrlo kratka ta neumotana DNK između nukleozoma). Histon 1 (H1) pravi vezu između nukleozoma. On dalje upetljava DNK.

H1 histon komunicira sa inernukleozomskom DNK i sa histonima na drugim nukleozomima i dovodi do daljeg pakovanja u hromatinsko vlakno.

Da bi aparat za transkripciju gena mogao da priđe DNK molekulu, mora da dođe do lokalne dekondenzacije tog upetljanog hromatima. Kada je DNK upetljan (kada je puno proteina napravilo petlje hromatina) ne mogu da priđu enzimi koji treba da obave transkripciju (kompleks sa RNKpolimerazom II, TF-i, i ostali proteini). Za transkripciono aktivan gen mora da dođe do razmotavanja i izlaganja DNK molekula transkripcionom aparatu.

U oblasti gena koji treba da bude transkribovan mora doći do dekondenzacije hromatina da bi enzimi transkripcije (regulatorni proteini, RNK polimeraze i dr.) prišli promotoru gena. Promene u organizaciji hromatina koje prethode transkripciji nazivaju se Remodelovanje hromatina. Na osnovu gustine organizacije hromatina razlikujemo: -euhromatin (svetlilji, geni aktivni) i -heterohromatin (tamniji, gusto pakovanje, geni utišani, mada su danas poznati neki geni koji mogu biti vrlo aktivni). U gustom pakovanju enzimi transkripcije ne mogu prići promotoru gena. Odvijanje transkripcije (da li će gen biti aktivan ili ne) zavisi od remodelovanja hromatina.


29

Hromatin koji određuje koliko i na koji način je umotana DNK, može kontroliše koi geni u ćeliji su aktivni, a koji nisu. Remodelovanje hromatina je proces promena u organizaciji hromatina koji prethodi transkripciji. U jedru svake ćelije (ćelija kože, jetre) hromatin je spakovan na različite način. Hetrohromatin oko centromera i telomera se nikad ne raspetljava - Konstitutivni heterohromatin. Fakultativni heterohromatin je jako upetljan u jednom tipu ćelije (na određenom delu genoma), a u drugom tipu ćelije neki drugi deo genoma će biti upetljan. Onaj koji je jako upetljan sadrži transkripciono neaktivne gene (što je više upetljan ti geni su transkripciono neaktivni, ništa ne može da im priđe i zato ne mogu da se eksprimiraju). Hromatinska remodelovanja definišu u velikoj meri diferencijaciju ćelije - i to je histonski kod. Znači, ne samo koji su CIS i TRANS regulatori prisutni, nego i kako je koji deo genoma upetljan. Histonski kod se prenosi na ćerke ćelije zadržavajući transkripcionu memoriju mame ćelije i kod ćerke ćelije, i tako se dobijaju ćelije istog tkiva koja imaju isti histonski kod. Na koji način aktivnost gena može da zavisi od histona: - Položaj nukleozoma je veoma važan Mi očekujemo da su oko transkripcionih gena malo razređeni nukleozomi, ali to nije nužno, jer neke ćelije koje su plastične (npr. nervne ćelije) koje vrlo brzo moraju da menjaju svoj transkripcioni kod imaju vrlo blisko locirane nukleozome koji su tada u većim međusobnim interakcijama i mogu međusobno da interaguju i menjaju sam histonski kod. - Položaj nukleozoma zavisi od: - same DNK sekvence (gde će se pozicionirati) - od interakcije između različitih histona, i kompeticije nukleozoma sa različitim drugim proteinima npr. sa TF-ima. - Kod kvasca 80% nukleozoma je vrlo stabilno stacionirano. - Što su životinje morfološki složenije položaj nukleozoma je sve nestabilniji. To ukazuje na vrlo dinamičnu regulaciju kod velikih genoma metazoa i na tom nivou. (regulacija je vrlo dinamična i na ovom nivou, a videli smo da je dinamična i na nivou transkriptoma)

30

Uloga histonskih varijanti

Nukleozomi koji imaju H2A, H2B, H3 i H4 mogu da imaju i malo modifikovane histone u svom sastavu. Postoji nekoliko varijanti koje su vrlo važne za regulaciju ekspresije gena. H2A histon ima dve varijante: 1) H2A.X - bitno različit od originalnog H2A: ima različite AK na jednom kraju, fosforilaciju serina na 159. mestu. Ovi nukleozomi predstavljaju signale koji ukazuju na oštećenje DNK (npr. dvolančani prekid). Tu se ubaci nukleozom koji sadrži H2A.X varijantu histona, verovatno dovodi do lokalne dekondenzacije hromatina, omogućavajući enzimima popravke da priđu i izvrše f-ju.

Uloga u mehanizmu reparacije oštećenja DNK, čest oko mesta oštećenja DNK gde učestvuje u dekondenzaciji hromatina da bi reparacioni proteini imali pristup.

2) H2A.Z bitno različit od originalnog H2A (po sastavu AK) Nukleozomi sa H2A.Z su veoma stabilni, okružuju promotore aktivnih gena i predstavljaju granice heterohromatina. Nalaze se na granici između eu- i heterohromatina, označavaju mesta gde će biti aktivni, a gde neaktivni geni.

- Nukleozomi sa H2A.Z su veoma stabilni. - Okružuju promotore aktivnih gena. - Nalaze se na granicama heterohromatina gde sprečavaju njegovu transformaciju u euhromatin i obrnuto.

Smatra da je varijanta H2A.Z bila prvi način epigenetičke regulacije u diferencijaciji ćelija (znači pre bilo koje druge regulacije koja će dovesti do diferencijacije ćelija kod višećelijskih organizana na ćeliju kože i ćeliju jetre), tj. da je varijanta H2A.Z bila prvi epigenetički marker za diferencijaciju ćelija koji je ukazivao da će jedni geni biti aktivni u jednom tipu ćelije, a drugi geni aktivni u drugom tipu ćelije.

H2A.Z varijanta kod prvih jednoćelijskih eukariota i višećelijskih organizama je bila prvi regulator ekspresije gena, tj. ako nukleozom sadrži H2A.Z ili ne - gen je aktivan ili ne.

Problem je što kod kvasca prisustvo nukleozoma sa H2A.Z sprečava transformaciju heterohromatina u euhromatin (znači održava inaktivirano stanje), a kod ostalih može biti obrnuto sprečava transformaciju euhromatina u heterohromatin (tj. povezan je sa aktvacijom gena a kod kvasca sa supresijom gena). Ta uloga može biti species-specifična, a ne zna se šta je originalna uloga od ove dve. Ali zbog njegove stabilnosti se pretpostavlja da tomože biti vrlo drevna uloga u regulaciji ekpresije.


31

Kod biljaka je pozicija ovog tipa nukleozoma sa H2A.Z histonom značajna za odgovore biljaka na promene životne sredine. Njihov položaj može da se menja zavisno od toga da li je biljka pod stresom (suša, temperatura itd). H3 histon ima dve varijante: CenH3 bitno različita po AK sastavu od H3 histona Prisutan u centromernom regionu hromozoma i važan je za pravilnu segregaciju hromozoma.

Znači nije važna samo sekvenca centromere koja se sastoji od mnogo ponovljenih nizova, znači ne određuje samo DNK sekvenca centromeru i njenu ulogu, već i ovaj histon. Kada se ekperimentalno izbaci CenH3 nema dobre segregacije hromozoma

H3.3 ima samo 3 do 4 različite AK u odnosu na H3 - Javlja se dominantno oko promotora kod biljaka i životinja i u kodirajućim delovima kod kvasca. Označava aktivne gene (euhromatin) po čemu je u preklapajućoj ulozi sa H2A.Z varijantom histona. Nukleozom (koji ima H2A, H2B, H3 i H4) može da sadrži i H2A.Z i H3.3 varijantu oko aktivnih gena, ali kada u tom nukleozomu postoji i H2A.Z i H3.3 on je mnogo manje stabilan, nego samo kad postoji H2A.Z. Ovo do sada je bila priča o samom nuklozomu, o njegovom unutrašnjem sastavu, gde postoje različite varijante histona (različite primarne sekvence tj. različite AK). To je različito od posttranslacione modifikacije histona. Posttranslaciona modifikacija histona

Običan nukleozom ima H2A, H2B, H3 i H4. Iz nukloezoma vire repovi tih histona. Na tim repovima na različitim AK dešavaju se različite modifikacije, prevashodno na H3 histonu (na njemu su najpoznatije hemijske modifikacije). Ukoliko se na tom mestu neka AK (npr. Lizin) modifikuje (npr. fosforiluje se, metiluje se) to bitno menja kontakt ovog nukleozoma sa DNK molekulom koji ga okružuje i sa drugim proteinima koji treba da uđu i nešto odrade na toj DNK.

Neke od AK na repu H3 histona mogu hemijski da se modifikuju i to značajno menja da li je ta DNK aktivna ili ne tom mestu.

32

Hemijske promene AK mogu da budu: - Najmanje 9 tipova kovalentnih modfikacija od kojih su najpoznatije acetilacija, fosforilacija i metilacija. - Pošto mogu da se dese na različitim mestima, po kombinatorici je to preko 100 različitih modifikacija koje mogu da zadese histone tj. njihove repove koji vire iz nukleozoma. 1. Acetilacija: - Obavljaju je enzimi Histonske acetilaze (HAT) koje prebacuju Acetilne grupe na Lizine. Pošto je Acetilna grupa negativno naelektrisana, a DNK je takođe negativno naelektrisana, to dovodi do relaksacije kontakta između histona i DNK - otvara se DNK i omogućava se pristup transkripcionim faktorima i mašineriji.

Acetilna grupa je negativno naelektrisana što povećava negativno naelektrisanje histona. DNK je sama negativno naelektrisana, pa će biti slabija veza između DNK i histona. Dolazi do raspetljavanja DNK u određenoj meri.

Postoji preko 20 Histonskih acetilaza i mnogi TF-i imaju ovu aktivnost.

Histoneske dezacetilaze rade obrnuto - skidaju acetilnu grupu sa lizina i afinitet između DNK i histona se povećava - zatvara se gen i smanjuje se transkripcija.

2. Fosforilacija Proteinske kinaze vrše fosforilaciju, a defosforilaciju vrše Fosfataze. Obično se dešava na serionu i treoninu. Takođe povećavaju negativno naelektrisanje histona (dodaju negativno naelektrisanu grupu), i time oslobađaju kontakt sa DNK, omogućavaju bolji pristup drugim enzimima. Najčešće stimulišu acetilacije. 3. Metilacija histona je najstabilnija modifikacija.

Metilacija histona je najstabilnija modifikacija, ona se održava vrlo stabilnom transgeneracijski u samim ćelijama (od mame do ćerke ćelija), traje jako dugo, za razliku od prethodnih hemijskih modifikacija koje traju kratko.


33

Metilacija na Lizinu može da se desi na vrlo različitim mestima. Ukoliko se veže za deveti Lizin na repiću H3 histona ili za 27. Lizin na repiću H3 histona to će inhibirati transkripciju. Ukoliko se metiluje 4. ili 36. Lizin to označava aktivni hromatin tj. aktivni gen koji se nalazi uz tu modifikaciju histona. Često možemo da zateknemo i bivalentne hromatinske domene de je prisutna i 27 i 4 metilacija - znači i ono što inhibira i ono što aktivira. Takva modifikacija dovodi do utišavanja gena, ali vrlo lako može da se promeni u aktivnost. Bivalentni hromatinski domani omogućavaju "stand-by" poziciju, gde je gen utišan, ali vrlo lako može da bude aktiviram. Metilaciju histona vrše Histonske metiltransfraze, otkriveno ih je 28 različitih. Metilaciju histona najstabilnijom čini to što te modifikacije stupaju u interakciju sa proteinima koji održavaju stabilan histonski kod metilacije i to su: Tritoraks kompleks i Polycomb kompleks proteina. Tritoraks kompleks proteina se vezuje za nukleozome aktivnih gena. Podržavaju trimetilaciju 4. Lizina koji označava aktivan gen. Održavaju memoriju aktivacije. Polycomb kompleks proteina radi obrnuto, održava memoriju inaktivacije tj. inhibicije gena. Učestvuje u formiranju kondenzovanog hromatina. Održavaju stanje inhibiranog (ugašenog) gena. Neki proteini imaju metil-transferaznu aktivnost - mogu da metiluju na mestima na kojim utišavaju gene. U procesu održavanja histonskog koda preko metilacije učestvuju lncRNK (duge ncRNK) koje omogućavaju Tritoraks i Polycomb kompleksima prepozbavanje nizova na DNK. To su PRE i TRE nizovi na DNK za koje će se vezati ovi kompleksi koji održavaju stabilnu aktivaciju ili stabilnu inhibiciju gena.

Oba ova kompleksa prepoznaju PRE/TRE nizove na DNK, za koje se vezuju, njima diriguje duga nekodirajuća RNK, koja prepoznaje te nizove.

34

PITANE 46 - Metilacija DNK i evolucioni značaj

Metilacija DNK je najstabilnija promena ima važnu ulogu u regulaciji aktivnosti gena. Imali smo tarnskripton, proteom, sada imamo metilom što znači obrazac DNK metilacije. Pored toga što se repovi histona mogu metilovati, može i sama DNK da se metiluje i ta modifikacija DNK je stabilna regulacija ekpresije gena. Zboga toga možemo da definišemo Metilom koji označava obrazac ekpresije gena koji rezultat metilacije molekula DNK. Kod svih organizama se metiluje Citozin i dobije se 5-metil.citouna koji se koš zove i peta baza iz razloga što je veliki broj Citozina u genomima životinja metilovan (pa pošto se toliko često sreće, praktično se smatra petom bazom). Kod životinja DNK metil transferaze uvek metiluju Citozin u CG dimerima. Kod sisara je metilovano 70 do 80% tih CG dimera. Kod mnogih metazoa Drozofila i Caenorabdites metilacija DNK nema značajnu ulogu. Nesreća je bila u tom što su osnovni model sistemi za proučavanje modifikacija ekpresije gena bili upravo Drozofila i Caenorabdites i što je kod njih značaj metilacije DNK minimalan, dugo vremena se smatralo da je metilacija DNK nebitna za regulaciju ekspresije gena. Značaj metilacije se shvaćen kada su ozbiljnije proučavani drugi genomi. CpG ostrva (dugački nizovi u kojim se ponavljaju CG dimeri tj. CGCGCG u dugom nizu) - su nizovi u blizini promotora i Citozin u tim ostrvima se ne metiluje. Kada se metiluje Citozin u promotorima tj. CIS regulatorima to znači inaktivaciju transkripcije, gen se ugasi. Danas se zna da mnoge metilacije u promotorima mogu da aktiviraju gen, zavisno od toga kako je upetljana DNK neke metilacije citozina mogu da naprave konformaciju koja omogućava prilaz RNK polimerazi. Najčešće je inaktivacija, ali otkriva se sve više slučajeva gde metilacija označava aktivaciju.


35

Metilacija Citozina može da bude i unutar gena (a ne njihovi cis regulatori), egzoni su češće metilovani od introna. Unutar gena su prosečno češće metilovani oni geni koji su aktivniji. Ne zna se tačna uloga metilacije unutar gena, postoje hipoteze:

- Na taj način se maskiraju neki latentni (skriveni-kriptični) promotori, tako da RNK polimeraza ne može da se veže za te promotore i da se dobije neispravan transkript. (Genomi su puni kriptičnih mesta za mnogo šta, a između ostalog i za promotore). - Te metilacije mogu da obeležavaju granice između introna i egzona. Pa ako su specifične za određeno tkivo to određuje alternativno iskrajanje u konkretnom tipu ćelije (znači ne samo SR proteini, veći ove metilacije unutar gena koje prave granice između introna i egzona, mogu unapred da odrede kakvo će biti iskrajanje i kakva će iRNK da se dobije sa tog transkripta)

Metilacija unutar gena: unutar gena ima mnogo metilovanih citozina, egzoni su češće metilovani od introna. Aktivni geni (tj. njihovi egzoni) su prosečno više metilovani. Ne zna se tačna uloga metilacije egzona postoje hipoteze: -da prikrivaju neke kriptične promotore koji mogu da postoje u egzonima -da je u vezi sa histonskim modifikacijama i da pozicionira nukleozome, a pozicija nukleozoma je važna za alternativno iskrajanje, pa znači obeležava egzone za alternativno iskrajanje.

Kod biljaka metilacija Citozina može da se vrši na: - C G dimerima, - C (bilo koji nukleotid) G - C (pa bilo koja dva nukleotida) C-G, C-nuk-G, C-nuk-nuk Najviše je ipak CG i kod biljaka. Kod biljaka se pretežno metiluju: ponovljive sekvence i ME. Vrlo je mala uloga metilacije u regulaciji aktivnosti gena, za razliku od životinja kod kojih je ovo vrlo važan način regulacije ekpresije gena.

- Pretežno metilacija: ME-a ugrađenih u genom i Ponovljivih sekvenci - nema metilacije u promotorskim regionima (za razliku od životinja) Kod životinja su ME metilovani više nego ostatak genoma, postoji i regulacija metilovanjem promotora - regulacija ekpresije domaćinskih gena.

O značaj metilacije u regulaciji ekspresije gena govori to što su obrasci metilacije kod brojnih organizama vrlo konzervisani:

- postoje tkivno specifični obrasci ekspresije gena koji su isti u mnogo tipova ćelija između čoveka i miša. Čak i ako su se DNK sekvence bitno izmenile, obrazac metilacije se nije izmenio. - kod nekih primata obrazac metilacije ostaje identičan čak i ako su geni koji su obuhvaćeni tim metilacionim obrascem bitno divergirali po sekvenci.

Značaj metilacije DNK je preko ove konzervisanosti vrlo naglašen.

- Metilom tj. obrazac metilacije može biti vrlo konzervisan, čak i više konzervisan nego sama sekvenca između dve evolucione linije. Npr. kod primata delovi genoma koji se bitno razlikuju u sekvenci imaju isti obrazac metilacije.

36

DNK metilaciju obavljaju enzimi DNK metil transferaze. Postoje 2 familije Metil transferaza, obe familije su prisutne i kod biljaka i kod životinja, što znači da su nastale pre divergiranja biljaka i životinja. (Geni za ove enzime su nastali pre razdvajanja biljaka i životinja, jer ih ima i kod jednih i kod drugih.) Dve familije Metil transferaza: Dnmt1 i Dnmt3.

Dnmt1 metiluje Citozin u hemimetilovanim CG dimerima tokom replikacije DNK. Pri replikaciji DNK od jednog molekula se dobiju dva, a ta ćelija već ima neki metilom tj. obrazac metilacije koji se preslikava i na drugi molekul. ako da ćerke ćelije prepisuju obrazac metilacije.

Pre deobe ćelije se replikuje DNK (semikoznervativna replikacija), jedan moleklul nosi ove metilacione markere, drugi koji je nastao ne nosi. Dnmt1 prepoznaje gde treba da metiluje ovaj drugi lanac, tako da i ćerka ćelija ima isti metilacioni obrazac.

Kod nekih grupa koje nemaju enzim Dnmt3 koji radi de novo metilaciju, Dnmt1 obavlja i denovo metilaciju (citozina). Ali najveći broj životinja ima Dnmt3 koji radi de novo metilaciju.

Dnmt3 radi denovo metilaciju. Najveći broj životinja ima Dnmt3 koji radi de novo metilaciju, tu male ncRNK (piRNK i siRNK) diriguju gde će da se obavi metilacija (i to preko prepoznavanja komplementarnih sekvenci). piRNK i siRNK označavaju sekvencu koja treba da bude metilovana i na taj način Dnmt3 de novo metiluje određene nizove. Kod biljaka postoji ortologni enzim od Dnmt3 i to je DRM (ti geni imaju zajedničko poreklo). DRM se udružuje sa siRNK koja ga dovodi do mesta koje treba biti metilovano i to se zove RNK dirigovama DNK metilacija (RdDM).

Dnmt2 je srodna familija ovim dvema metilazama, ali ona metiluje RNK (vrši metilaciju Citozina na RNK molekulima); ona je RNK metilaza.


37

Posebna familija metiltransferaze kod biljaka (CMT-3) i kod gljiva (Dim-2), Kod gljiva i biljaka postoje neke metil transferaze koje su kod životinja izgubljene (vrlo rano u evoluciji jer ih životinje uopšte nemaju). CMT-3 kod biljaka i Dim-2 kod gljiva metiluju ME - njihova uloga je zaštita genoma od ME. To govori da je prvobitna uloga ove genetičke modifikacije odbrana domaćina od ME.

- Metiluju isključivo ME i ponovljive nizove. - Životinje su ih izgubile u ranim fazama evolucije. Postojanje ovih enzima u nekim evolucionim linijma ukazuje da je prva uloga DNK metilacije bila odbrana genoma domaćina od ME.

Kod životinja koje nemaju ove DNK metil trasnferaze (Dnmt), vidi se da su ME neproporcionalno puno metilovani. Što opet ukazuje da je originalna uloga metailacije bila odbrana domaćina od ME. Zašto neke životinje nemaju Dnmt?

Kako je moguće da sa tako važnim ulogama metilacije Citozina u DNK neke životinje upošte nemaju metil transferaze kao npr. drozofila i caenorabdites. Pošto ovi enzimi za metilovanje citozina postoje kod svih glavnih grana životinja, ali unutar tih glavnih grana neke evolucione linije su izgubile. Predak svih životinja sa bilateralnom simetrijom imao je sve tri DNK metil transferaze. -Kod protostoma (artropode, anelide i moluske/ Drozophila, nematoda Caenorabdites) dešavalo se gubljnje gena u više navrata -Kod deutreostoma (tu spadaju i ljudi) nije došlo do gubljenja ni jednog gena za ove DNK metil transferaze - postoje sve tri. (Urohordate su zadržale samo Dnmt2). Kako su mogle da nestanu, kada im je toliko važna uloga u regulaciji ekspresije gena: smatra se da su druge epigenetičke modifikacije preuzele ulogu DNK metil transferaze i samim tim ako druge epigenetičke modifikacije preuzimaju ulogu zaštite genoma od ME-ata, geni za Dnmt su sada pod slabim pritiskom selekcije (nevažni su) i izgubljeni su u ovim evolucionim linijama. Drugi mehanizmi epigentičke kontrole u ekpresiji gena postaju bitniji. Pčele imaju sva tri Dnmt (iako većina insekata nema ni jedan ili samo neki), one ne rade zaštitu genoma od ME, već se koriste za genomsko utiskivanje i za socijalnu regulaciju ponašanja. Kod pčela zahvaljujući DNK metil transferazama (Dnmt) postoji migućnost da se od istog genotipa dobije i radilica (razne uloge) i matica (reproduktivna uloga). Zavisno od načina ishrane aktiviraju se različiti obrasci DNK metilacije - pa se tako dobijaju radilice ili matice. Kod nekih evolucionih linija Artropoda, održale su se, značajne su, imaju razne f-je, neki taksoni nemaju DNK metil trasnferaze, nema je drozofila, Cenorapidis. Pošto se ovde DNK metilacije nisu pokazale kao nešto važne (drozofila u laboratoriji), dugo se smatralo da je DNK metilacija nebitna, jer kod ovih najčešće analiziranih takosna nije značajna.

38

47 Poliadenilacija - dodavanje poli(A) repa na iRNK

Obrađeni transkript ima: kapicu, 5' nekodirajući deo (5'UTR), kodirajuću sekvencu, 3' nekodirajući deo (3'UTR).

Poliadenilacija je proces dodavanja poliA-repića na 3'UTR kraj iRNK. To je važan deo sazrevanja iRNK. PoliA-repić je važan za sudbinu iRNK:

PoliA-repić daje stabilnost iRNK

Bitan za transport iRNK u citoplazmu

Da li će ući ili ne u translaciju.

Izvor varijabilnosti koji je važan za evoluciju (Varijabilnost produkata): I na ovom nivou može od istog RNK molekula (čak i istog obrađneog transkripta), zahvaljujući razlikama u poliadenilaciji da se dobije različit RNK produkt. Evo kako:

3'UTR region može da sadrži različita početna mesta poliadenilacije. Pa će time 3'UTR biti različite dužine. Poliadenilacija (repić) može da počne sa različitih mesta na 3'UTR, jer on sadrži alternativna mesta poliadenilacije.

3'UTR region sadrži puno regulatornih nizova, neke nizove prepoznaju regulatorne male RNK (miRNK) i vezuju se za njih i mogu da blokiraju translaciju tj. ne puštaju ga u translaciju. (Takođe prepoznaju ih i proteini za transport iRNK u citoplazmu).

Mesta za poliadenilaciju mogu biti i u kodirajućem nizu. Ako odatle krene poliadenilacija nastaje kraći gen tj. kraća iRNK (takav gen može da ima drugačiju f-ju). Sa te kraće iRNK dobija se drugačiji protein.

Mesto poliadenilacije može biti i u kodirajućem regionu, ako odatle krene poliadenilacija dobiće se kraća RNK. Iako je na početku dobijen alternativni transkript pune dužine, poliadenilacija može da ga skrati i u translaciji će dati drugačiji protein.

To je varijabilnost koja nije vezana za varijabilnost sekvence DNK, već se na nivou RNK molekula menja produkt.


39

Poliadenilacija je još jedan nivo regulacije ekpresije gena i može da dovede do varijabilnosti u produktima gena sa jedne iste DNK sekvence.

Pošto poliadenilacija postoji kod sva tri domena života (Arhea, Eubakterija, Eukariota) smatra se da je i LUCA morao imati gene za ovaj mehanizam. Kod prokariota i eukariota poliadenilacija znači različitu stvar, što ima veze sa nastankom jedra i obradom koja se kod eukariota dešava u jedru, a kod prokariota u citoplazmi jer nemaju jedro.

Kod prokariota poliadenilacija dovodi do degradiranja iRNK. Prokarioti kada poliadeniluju RNK time je označavaju za degradaciju.

Kod eukariota je suprotno, ona iRNK koja nema poliA repić biće degradovana. U citoplazmi kada joj se skrati poliA repić ispod nekog nivoa, ona ide u degradaciju. Jedino poliadenilacija malih ncRNK (osim dugih RNK, tj. lncRNK) uzrokuje njihovu degradaciju.

U citoplazmi eukariota polako se gube adenini iz poliA repića, skraćuje se, i kada taj broj postane suviše mali te iRNK odlaze u degradaciju. Jedina iRNK koja nema poliA repić je sa gena za Histone (oni imaju petlju koja imitira poliA repić). Poliadenilacija u citoplazmi

U citplazmi eukariota postoje razlike poliadenilacija u različitim tipovima ćelija: ⌦ Poliadenilacija u gametskim ćelijama - jajnim ćelijama: Majka u jajnu ćeliju spakuje sve što je zigotu potrebno na samom početku, jer zigot ne počne odmah da koristi svoje gene:

- Majka napravi iRNK koje nemaju veliki repić i tako se skladište u jajnoj ćeliji. - Nakon oplođenja proteini (od kojih je najvažniji CPEB protein) počinju da produžuju repić i ta iRNK se aktivira.

To je mamina iRNK u citoplazmi. Mama je unapred programirala i uskladištila iRNK, koja će biti aktivirana poliadenilacijom i napraviće se proteini koji će po pravilnom redu aktivirati embrionske gene da bi započelo razviće embriona. U svim drugim ćelijama iRNK moraju da imaju duge repove da ne bi bile degradirane. U gametima u ranoj embriogenezi, prve ćelije nakon deobe čuvaju iRNK sa malim repićima. Poliadenilacija u citoplazmi će da aktivira te iRNK. Gameti na drugi način čuvaju te iRNK.

40

⌦ U neuronima, u postsinaptičkim mestima se takođe skladište iRNK sa malim repićima. Poliadenilacija će aktivirati tu iRNK i ona će ući u translaciju. Važno jer je telo neurona udaljeno od sinapse sa drugim neuronom. Tu se arhiviraju iRNK sa malim repićima koje se brzo poliadeniluju u citoplazmi i obave što treba. Ovi proteini (CPEB) su povezani sa učenjem. Za formiranje memorije je važna sinteza novog seta proteina u blizini same aktivirane sinapse. Ti proteini se sintetišu tako što se iRNK sa malim repićima dodaje repić i one postaju aktivne i na taj način se označava aktivna sinapsa. CPEB enzimi rade ovo - prepoznaju iRNK. Kod beskičmenjaka 2, kod kičmenjaka 4 gena rade ovo: - regulaciju razvića gameta tako što aktiviraju uskladištene iRNK. - obeležavanje sinapse (kičmenjaci ne zna se...) Kod beskičmenjaka CPEB nizovi imaju duge PoliQ nizove (poliglutaminske nizove) koji imaju prionske osobine (prave agregate koji liče na prione). Strukture poliQ nizova daju prionske struture. Prionske osobine: - stvaraju agregate otporne na razne enzime koji bi ih iseckali. - mogućnost da drugim sličnim proteinima promene konformaciju da budu slični prionskoj strukturi. To je otkriveno na jednom pužu, njegova sinapsa koja je aktivna kada napravi prionsku strukturu, ostaje zauvek obeležena aktivna sinapsa koju ne može ni jedna proteaza da razruši jer proteaze ne deluju na prione. Kod kičmenjaka (i čovek) nije jasno da li je aktivna sinapsa obeležena na ovaj način, jer njihovi CPEB proteini imaju kraće poliQ nizove (i nije jasno da li imaju prionska svojstva). Ćelijska osnova memorije je bazirana na uskladištenim iRNK u tom neuronu u presinaptičkoj membrani. A moguće je da imamo i te prione koji obeležavaju (markiraju) aktivnu sinapsu.


41

Prerada RNK (editovanje) Imali smo obradu primarnog transkripta - alternativno iskrajanje, zatim mogućnost poliadenilacije kao nivoi regulacije ekspresije, sada i prerada (editovanje) RNK - još jedan nivo regulacije ekspresije gena.

Mogućnost da se na primarnom RNK transkriptu hemijski izmeni neki nukleotid, tako da to postane druga sekvenca, ne u DNK nego u RNK molekulu. Prerada RNK (editovanje) su modifikacije iRNK (u koje ne spada alternativno splajsovanje), vrše se putem insercija/delecija nukleotida, zamene nukleotida puten hemijske modifikacije nukleotida. One menjaju nukleotidni sastav iRNK (promeni se sam kodon i da se dobije drugačiji protein). Prerada je kotranskripcioni ili posttranskripcioni proces koji menja strukturu gena na RNK nivou, pa ako su to geni koji kodiraju proteine, prerađena iRNK će nositi drugačiju informaciju za AK sastav proteina od one zapisane na DNK. Najpoznatije su „A-u-I prerade.

Mehanizmi prerade RNK su različiti: Kod protozoa (1-ćelijski eukarioti, u mitohondrijama) i virusa: Prerada RNK se vrši delecijama i insercijama nukleotida, pa se dobija drugačija sekvenca primarnog transkripta. Kod višećelijskih organizama najčešće se dešava zamena nukleotida putem hemijske modfikacije:

A u I prerada - dezaminacijom Adenina nastaje Inozin. Kao što ga je splajsozom čitao kao Guanin, i u translaciji se Inozin čita kao Guanin, i dobije se drugi kodon, a time i drugačiji protein. Tu preradu (dezaminaciju Adenina) radi enzim ADAR.

A u I prerada promeni sekvencu i taj deo može da se prepozna kao signal za iskrajanje.

C u U prerada, dezaminacijom Citozina, nastaje Uracil koji takođe menja kodon u kodirajućem nizu. Enzim je APOBEC.

Oba enzima i ADAR i APOBEC nastali su od adenozinskih dezaminaza (ADAT) koje rade modifikaciju tRNK. Nastali su duplikacijom ovih gena i evoluirali da rade druge stvari. ADAR3 je aktivan samo u mozgu. Kod ljudi prerada u mozgu je 35x češća nego kod miševa, najčešća je u genima sa Alu nizovima. APOBEC3 kod čoveka ima 8 varijanti i ima osnovnu ulogu u mozgu. Sa fenotipskim usložnjavanjem se dešava i ekspanzija ovih gena (čovek ih ima ukupno 8).

42

Evoluciona uloga prerade RNK

Ovaj način omogućava postepenost evolucione promene.

Neće svi transkripti sa nekog gena biti prerađeni: neki će biti, a neki neće. (U ređim situacijama će svi transkripti biti prerađeni). To je mogućnost da se kreira skrivena (kriptična) varijabilnost u određenim organizmima.

Ukoliko je za funkcionisanje proteina koji će nastati potrebno da transkript npr. ne bude prerađen, a neki prcenat tog transkripta ipak bude prerađen - ta prerada se neće odraziti na adaptivnu vrednost organizma, ako ujedno postoje i neprerađeni i prerađeni. Potrebna varijanta će ostvariti funkciju i pokrivaće ostatak neadekvatnih transkripata. Ona druga varijanta neće biti selektivno prepoznatljiva jer neće uticati na fenotip organizma

Prerada povećava varijabilnost, ali to je prikrivena kriptična varijabilnost i ona je neutralna. Ta varijabilnost može da opstane ukoliko je neutralna.

Ako se promene uslovi životne sredine, one prerađene varijante mogu da se pokažu kao adaptivne, proteini koji nastaju od prerađenih varijanti mogu da budu bolje funkcionalni u novim uslovima, nego oni neprerađeni (koji su bili funkcionalniji pre promene uslova). Kada se promene uslovi životne prerađeni produkt gena (mehanizam prerade) može da bude veoma adaptivan i tada selekcija može da ga favorizuje (da postoji selektivni pritisak da ta prerada postane mnogo intenzivnija). Ovaj postranskripcioni nivo regulacije povećava evoluabilnost, čuva varijabilnost koja ne utiče na adaptivnu vrednost organizama, ali je uvek prisutna. Ovaj mehanizam, koji podrazumeva ujedno i ispravan i neispravan produkt, povećava evolvabilnost populacije.

Hipoteza "rekodiranja DNK": prerada RNK može dovesti do rekodiranja DNK informacija. Intenzivna prerada transkripata se dešava na genima važnim za reparaciju i nadziranje kvaliteta DNK. Geni za reparaciju treba stalno da popravljaju eventualne greške u DNK molekulu. Njihovi transkripti intenzivno podležu editovanju. Ako nešto podlegne editovanju i dobije se varijabilni enzim koji treba da popravlja DNK, to je takođe mogući izvor mutiranja i same DNK. Zato je prerada RNK mogućnost za rekodiranje DNK, jer imamo transkript koji pod uticajem životne sredine može drugačije da se preradi, a on treba da reguliše mutacije na DNK molekulu. Ovo je mogućnost da sama prerada može da utiče direktno na sekvencu u genomu. To donekle rešava pitanje zašto kod nekih srodnih vrsta u jednoj situaciji imamo u genomu zapisan kodon koji daje određen protein, a kod druge srodne vrste, taj protein može da nastane tek nakon editovanja na nivou RNK. Znači nešto što je opciono na RNK nivou kod jedne vrste, kod druge vrste je obligatno jer je upisano u genom. To je povratna uloga da RNK može da utiče na to kako će DNK sekvenca izgledati.


43

Transkripti gena koji treba da poprave DNK su izloženi preradi i ako ta prerada još i zavisi od uticaja spoljašnje ili unutrašnje sredine: - U ćeliji imamo preradu RNK transkripata koji treba da daju enzime za reparaciju DNK. - Ukoliko ti RNK molekuli ne budu prerađeni kako treba neće funkcionisati ni reparacija i oštećenja na DNK će ostati. Onda je ovo mehanizam koji pod uticajem životne sredine održava mutaciju, neće se popraviti ono što bi trebalo da se popravi. Znači preko RNK prerade (pod uticajem životne sredine) se održava neka mutacija. To je „re-kodiranje DNK” koje je RNK dirigovano preko prerade ili neprerade RNK molekula sa onih gena koji su odgovorni za reparaciju DNK.


1

9. Postanak višećelijskih organizama

PITANJE 48 Otvaranje crne kutije kroz molekularnu biologiju razvića

EVO-DEVO (evolution and development) Videli smo na kojim nivoima se reguliše ekpresija gena. Evo-devo (ili Eco-evo-devo kako se još zove, ecology, evolution and development) povezuje proces evolucije koji je transgeneracijski, ontogenezu (sin. ontogenija, development) koji je individualni proces od oplođenja jajne ćelije do smrti organizma, i sve to se stavlja u ekološki kontekst (i to je eco-evo-devo). Sada se bavimo evo-devo koncepcijom. Slika - po čemu se razlikuje evo-devo pristup (ili eco-evo-devo pristup) u odnosu na staru Modernu sintezu.

2

Moderna sinteza je genocentrična, sa idejom da je osnovni proces u evoluciji: promena učestalosti alela kroz generacije u populaciji. Potpuno isključuje fenotip kao nevažan, jer ako je poznata genetička varijabilnost tj. kakvi su genotipovi u jednoj populaciji i poznata je njihova adaptivna vrednost, onda priča o fenotipu nije važna (nebitno je kako taj genotip formira određeni fenotip), i lako je da se napravi prečica jer znajući genetičku strukturu populacije znaćemo kako će biti promena učestalosti alela u populaciji. Šta je u eco-evo-devo koncepciji drugačije u odnosu na modernu sintezu (bitno za ispit), zašto se eco-evo-devo koncepcija zove Treća sinteza. U priču o promenama učsealosti alela ponovo uključujemo fenotip (tj. jedinku kao bitan element). Genoscentričnu Modernu sintezu u suštini ne zanima jedinka, već genski pul populacije (populacija koja se sastoji od skupine gena i alela svih jedinki u populaciji).

Svi modeli koje smo radili u populacionoj genetici se odnose na: - premene učestalosti alela, - kako se Mendelovski slažu genotipovi, - kakva je adaptivna vrednost jednog genotipa u datoj životnoj sredini.

Moderna sinteza kao genocentrična koncepcija je bila nužan period u razvoju evolucione biologije, iz razloga što pre Moderne sinteze, pre fokusiranja na same gene, nije se pravila razlika između evolucije i ontogenije. Znači, nije se pravila razlika između toga šta se dešava sa jednim organizmom i koliko se to razlikuje od transgeneracijskih promena. Za to je kriv i Darvin, zato što se u to vreme nije znalo za Mendelovsku genetiku. Darvinova koncepcija bila načelno Aristotelovska.

Aristotel je govorio da postoji esencija koja se prenosi u naredne generacije "kroz gamete ili na bilo koji način". Npr. postoji esencija biti čovek i to je nešto što udara temelje svakom nasleđivanju. Varijabilnost je rezultat uticaja različitih spoljašnjih činilaca.

Darvin je bio blizu toga, mislio je da postoje dve sile u nasleđivanju: 1) tendencija potomaka da liče na svoje roditelje (što zvuči kao Aristotelovski esencijalizak i Preformacionizam) i 2) uticaji spoljašnje sredine koji kreiraju varijabilnost koja postoji u populaciji. Razlika između Esencijalizma i Darvinovog Antiesencijalizma je u tome što je on smatrao da je to prirodno stanje stvari, a Aristotel je govorio da je esencija prirodno stanje stvari, da ovo su samo greške koje nemaju uticaja na naselđivanje. Darvin je za razliku od esencijalista smatrao da je ovo prirodno stanje i da varijabilnost koja se kreira jeste materijal za delovanje prirodne selekcije (po njemu pre svega PS-e u odnosu na ostale evolucione mehanizme). Problem: za Darvina nije bitno kada se desi uticaj životne sredine, on se prenosi u narednu generaciju (nebitno da li je to u gemulama ili kasnije tj. od začeća do reprodukcije). Uticaj životne sredine bilo kada tokom života (od začeća do kraja reproduktivnog perioda) je relevantan za proces

SKRIPTA,

evolucije, uticajem ži Veznjih) da se Sum Do Vajćelija nakogamete ovogermplazmnasleđivanj Moevolucije segregacije Pop To Biometričakvalitativn Kvima crveneMendelovsjedan ili m

Žesbazirali naznačaju kvkvalitativn Mese nova fentoga zaklju Bioevolucija nmeđusobnorazlike i ne Naskvantitativdikontinuir

Prinasleđuje sivotne srediza između ouopšte ne r

mrak Darvin

lazi Vajsma

jsman - Kon opčpđenog organizm

ma, i nebitnnje (germpla

oderna sint(transgenee gena u gam

pulaciona g

je važno ari se bavene su diskon

valitativna oe, roze ili ske osobine

mali broj gen

sto je bio sua kvalitativnvantitativnih

nih osobina nendelisti (Mnotipska kla

učuju da je e

ometričari ne pravi sko male razlie postoje tak

staje probvnih osobinrana raspod

rincipi molese u narednine. ontogenije irazaznaje mnizma je bio

an.

Koncepcija gnja jajne ćema - germpno je šta sazmu).

teza prihvaracijskih gmetima i slo

enetika mod

i za kvae kvantitativntinuirane.

osobina - pbele oči, i

e, on je radiona sa određe

ukob izmeđunim osobinh osobina nema).

Mutacionistasa - skok. evolucija ta

- idući Dkokove, radike, jedinkeko diskretne

blem: Štana? Kod m

dela, a kvant

kularne i fene generacij

i transgenermehanizam n

o vezan za o

germplazmelije, vrlo raplazma. Svese dešava

ata ovaj stgenetičkih obodno kom

deli: učestal

antitativnu vnim osobi

podrazumevnema ništ

o na njima -enim alelski

u Mendelistnama i Biom

(kontinuira

ti) kažu da jMutacija dko skokovit

Darvinovske na osobin

e u populacie fenotipske

a je namendelovskih

titavnih izgl

enotipske ev

3

je sve što j

racijske evonasleđivanjaovaj problem

e: tokom raano u embre ostale ćelisa telom t

tav i potpuevolucionih

mbinovanje.

lost alela, d

genetikuinama. Kva

va diskretnata između (- gde postojim varijanta

ta (još se zometričara kanih) i zna

je evolucijadovodi do znta.

kim stopamnama koje ijama imajue klase.

sledna osh osobina pleda ovako:

volucije, je roditelj t

olucije ovdea i na koji nm.

anog embririogenezi sije formirajutokom njeg

uno razvodh promena. Ovde su kl

drift, selekci

- sukob iantitativne

a diskontinu(zato se zoji dva ili nekama.

ovu i Mutackoji su išli ačaju malih

a skokovita, nalačajnog

ma da imaju

u male

snova postoji

tokom svoj

je toliko teačin se sve

nalnog razve odvaja ćeu telo - somgove ontog

di ontogenia). Tu ulazljuč gameti.

ija...

između Meosobine su

uirana fenotovu diskontkoliko stanj

cionisti) kojDarvinovsk

h razlika iz

jer ako ovaskoka u poj

Ivan Petroje ontogene

esna (nema to dešava.

vića u vremelijska linij

matoplazmagenije jer to

iju (razvićzi i Mendel.

endelista i u kontinuira

tipska stanjtinuirane osja. U osnov

ji su celu prkim stopamzmeđu jedn

aj jedan genojavi fenotip

ović 2015 eze stekao p

razlike izm

me prvih deja koja će da. Nasleđujeo ne utiče

e) od procl sa proces

Biometričane osobine

a, npr. jedisobine). To

vi tih osobin

riču o evoluma i govoriniki (koji k

n mutira dobpa, i na osn

pod

među

oba dati e se

na

cesa ima

ara. e, a

inka o su na je

uciji li o kod

bija ovu

4

Vrednost bilo koje osobine se kreće od neke minimalne do neke maksimalne vrednosti, najveći broj jedniki se svrstava oko proseka - to je normalna distribucija. Ove osobine (kvalitativne i kvantitativne) se bitno razlikuju u pogledu nasledne osnove. Problem: Nisu mogli da razumeju kako Mendelovski geni mogu da dovedu do ovakve raspodele. Fišer (matematičar) je rešio problem genske osnove kvantitativnih osobina. Teorijski je rešio problem (kao što je i Mendel teorijski rešio problem nasleđivanja). Pretpostavio je da u osnovi kvantitativne osobine stoji veliki broj gena koji određuju vrednost te osobine, svaki od tih gena se ponaša mendelovski (segregacija, dominanse) jer to su isti geni. Međutim svaki od tih gena (od tog mnoštva gena) koji učestvuju u determinaciji ove kvantitativne osobine pojedinačno ima mali efekat, ali se ti efekti sabiraju. Tako da ovde: što je više gena, ima mnogo malih fenotipskih klasa. Što je više gena - to je više fenotipskih klasa. I na kraju kada se poređaju te fenotipske klase dobije se kontinuirana distribucija. Postulat o aditivnim efektima gena je rešio problem nasleđivanja kvantitativnih osobina. Fišer je konceptualno bio zastupnik Moderne sinteze - sve je genocentrično, aditivan efekat gena je važan za nasleđivanje. Kaže da postoji i plejotropija i epistaza, ali to se ne nasleđuje jer to zavisi od kombinatorike, ne može se naslediti epistatička interakcija (jer epistatička interakcija zavisi od kombinatorike na brojnim genima). Nasleđuje se kombinacija aditivnih efekata.

Između mame i tate kad bi bio isključivo aditivan efekat za neku osobinu, onda bi bili na sredini. Kod dominanse je vrednost bliža jednom od roditelja (npr. tati ako on ima dominantan gen). Kod epistaze može biti bilo gde i to zavisi od kombinacija na velikom broju gena koji su u epistatičkim interakcijama.

Sjuel Rajt naglašava interakcije između gena (plejotropija i epistaza su važne). Kako že se neki gen menjati zavisi od toga u kakvim se kombinacijama nalazi, jer jedan gen ne funkcioniše sam. Efekat produkt jednog gen zavisi od fizičkih i hemijskih interakcija sa drgim molekulima u ćeliji, a ti drugi molekuli su produkti drugih gena. Kako će jedan gen uticai na fenotip zavisi od čitavog genetičkog konteksta ili tzv. unutrašnje sredine (Rajt). Rajt Naglašava problem genocentrične priče u promeni učestalosti alela, jer jedan gen može na vrlo različite načine da utiče na druge gene (na promenu njihove učestalosti) zato što se menja njegov genetički kontekst (kontekst u kome se on ispoljava). To je znači problem u samoj modernoj sintezi. Taj problem je lako rešen: Fišer i Rajt nisu u sukobu, jer: Fišer ( i populacioni genetički modeli) kaže da je evolucija transgeneracijska promena učestalosti alela kroz generacije, a Rajtov koncept plejotropije i epistaze su način na koji su geni organizaovani u pravljenju fenotipa.

Fišerova genocentrična koncepcija kaže da je evolucija promena učsetalosti genskih alela kroz genearcije. Epistaza i plejotropija se stavljaju samo u fenotip kombinacije gena daju različite epistatičke interakcije, plejtotropne efekte itd. i to je važno za fenotip, ali nije važno za evoluciju.


5

EVO-DEVO Ne može se razumeti evolucija, bez razumevanja onog šta se dešava sa jedinkama, šta se dešava u samom fenotipu. Molekularna biologija razjašnjava kako geni funkcionišu, i to je postalo važno za razumevanje evolucionih procesa. Jer Modernu sintezu zanima transmisija gena, a ne f-ja gena. Pod f-jom gena podrazumevamo razviće fenotipa. Kod transmisije gena kroz generacije f-ja gena (po Modernoj sintezi) nije važna. Dugo vremena je proteklo dok se nisu pojavile ideje i razmatranja: na koji način to kako se razvija fenotip, kako izgledaju sve te mreže (regulatorne mreže) i kako sve to utiče na evoluciju. Da li je program razvića prost rezutat sabirajućih efelata promene učestalosti alela koji učestvuju u razviću ili razviće u svojoj mreži interakcija veoma može da utiče na pravce i brzine evolucionih promena. Naročito otkriće kako geni funkcionišu u molekularnoj biologiji, regulacija ekspresije na mnogo nivoa koji nisu striktno genetički, već su to fiziološke i biohemijske interakcije dovode u pitanje ovu tvrdu transmisionu evolucionu priču. Evo-devo vraća jedinku (fenotip) u problem evolucije. Nedozvoljava se da se pravi ona prečica. To na znači da populaciono genetički modeli nisu važni za evolucionu biologiju, oni su temelj. Ali moderna sinteza je govorila da je fenotip "crna kutija" da ih ne zanima (to je bilo mnogo hemije, molekularne biologije, čime transmisioni genetičari nisu bili voljni da se bave f-jom gena, tu pravi razlika između molekularne biologije koja se bavi f-jom gena, a genetika transmisijom gena). Molekularna biologija počinje da otvara "crnu kutiju" koja je zapravo link između genotipa i fenotipa. Životna sredina koja može na različitim nivoima ekspresije gena da utiče na pravce formiranja i razvića fenotipa, ulazi u razumevanje evolucije. Moderna sinteza kaže: životna sredina je arena u kojoj je fenotip koji direktno zavisi od genotipa ili dobar ili nije dobar, tj. ima visoku ili nisku adaptivnu vrednost. To je filter koji će da propušta genotipove koji u toj životnoj sredini imaju visoku adapptivnu vrednost. Evo-devo kaže da životna sredina nije samo filter i statična arena, već je životna sredina kreator genetička varijabilnosti i omogućava da se od iste genetičke konstitucije organizma dobiju različiti fenotipovi. To može veoma da utiče na pravce evolucionih promena, jer selekcija barata na fenotipu. Znači, sve ono što kreira fenotipsku varijabilnost je relevantno za evoluciju - a to je razviće, veza između genotipa i fenotipa.

6

Istorija Alternativne evolucione sinteze

U vreme nastajala Moderna sinteza, bilo je onih koji se nisu slagali sa tom redukcionističkom pričom evolucije u kojoj se sve svodi na gene. Oni se danas nazivaju pokretom Alternativne evolucione sinteze. Oni su četrdesteih godina kada je nastajala modrena sinteza imali mnogo primedbi na samu modernu sintezu: Boldvin - nije samo važno kakav je fenotip (kakav fenotip daje jedan gentip) već koliko je taj genotip sposoban da u jednoj životnoj sredini (plastično) modifikuje svoje razviće. Jedan isti genotip u različitim životnim sredinama ne mora dati isti fenotip. Važno je ne samo kakav je fenotip, već kako taj genotip može da preusmeri svoje razviće adekvatno životnoj sredini (to je fenotipska plastičnost). To po Boldvinu mora imati uticaja na pravce evolucionih promena, razviće postaje jako važno. Goldšit i Šmaljhauzen razrađuju kasnije tu priču i kažu: Evolucija ne podrazumeva samo promene učestalosti alela koji leže u osnovi nekih fenotipskih osobina, već evolucija podrazumeva promenu kontrolnih sistema razvića. Gledamo regulatornu mrežu: nije evolucija promena učestalosti alela (perifernih alela) koji leže u osnovi nekih osobina, već je evolucija ono što menja "ono unutra" tj. na koji način organizam prepoznaje, reguliše razviće i ekspresiju tih gena. Oni ne odbacuju priču o promeni učestalosti alela koji leže u osnovi osobine. Međutim ako se promeni životna sredina postojaće i selekcija na genotipovima koji prepoznaju promenu životne sredine, adekvatno reaguju ili ne reaguju. Oni tvrde da selekcija može da deluje na ove kontrolore razvića koji se menjaju u zavisnosti od uticaja živitne sredine. Prvi pominju regulatorne mutacije (tj. regulatorne gene), a danas možemo reći da su ovi duboki geni. Prvi put se pojavljuje ovde ta koncepcija: regulatorna aktivnost životne sredine kroz uticaj na razviće organizama na različite načine. Oni kažu da je Razviće ta karika koja nedostaje u Modernoj sintezi, razviće je temelj današnje evo-devo koncepcije. Oni kaži i: ukoliko se evolucija svede na sabiranje promenjenih učestalosti alela, onda je priča o evoluciji svedena na mikroevolucione procese ispod nivoa vrste. Teško se na taj način može objasniti postanak veoma krupnih promena između npr. organizama koje danas smatramo različitim carstvima, klasama, redovima itd. i to su veoma velike razlike i oni tvrde da bi se teško moglo zamisliti da ova klasična populaciona genetička priča može da dovede do tih velikih strukturnih promena tela, različitih telesnih sklopova. Prvi Alternativni sintetičari, postavljaju teorijske osnove budućem evo-devo konceptu.


7

Sve ispričano može da se predstavi ovakvim dijagramom, gde se u "polje" problema postavlja priča o evoluciji (transgeneracijska promena), individualno razviće kao drugi momenat i sve se to dešava u jednoj životnoj sredini. Koje tu pravce istraživanja možemo da imamo: 1) Evo-devo bavi se pitanjem kako je određeni program razvića evoluirao, kako je nastao, koje su to genetičke (regulatorne) promene koje su napravile određen program razvića tokom procesa evolucije. Gde su analogije i homologije u razviću različitih taksona, što ukazuje nanjihovo zajedničko poreklo itd. 2) Devo-evo (ili razvojna evolucija) - razmatra se situacija u kojoj određeno razviće ogrničava, usporava ili ubrzava pravce evolucionih promena. Da se razume na koji način programi razvića koji jeste ili nije pod različitim uticajem životne sredine može da usmeri pravce evolucije (ako evoluciju posmatramo transgeneracijski i genetičkom promenom). Znači, da li i u kojoj meri i na koji način samo razviće usmerava procese evolucije. 3) Eco-evo-devo: sve ovo stavljamo u kontekst životne sredine (koja može biti biotička, abiotička). Na koji način životna sredina utiče na kreiranje fenotipske varijabilnosti. Na koji način životna sredina preusmerava razviće na različite strane u procesu razvića (putanje razvića).

8

PITANJE 49 Filogenetska raznovrsnost višećelijske organizacije

Kada pričamo o razviću moramo da govorimo o višećeliskim organizmima (jednoćeljski se na razvijaju, oni mogu malo pod uticajem životne sredine da promene svoj fenotip). Da li su vć organizmi postali jednom (singularitet u procesima evolucije), da li svi današnji vć prganizmi imaju identičan način regulacije razvića? To je evoluciono pitanje koliko je postanak višećeličnosti bio norma i trend i procesima evolucije ili je bio slučajnost. Danas postoji 25 razlčitih oblika višećeličnosti. Pod višećeličnosti podrazumevamo: - složene organizme (npr. ljude) gde ćelije imaju isti genotip ali su diferencirane, ni jedna od tih ćelija ne može sama bez drugih da opstane, postoji definisan program razvića. - ali postoje i kolonijalni oblici, što takođe možemo nazvati uslovnom višećeličnošću. Razlike između prave i uslovne višećeličnosti: kod kolonijalnih oblika ćelije su bazičnoj adheziji, bazičnoj komunikaciji, ali diferencijacija je zanemarljiva i svaka od tih ćelija je sama metabolički (sama mora da uzima hranu iz životne sredine da bi opstala). Znači, kolonijalni oblici su u velikoj meri nezavisne ćelije koje mogu da se udružuju, ali to udruživanje je neobligatno (tj. fakultativno). Postoje višećeliski kolonijalni oblici gde se ćelije nakon deobe ne razdvajaju, pa nastaju kolonije genetički identičnih ćelija. To je češće u akvatičnoj sredini. Postoje kolonije gde se genetički različite ćelije sakupe, to je češće u terestričnoj sredini. Ti oblici su fitički različiti: u obliku grudvica, filamenata, pločica itd.

Kakav god stepen višećeličnosti da uzmemo uslovnu višećeličnost ili pravu višećeličnost, ukupno postoji 25 različitih formi višećeličnosti.

Sve ove forme višećeličnosti su nastajale mnogo puta, potpuno nezavisno jedni od drugih.

- Prava višećeličnost (današnji vć organizmi: gljive, alge, biljke, metazoe tj. vć životinje) je nastala bar 6 puta potpuno nezavisno. - Za metazoe je višećeličnost najverovatnije nastala jednom. - Za biljke, mrke alge, crvene alge i gljive višećeličnost je nastala nezavisno u tim evolucionim linijama.


9

Višećeličnost je u nekom evolucionom periodu bila izražen trend, što znači da je višećeličnost (udruženi ćelijski sistemi - komunikacija, kooperacija između ćelija) mogla da bude selektivna prednost u određenim životnim uslovima (stresnim uslovima). Višećeličnost ima selektivnu prednost u odnosu na jednoćelijsku organizaciju, povećava verovatnoću preživljavanja ćelijama ukoliko se one udruže.

Prednost višećeličnosti u odnosu na jednoćelijsku organizaciju: - efikasnije korišćenje dostupnih izvora hrane i - zaštita od predatora.

Mnogo eksperimenata laboratorijsko ispitivanje načina formiranja višećeličnosti: - Na miksobakterijama, na volvoksu, njihovo udruživanje u stresnim uslovima (manjak hrane) povećava efiksanost korišćenja hrane. - Najbolji eksperiment koji pokazuje izraženu selektivnu prednost ćeljske kooperacije (1998) na jenoćelijskim algama. Rađena je selekcija za višećeličnost. Alge su 1-ćelijske sa mogućnošću pravljenja kolonija. Tu je selektivni pritisak bio predator (račić koji jede taj fito plankton). Ta selekcija je podrazumevala da što je veća grupica ćelija, račić ne može da ih pojede (nema tolika usta). Preživljavale su one grupe ćelije koje su imale veći potencijal da se udružuju, jer su tako smanjivale verovatnoću da budu pojedene. Tu postoji evolucija kooperacije, ali se genetički ništa bitno nije promenilo. Naravno podrazumeva se genetička varijabilnost. Nije se pojavila neka mutacija koja će unaprediti tu višećeličnost. Već su tu selekcionisane one ćelije koje su imale veći potencijalz adheziju i komuniakciju tj. selekcija je favorizovala takve jedinke. Nakon 100 generacija se višećeličnost (uslovna) stabilizovala na grupe od 8 ćelija, a do tada ih je bilo od 4 do 100tinak ćelija. Dakle, 8 je bila idealna proporcija ćelija u grupi koja je sprečavala tog račića da ih pojede. - Kvasac (1-ćelijski eukariot). U testu, ubacuju se spore kvasca i počinje pupljenje. Kvasac pravi kolonije tako što nema odvajanja ćelija nakon deobe (ćerke ćelije se ne odvajaju) - pahuljaste kolonije. Tu je rađena selekcija za višećeličnost. Jednostavno, ubace se ćelije i one koje su sklone da prave pahuljste kolonije će brže da se talože. Odlije se gornji sloj tečnosti i tako odbacimo ćelije koje se nisu udružile, a one udružene su teže i padaju dole. U narednim generacijama potomstvo su ostavljali oni kvasci koji su se udruživali u kolonije. Dešavalo se seldeće u kolonijama: - Bilo je sve više i više kolonijalnih kvasaca tj. pahuljastih kolonija. - Kolonije kvasca produžavaju svoju juvenilnu fazu (odlažu pupljenje). - U kolonijama se pojavljuje i apoptoza (programirana ćelijska smrt) što je tipično za višećelijske organizme i za njihove procese razvića. Oko 2% ćelija u ovim kolonijama je programirano doživelo smrt, i to u regionima sa kojih su se manje grupe ćelija odvajale od matične grupe, i koje će napraviti nove kolonije, analog reprodukciji. - Te kolonije (sa daljom selekcijiom) su postajale sve više hidrodinamične jer se brže talože od pahuljastih. To je ilustracija kako životna sredina (stres) može da indukuje pojavu kooperacije ćelijskih sistema da selekcija može da počene da deluje i na višećelijskom nivou (na nivou čitave grupe), a ne na nivou pojedinačne ćelije.

10

Tokom evolucije se pokazalo da stres indukuje poliploidiju, divaljanje ME. Stres se povezuje sa pojavom trenda višećeličnosti.

Pre oko 2 milijarde godina desile su se globalne fizičke i hemijske promene u životnoj sredini, povećanje O2, tektonske promene koje menjaju hemiju i strukturu atmosfere i zemljišta. To su veliki stresori za organizma koji su se adaptirali na prethodne životne uslove. Smatra se da je to bio triger za opšti trend pojave višećeličnosti (tj. za evoluciju komunikacije i kooperacije između ćelija). Koliko je taj trend bio globalan (na celoj planeti) pokazuju fosili: Fosil Grypania spiralis (iz Mičigena, star 2,1 milijardu godina) i fosil iz Gabona (Afrika) - star 2,1 milijardu godina. Dakle isto vreme (različita mesta) - nije se jednom pojavila višećeličnost. Fosili: - Fosil Grypania spiralis je velika kolonija preko 2cm. Pošto su bile velike, smatra se ili veoma sinhronizovanom bakterijskom kolonijom ili eukariotskim organizmom - Fosil iz Gabona (Zapadna Afrika) je još veća kolonijalna forma veća od 12cm. Forme rasta kolonije su koordiniasne, složena oganizacija, što ukazuje na veoma visok nivo međućelijske komunikacije kakav se danas kod prokariota ne viđa, pa ga zato mnogi smatraju eukariotskim organizmom ili visoko koordinisane bakterijske kolonije čega nema kod današnjih prokariota. Ako je ovo tačno, onda to nastanak eukariotske ćelije (pre 1,8 mlrd. godina) pomera značajno ranije. Nesumnjivi eukariotski fosili (filamentozni protisti) su stari 1,8 mlrd godina.

Postanak eukariotske ćelije - rečeno je da je nesporni fosil eukariotske ćelije star oko 1,8 milijardi godina, a ovde je fosil od 2,1 milijarde godina. Pretpostavalja se da nećemo razrešiti ovo pitanje. Ako bi to bio eukariotski višećelijski organizam to pomera vreme postanka same eukariotske ćelije u ranije vreme.

- Filamentozne cijanobakterije - to su bile bakterijske kolonije, pre 2,2 miljarde godina. I danas postoje bakterije koje prave kolonije. Ti stari višećelijski oblici nisu morali da imaju iste molekulske mehanizme formiranja višećelijčnosti kao današnji. Najverovatnije da nemaju nikakve veze sa današnjim organizmima. Savremeni višećelijski organizmi (životinje, biljke, gljive) po molekulski podacima nisu stariji više od 1,2 mlrd godina. - Najstariji fosili višećelijskih životinja (metazoa) su stari 750 miliona godina i to je period ediakarske faune.

I danas postoje sporenja da li ediakarska fauna predstavlja evolucionu liniju savremenih životinja ili je to neka sestrinska grupa koju smo uočili i koja je dominirala u to vreme, a da su savremeni višećelijski oblici tada bili sitni i neprimetni. Tj. ne zna se da li je ediakarska fauna slepa grana u evoluciji metazoa.


11

Nesporni fosili: - Filamentozne cijanobakterije - to su bile bakterijske kolonije, pre 2,2 miljarde godina. - Filamentozni protisti - jednoćelijski eukarioti stari 1,8 do 1,2 miljarde godina. Ubrzo nakon nastanka eukariotskih ćelija javljaju se kolonije eukariota. - Fosili složene savremene višećelijske građe (životinje, gljive, biljke): - Fosili višećelijskih životinja su stari od 770 do 750 miliona godina (Ediakarska fauna). Molekulski podaci govore da su savremene forme višećelijskih životinja nastale pre oko 1,2 milijarde godina. - Fosili kopnenih biljaka su stari oko 450 do 470 miliona godina (Biljke su mlađe)

Jednoćelijski preci? �Choanoflagellata - sestrinska grupa Metazoa � Slična građa kao hoanocite sunđera �Sunđeri - najstarija grupa životinja (molekulske analize i fosili) �Opisthokonta - Metazoa, hoanoflagelate, neke grupe protozoa, gljive - Homologoni gena za ćelijsku adheziju, diferencijaciju i signalnu transdukciju

Jednoćeliski preci Pretpostavljamo da su višećlijski organizmi nastali od nekog jednoćelijskg pretka. Pitanje je koji su preci višećelijskih životinja. Kod životinja, analize gena (18S rRNK, mitohondrijski geni, jedarni geni) pokazuju da su Choanflagelate (grupa jednoćelijskih eukariota, bičar) sestrinska grupa metazoa (višećeliskih životinja).

Choanflagelate imaju apikalni bič, četkasti okovratnik koji kod hoanoflagelata služi za hvatanje plena, bič za plivanje. + Imaju sličnu građu kao hoanocite sunđera. (u prilog tvrdnji o sestrinskoj grupi) Kod sunđera hoanocite oblažu duplje i imaju funkciju u uzimanju hrane. + Sunđeri su prve metazoe tj. najstarije višećelijske životinje, prvi fosilni nalazi savremenih životinja su sunđeri. Mnogo analiza potvrđuje da su Choanflagelate naši preci.

12

Superkladu Opistokonta čine životinje, metazoe, hoanofalgelate, neke grupe protozoa i gljive. Ovde spadaju: - i jednoćelijski i višećelijski organizmi koji imaju složen ćelijski ciklus, (i jednoćelijski imaju izraženu sposobnost diferncijacije ćelije spram efekata spoljašnje životne sredine) - mnoge jednoćelijske opistokonte (jednoćelijski eukarioti) imaju tendenciju stvaranja kolonija. Jednoćeljske opsitokonte su bliže metazoama od drugih jednoćelijskih eukariota. Kod jednoćelijskih Opistokonta postoje homologni geni za mnoge gene koji su važni za višećelijsku organizaciju, i to su geni: - za ćelijsku adheziju (spajanje i komunikaciju između ćelija) - za diferenecijaciju ćelija i - za signalnu transdukciju - bez tih procesa nema višećelijske organizacije. Za jedan višećelijski organizam je važno da su ćelije u grupi, da međusobno komuniciraju, da ćelije imaju sposobnost da se diferenciraju i da naprave različita tkiva jednog višećelijskog organizma. Metazoe su najsrodnije savremenim hoanoflagelatama, to pokazuju i molekulski podaci, odnosno geni koje sadrže same hoanoflagelate.

Tako da se osnovnim alatom višećeličnosti smatraju: - TF-i važni za diferencijaciju ćelija i - Interakcijski alat (međućelijska komunikacija)


13

Ogroman broj gena (koji daje produkte) koji učestvuje u komunikaciji između ćelija nalazi se kod jednoćelijskih predaka. Jednoćelijski organizam bi ove gene (koji kod višećelijskih obavljaju komunikaciju, diferencijaciju itd.) trebalo da koristi za neke svoje potrebe (po Darvinu evolucija ne gleda unapred, ne postoji nešto kod nekog organizma zato što će nekad u budućnosti da bude korisno). Uloge ovih gena u morfogenezi (u razviću različitih tkiva i organa itd.) su potpuno drugačije nego kod jednoćelijskih organizama. Kod dve ćelije koje se spoje, javljaju se različite fizičke sile koje vladaju između njih. Novi fizički procesi se aktiviraju kada postoji grupa ćelija. Kod grupa ćelija različite veličine i fizički procesi su različiti.

Gen za rupu u blastuli ne postoji - rupa (i kasnija uvijanja usled deoba) nastaje usled fizičkih interakcija između ćelija. Postoje geni za hemiju ćelije, za mogućnost njene interakcije sa drugim ćelijama. Rupa postaje jer se menjaju fizičke interakcije između ćelija. Ako su u grupi 3 ili 4 ćelije fizičke interakcije su jednog tipa, ako se doda još ćelija moguće je da će se organizovati tako da nastane rupa.

Fizički procesi koji proizilaze iz komunikacije, kontakta, adehezije ćelije tj. interakcije između ćelija su potpuno novi kada nastanu kolonije. Za to je zaslužan interakcijski alat između ćelija. Grupa ćelija, desi se varijacija u sredina (stresor) koji može da izmeni hemijski medijum u kome se nalazi ta grupa ćelija. To može da izmeni interkaciju između ćelija, a samim tim i fizičke procese između ćelija (npr. usled promene pH sredine). Ako se poveća broj ćelija u grupi to takođe može da promeni fizičke procese između ćelija, tako da ta grupa tada umesto da gradi šuplju loptu, napravi ispunjenu loptu, ili filament. Male mutacije u genima za adhezione molekule važne za grupisanje ćelija, mogu da uzrokuju drugačije interakcije između ćelija, a time i drugačije fizičke procese. Znači: iz Hemije ćelija proizilaze fizičke interakcije i njihova organizacija u koloniji. Jednoćelijski presi su imali neke gene koji su omogućavali adheziju ćelija, ali tu su i fizički procesi između ćelija.

14

PITANJE 50 - Postanak i evolucija gena značajnih za razviće životinja Jednoćelijski i kolonijalni protisti iz grupe Hoanoflagelata su sestrinska grupa višećelijskih životinja Metazoa, na šta ukazuju analize genoma Hoanoflagelate su slične hoanocitama, ćelijama sunđera čija je funkcija uzimanje hrane. Hoanoflagelate (kao i hoanocite) imaju apikalni bič sa četkastim okovratnikom, pomoću kojih love bakterije i detritus, a to navodi na zaključak da su jednoćelijski preci životinja bili slični hoanoflagelatama. Dodatno, molekularne analize identifikuju sunđere kao najstariju grupu životinja, a i podatak sunđeri su prve životinje koje se pojavljuju u fosilnim zapisima, što ide u prilog tome. Višećelijske životinje, hoanoflagelate, gljive i neke manje grupe protozoa formiraju veliku superkladu Opisthokonta. Ova grupa poseduje složene životne cikluse i brojne visokodiferencirane ćelije. Kod svih opistokonta su pronađeni homologoni gena metazoa koji kontrolišu ćelijsku adheziju, diferencijaciju i signalnu transdukciju.

U proučavanju evolucije višećeličnosti prvo treba analizirati genom recentnih Hoanoflagelata. Tako je sekvenciran genom Monosige brevicolis (savremene jednoćelijske hoanoflagelate) i traženi su geni važni višećelijsku organizaciju koji postoje i kod savremenih višećelijskih organizama. Ključni geni za višećeličnost (prisutni i kod metazoa) se mogu naći kod jednoćelijskog predstavnika hoanoflagelata i to su: - geni za ćelijsku adheziju (za povezivanje ćelija i njihovu međusobnu komunikaciju tj. signale iz jedne u druggu ćeliju) - geni koji učestvuju u transdukciji signala iz jedne ćelije u drugu.

Sekvenciran je genom jednoćelijske hoanoflagelate -i na osnovu gena Monosige brevicollis pronađena je veza između Hoanoflagelata i Metazoa (višećelijskih organizama), što je omogućilo dublji uvid u nastanak gena neophodnih u razviću metazoa.

Tu su značajni geni koji kodiraju proteine adhezivne molekule - CAM-ove (cell adhesion

molecules). CAM-ovi su transmembranski receptori sa 3 domena: ekstraćelijski (izvan ćelije), transmembranski i deo u ćeliji (u komunikaciji sa citoskeletom).


15

Ako se nešto veže za CAM-ove, oni menjaju konformaciju i to pokreće signale u samoj ćeliji. To su ključni geni za višećeličnost - ćelije moraju biti skupa i međusobno komunicirati.

CAM-ovi proteini adhezivni molekuli na površini membrane su bitni za: -za ćelijsku adheziju - slepljivanje ćelija -za transdukciju signala: u međućelijskoj komunikaciji i komunikaciji ćelija sa ektraćelijskim matriksom. To su ključni geni za višećeličnost - ćelije moraju biti skupa i međusobno komunicirati.

Postoje različiti tipovi CAM-ova: 1) Kadherini - u razviću metazoa (vć životinja) učestvuju u sortiranju ćelija (zaduženi za grupisanje ćelija istog tipa, da se one drže na okupu). 20 gena kod Monosige je homogno sa genima Metazoa. 2) C-tip lektini - heterogena grupa adhezivnih molekula, kod metazoa imaju više uloga: prepoznavanje patogena, organizacija ekstraćelijskog matriksa, prepoznavanje i adhezija ćelija istog organizma, endocitoza, apoptoza. Od 12 gena kod Monosige 2 je homologno sa Metazoama 3) Imunoglobulisnki domeni proteina važni za prepoznavanje stranih ćelija (alorekognicija), endocitozu. 5 gena kod Monosige kodira za neke imunoglobulinske domene. Kod metazoa je došlo do velikog povećanja imunoglobulinske familije gena (tj. povećanja broja gena za imunske odgovore) ima ih od 150 do 1500. Ovi geni su homologi genima višećeliskih životinja. Ključni geni višećeličnosti postoje i kod jednoćelijskih predaka, ali koja je uloga ovih proteina CAM-ova: ⌦ Ovi proteini nalaze u četkastom okovratniku i smatra se da je kod 1-ćelijske Monosige (i predaka) njihova funkcija vezana za hvatanje bakterijskog plena. Ti geni su kod višećelijskih organizama upotrebljeni u adheziji i komunikaciji ćelija. ⌦ Ovi geni višećeličnosti kod 1-ćelijskih organizama su eksaptacija za višećelijsku organizaciju.

16

Geni za Transdukciju signala. Kod višećelijskih organizama geni važni za Transdukciju signala su razni parakrini faktori i njihovi transmembranski receptori. Npr. jedna ćelija ispušta neki produkt u međućelijski prostor i to je signal za obližnje ćelije. Hemijski signali koje ispuste ćelije u ekstraćelijski matriks, na koje odogovaraju druge ćelije. Znači, važni su parakrini faktori i priča o transmembranskim proteinima. Kod Monosige nema tih parakrinih signalnih puteva koji bi bili homologni putevima metazoa. Ali, kod Monosige postoje sekvecne koje kodiraju za domene proteina signalnih puteva tj. za domene nekih signalnih faktora i to: Notch (noč) transmembranski receptror važan u razviću kod metazoa i Hedžhog parakrini faktor. Kod Monosige je prisutan samo Hog domen, ona nema ceo gen Hedžhog. Sunđeri imaju i Hedž i Hog domen, ali u sastavu različitih gena (proteina). Hedžhog je mozaični gen - kod Metazoa od različitih delova nastao je jedan mozaični gen koji kodira za ovaj parakrini faktor (Hedžhog) važan u procesu razvića.

U genomu Monosige se nalaze razbacani domeni od kojih su kod metazoa nastali celoviti mozaični geni, važni elementi signalnog puta. HedžHog je bitan signalni put kod višećelijskih organizama u procesu razvića. Pošto kod predaka postoje domeni u sastavu različitih gena, a kod metazoa su oba domena u sastavu istog gena, znači da je to mozaičan gen, nastao tokom evolucije kombinovanjem različitih egzona.

Šta će 1-ćelijskom organizmu sve ovo? Funkcija ovih gena kod Monosige je mogućanost da se ćelije diferenciraju, važno je i za 1-ćelijski organizam da on zavisno od životne sredine modifikuje svoj fenotip. Taj ćelijski fenotip će biti različit zavisno od životne sredine. Ukoliko postoji stres koji bi favorizovao formiranje kolonija ovi faktori bi menjalu ćelijske fenotipove u koloniji (znači, ćelije u koloniji nisu identične ćelijama koje žive samostalno).


17

Geni za za formiranje ekstraćelijkog matriksa. Kod Metazoa najzatupljeniji proteini u ekstraćelijskom matriksu su kolagen, lamin i fibronektin. Kod Monosige postoje geni za ove proteine ekstraćeljskog matriksa, koji su homologi sa genima za ekrstraćelijske proteine kod Metazoa. Kod Monosige postoje geni koji stvaraju proteine, čiji homolozi kod metazoa učestvuju u formiranju ekstraćelijskog matriksa (npr. kolagen, laminini, fibronektini

Kod Monosige postoji 2 gena koja su homolgna sa kolagenom i drugim ekstraćelijskim proteinima. Ova 2 gena kodiraju ponovljivi niz kod kolagena (pominjan kod elongacije gena) Glicin - pa dve AK-e tipičan za Metazoe.

Monosiga može da sintetiše ekstraćelijski matriks koji njoj ne treba jer je jednoćelijska. Smatra se da je funkcija gena odnosno ekstraćelijskih proteina kod jednoćelijskih predaka bila pričvršćivanje za podlogu. Znači da kod jednoćelijskog pretka već postoji potencijal za višećeličnost.

Regulatorni geni - Transkripcioni faktori. TF-i višećelijskim organizmima omogućavaju diferencijaciju ćelija na različite ćelijske tipove u različitim tkivima. Jednoćelijski eukarioti imaju puno TF-a koji im služe da menjaju svoj ćelijski fenotip spram uslova u životnoj sredini. Tako i Monosiga ima članove većine familija eukariotskih TF-a tj. transkripcionih faktora koje možemo naći kod metazoa. TF-i kod 1-ćelijskih eukariota su: - najbrojniji su TF sa Cinkovim prstima - oni su bili inicijalni TF-i u samoj višećeličnosti. - pronađena su i 2 TF-a sa homeodomenima, ali ne Hox gene koji su važni za razviće metazoa. Uloga TF kod jednoćelijskih organizama gde nema diferencijacije ćelija je paljenje i gašenje različitih grupa gena zavisno od uslova životne sredine. Npr. laktozni operon - u zavisnosti od uslova spoljašnje sredine će neki geni biti ugašeni ili upaljeni.

18

Kod višećelijskih organizama TF-i utiču na diferencijaciju. Kada se ćelije diferenciraju u određeni tip, transkripcini status ćelije mora da se stabilizuje, jer ne može dalje da se menja. Stabilizacija transkripcionog statusa određenog tipa ćelije se zasniva na epigenetičkim modifikacijama na nivou transkripcije: remodelovanje hromatina i dr. To uspostavlja stabilni transkripcioni status. Smatra se da je H2A.Z varijanta histona bila na ključna za stabilizovanje transkripcionog statusa ćelije kod prvih višećelijskih organiazama. Prisutna kod jednoćelijskih eukariota, pa se smatra da je prisustvo i odsustvo ove varijante moglo da odredi i stabilizuje transkripcioni status na početku postanka višećelijskih organizama. Kod višećelijskih organizama TF-i su važni za difernecijaciju ćelija, jedan gen koji je TF regrutuje svoje gene koje kontroliše - regulatorna mreža. Za višećelijske organizme je važno da se određeni transkripcioni ststus (obrazac) ćelija istog tkiva održi. Postoje mehanizmi kod višećelijskih životinja koji stabilizuju transkripcioni status ćelija. Značajan za stabilizaciju je H2A.Z histon koji kod višećelijskih eukaiota označava status aktivnih gena. Vrlo su stabilni nukleozomi sa ovom varijantom histona. Ovaj histon je bio glavni za stabilizaciju ekspresije gena (tj. transkripcionog statisa ćelije) kod prvih višećelijskih organizama. Cis-trans regulacija može biti vrlo promenljiva, a za višećelijske organizme je važno da transkripcioni status (obrazac ekspresije) bude stabilan u jednoj ćelijskoj liniji, da sve ćelije u jednoj liniji imaju isti transkripcioni obrazac. Nije dovoljna samo cis-trans regulacija već postoje i drugi mehanizami: tipovi nukleozoma, posttranslacione modifikacije histona, metilacija DNK itd. H2A.Z histon je drevni stabilizator transkripcionog obrazca, jer je prisutan i kod jednoćelijskih eukariota. Kod višećelijskih je nukleozom sa ovom varijantom vrlo stabilan, ali problem je što kod npr. kvasca označava neaktivni gen (heterohromatin), a kod drugih organizama uglavnom euhromatinske regione. Šta je starija f-ja od te dve ne zna se.


19

PITANJE 51. Genom pretka Metazoa

Da bi se stekao uvid u genom (poslednjeg zajedničkog) pretka Metazoa sekvenciran je genom najstarije metazoe - a to je sunđer Amphipedon queenslandica, da se vidi šta ima i da se uporedi sa drugim metazoama tj. eumatezoama (sve iznad sunđera su eumetazoe): - Amfimedon ima oko 30.000 gena koji kodiraju proteine (*više od čoveka), - tu su brojni geni (tj. proteini): - za signalne puteve (tj. signalnu transukciju) i - diferencijaciju ćelije. Praktično ima kompletan alat za višećeličnost.

Pošto ih ima i sunđer kao najstarija grupa, a i ostale metazoe, onda je i poslednji zajednički predak Metazoa morao imati ove gene za signalnu transdukciju i diferencijaciju ćelije. Znači kod pretka je postojao je osnovni "alat" za evoluciju višećeličnosti.

Kada se uporedi sa 1-ćelijskim eukariotama: - 27% familija gena kod ovih sunđera je specifično samo za metazoe. Pojavili su se kod prvih Metazoa a da nisu postojale kod 1-ćelijskih predaka. - To je podrazumevalo brojne duplikacije regulatornih gena (TF-a). Najranije su bile duplikacije TF-a sa Homeodomenima (ključni za regulaciju procesa razvića). - U različitim linijama Metazoa desile su se duolikacije za različite TF-e. Što je kompleksniji organizam treba mu više TF-a tj. povećanje broja gena za TF-e koji regulišu diferncijaciju ćelija. Kod Eumatezoa u odnosu na sunđer, broj gena po familiji TF-a je veći 2-34 puta. Od prvih metazoa kreće ekpsanzija regulatornih gena TF-a.

20

Šta sve ima Amfipedon što je važno za višećeličnost (uvid u poreklo 6 osnovnih karakteristika višećeličnosti): 1. Regulacija ćelijskog ciklusa i rasta ćelije. Poređenjem današnjih Metazoa i sestrinskih 1-ćelijskih eukariota vidimo da se ništa specijalno novo nije desilo kod metazoa u odnosu na 1-ćelijske tj. glavne klase gena za regulaciju ćelijskog ciklusa i rast ćelija postoje i kod jednoćelijskih eukariota. Naravno, kod Metazoa su značajno amplifikovane.

Inicaijalni (osnovni) faktori regulacije ćeljskog ciklusa i rast ćelije postoje kod svih eukariota, i jednoćelijskih ili višećelijskih. Usložnjavanje kod metazoa je kasnije nastupilo jer su ćelije morale da odgovaraju na drugačije signale.

2. Apoptoza (programirana ćelijska smrt) - je novitet metazoa. Apoptoza je važna za procese razvića višećelijskog organizma i zato se smatra jednom od ključnih karakteristika višećeličnosti. Značajna u organogenezi - nakon rasta i deoba ćelija, fino modeliranje tog dela tela (organa) se vrši apoptozom tako što neke ćeliji izumru (npr. struktura kičmeni pršljen ili šaka). Kod ranih (jednoćelijskih) eukariota nema homolognih gena koji odgovaraju metazoama. Specifična je za Metazoe.

Kod ranih eukariota nema mehanizama apoptoze - to je specifičnost koja se pojavila kod metazoa. (Kod kvasca su bili mehanizmi apoptoze, ali nisu homologni sa ovim kod metazoa) Tendencija usložnjavanja mehanizama apoptoze od filogenetski starijih ka mlađim grupama.


21

3. Adhezija između ćelija i ćelija sa ekstraćelijskim matriksom Osnovni elementi (homologni geni) su prisutni kod Hoanoflagelata (1-ćelijskih predaka Metazoa) (Proteini CAM-ovi: kadherini, C-tip lektini, imunoglobulini) 4. Prepoznavanje stranih ćelija (Alorekognicija) i urođeni imunski odgovor. Neke receptorske familije interleukina su homologne i kod jednoćelijskih eukariota i kod metazoa, ali se kasnije kod metazoa pojavilo mnogo novih gena i načina da prepoznaju patogene. Kod metazoa su se pojavili novi mehanizmi odbrane od patogena (to je pratilo prelaz od 1- do višećelijske organizacije). 5. i 6. Signalni putevi (značajni za razviće) i Specijalizacija ćelijskih tipova TF-a ima i kod jednoćelijskih i višećelijskih životinja. Kod sunđera sve glavne klase TF-a i signalnih molekula postoje kao i kod metazoa, ali u manjem obimu (to se kasnije usložnjavalo u različitim linijama metazoa). Sunđeri nemaju Hox gene, oni imaju gene sa homeodomenima koji ne pripadaju klasi Hox gena. Hox geni su nastali nakon sunđera.

Hox geni spadaju u grupu transkripcionih sa homeodomenima. Hox geni sa HD kod metazoa suštinksi određuju telesni sklop (To praktično rade svi TF-i sa HD, ali u okviru TF sa HD su najvažniji HOX geni). Homeodomeni predstavljaju deo proteina koji imaju 60 ili 63 AK. Oni koji imaju 63 AK u DNK vezujućem domenu su TALE klasa, a 60 AK u vezujućem delu ima ne-TALE klasa. To su TF-i koji prepoznaju određenu DNK sekvencu i tako regulišu ekpepresiju tih gena.

TF-i sa homeodomenima(TF sa HD) su posebna grupa TF-a kod eukariota koji imaju 60 ili 63 AK u vezivnom domenu koji se vezuje za određenu sekvencu DNK. Postoje 2 osnovne klase proteina sa homeodomenima kod eukariota: - klasa sa 60 AK (ne-TALE klasa) - klasa sa 63 AK (TALE klasa).

22

Uloge TF sa HD su u uspostavljanju telesnih sklopova i regionalizacije tela, oni pošto su veoma duboko umreženi TF-i, regulišu druge TF-e (pliće umrežene), koji će dalje dovesti do različitih diferencijacija u različitim ćelijskim linijama.

TF-i su duboko umreženi TF-i, kada se upale u jednom regionu embrina, upravljaju koji će geni u tim ćelijama biti aktivirani, a koji inaktiviranu, u drugom regionu aktiviriaće i će inaktivirati neke druge gene. Imaju svoje multisabilne mreže, aktiviraju se na različitim mestima i tako prave regionalizaciju gena.

Oni regulišu procese razvića - modeliranje telesnog slopa tela: -regionalizaciju tela (uspostavljanje telesnih sklopa), -deobu ćelija u određenim tkivima, -diferencijaciju, adheziju, migraciju ćelija, -Prokarioti nemaju TF-e. Oni su nastali kod Eukariota (TF-i sa HD). -Kod jednoćelijskih Eukariota (koji pripadaju grupi Opistokonta) kod kojih se javlja neki vid višećeličnosti, postoji i TALE i neTALE klasa. Znači da ih je imao poslednji zajednički predak svih metazoa imao i TALE i neTALE začetnike ovih velikih klasa gena. Hox geni spadaju u ne-TALE klasu. Hox geni su samo jedna od grupa u okviru ne-TALE grupe TF-a sa HD. Ako neki organizam kao npr. sunđer ima ne-TALE klasu gena, nema i Hox gene. Sunđeri mogu imati TF sa HD ali nemaju specifične Hox gene. Jednoćelijski eukarioti imaju TF sa HD, ali nema HOX. - Kod 1-ćelijskih predaka svih metazoa postoje obe klase TF sa HD (Tale i ne-Tale). U različitim evolucionim linijama metazoa su se oni duplikacirali, povećavao se broj gena unutar familije. - Kod metazoa su se umnožavali i postoji 49 familija gena za TF sa HD, kod čoveka a više od 200 familija gena. - Najveća proliferacija kod eumatezoa (znači bez sunđera) je u HOX genima (znači u ne-Tale klasi). Sa povećanjem fenotipske složenosti raste i broj gena i broj genskih familija TF sa HD.

Biljake imaju TF sa HD i tu se ovi geni zovu MAX geni (a ne HOX kao kod životinja). Sve analizirane evolucione linije poseduju ili obe ili nijednu klasu. Ovo ukazuje da je i poslednji zajednički predak višećelijskih organizama posedovao obe klase ovih proteina.


23

PITANJE 52 - Uloga Hox gena u razviću i evoluciji životinja

Hox geni zovu se još i selektorski geni, ključni su za postavljanje telesnog sklopa, regionalizaciju tela. Npr. da li će se razviti telesni sklop kičmenjaka (svi kičmenjaci spadaju u jedan telesni sklop kičmenjaka) ili neki od mnogo drugih beskičmenjačkih telesnih sklopova (počevši od dupljara pa nadalje). Hox geni selektuju puteve razvića, kao duboko unreženi geni aktiviraju druge TF-e, ti drugi TF-i mogu da aktiviraju treće TF-e koji će onda da aktiviraju te periferne gene. Oni su kontrolori aktivacije drugih TF-a, i na taj način ostvaruju svoju f-ju. Hox geni se zovu još i homeotični geni, zato što mutacije dovode do fenomena "homeoze". Najpoznatija homeoza je Antenapedia kod drozofile gde se umesto antene se razvije noga. Hox gen koji treba da se aktivira u regionu gde treba da izraste noga, aktivirao se u regionu gde treba da izrase antena (pomerio je svoje mesto delovanja). Taj Hox gen ima svoju regulatornu mrežu koju je aktivirao na pogrešnom mestu, tako da su ćelije od kojih je trebalo da se diferencira antena pratile pogrešan put razvića i razvila se noga.

Antenapedia je posledica toga što je određni Hox gen izmenio region gde je aktivan. Ćelije od kojih je trebalo da nastane antena su selektovane da se diferenciraju u noge. Homeoza Antenapedia kod drozofile - jedan HOX gena je usled mutacije pomerio svoje mesto delovanja, tako da je promenio je genetički program ćelija na glavi i umesto antena razvile su se noge. Te noge su izgrađene od ćelija koje se inače nalaze na glavi, ali su sledile pogrešan genetički program. Hox geni određuju sudbinu ćelija tokom razvića.

To govori o modularnost na molekulskom nivou - jedan TF ima svoj modul koji može da nosi u različite delove tela. ⌦ Hox geni su raspoređeni u Jata (sin. klasteri, multigenske familije), nastala brojnim duplikacijama tokom evolucije, i ispoljavaju se kolinearno u pravcu anteriorno-posteriorne ose. Njihov raspored u jatima odeđuje prostornu kolinearnost njihove aktivacije, npr. prvi se aktivira u jednom delu tela (tu pokreće određenu regulatornu mrežu), drugi u drugom delu tela (pokreće drugu regulatornu mrežu) i na taj način oni prave anterirono-posteriornu osu tela, dolazi do regionalizacije. Njihovo ispoljavanje ide od anteriorne pa sukcesivno prema posteriornoj osi, čak i ukoliko se svi pale odjednom kao kod drozofile svaki od njih je zadužen za odeđeni region tela i to je prostorna kolinearnost. Raspored Hox gena u jatima određuje funkciju gena duž anteriorno-posteriorne telesne ose kod Bilateria

24

Redosled njihovo aktiviranja je 3'-5' (to ne znači da se sam gen transkribuje ne transkribuje uobičajeno 5'-3'). Znači, genio se normalno transkribuju 5'-3', ali prvo se transkribuje gen koji se nalazi na 3' kraju. Na 3' kraju je anteriorni, a na 5' kraju je posteriorni.

Što je organizam složeniji (složeniji telesni sklop), očekujemo više ovih gena: - Drozofila ima 8 HOX gena, - Sisara imaju 39 HOX gena u 4 jata. Postojanje 4 jata govori o poliploidiji (kompletnoj duplikaciji genoma) u nastanku kičmenjaka, tj. o dve runde duplikacija: prvom poliploidijom nastalo je 2 jata, drugom poliploidijom je nastalo 4 niza. To je pokazatelj da je kod kičmenjaka došlo do dve potpune duplikacije genoma. Kičmenjaci imaju 39 gena u 4 jata na 4 različita hromozoma. Nakon ovih duplikacija došlo je do gubitka pojedinih Hox gena. Kod Drozofile svih 8 Hox gena se aktivira u isto vreme, u embrionu, pri čemu svaki zadržava svoju mrežu. Kod većine drugih metazoa oni se aktiviraju u različito vreme (i prostono i vremenski). Postanak i evolucija Hox gena

Hox geni spadaju u ne-Tale klasu sa 60 AK u proteinskom domenu. U ne-Tale klasu spadaju: Hox geni, paraHOx geni i NK geni. Ali, Hox geni su ključni i aktiviraju se u svim klicinim listovima.


25

Sunđer nema Hox gene, on nema mezoderm (sunđer je dvoslojna životinja), a kasnije od valjkastih crva pa nadalje su troslojne životinje (tj, pojavljuje se mezoderm).

Hox geni su aktivni u svim klicinim listovima, sli su najvažnije njihove aktivnosi u ektodermu (u neuroektodermu) najvažniji su formiranje nervnog sistema kod metazoa. Hox geni su aktivni svuda ali dominantno u ektodermu. paraHox geni su najaktivniji u endodermu (npr. diferencijacija creva) (aktivni u razviću delova koji nastaju od endodermnog klicinog lista) NK geni su najaktivniji u mezodermu (važni za razviće srca) (aktivni u razviću delova koji nastaju od mezoderma) Svi spadaju u ne-Tale klasu. Svi zajedno para Hox, Hox i NK grupa čine mega jato. Oni potiču od jednog gena koji se zove protoANTP (od antenapedija). Pre razdvajanja knidarija (koje imaju radijalnu simetriju) i bilateralija (sa bilateralnom dvobočnom simetrijom) je došlo do prve duplikacije: - jedne kopije počinju da evoluiraju ka NK grupi. (NK grupa je manje sreodna sa Hox genima jer se ta divergencija desila ranije) - od druge grupe nastaje protoHox grupa koja se kasnije razdvaja na paraHox i Hox gene. U okviru svake od tih grupa dešavale su se duplikacije gena kojim svako od jata dobija nove članove, neki čkanovi se gube, tako da u različitim evolucionim linijama metazoa postoji različita evolucija ovih jata. Negde ima manje gena (neki su nestali), negde ima više. Ovo je bilo "mega jato" - sve tri grupe. Sada ćemo pričati samo o Hox genima.

Postanak i evolucija Hox gena

Hox geni su ključni za postavljanje telesnog sklopa i razviće.

26

- Sunđeri nemaju Hox gene (sunđeri nemaju simetriju - Hox gene povezujemo sa specifičnosšću razvića, a važan aspek u razviću je simtrija tela). Hox geni imaju ulogu u pojavi simetrije. - Knidarije (dupljari) imaju radijalnu simteriju - tada se pojavljuju Hox geni. Od samog početka Hox geni imaju 4 kopije tj. Prema poziciji u jatu i prema mestu ekpresije u telu (tj. u kom regionu je aktivan) razlikuju se: - Anteriorna grupa (aktivna u anteriornim delovima tela), - grupa 3, - centralna grupa i - posteriorna grupa (na 5' kraju i aktivna je u zadnjim regionima tela). Knidarije imaju samo anteriornu i posterionu grupu, a Bilateralne dobijaju sve 4 grupe (kopije).

Poslednji zajednički predak svih organizama sa bilateralnom simetrijom imao sva četiri predstavnika (A, 3, C i P).

Dalje usložnjavanje ovog kompleksa gena (od pojave bilaterlane simterije), kasnije kod pojave celoma (sekundarne telesne duplje - to su tzv Eubilateralie, pa kasnije protostomije i deuterostomije, to su organizmi koji imaju celom) se usložnjavaju ova jata Hox gena.

Kod protostomia od prve duplje blastopora nastaju usni otvor. U deutoerostomia spadaju hordate i bodljokožci, a svi ostali su protosomia.

- Kod deuterostomia je došlo do velikog usložnjavanja, pre nogo što je došlo do 2R duplikaciije čitavih genoma (one dve runde poliploidjie tj. duplikacije čitavog genoma) jato je imalo 14 članova među kojim su bili i anteriorni, grupa 3, centralni i posteriorni. - Nakon toga dolazi do 2R duplikacije kod kičmenjaka (deuterostomia). vremenom neki geni se gase, tako da kičmenjaci sada imaju 39 gena u 4 jata. Znači, nije 4 x 14, već su se neki izgubili ima 39 gena. Poslednji zajednički predak Protostomia i Deuterostomia je imao jedno jato sa 7 do 9 gena. Kod deuterostomia je usledila amplifikacija gena, a onda i 2R duplikacija. Posmatrano od 5' do 3' kraja, konzervisaniji su geni na 3' kraju, između ostalog i zbog samog načina nastanka, a nastaju duplikacijom. Duplikacije su po pravilu verovatnije na 5' kraju, tako da ekspanzija 5' kraja odnosno P posteriorne grupe i centralne grupe (slika) je pratila sam proces evolucije. Organizacija Hox jata

SKRIPTA,

OrgposteriornoOrganizac 1) Organiz - Ta - H - Im - Im - sv Jatamalo nizov

2) Disorga - ja - im - ja - ge 3) S-razdv 4) Atomizi HO Uroorganizacijod njih naj Atoselekcije zznačajno k

Pri

ganizacija Hog dela telacija Hox jat

zovana jataa jata su vrl

Hox geni imamaju nekodimaju nizovevi geni imaj

a se nalaze va DNK, os

Or

anizovana jata obuhvatamaju puno inata sadrže i Heni su različ

vojena (ili SJato je ( Dosta

irana jata -OX geni su r

ohordate suja Hox jatakasnije odv

omiziranje (za vrlo kratakontroliše je

rincipi mole

Hox jata je. ta nije ista k

a (O tip) imlo kompaktnaju male intirajuće nizoe za neke ncu istu transk

na malom tvari velika

rganizovana- Ta jata Ho- Hox geni i vrlo malo - Svi geni im

jata (D tip)aju mnogo vntergenskihHox i neHočite transkri

Split) jata Spodeljeno nrazuđeno, gen

- A tip - korazbacani po

u najsrodin. Ranije se

vojili) jer im(razbijanje) ak životni ver je kratak ž

kularne i fe

e važna za

kod svih živ

maju Kičmenna, sa vrlo mtrone (to doove - ali su vcRNK, ali vrkripcionu o

prostoru oa funkcional

a jata su karaox gena se naimaju vrlo mponovljivih maju istu tran

kod Amfioveće deloveh regiona, geox gene. pcione orije

S tip - kod dna subjata. Oni su različite

d urohordato genomu, n

niji organizmisliloda su

maju donekleHox jata k

vek, brzu reživotni vek.

enotipske ev

27

tokako će

votinja, važn

njaci. malo intergedatno pojačvrlo kozervirlo konzerv

orijentaciju (

d oko100 klna efikasno

akteristična zalaze na vrlo

male introne, sekvenci, ponskripcionu

oksusa (Cepe genoma, raeni sa više i

entacije,

drozofile. Ona su komtranskripcione

ta. nisu grupisa

zmi kičmenu Cephalohe organizov

kod urohordeprodukciju,.

volucije,

oni da reg

na za proces

enskih regiočava kompaisani.

visane. (3' – 5')

kilobaza. Oost Hox gen

za kičmenjak malom prosimaju vrlo m

ostoje neke vorjentaciju.

phalohordataazuđeno jatointrona,

mbinacija pre orijenatacije

ani u jata.

njacima, šthordate najbvana jata. data je sekun, determinis

gionalizuju

s razvića.Po

ona (koji suaktnost jata)

va organizana.

ke. storu (obuhvamale intergenrlo konzervi

a), o.

rethodna dvae, ima i neHOX

o je čudnobliži srodnic

nndarna karsano razviće

Ivan Petro

telo - od a

ostoje:

u mali) ).

acija omogu

ataju oko 10nske regione,sane nekodir

a jata. X gena.)

o ako se ci kičmenja

rakteristika,e jer nije va

ović 2015

anteriornog

ućava da se

0 kilobaza), , rajuće sekven

uzme u obaka (tj. da su

, kao posledažno da se

g do

e sa

nce.

bzir u se

dica ono

28

To je zanimljivo jer su Urohordata najbliži srodnici kičmenjaka koji imaju organizovana jata. Smatra se da je selekcija za kratak životni vek i brzu reprodukciju dovela do smanjenja genoma Urohordata gde su velike rekombinacije unutar genoma razbacale HOX gene svuda po genomu. Važnost organizacaije HOX jata vidi se pre svega kod kičmenjaka koji imaju ova veoma kondenzovana organizovana jata. Važno je kako su organizovana jata. Kod kičmenjaka su jata konsolidovana i stisnuta u vrlo male regione genoma. Ne bilo dobro da ima svakakvih dodataka, jer su kičmenjaci morfološki kompleksni organizmi sa mnogo ćelijskih tipova - onda bi nastao problem sa tom kompleksnom regulacijom razvića. Što je kompleksniji organizam, Hox jata su što više kosolidovana, da nema dodataka koji mogu da dovedu do neki poremećaja u razviću.

Kako je tekla konsolidacija jata: Smatra se da su kičmenjaci krenuli od disorganizovanih jata (koja su sadržaa i Hox i ne-Hox gene, različite orjentacije, cis regulatore koji regulišu savko svoju grupicu Hox gena). Slika: kružići su cis regulatori koji regulišu okolne gene. Početak konsolidacije bi podrazumevao nekog pretka hordata koji bi imao prelaz od disorganizovanih ka organizovanim jatima. Dakle, predačko jato kičmenjacima je bilo disorganizovano. Početak konsolidacije jata je pojava jednog globalnog lokusnog kontrolnog regiona koji se nalazi izvan jata na 3' kraju.


29

Znači: Van jata na 3' kraju pojavljuje cis regulator koji ne reguliše samo susedni gen, već kreće da reguliše čitavo jato. To je taj kontrolni region. Jedno jato Hox gena na 3' kraju steklo je jedan globalni regulator - cis regulator koji počinje da reguliše sve gene u jatu. To nije išlo brzo. Da bi se ostvarila što bolja (tešnja) regulacija svih Hox gena, svi viškovi su morali da se eliminišu. Da se jato što više konsoliduje da bi globalna regulacija bila što efikasnija: - izbačeni su neHox geni - skraćuju se introni i intergenski regioni, izbačeni ME. Takva konsolidnova organizacija je bila selektivno favorizovama.

Selekcija: svaki organizam koji je imao razbarušeno jato bio je manje efikasan od organizma koji je skratio svoje jato (tj. konsolidovao) - to je bio selekcioni trend evolucije.

Globalnog lokusni kontrolni region je omogućio koordinisanu transkripciju gena u jatu i doveo dalje optimizacije jata: -eliminišu se neHOX geni, -smanjuju se introni u genima i intergenski regioni. Izbacuje se višak. Da bi globalna regulacija bila uspešnija potrebno je što veće kondezovanje samog jata.

Globalna regulacija je omogućila Kičmenjacima ne samo prostornu već i temporalnu (vremensku) kolinearnost - različiti geni se i prostorno "gde" i vremenski "kad" se različito pale (u različitim periodima razvića).

Pored toga što će aktivacija gena ići od 3' ka 5' kraju, postoji i različito vreme aktivacije gena, što omogućava dodatnu složenost organizmu. Važno je i "kada" se određeni TF uključi u procesu razvića, a ne samo "gde", jer zavisno od toga kada se uključi on zatiče različit ćelijski kontekst u kome će da deluje.

Ova tesna koordinacija aktivacije Hox gena omogućava da se dobiju značajno složeniji fenotipovi.

Prvobitni globalni kontrolni region dobija nove module (nakon 2R duplikacije). Dalje, na 5' kraju se pojavljuju dodatni globalni kontrolni regioni (cis regulatori na 5' kraju). Pojava novih globalnih regulatora još više konsoliduje celo jato. Usložnjava se globalna regulacija ovog sve konsolidovanijeg jata.

Primer: Kod predaka Tetrapoda smatra se da je pojava cis regulatora (pojačavača) na 5' kraju D jata dovela do nastanka prstiju, jer ovaj pojačavač je počeo da konreoliše aktivaciju posteriornih Hox gena u distalnim delovima udova gde će se pojaviti prstij.

Zahvaljujući ovom cis regulatoru koji aktivira određene gene u autopodnom regionu, tetrapode dobijaju prste. To se pojavilo kod predaka Tetrapoda i npr. Tiktalik (poznati predački fosil) koji ima mešavinu ribljih i tetrapodnih karakteristika, ima začetke zglobova, primitvne prste. Ne može da se uradi njegova analiza, ali može da se pretpostavi da se već kod tih predaka kod tzv. dvodihalica pojavo ovaj pojačavač.

30

On je star oko 375 miliona godina i smatra se predstavnikom reliktom veće grupe predaka tetrapoda jer postoje neki oszisci još starijih predaka tetrapoda oko 400 miliona godina. Tiktalik (fosil) se smatra prelazom između vodenih kičmenjaka i tetrapoda (= kopneni kičmenjaci sa 4 noge). Ima osobine ribe i vodozemaca. Kada je dolazilo do duplikacije gena u Hox jatima oni su po pravilu dodavani na 5' kraj, kao manje važni i manje konzervisani uslovno rečeno. Najviše konzervisani su Hox geni koji se nalaze na 3' kraju jata - anteriorni geni. Pošto su jako konzervisani postoji visok nivo identičnosti kod Knidaria i Bilateralia (i kod radijalne i kod bilateralne simetrije).

Hox geni su duboko umreženi. Oni imaju svoje cis regulatore što znači da i njih "neko" treba da aktivira. Kako oni sami počinju da se pale. U embrionu postoje geni koji se vrlo rano u embrionu aktivaciju Hox gena. Važna je i poliadenilacija iRNK koje je mama spakovala u jajnoj ćeliji, i one kada uđu translaciju proizvešće TF-e koji će aktivirati Hox gene.

Inicijalna aktivacija Hox gena potiče od produkata iRNK u citpoplazmi jajne ćelije.

Sinteza morfogena (signalnih proteina) koji takođe imaju ulogu i u inicijaciji početaka transkripcije HOX gena i kasnije u drugim procesima razvića.

Retinoična kiselina (RA) je glavni regulator temporalne i prostorne kolinearnosti Hox gena. U Hox jatima (unutar gena, u promotorskim regionima ili u pojačavačima) postoje mesta koje prepoznaje Retionoična kiseline. (Retinoična kiselina je jednostavan molekul, postoje geni koji je sintetišu) -Retinoična kiselina se vezuje za jedarni receptor RAR


31

(jedrani recptori su ustvari TF-i koji se vezuju za DNK) - RAR (sa vezanom RA) se vezuje za drugi receptor RXR i nastaje Heterodimer koji se vezuje za specifične sekvence u blizini HOX gena (najčešće promotor ili pojačavač) tj. za tzv, mesta prepoznavanja retinoične kisline) -Hetrodimer (=Aktivirani RAR) regrutuje proteinske komplekse sa Histonskim acetiltransferazama. Acetil tramsferaze prebacuju acetil grupe na Lizine histona i oni otvaraju hromatin i jedan po jedan HOX gen postaje aktivan (tj. omogućavaju pristup TF-ima i RNK polimerazi do Hox gena i da započnu transkripciju). Retionična kiselina postepeno otvara heterohromatin i po tom sledu omogućava pristup TF-ima i RNK polimerazi da započnu redom transkripciju Hox gena, i na taj način se ostvaruje prostorna i vremenska kolinearnost. Svaki poremećaj količine retionične kiseline je štetan po razviće metazoa. Akutan koji se koristi za akne, ima retinoičnu kiselinu, trudnice ne smeju da ga koriste jer može da dođe do poremećaja u razviću dece zbog poremećaja u regulaciji ekspresije Hox gena. Takođe ako trudnice uzimaju previše vitamina A koji je prekursor retinoične kiseline može doći do istih problema.

miRNK su važne za regulaciju ekspresije HOX gena. miRNK koje se nalaze u okviru HOx jata su vrlo konzervisane - što znači da imaju vrlo važnu f-ju. miRNK regulišu koliko će transkript za Hox gena biti konačno eksprimiran. tj. koliko će ući u proces translacije i doboto produkt tog Hox gena. miRNK imaju važnu ulogu fenomenu "posteriorne prevalencije". Postreriorna prevalencija se odnosi se na aktiviranje susednih gena.

U regionima gde se ekspresije anteriornih i posteriornih Hox gena (susednih) preklapaju dolazi do ''posteriorne prevalencije'' pojave u kojoj proizvodi gena bližih 5' kraju dominiraju nad proizvodima gena koji su bliže 3' kraju.

U jednom tkivu se aktivira jedan Hox gen, u drugom drugi, biće tkiva u kojima će se preklapati ti Hox geni, jer ne dolazi do naglog prekida delovanja jednog gena i početka delovanja drugog gena. U tim poklapanjima postepeno od anteriornog mora da počne da dominira posteriorni, pa od njega sledeći posteriorni itd. Setimo se da duplikacije ide po pravilu dodavanja Hox gena na 5' kraj. Novi geni koji se dodaju i koji nastaju duplikacijom 3' gena, vremenom podležu subfunkcionalizaciji pa neofunkcioanlizaciji i menjaju repertoar gena koji će da kontrolišu. - Oni počnu da dominiraju u odnosu na anteriorne roditeljske gene zato što se efikasnije vezuju za CIS elemente gena koje reguliše (koje je do tada regulisao roditeljski gen). - Pošto dolazi do neofunkcionalizacije oni fromiraju svoju paralelnu mrežu. U tom delu miRNK ima važnu ulogu, elsprimiraju se i jedni i drugi, a miRNK treba da reguliše koji će početi da dominiraju.

32

Mnoge familije gena za miRNK su veoma konzervisane - to familije kontrolišu ekpresiju TF-a. Mnoge od ovih transkripcionih jedinica koje kodiraju za miRNK se nalaze unutar jata HOX gena: geni za miR196, miR10 su u HOX jatu. miRNK imaju važnu ulogu fenomenu "posteriorne prevalencije". Odnosi se na aktiviranje susednih gena. Pri paljenju anteriornog i njemu susednog posteriornog gena, njihove aktivnosti u određenim regionima (tkivima) mogu da se preklope. U tim slučajevima dominira posteriorni gen tj. onaj bliži 5' kraju. Smatra se da je posteriorna prevalencija (funkcionalna hijerarhija) rezultat načina formiranja HOX jata a to je zapravo duplikacija prevashodno 5' regiona. Nakon duplikacije dolazilo je do neofunkcionalizacije ovih gena - novi geni su mogli da modifikuju programe roditeljskih HOX gena. (svaki HOX gen ima svoj program, svoj region i gene koje kontroliše). Novi gen nastao na posteriornom kraju može da modifikuje roditeljski program: -tako što se efikasnije vezuju za CIS elemente gena koje reguliše, ili -formira paralelne mreže regulacije. Ova neofunkcionalizacija svih tih gena dovela do toga da oni dominiraju na mestima preklapanja u odnosu na anteriornije gene. miRNK (miR-10 i miR-196) regulišu posteriornu prevalenciju, tj. kada će anterioran a kada će posterioran gen biti dominantan. Oni sprečavaju de se brzo ostvari posteriorna prevalencija. miR10 i miR196 se preferncijalno vezuju za iRNK sa mlađih Hox gena (posteriorni HOX geni) i tako kvantitativno umanjuju količinu njihovih proteina i odlažu dominaciju tih posteriornih gena.


33

PITANJE 53 - Kako Hox geni ostvaruju svoje funkcije? Funkcije Hox gena

TF-i imaju homeodomen koji se direktno vezuju za sekvencu koju prepoznaju, to je krakta sekvence od 10ak nt i na taj način učestvuju u aktivaciji svoje grupe gena. Kako jedan Hox gen prepoznaje koje će gene da aktivira u određenoj ćeliji, a koje neće, ili će da inaktivira? Hox gen nije sam u tome.

Hox geni (tj. TF-i) moraju prvo da se vežu sa nekim kofaktorom (to je vrlo često produkr nekog drugog Hox gena). Dakle, protein sa jednog Hox gena, protein sa drugog Hox gena ili neki drugi protein u ćeliji naprave heterodimer i adekvatnu konformaciju za vezivanje za određeno mesto na genima koje treba da kontrolišu. Zavisno od konformacije oni se vezuju za određene pojačavače, ne za druge. Tako rade Hox geni: njihov proteinski produkt se vezuje za neki kofaktor, nastaje heterodimer koji zauzima određenu konfomaciju, i to određuje koje će gene da aktivira, zaobiđe ili inaktivira. To je model selektivno vezivanje.

Kombinacija HoxTF + kofaktor + drugi proteini u ćeliji koji prave heteroproteinske interakcije koje prave konformaciju i određuju prepoznavanje na cis regulatornom mestu. Heterodimer TF i njegov kofaktor nije dovoljno specifičan, i on regrutuje druge proteine u ćeliji koji funkcionišu ili kao ko-aktivatori ili kao ko-represori. Ovaj veći kompleks dređuje specifičnost vezivanja Hox gena. Znači da funkcija HOX-a zavisi od toga u kakvom se ćelijskom kontekstu nađe, jer njegova aktivnost i specifičnost zavisi i od interakcije sa drugim proteinima u ćeliji. Efekat Hox gena:

34

Oni kada aktiviraju ili inaktiviraju određeni TF koji će dalje da reguliše druge gene - deluju kao "master geni" - odredili su koje će TF-e da aktiviraju, a ti TF-i će dalje da aktiviraju određene setove gena. To je "master" (gospodar) regulacija u toj ćeliji. Oni takođe mogu da aktiviraju i tačno određene gene, to je mikromenadžment u ćeliji. Npr. direktno regulišu gene koji su uključeni u regulaciju ćelijskog ciklusa, apoptozu, migraciju ćelija itd. Znači, kontrolišu il konkretne gene ili TF-e koji će dalje da aktiviraju. Iz te složene organizuacije proizilazi vrlo precizna regionalna diferencijacija ćelija. Kako HOX geni evoluiraju?

Hox geni sus e tokom evolucije intenzivno duplicirali, neofinkcionalizacijpm stiču novu regulatornu mrežu (nove pakete gena koje kontrolišu). Hox geni su nužno visoko konzervisani, , jer jako duboko umreženi u reguatornom genomu. Tako da kod filogenetski veoma udaljenih metazoa postoji praktično odsustvo nesinonimnih mutacije u kodirajućem genomu. Kada su se razdvojili ljudi od miševa pre 75 miliona godina eliminisano je 99.7 % nesinonimnih mutacija. Znači, svega 0,3% nesinonimnih mutacija se održalo u ove dve evolucione linije. Kada se pogleda prosečan protein između miša i čoveka, eliminasno je svega 85% nesinonimnih mutacija. To govori koliko je važno održavanje iste sekvence (tj. odusustvo promene kodirajuće sekvence). Pošto je sekvenca Hox gena vrlo konzervisana, dešava se da se promene cis regulatori (iako su i oni konzervisani) i tako promene svoje mesto i vreme eksprimiranja u različitim evolucionim linijama.


35

Pošto su Hox geni konzervisani, funkcija Hox gena u modelovanju različitih oblika tela se može menjati zahvaljujući mutacijama u CIS regulatorima Hox gena: -što znači da će se on aktivirati ranije, kasnije, ili u drugom delu tela, u odnosu na neku srodnu evolucionu liniju. Promena u cis regulatorima može da menja prostornu i vremensku aktivaciju HOX gena, i time se menja ćelijski kontekst u kome se taj gen aktivira, i čitava regulatorna mrežu koju taj gen kontroliše. To se najbolje vidi kod nastanka kičmenice, kod kičmenjaka. Različit regionalni tip pršljenova (potiljačni, vratni, grudni, slabinski, krstični i trtični) ima različit oblik, oni se povezuju sa aktivnostima različitih HOX gena. Hox geni (jata) kod kičmenjaka su veoma konsolidovana, izuzetak su skvamate (gušteri i zmije) koje imaju imaju bitno drugačiju organizaciju jata, u tima jatima ima mnogo više intergenskih regiona, ima mnogo više ME, što je rezultovalo značajnom respecifikacijom ekspresije Hox gena u različitim regionima tela. Najuočljivije je da zmija nema noge, dok svi drugi kičmenjaci imaju noge. Zmija nema noge, ona ima kičmu i celom dužinom njene kičme, na svim kičmenim pršljenovima ima i rebra. Drugi kičmenjaci imaju rebra u grudnom regionu, a zmija svuda. To znači da svi kičmeni prošljenovi zmije liče na grudne kičmene pršljenovi drugih kičmenjaka. To govori o toj ekstremnoj respecifikaciji. Kokoška i miš - Primer promene prostora delovanja HOX gena koja ima bitni fenotipski efekat: - Oba imaju 5 potiljačnih pršljenova - Kokoška ima 14 vratnih pršljenova, miš kao i svi sisari ima 7. - Grudni sisari 13, kokoška manje. - pa slabinski krstačni repni itd.. Šta se desilo kod zmije? - Granicu između vratnih i grudnih pršljenova kod kičmenjaka kontrolišu HOX5 za kraj vratnih i HOX6 za početak grudnih (to je prelaz između vratnih i grudnih). Karakteristika grudnih je da se vezuju za rebra. - Kod zmije je došlo do respecifikacije svih drugih pršljenova prema grudnim pršeljnovima - proširena je oblast delovanja Hox C6 i Hox C8 koji se kod drugih kičmenjaka aktiviraju u grudnom regionu. - Takođe, došlo je do prednjeg pomeranja granice ekspresije Hox gena koji se inače eksprimiraju u regionima bez udova kod drugih kičmenjaka. Zmije je zbog ovoga izgubila prednje udove. - Zadnji udovi nisu izgubljeni zbog promena u HOx genu, negu u Hedžhog signalnom putu. Zmije su izgubile iz razlčitih razloga prednje i zadnje noge.

Podsećamo se organizacije jata - kod kičmenjaka koji svi predstavljaju jedan isti telesni sklop organizacija je vrlo konzervisana, zbijena u malom delu regiona. Čim dođe do povećanja toga dolazi do respecifikacije kao kod zmija. Beskičmenjaci imaju 30 telesnih sklopova. Njihova jata su disorganizova, splitovana. Upravo takva razuđena organizacija Hox jata omogućeje više telesnih sklopova. A kod kičmenjaka je sve vrlo svedeno - ogromna efiksanost sa malo elemenata, i to se drži pod velikom kontrolom (izuzetak su skvamate)

36

Hox geni su toliko konzervisani da kod insekta (Drozofila) i kod kičmanjaka može da se uoči velika homologija između 2 Hox gena. Npr. Hox a9 i Hox d9 kod kičmenjaka učestvuju u razviću udova su geni koji su ortologni kod Drozofile i kod Nematode Caenorabdites (koja nema noge) su visoko konzervisani. Isti (tj. vrlo konzervisani) geni u različitim evolucionim linijama rade različite stvari: -ovaj gen učestvuje u regulaciji razvića nogu -kod nematoda koja nema noge ne može da radi tu funkciju. Kako geni ostvaruju f-ju: ista sekvenca - isti protein, ali u interakciji sa različitim proteinima u ćelijama u kojima se eksprimiraju mogu da rade potpuno različite stvari. Znači, ista konzervisana sekvenca u različitim vlo udaljenim filogenetskim linijama radi različite stvari. Zahvaljujući razumevanju delovanja Hox gena, njihove selektorske f-je, možemo da rekonstruišemo postanak nekih potpuno novih struktura i novih organa u evolucionim linijama. ⌦ Nastanak novog Hox gena duplikacijom ili gubitak nekog HOX gena (duplikacijom) može bitno da izmeni morfologiju organizma, jer se gubi deo u sistemu regulacije. Pojava novih gena ili neke mutacije mogle su da dovedu do nastanka neke kompleksne strukture u različitim evolucionim linijama. Samo promena Hox gena i njegove regulatorne mreže može da dovede do nastanka potpuno drugačije strukture. Primer: Hox a2 kod sisara dovodi do transformacije drugog luka ždrela od kog nastaje ušni stremen i stiloidna kost. Eksperiment kod miševa: Kada se Inhibira Hox a2 gen (izostaje njegova regulatorna mreža), dolazi do transformacije drugog ždrelnog luka u kopiju prvog (transformisan je u isto što daje prvi ždrelni luk). Od prvog i drugog luka ždrela nastaje slušni aparat. Ova inhibicija Hox a2 dovodi do toga da nema ušnog stremena, nema stiloidne kosti, ali duplira se čekić, nakovanj, timpanična i skvamozna kost, pojavaili su se alisfenoidni elementi koji ne postoje kod sisara ali ta hrskavica je prisutna kod gmizavaca.


37

Ovo je ilustracija da samo promena aktivnosti jednog Hox gena može da dovede do pojave potpuno drugačije strukture - sisarko uvo koje ne postoji kod gmizavaca, ništa se specijano nije desilo osim što se promenio nivo ekspresije jednog HOx gena. Ovakve promene nam ukazuju koliko mogu biti važne za evolucioni tok unutar jedne evolucione linije.


1

10. Evolucija telesnih sklopova

Telesni sklop je opšti plan gradnje jednog tela. Među metazoama (višećelijskim životinjama) postoji 35 ili 36 (sistematika tu nije postigla konsenzus) različitih telesnih sklopova. Postoji 1 telesni sklop kičmenjaka, ostali su beskičmenjački telesni sklopovi. U sistematici (klasifikaciji) telesni sklopovi bi bili nivo filuma, razdela ili tipa. Telesnih sklopova nema više, jer postoje razni vidovi ograničenja, koja su u suštini evoluciona ograničenja. Kako su evoluirali telesni sklopovi (ovi koje zovemo filumima, tj. koje danas svrstavamo u kategorija filuma), kada i kako su nastali? Jedan od najvažniji antievolucionih argumenata (Žorž Kivije XIX, morfologija, komparativna anatomija) je: Ne mogu se evoluirati značajne razlike, ne mogu se menjati tela tokom vremena u tolikoj meri jer ako se promeni jedan deo tela narušava se integritet celine. Promena jednog organa, dela tela je oduđena na propast. To je bio osnovni argument da novi telesni sklopovi nemogu evoluirati - već ih je napravio Kretaor. Kreator je napravio te telesne sklopove i oni ne mogu da se menjaju iz prostog razloga što sva promena povlači za sobom propast integrisanog sistema. To je bio dugo bio važeći antievolucioni i kreacionistički argument ( i danas je prihvaćen kod nekih). Međutim, savremena biologija ima drugačiju vizuju (razumevanje) procesa razvića: Modularna organizacija razvića

Modularnost - organizmi “konstruisani”od jedinica koje su relativno koherentne unutar sebe, a ipak su delovi većih jedinica. Relativno nezavisna evolucija delova Različiti delovi tela se menjaju bez ugrožavanja drugih telesnih funkcija

Usled: trans-regulacije (Hoxgeni) i modularnosti cis-regulatora

2

Organizmi nisu u potpunosti integrisane celine, bez obzira što funkcionišu kao entiteti, organizmi i njihovo razviće sastoji se od različitih modula: Ćelija je modul jednog tkiva, jedno tkivo je modul jednog organa, organ je modul organskog sistema, jedan deo tela je modul čitavog tela.

Svi organizmi i svi sistemi od početka nastakna života su modularni - sastavljeni iz delova koji su sami za sebe relativno autonomni (individualizovani), a opet su delovi viših sistema.

Moduli su jedinice koje su unutar sebe relativno koherentne, jesu u vezi sa ostalim modulima, ali imaju određeni nivo autonomije: U priči o postanku života govorili smo o modularnosti: oligonukleotidi u hiperciklusu su moduli. Geni su moduli u genomu, a svaki gen unutar sebe ima module, njihovi cis regulatori takođe mogu biti modulisani. Regulatorni geni imaju svoju mrežu gena koju regulišu - to je jedan modul. Ako sagledamo razviće kao modularno, onda tela mogu da evoluiraju tako što se modzli mogu manje-više nezavisno menjati u odnosu na telo, ne narušavajući integritet ostalih modula u telu.

Moduli koji su u donekle autonomni, mogu donekle nezavisno evoluirati, a da ne poremete funkcionisanje ostalih delova tela. Modularnost oslobađa veliki prostor za evoluciju različitih delova tela organizama. Znači da je moguće menjanje anatomije i morfologije organizama kroz evoluciju.

Modularnost organizacije živih bića i modularnost razvića, u potpunosti obara antievolucioni argument, a današnja biologija ima mnogo primera koji to potvrđuju (i to na vrlo različitim nivoima biološke hijerarhije:

Primer na najnižem modularnom nivou kako funkcionišu moduli.

Homeoza je promena da se na nekom delu tela pojavi modul koji ne bi trebao da se nađe na tom delu tela. Homeoza u kontekstu Hox gena: desi se kada se Hox gen aktivira na mestu na kome ne bi trebao biti aktivan, on aktivira svoju regulatornu mrežu - svoj modul i taj modul za čije razviće je odgovoran se pojavi na pogršnom mestu. Antenapedia je najstarija homeoza kada se umesto antene na glavi drozofile napravi antena.


3

Primer kako se ono što radi jedan regulatorni gen može predstaviti kao jedan modul (drozofila): Eyeless gen je gen unutar PAX6 familije transkripcionih faktora. On je duboko umrežen transkripcioni faktor koji reguliše razviće svog modula - a to su oči kod Drozofile. U eksperimentu je aktivacija PAX6 gena (eyeless gena) u različitim delovima embriona drozofile i razvile su se oči na mestima gde nisu trebale, na abdomenu, krilima, nogama, antenama. Ove oči su bile fotosenzitivne (reagovale na svetlost). (Eyeless gen pokriva aktivnost seta gena koji učestvuju u razviću očiju). Čitav modul može da promeni svoj položaj i dobije se promena čitavog tela. PAX6 je važan gen, ima modularan cis regulator, i zavisno u kom tkivu se aktivira on učestvuje u sterminaciji različitih tipova neurona, očiju itd. Ovo je demostracija kako regulatorni gen nosi sa sobom svoju regulatornu mrežu (multistabilnu regulatornu mrežu). Isto ovo važi i na morfološkom nivou: tetrapode (kičmenjaci sa 4 ekstremiteta) mogu da imaju transformaciju prednjih ekstremiteta u krila (ptice), kod zmija mogu da nestaju prednji i zadnji ektremiteti kao nezavisni moduli (prednji ektremiteti su nastali zbog promena u delovanju Hox gena, a zadnji iz drugog razloga tj. zbog signalne transdukcije Hedžhog parakrinih faktora. Različiti moduli na različite načine i različitom dinamikom mogu menjati - to znači da evolucija podrazumeva nezavisnu evoluciju različitih segmenata. Kako pokušavamo da ugnezdimo razviće (ontogeniju) u proces evolucije tj. filogenije? Darvin je grešio jer nije pravio razliku između ontogenije i filogenije, njemu je svaka promena koja se dešava tokom ontogenije (tj. individualnog razvića) bila sastavni deo evolucije jer se ta promena nasleđivala. Kako Ontogenija učestvuje u procesu evolucije tj. veza ontogenije i evolucije - razne koncepcije: Prva ideja o vezi ontogenije i evolucije je koncepcija Fon Bera (Fon Ber je bio antievolucionista, ali bio je izuzetan embriolog Darvin ga je čsto citirao) i glasi :

Prve faze razvića tj. ontogenije (kada počinju deobe, kada se uspostavljaju telesne ose anteriorno-posteriorna, dorzalna, ventralna, gastrulacija, uvijanja i postavljanja 3 klicina lista u embrionu, konačno postavljanje telesnog sklopa) su visoko konzervisane (jako malo variraju jer su od presudne važnosti za opšti telesni sklop), a kasnije faze ontogenije su labavije i mogu da se menjaju.

*ontogenija: od oplođenja jajne pa do kraja života jedinke.

Kasnije faze su mnogo labavije i tu može doći do divergencije različitih taksona unutar istog telesnog sklopa.

⌦To je Darvin podržavao jer se to uklapalo u njegovu koncepciju evolucije: 1) Rane faze koje su konzervisane Darvin koristi kao dokaz zajedničkog porekla organizama. Što su srodoniji, to su rane faze međusobno sličnije.

4

Za Fon Bera to je bio pokazatelj da je Bog napravio te telesne sklopove, a za Darvina je to bio pokazatelj zajedničkog porekla organizama. 2) Mogućnost da se kasnije faze menjaju se uklapalo u Darvinovu koncepiju evolucije, jer je smatrao da u kasnijim fazama, u adultnom životu, uticaj životne sredine je nešto što menja tela i da se takve promene nasleđuju u naredne generacije.

Darvinova koncepcija prirodne selekcije. Prirodna selekcija deluje na nivou adulta: da li je neki genotip i neka struktura adaptivna ili ne, testira se tek kod adulta i ukoliko on preživi u datoj sredini (znači mora biti napolju u nekoj sredini) i razmonoži se biće preneti njegovi geni u narednu generaciju, a u suprotnom ne.

Znači za Darvina je bilo prihvatljivo: konzervisane prve faze se uklapaju u zajedničko poreklo, a species specifične karakteristike koje nastaju kasnije su uklopljene u njegovu koncepciju nasleđivanja stečenih osobina koje se stiču u kasnijim fazama ontogenije. ⌦To je odgovarlo i Hekelu. Hekel je dao biogenetski (ontogenetski) zakon: Ontogenija je rekapitulacija adultnih stupnjeva filogenije. Po njemu, postoje konzervisane faze, evolucija je dodavanje novih faza u ontogeniji. Opet je Evolucija = Ontogenija.

"Ontogenija je sažeta rekapitulacija filogenije" Bliže rečeno tokom individualnog (ontogenetskog razvića) jedinki ponavljaju se (rekapituliraju) glavne crte filogenetskog (istorijskog) razvoja vrste

Sve ove koncepcije potpuno izjednačavaju priču ontogenije i filogenije.

*koherentan (l. cohaerens) koji se drži zajedno; skopčan, povezan, sojen; fiz. povezan (sa drugim) takoda se svakoga trenutka treptajno stanje jednoga potpuno slaže sa treptajnim stanjem drugoga.

PITANJE 56 - Filotipski stupanj Stanovište da su prve faze vrlo konzervisane je dugo trajalo, moderna embriologija je pokazala drugačije i konstruisan je model peščanog sata: Nisu prve faze ontogenije visoko konzervisane.

Prve faze razvića su varijabilne, mogu se vrlo razlikovati između srodnih taksona unutar jednog telesnog sklopa. Najraniji stupnjevi razvića (poput brazdanja i gastrulacije) mogu razlikovati kod srodnih vrsta.


5

Kada gledamo taksone unutar jednog telesnog sklopa npr. kičmenjake, prve faze različitih grupa kičmenjaka mogu se bitno međusobno razlikovati (jaja mogu biti bitno drugačija po veličini, količini žumanceta, da li ga ima ili ne, da li je izolecitno jaje ili drugačije, brazdanje, blatulacija, gastrulacija, postavljanje slojeva - sve ovo može bitno da varira kod srodnih vrsta unutar istog telesnog sklopa) Konzervisan je stupanj tzv. filotipski stupanj, i tu su razlike između taksona jednog telesnog sklpa najmanje (vrlo male), nakon filtopskog stupnja ponovo možemo imati vrlo razlsičite pravce razvića tih različitih taksona unutar istog telesnog sklopa. Filotipski stupanje je konzervisano suženje unutar određenog telesnog sklopa bez obzira na koji način se iz prethodnih faza dođe do filotipskog stupnja, filotipski stupanj tih različitih taksona najviše liči kod tih taksona. I to je model peščanog sata. Filotipski stupanja kod kičmenjaka zove se faringula - na tom stupnju se uspostavljaju osnovne esencijalne karakteristike kičmenjaka, a to je notohorda i dorzalno postavljena nervna cev. Svaki telesni sklop ima svoj filotipski stupanj: Kod artropoda filotipski stupanj je faza kada počinju elongacija embriona i segmentacija tela koja obuhvata sva tri klicina lista. Eksperiment na 4 vrste drozofile koje su divergirale pre čak 40 miliona godina (duga nezavisna evolucija ove 4 vrste) bavio se molekularnom biologijom razvića: - analizirano je preko 3000 gena koji su aktivni u procesu razvića drozofile. - analizirana je kvantitativna ekspresija (u kojoj količini se eksprimira određeni gen) i kada se ekpsrimira - dobijeno je da 80% od analiziranih gena (za koje znamo da su aktivni u razviću) jesu vrlo kozervisani u bilo kom stupnju (80% gena su identični po vremenu i kvantitetu ekspresije kod sve 4 vrste). Kada se posmatraju faze, najveća konzervisanost u vremenu (kada se eksprimiraju) i u količini u kojoj se eksprimiraju je u filotipskom stupnju.

Najmanja divergencija u ekpresiji gena kod ove 4 vrste je u filotipskom stupanj artropoda. (Slika) - nacrtane su standarndne devijacije odstupanja od prosečne vrednosti i najmanja odstupanja su na filotipskom stupnju. Ove analize su potvrđene i kod drugih taksona (npr. zebrica riba). Pokazalo da su geni koji se ispoljavaju u filotipskom stupnju filogenetski najstariji. Molekularno biološke analize ekpresije gena u različitim fazama razvića su rađene i kod biljaka. Kod biljaka ne može morfološki da se vidi postojanje filotipskog stupnja, ali može na molekularnom nivou. Postoji molekularni filotipski stupanj kod biljaka. Kod zebrica - u vreme filtipskog stupanja aktivni su filogenetski veoma stari geni, kozervisani su u vremenu i količini svoje ekspresije, vezuju se za faringulu tj. filotipski stupanj. Sve ranije i kasnije je mnogo više varijabilno.

6

Kako je moguća da se na vrlo različite načine (različiti načini deoba, gastrulacija...) dođe do istog rezutata u filotipskom stupnju? Pokušaj da se ovo reši, Njuman 2011 (nema u knjizi, nema na ispitu !!!), ali je zanimljivo...

Kod ribe i sisara to nije identično, ali je tu najveća homogenost u odnosu na sve faze pre i faze posle. Nastanak višećeličnosti - ćelije koje se udružuju mobilišu nove fizičke procese, aktiviraju adhezivne molekule, razne signale (Hoanoflagelate su to sve imale). Npr. polarisnje membrane će dovesti do toga da se ćelije organizuju u filamente, neka druga polarizacija će napraviti loptaste kolonije. Fizički procesi se angažuju spram toga kakav je hemijski sastav interaktivnih molekula (prisustvo produkata gena, ćelijska adhezija, signalizacija, ekstraćelijski matriks, razičiti receptori). Indukovane različite fizičke reakcije između ćelija su Dinamički moduli obrazaca razvića DPM. Tek kada se dostigne kritična masa ćelija, postaju relevantni svi ti dinamčki moduli razvića. Sve što se dešava pre te kritične mase manje-više je relaksirano, ali u trenutku kada tih ćelija ima koliko treba (neki prag), tada se one organizuju onako kako im određeni DPM diriguje. Po Njumanu, nisu bitni geni samo po sebi, već njihov efekat na interakcije između ćelija, odnosno fizički procesi koje oni izazivaju i to je od presudne važnosti. Ne postoji gen za rupu u blastuli, već različiti geni određuju interakcije i zato se ćelije organizuju na određen način i nikako drugačije. Njuman iz toga izvodi scenario nastanka jajeta kod višećelijskih organizama i kaže: Višećelijski organizmi su nastajali od Hoanoflagelata koji imaju tendenciju pravljenja kolonija. Pravljenje kolonija podrazumeva mobilisanje nekih novih fizičkih procesa unutar te grupe ćelija. Svaki od filuma metazoa nastao je od posebne grupe jednoćeljskih predaka Hoanoflagelata, tj. ćelija koje su bile genetički međusobno različite. Ako su genetički međusobno različite te ćelije, jedan set tih ćelija može da ima malo drugačije ove molekule koji menjaju fizičke interakcije između tih ćelija. Svaki od filuma nastaje od genetički različitog seta jednoćelijskih predaka koji određuju prve faze pravljenja budućeg telesnog sklopa. Kod socijalnih ameba koje prave kolonije postoje gentički različite jedinke, ali postoji vrlo ograničen broj tih multićelijskih ekotipova koje zavise od sredinskih uslova. U određenim sredinskim uslovima (nor. neka pH) kada se udruže te genetički različite ćelije, imaju takve interakcije da uvek rekreira isti ekofenotip. I polazi od toga: pretpostavio je da se udružila neka grupica Hoanoflagelata koje su napravile takav tip DPM-ova tj. takav tip fizičkih interakcija koje seu dovele do nekog multićelijskog fenotipa koji se pokazao u određenoj životnoj sredini kao uspešan. To ne znači da je on stabilan iz razloga što te ćelije mogu da odu i da se rasturi taj multićelijski fenotip. Ako je takav multićelijski fenotip dobar, to znači da će selekcija favotizovati svaki proces koji će taj početak pravljenja multićelijskog fenotipa što više izolovati od efekata spoljašnje sredina i napraviti ontogenetski stereotipnim. Jaje bi u tom slučaju nastalo tako što su se te multićelijske strukture na samom početku udružile, kombinovale međusobno citoplazme i gene koje imaju, nestajale su membrane između njih i dobijeno je veliko jaje koje po svojoj strukturi, po rasporedu ontogenetskih determinanti zadržalo prethodni multićelijski fenotip tj. početak udruživanja genetički različitih ćelija. Subfilumi u okviru filuma su mogli kasnije da modifikuju neke delove tog jajeta. Tek kasnije, kad je nastalo jaje usledila je genetička determinacija razviaća, a pre je bila fizička.


7

Zašto postoje filotipski stupnjevi

Suženje u varijabilnosti u okviru bilo kog telesnog sklopa tj. Filotipski stupanj - postoji zato što je to faza u razviću kada je stabilizaciona selekcija najveća. Stabilizaciona selekcija teži da elimiše svaku varijabilnost (mutaciju) koja se pojavi kod gena koji se tada eksprimiraju tj. u vreme kada se u ontogeniji pojavljuje filotipski stupanj. Selekcija je mnogo više relaksirana pre i posle filotipskog stupnja. Posle filotipskog stupnja ona može biti direkciona i da dovodi do različitih diveregencija unutar istog telesnog sklopa. Ali u filtioskom stupnju Selekcija je vrlo intenzivna i odbacuje svaku mutaciju i svaku potencijalnu fenotiopsku varijabilnost filotipskog stupnja. Stabilizaciona selekcija je odgovorna za visoku konzervisanost telesnih sklopova. Na filotipskom stupnju je najveća interakcija između modula, moduli su najviše integrisani (najveća međuzavisnost izneđu modula), najmanja je sloboda da se oni pojedinačno menjaju. Znači da geni koji su tada aktivni imaju najveće plejotropne efekte (značajni su za niz modula, a ne samo za jedan modul i ako taj jedan gen mutira delovaće na mnogo modula i to će selekcija da elimiše jer telo koje od toga nastaje neće biti funkcionalno.

Tada su geni najviše evoluciono opterećni i da jedna njihova promena izaziva promenu ogromnog broja modula i time narušavanje čitavog telesnog sklopa.

Filotipski stupanj je važan jer postavlja temelje jednog telesnog sklopa (zato je pod velikim nadzorom selekcije). Na tu osnovu koja nastaje u filtipskom stupnju se nadovezuje organogeneza, tj. razlčiti organi koji mogu biti donekle varijabilni u različitim taksonima unutar telesnog sklopa.

Mutacije u genima koji se ispoljavaju tada u tom stadijumu razvića bivaju eliminisane zahvalujući stabilizacionoj selekciji - održavanje jednog istog stanja tokom 100tina miliona godina.

8

PITANJE 57 - Tipovi promena u ekspresiji gena tokom razvića Šta je Darvina zbunjivalo... Prirodna selekcija deluje suštinski na adulta, nešto će biti favorizovano ukoliko taj adult u toj životnoj sredini preživljava dovoljno dobro da bi mogao da se reprodukuje. Što mu je bolje u toj životnoj sredini on se više reprodukuje, njegove genetičke varijante (njegovi programi razvića biće sve više zastupljeni u narednim generacijama. Kako je moguće da nastale promene u nekoj fazi ontogenije, PS testira tek na adultnom stupnju?

Prirodna selekcija deluje na adultnom stupnju, tada se prepoznaje uspešnost organizma u određenoj životnoj sredini. Postoji vremenski razmak između te promene u genima koji učestvuju u razviću (tj. aktiviranja tog gena) i efekta kada ga selekcija prepoznaje. Gen se aktivira vrlo rano u razviću, ali selekcija prepoznaje njegovu aktivnost nakon dužeg vremena (tek u fazi adulta), i videće se efekat selekcije.

Darvin nije mogao da zamisli odvajanje ontogenije i filogenije, jer selekcija prepoznaje adulte i ne vidi ništa pre toga: ⌦ Postoji "vremenski džep - time lag" između promene neke rane ontogenetske

faze i toga kada selekcija vidi tu promenu i kada će moći da je istestira. To danas nije zbunjujuće: Danas znamo da nije važno što je efektak promene toliko odložen, jer "neto" adaptivna vrednost zavisi od svih faza u procesu razvića.

Kako se te promene (u ranim fazama ontogenije) dešavaju? Koji su načini da se jedan modul promeni, a da ne utiče na druge module u organizmu. Za razviće i nastanak određenog modula ključni su određeni geni, koji su aktivirani u tom modulu, kao npr. Pax6 za nastanak modula oka. Regulatorni geni se pale na određenom mestu, kontrolišu svoj set gena, ukoliko se promeni mesto promeniće se i mesto modula, pale se u određeno vreme da bi u ontogeniji napravili određeno telo. Razviće nekog modula traje različito kod različitih organizama.


9

Promene u ovome mogu da dovedu do drugačijeg modeliranja čitavog tela. ⌦ Kako odmiče ontogenija, efekat promene se amplificira. U početku razvića efekat promene može biti vrlo mali, ali se tokom razvića značajno amplificira.

Male promene u ranim fazama se amplificiraju u kasnijim fazama i nastaju velike promene u morfologiji.

Najbolji primer (u telesnom sklopu kičmenjaka) su kivi ptica i ljiljak sisar. Kivi ima vrlo mala krila - prednji ekstremiteti su vrlo redukovani. Zadnji ekstremiteti su vrlo izduženi. Ljiljak obrnuto - krila su velika. Kod kivija u ontogeniji začeci prednjih udova su jako mali (u poređenju sa svim drugim pticama) i rezultat te ontogenije su vrlo mala krila. Kod ljiljka pojava začetaka prednjih ekstremiteta je značajno ranije, intenzivniji razvoj tog modula, amplifikacija razvića kroz vreme - dobiju se dugačka krila. Mala promena u vremenu ili intenzitetu ekpresije određenih gena koji su važni za razviće tog modula značajno utiče na modeliranje čitavog tela. Pričamo na koji način se telo može modelirati kroz ne toliko značajne promene određenih modula (promeni im se mesto, imaju malo veći ili malo manji intenzitet, da li je vreme početka malo ranije ili malo kasnije - to se amplificira tokom razvića i imaće veliki efekat na čitavo telo). Načini menjanja modula i kako se tela mogu menjati u skladu sa promenama modula: Heterohronija, Heterotopija, Heterometrija i Heterotipija. Ovi tipovi promena su promene u ontogeniji sa jako velikim posledicama po telo.

10

Heterohronija (hronos - vreme) je promena u vremenu početka, kraja i brzini razvića nekih modula, kod jednog taksona u odnosu na predački takson. Primeri: - Neotenija (Heterohronija se često izjednačava sa Neotenijom) Neotenija - razviće osobine se usporava u odnosu na pretke:

Kod repatih vodozemaca ima slučajeva gde se larvene spoljašnje škrge zadržavaju i kod adulata. Razviće larvenih osobina je usporeno, pa se larvene osobine zadržavaju i nakon što se dostigne polna zrelost - i nastaju adulti koji su zadržali larvalne osobine. Kod nekih repatih vodozemaca postoji fakultativna neotenija, zavisno od sredinskih uslova, a kod nekih obligatnu. (čovečija ribica i drugi repati vodozemci uvek kao daulti imaju spoljašnje škrge).

- Hipermorfoza - razviće osobine kod potomačke grupe se nastavlja i nakon što se kod predačke grupe zaustavlja razviće tog modula. Veliki rogovi kod jelena. Tu seksualna selekcija favorizuje hipermorfozu tih modula. - Progeneza - razviće osobine kod potomačke grupe se zaustavlja ranije nego kod predačke Zakržljalost nekih organa u odnosu na predačku grupu. - Akceleracija - Brže razviće osobine kod potomačke grupe. -Postpomeranje i Prepomeranje - početak razviće je kasniji/raniji.


11

Sve se tiče vremenske dimenzije. Ove promene modula mogu značajno da utiču na same procese evolucije, primer :

Hipoteza da je poreklo kičmenjaka neotenično poreklo. Horadati koji nisu kičmenjaci u larvenom stupnju imaju notohordu, a u adultnom se gubi notohorda potpuno ili delimično. Kičmenjaci zadržavaju notohordu tokom čitavog života, ona se smenjuje kičmenicom. Otud hipoteza o neotinom poreklu kičmenjaka - vode poreklo od predaka koji su samo u larvenom stupnju imali notohordu, kičmenjaci su kao adulti zadržali larvene karakteristike. Evolucija ljudskog mozga je Neotenična.

Izgled lobanje: bebe i adulta šimpanze / bebe i odraslog čoveka. Kod šimpanze adult i njegova lobanja izgledaju bitno drugačije od bebe, a kod ljudi lobanja i bebe i adulta liči na lobanju bebe šimpanze. Usporeno ili produženo razviće (Neotenija ili Postpomeranje), diskutabilno je šta je tu, ali različita dinamika razvića mozga kod ljudi u odnosu na šimpanzu je dovela do toga da naš mozak izgleda ovako kako izgleda. Beba šimpanze se rađa sa 40% adultne mase mozga. Beba čoveka se rađa sa 25% mase adultnog mozga. U narednih godinu dana dinamika razvića mozga kod čoveka se ne usoporava u odnosu na prvih 9 meseci intrauterinog razvića, kod šimpanze beba nakon jedne godine dostiže 70% mozga. Kod ljudi beba sa 3 godine dostiže 70%. Čovek sa 7 do 10 godina postiže 100% mozga, a šimpanza sa 5 godina. Vidimo razliku u vremenskoj dinamici razvića. Analiza aktivnih gena u prefrontalnom korteksu pokazala je da 38% gena kod ljudi koji su aktivni u prefrontalnom korteksu se eksprimira kasnije u odnosu na šimpanze - transkripciona neotenija. Procesi u razviću su važni za evoluciju vrlo bitnih telesnih sklopova, bitni su za modeliranje čitavih tela.

U genetičkom smislu (Genetičke promene u heterohroniji): Direktni uticaji: Geni uključeni u regulaciju ćelijskih ciklusa, deobe ćelija, migracije, ukoliko se promene oni ili njihovi CIS regulatori (ako se aktiviraju ranije ili kasnije) to može dovesti do heterohronije.

mogu se pomerati ekspresije različitih gena uključenih u regulaciju ćelijskog

ciklusa, deobe ćelija

duplirani geni se mogu kasnije eksprimirati, a da se roditeljski geni koji su se eksprimirali ranije ugase, deletiraju i postaju pseudogeni, tako da su aktivni oni koji se kasnije pale,

12

promene njihovih cis regulatora mogu da utiču na to da li će kasnije ili ranije

bit aktivirani određeni geni.

Indirektni uticaj: - Promene u receptorima koji reaguju na određene hormone (njihov afinitet prema odeđenom hormonu), mogu pomeriti vreme kad neka ćelija treba da se diferencira na pre ili kasnije. miRNK su važne za vremensko regulisanje ekspresije gena. Grupa miRNK tzv. male temporalne ili stRNK su važne za regulaciju ekspresije nekih gena tokom procesa razvića. Tokom razvića se sekvencionalno pale (smenjuju se vremen njihove ekspresije) i tada utiču na gene koji su tada aktivni smanjujući im nivo translacije. Heterotopija

Heterotopija je promena mesta određenog modula kod potomačkog taksona u odnosu na predački takson. To ne mora biti promena mesta čitavog modula, već može biti rearanžman unutar modula. Posledica je toga što se promenilo mesto aktivnosti određenih gena tokom razvića, promeni se neka informacija važna za pokretanje diferencijacije ćelija - promeniće se mesto gde će se u telu inicirati diferencijacija određenog tipa ćelija i početi razviće određenog modula. Primer: promena strukture udova kičmenjaka Kod kičmenjaka prednji udovi su različiti po dužini određenih kostiju (slika: čovek, konj, mačka, slepi miš, ptice, kit). Neke kosti su kod nekih kičmenjaka duge, kod drugih kratke. To se postiže tako što se pomeraju polja rasta: jedna kost ima intenzivno polje rasta u jednom delu (zbog čega se izdužuje), a to polje rasta je ugašeno kod drugih taksona. Tako da neki taksoni imaju jako dugačke kosti (ptica), a kod drugih se manje izdužuju (kit koji ima jako male sve kosti prednjih ekstremiteta). Na taj način se modeliraju prednji ekstremiteti: svi elementi su tu, samo su različite dužine. Primer: prisustvo i odsustvo plovnih kožica kod kičmenjaka.


13

Tokom razvića svih kičmenjaka između prstiju nastaje mreža vezivnog tkiva i kože. Svi kičmenjaci u nekom trenutku razvića imaju plovne kožice, ali aktivira se parakrini faktor Bmp4 koji aktivira apoptozu ovih ćelija kasnije u razviću svih kičmenjaka osim kod vodenih prica (patke, guske). Kod vodenih ptica se takođe eksprimira Bmp4 gen tokom razvića prstiju, ali akitivira se Gremlin gen koji stvara Gremlin protein koji inhibira Bmp4 gen i Bmp4 ne može da aktivira apoptozu i zato im ostaju plovne kožice. To je Heterotopija jer je Gremiln gen promenio mesto svog delovanja. Gremlin je aktivan i kod drugih kičmenjaka, ali ima drugom mestu - oko hrskavice prstiju (ne koža između prstiju). To je Heterotopija jer je Gremlin gen promenio svoje mesto aktivnosti. Hetrotopija formira različite oblike organa. Primer: Heterotopija kod ljiljka: interakcija Bmp4 i Gremlina, ali se tu uključuje i fibroblasni faktor rasta koji daje mitotički signal na kostima prstiju koji se tako dodatno izdužuju. Krila ljiljaka su razapete plovne kožice između prstiju. Primer:Heterotopija kod biljaka je transformacija cvetova u lisne elemente. Molekulski mehanizam nastanka ovih modula je dobro ispitan. Heterometrija

Heterometrija je promena količine proizvoda gena koji učestvuju u procesima razvića, koja dovodi do promene oblika organa. Primer: Darvinove zebe (Galapagoska ostrva). Različite vrste zeba imaju različite veličine oblike kljunova. Adaptacija na ishranu krupnim semenkama je masivan kljun sa velikom širinom i visinom, na ishranu sitnijim semenkama je malo manji kljun, na ishranu polenom i nektarom kaktusnog cveća je najduži kljun. Dva gena regulišu oblik kljuna (širinu, visinu, dužinu):

14

-Bmp4 kontroliše deobu ćelija u kljunu. Veća i Ranija (heterohronija) ekpresija daje snažan, širok i visok kljun. -Kalmodulinski gen (CaM) reguliše izduživanje kljuna, Veća ekpresija ovog gena dovodi do izduživanja kljuna. Na molekularnom nivou jasno je uočeno na koji način dolazi do evolucije različitih kljunova, koja predstavlja adaptaciju na određene životne sredine, a posledica su ranih faza razvića tj. gena koji su uključeni u modeliranje određenog modula vrlo rano u procesu razvića, pre nego što adult počne da se hrani. Ovo su promene u cis regulatorima koji pokazuju veći afinitet za određene TF-e, dovode do značajnih promena koje se fiksiraju u razviću određene evolucione linije. Sve promene do sada su cis regulatorne promene. Heterotipija

Heterotipija su promene razvića uzrokovane mutacijama u kodirajućim delovima gena i to u trans-regulatorima (mutacija u kodirajućem nizu trans-regulatornog gena). Primer: ⌦ Insekti imaju 6 nogu (3 para samo na toraksu - zovu se hexapode), a ostale artropode imaju noge i na abdomenu. Današnji insekti potiču od predaka koji su imali noge na abdomenu. Tu je mala promena uzrokavala promenu strukture čitavog tela. - Distal-less gen kod ostalih artropoda indukuje razviće modula abdominalne noge (znači funkcioniše u abdomenu). - Njega kontroliše Ubx gen (jedan od Hox gena). Kod predaka insekata Ubx gen (koji pripada Hox genima) je mutirao. Ta mutacija je uzrokovala da taj Ubx protein ima niz od 10ak Alanina više nego predački i to mu je promenilo


15

funkciju, tj. tako mutiran deluje kao inhibitor Distal-less gena u abdomenu i on više ne može da aktivira svoju mrežu gena da bi napravio noge na abdomenu. Mala promena u genu, uzrokavala je veliku promenu u telu, koja određuje veliku grupu organizama - artropoda. ⌦ Selekcionisani Kukuruz, potiče od divlje biljke predaka Teozinte. Ovde su selekcionisani trans-mutanti da bi se dobio selekcionisani kukuruz. Trans-regularni mutant je bio materijal za selekciju današnjeg kukuruza. Tri gena koji kodiraju za TF (Tp1,Tp2 i Tp3) su mutirali koji su pomerali faze i intenzitet vegetativnog i reproduktivnog razvića. Teozinta u odnosu na Kukuruz ima produženo vegetativno razviće i tokom reproduktivnog perioda, što je jako važno jer nas kod kukuruza zanima klip (koji nastaje od cvasti) i seme. Ne zanima nas lišće. Ove promene su bile veštački selekcionisane. PITANJE 58. Ontogenetska ograničenja

Da li program razvića telesnog sklopa nameće ograničenja samom procesu evolucije? Na koji način već ustaljeni program razvića određuje dinamiku, pravce, mogućnosti evolucionih promena? To je pravac Devo-Evo ili razvojna evolucija. Telesni sklop (ili "plan gradnje") je ograničen filetičkim nasleđem, obrazcima razvića i opštom arhitekturom. Teško je zamisliti da se kompleksan telesni sklop, usklađen, osim nekih nadovezivanja i malih modifikacija potpuno promeni.

To znači da je teško da se jedan evoliran i usaglašen proces razvića - kompleksni proces, promeni na bilo koji način. Postojanje tog usaglašenog procesa razvića ograničava broj mogućih evolucionih promena i to se zove - ontogenetsko ograničenje.

Da u evoluciji ne postoji nikakvo ograničenje onda bi mogao nastati bilo kakav oblik u bilo kom trenutku. Taj novi sklop koji bi nastao de novo bi mogao da ima npr. problem sa reprodukcijom. Evolucije ne bi bilo da ne postoje neka ograničenja. Ako se stalno indukuje nova varijabilnost,

16

selekcija je potpuno neefikasan mehanizam jer stu ništa ne može favorizovati, jer stalno nastaje novo i novo. Nastanak novog telesnog sklopa je vrlo problematičan iz razloga što je on već utemeljen, organizaovan, regulisan na mnogo nivoa i načina. Wallas je bio Panselekcionista: - Ne postoji nikakvo ograničenje, u evoluciji može sve nastati, bilo kakav oblik i jedino što ograničava i elimiše neke oblike je prirodna selekcija. Životna sredina je ta koja dovodi do toga da nešto može, a nešto ne može da opstane. Neki oblici su dobri u određenoj životnoj sredini, a drugi nisu. To bi bili samo spoljašnji ograničavajući faktori. Ali danas znamo da u procesu razvića postoje unutrašnja (inherentna) ograničenja koje onemogućavaju da se dobije svakakve promene. Podela ontogenetskih ograničanja evolucije

Fizička ograničenja - mehanički i hidraulički odnosi između delova tela, određeni delovi tela moraju imati fizičku potporu drugih delova tela itd. Sve je ograničeno fizičkim parametrima. Komarac veličine aviona - fizičko ograničanje to ne dozvoljava, on nema elemnte fizičke potpore koje bi mu dozvolile te velike dimezije. To onemogućavaju fizički procesi, odnosi između različitih delova tela.

Morfogenetska ograničanja - odnose se na proces morfogeneze tj. organogeneze. Odnosi se na mehanizme molekularne biologije razvića - na koji način geni, ćelije, parakrini faktori, endokrini faktori usmeravaju procese razvića i diferencijacije pojednih ćelija. Kad totipotentna ćelija počne proces diferencijacije dobijaju se ćelije koje su sve više diferencirane i njima se ogranićava ontogenetski put, sužavaju se mogućnosti da ona postane neka druga ćelija. Ova morfogenetska pravila ograničavaju pravce evolucionih promena. Neki putevi modfikacije su verovatniji od drugih puteva. Prednji ekstremiteti kičmenjaka mogu da se modifikuju na različite načine: kopitari, ljiljci, šaka čoveka, mnogo tipova prednjih ekstremiteta. Ali nikada se nije desilo da je srednji prst kraći od drugih prstiju - to je morfogenetsko ograničenje.

Prsti se diferneciraju tako što iz Hedžhog familije parakrinih faktora, Sonic Hedžhog protein počinje da se sinteiše u zamecima prstiju gde će biti palac, onda difunduje kroz tkiva, praveći gradijent koncentracije i on je uvek takav da je srednji prst duži od svih ostalih prstiju.


17

Morfogenetska ograničanja se zasnivaju na načinima na koje se reguliše diferencijacija ćelija i tkiva, odnosno razviće pojednih delova tela. Usaglašene interakcije između ćelija, tkiva tokom morfogeneze ne dozvoljavaju svaki mogući način promene. Neki putevi mogu da se menjaju, neki su konzervisani. Ova morfogenetska pravila ograničavaju pravce evolucionih promena. Filogenetska ograničenja su posledica genetičke evolucije programa razvića, tj. posledica delovanja selektorskih gena Hox gena (ključnih za razviće). Oni ograničavaju da telesni sklop izgleda drugačije. Filogenetska ograničenja se odnose na gene ključne za procese razvića selektorski gene - Hox gene koji određuju telesni sklop (na anteriorno posteriornoj osi određuju različite delove tela). Nasleđeni Hox geni ograničavaju proces evolucije (i oni sami su evoluciono opterećeni jer su plejotropni). PITANJE 59. Morfogenetska ograničenja

Ontogeneza počinje od oplođene jajne ćelije. Od jedne ćelije dobije se višećelijski organizam koji ima diferencirane ćelije. Kod različitih organizama postoje različiti načini na koje se od oplođene jajne ćelije počinje diferencijacija ćelija i celog tela.

Poenta morfogeneze je da se prilikom deoba ćelija dobiju diferencirane ćelije koje će biti deo tkiva, deo nekog organa, deo nekog dela tela.

18

Kako dolazi do prve inicijalne diferencijacije između ćelija, ako imamo jednu jajnu ćeliju koja nakon oplođenja počinje da se deli. Zašto bi te prve ćelije koje su nastale nakon deobe krenule različitim putevima kad sve potiču od jedne iste jajne ćelije? U jajnoj ćeliji postoje razlike u citoplazmi, mama je svašta deponovala u citoplazmu: proteina, iRNK koje će se aktivirati poliadenilacijom u oplođenoj jajonoj ćeliji. Na samom početku, delovioplođene jajne ćelije su prilično različiti. Drozofila Drozofila ima veliko jaje. Kada, nakon oplođenja, počne da se deli to jaje (deli se nukleus), ćelije se ne zatvaraju u posebne membrane. Dobije se sincicijum koji ima do 5000 jedara i zajedničku ooplazmu.(jedra koja se nalaze na okviru, periferiji). Mama je deponovala razne iRNK u jajnu ćeliju, te iRNK su rasporđene na različite načine. iRNK za Bicioid TF (inicajlni faktor) koji treba da pokrene diferencijaciju, je grupisana na anteriornom polu - daće anteriorni deo tela. Citoplazmatske determinante su različite raspoređene u ćeliji, heterogene su. Kada počne aktivacija tih iRNK dobiće se različita koncentracija Bicoid faktora u različitim delovima embriona. Bicoid je TF i ima f-ju da aktivira različite gene (u jedrima) zavisno od svoje koncentracije. I tako već na početku nastaje anteriorno posteriorna osa. Bicoid TF je važan za početak segmentacije tela.

Drozofila Kada se jajna ćelija oplodi počinje da se deli nukleus i dobija se do 5000 nukleusa bez podele citoplazme (citoplazma i nukleusi po periferiji). Majka je u jaje akumulirala informacione RNK za različite TF-e. iRNK na osnovu koje će se sintetisati TF Bicoid je važan za početak diferencijacije; ona je akumulirana u jednom delu jajeta i to je budući anteriorni pol. Sintetisani Bicoid TF putem mikrotubula citoskeleta difunduje ka drugom kraju tela praveći gradijent koncentracije. Bicoid (pošto je TF) je prvi (inicijalni) mehanizam koji utiče na ekpresiju gena u jedrima, zavisno od toga koja je njegova koncentracija različiti geni će biti upaljeni u različitim jedrima. To je početak diferencijacije.

Ascidia, sisari, bodljokožci Fizički faktori dovode do heterogenosti oplođene jajne ćelije. Kada uđe spermatozoid on pokreće oslobađanje intracelularnih zaliha Kalcijuma. Prvi zadatak oslobađanja kalcijuma je da se spreči uletanje drugog spermatozoida i da dođe do duplog oplođenja što ne bi moglo da opstane. Mikrofilamenti pokreću kalcijumske talase kroz ćeliju, od mesta ulaska spermatozoida pa kroz ćeliju. Ti talasi pokreću sve proteine, mitohondrije, iRNK koje su tu bile, raspoređuju ih praveći gradijent njihove koncentracije. Fizički proces koji podrazumeva talase kalcijuma pravi reorganizaciju citoplazme - pravi citoplazmu heterogenom. I kada se ta jajna ćelija podeli, već u starti nastaju dve ćelije sa različitim citoplazmataskim determinantama. Onu su već nakon prve deoba različite i to je početak diferencijacihe ćelija - već nakon prve deoba u izvesnoj meri.

SKRIPTA,

Koasimetrično Kodeterminan U poremećen Ov Poerazličte. I t

Modiferencija Inerakcije - reu embrionmolekula v

Pri

od nematodo raspoređu

od nekih vnti (tj. polareksperimen

ne gravitacijo su sve regenta je da sto određuje

orfognetskaacije (broj nj

e susednih ć

egionalna dnu odeređujveć u određe

rincipi mole

Ascpočinje daspermatozkalcijum, spermatoz Talraspoređiv Ti citoplazma Naksadržaj. To

da nakon opuju citoplazm

vodozemacarnost jajeta ntima kadaje. gulacije telese od jedne dalje sudbin

a ograničjihovih ćelij

ćelija

determinace rasporedenoj meri d

kularne i fe

cidije, sisaria se pravi tazida i ide di njihova prv

zoida. las kalcijumvanje iRNK ktalasi izaziva postaje hetkon deobe jao ih u startu d

plođenja i mmatkse dete

a (xinopusi vuče žum

a se obrne

esnih osa. jajne ćelijene tih ćelije

čenja postjskih fenoti

cija podrazud i količinueterminiše b

enotipske ev

19

i, bodljokošcalas kalcijumduž jajeta. Tva uloga je

ma izaziva koje je majkavaju različitoerogena. ajne ćelije nadeterminiše k

membrana ierminante tj

s - žaba)mance na doe embrion

e, u startu ne.

tepeno ćelipova). Razl

umava različu molekulabuduće ćelij

volucije,

ci imaju jajamskih jona. Taj kalcijumda naprave o

kontrakciju a predala toj o raspoređiv

astaju ćerke kao buduće r

i citoplazma. iRNK.

gravitacija ole). Inicijana drugu

nakon prve

lijama ogrličitim proc

čit poziciona u ćerkamije nakon de

a, kod kojih nTalas kalciju

m oslobađa omot jajeta i

čitave ćelićeliji.

vanje iRNK

ćelije koje irazličito dife

a se kontrah

određuje alnu heterog

stranu por

deobe, dob

raničavaju cesima:

ni efekat odma ćelijamaeobe.

Ivan Petro

nakon ulaskauma kreće oiz intraćeliji tako spreče

ije, što uzr

od majke,

imaju različierencirane će

huju i prav

raspored cgenost izaziremeti se

biju ćelije k

broj mo

d početka. Pa. Taj raspo

ović 2015

a spermatozood mesta ulaskih rezervoe ulazak dru

rokuje razli

mitohondrija

it citoplazmaelije.

e se talasi k

citoplazmatsiva gravitacrazviće, zb

koje su done

ogućih put

Pozicioni efeored i količ

oida aska oara

ugog

ičito

a i

atski

koji

skih cija. bog

ekle

teva

ekat čina

20

Na samom početku razvića (pre determinacije), prva informacija dolazi od organizacije određenih iRNK i drugih elemenata ćelije raspoređenih u različite polove ćelije (tj. embriona). To će odrediti dalje ponašanje ćelija (aktivacija pojedinih gena), stvaranje ćelijskih linija.

Nastanak višećelijskih organizama: ćelije višećelijskih organizama kao i njihovi preci morali su imati različite adhezivne molekule, kadherine, CAMove koji učestvuju u signalizaciji između ćelija, što je važno za procese morfogeneze i spada u fenomen koji zovemo sekvencijalna indukcija: Kada se ćelije podele u oplođenoj jajnoj ćelijii i nastane "pul" ćelija, međusobno su u komunikaciji. Ćelija koja je malo drugačija od svoje susedne ćelije (usle diferencijacije, različiti geni su joj aktivni) sintetisaće neki signal koji će stići do susedne ćelije, koja će odreagovati na taj signal tako što će se promeniti aktivacija nekih gena u njoj (to je signal da se neki geni u susednoj ćeliji aktiviraju, a neki ugase). Diferencijacija uzrokovana time što je jedna ćelija drugoj ćeliji poslala signal. Susedna ćelija će (jer se u njoj aktiviraju različiti geni) sintetisati neki drugi signal koji će uticati i na predhodnu i na sledeću ćeliju i uticaće na drugačiju aktivaciju gena u njima (tj. sintezu nekih drugih proteina). Tako se dobijaju podtipovi ćelija (povećava se broj tipova ćelija)- to je sekvencijalna indukcija. Ćelije utiču na puteve diferencijacije susdenih ćelija. Nakon početne specifikacije, ćelije se dele i embrion raste. Povećava se broj ćelija i one su u međusobnim kontaktima. Kada se u startu obrazuju 2 različita tipa ćelija, te ćelije se razlikuju (različiti geni su im aktivni) i produkovaće različite signale. Jedna ćelija može proizvesti signal koji će kod drugoe ćelije sa kojom je u kontaktu indukovati promene u aktivaciji gena - to je sekvencijalna indukcija.

Ćelija prima signal od susedne i počinje da eksprimira druge gene (razvija novu karakteristiku). Ona će dalje sintetisati neke nove signale koji će da izazovu pojavu novih signala u susednim ćelijama. Početno od jednog tipa ćelija dobijena su dva tipa, i tako se dalje povećava broj tipova ćelija.

Receptori (adhezioni molekuli) imaju tri domena: ekstraćelijski, transmembranski i intraćelijski. Kad receptor primi signal, dolazi do promena unutarćelijskog domena koji onda dovodi do promena u ćeliji: utiče na hemijske modifikacije proteina prisutnih u citoplazmi, ti proteini mogu da se vezuju za neke receptore u jedru i tako može da se menja ekspresija na različitim nivoima. Ta informacija može da oblikuje ekspresiju same ćelije i da utiče na ćelijski fenotip. Sistemi signalne transdukcije Ekstraćelijski signalni molekuli - parakrini faktori, endokrini faktori. Ćelija sintetiše neki molekul koji difunduje kroz tkivo, pravi gradijent koncentracije, to je signal koji će da se kači na receptore drugi ćelija. Kada se zakači za receptor, on promeni konformaciju i utiče na druge proteine u citoplazmi koji će da aktiviraju različite gene u toj ćeliji. To mogu biti receptori na površini ćelije, u citoplazmi, u jedru. Svi ekstraćelijski signalni molekuli se zovu Morfogeni.


21

Alen Tjuring (rešio enigmu) je napravio reakciono-difuzioni model koji se bavi dufundovanjem morfogena i reakcijama ćelija na morfogene. Postoji: - morfogen aktivator koji se u određenoj koncentraciji sintetiše u jednom delu embriona i difunduje. - morfogen inhibitor tog morfogena, koji difunduje na svoj način. U različitim delovima ebriona oni se nalaze u različitim koncentracijama (koje pravi jedan i drugi morfogen) i dobija se različit hemijski sastav signala za različite ćelije. On je objasnio boje krzna zebre difuzijom morfogena koji stimulišu sintezu melanina i inhibitora sinteze melanina. Kao i krila leptira. To važi i za mnoge druge slučajeve u razviću, a ne smo za boje. Postoje bar dva morfogena - jedan aktivator, a drugi je inhibitor (supresor). U različitim delovima embriona postoji aktivator ili inhibitor, oni difunduju svako na svoj način. - Aktivator aktivira neku svoju transkripciju i transkripciju inhibitora. - Inhibitor inaktivira aktivatora. Izgled šara ne zavisi od genetike, već su u pitanju polja morfogena koja difunduju kroz dermis, aktivirajući ili inaktivirajući melanocite u produkciji melanina. ⌦Morfogeni se sintetišu na određenom mestu u embrionu. Na mestu gde su nastali imaju najveću koncentraciju (ćelije najbliže mestu nastanka morfogena su izložene najvećoj koncentraciji). Difunduju kroz tkivo praveći gradijent koncentracije. To su signali. ⌦Meta morfogena su TF-i. Zavisno od koncentracije oni pale različite TF-e. Neki TF-i nemaju veliki afinitet prema morfogenu (signalu), ali kada je taj signal u velikoj koncentraciji, taj TF će da se upaliti. Ali dalje, u ćelijama gde je koncentracija morfogena opala taj gen (gen za taj TF) se neće upaliti. TF kada se aktivira pokreće svoju mrežu gena. Morfogeni kontrolišu TF-e koji kontrolišu svoje gene. ⌦Na kraju geni realizatori imaju različit afinitet prema TF-u. Tako se fino reguliše ekspresija gena i samim tim diferencijacija ćelija u različitim delovima embriona. Morfogen može da ima inhibitorni uticaj na ekspresiju. Morfogeni interaguju sa receptorima na membranama ćelijma, preko kojih se informacija prenosi u unutrašnjost ćelije i pokreće se ćelijski odgovor. Neki morfogeni ulaze u ćeliju, u citoplazmu ili jedro gde se vezuju direktno za DNK i tako regulišu ekspresiju određenih gena.

PITANJ

Filokontrolori Hoxregulatornosklopova.

FileFiletička in Tu razlikuj

E 60 - Fil

ogenetska razvića (Hox geni su vrom genomu

Toob

etička infornformacija o

File

jemo da tipa

logenetska

ograničenjox geni prevrlo konzervu i zato se j

o je razlog zezbedili. Ne

rmacija u oograničava

etička inform

a evolucije

a ogranič

a su rezultavashodn). visani jer imjako teško

zašto nema ema sisara k

ontogeniji mogućnost

macija u onto

konvergen

22

čenja i kon

at evolucije

maju jako vemenjaju i t

Pegaza (4 koji ima viš

- ne može dnastanka v

ogeniji - prisu

ntnu i paral

nvergentn

e gena koji

liku regulatto je značaj

noge i 2 kše od 7 vratn

daleko da seelikih novit

ustvo sličnih

lelnu evolu

na/parale

su uključen

tornu mrežujno ogranič

krila), ne ponih pršljeno

e pobegne oteta.

h elemenata r

ciju.

elna evolu

ni u razviće

u i dubokkoenje za evo

ostoje Hox ova.

od te filetičk

razvića kod s

ucija

e koji su gla

o su umreženoluciju teles

geni koji b

ke informac

srodnih takso

avni

ni u snih

bi to

cije.

ona.


23

Kovergentna evolucija: pojava istog izvedenog stanja karakteristike kod filogenetski veoma udaljenih taksona (slika: takson A i takson D, filogenetski veoma udaljeni, njihov zajednički predak je daleko).

Konvergentna evolucija je nezavisna pojava neke osobine slične po strukturi i funkciji u dva filogenetski udaljena taksona (u dve različite evolucione linije).

Primer: peraja riba i kitova su adaptacija na vodenu sredinu. Ta adaptacija je rezultat (produkt) delovanja prirodne selekcije za vodenu sredinu (tj. za efikasnije preživljavanje i reprodukciju u vodenoj sredini). Ove slične osobine (analogije) nastaju na različitoj ontogenetskoj osnovi (kroz različite programe razvića). Potpuno su nezavisni načini razvića ove dve analogije. Na potpuno različitim razvojnim planovima nastaju karakteristike koje su adaptacije za istu životnu sredinu. Selekcija deluje na različite razvoje progame.

Primer je evolucija peraja kod sisara koji su sekundarno naselili akvatična staništa (kitovi i delfini).

Paralelna evolucija je nezavisna pojava sličnih osobina (tj. istog izvedenog stanja karakteristike) u dva filogenetski srodna taksona (tj. potomačka taksona čiji zajednički predak nema tu osobinu). Iste osobine kod dva srodna taksona su se pojavile na istoj razvojnoj osnovi. Predak nije imao tu karakteristiku, ali kod dva potomačka taksona ta karakteristika se pojavi. Te osobine su nastale delovanjem slekcije na iste razvojne programe (u istoj životnoj sredini). Razlika između konvegentne i paralelne evolucije je u tome da li su slične karakteristike (analogije) nastale iz istih ili različitih razvojnih programa. Razlikovanje konverentne i paralelne evolucije nije jednostavno. - Konvergentnom evolucijom će svako nazvati peraja kita i ribe, ali može se reći da su i jedni i drugi kičmenjaci i onda u toj dalekoj osnovi postoji neki "impuls" koji dovodi do pojave i jednog i drugog i onda se može reći da je to parlelna evolucija. -Mlečika i kaktus - konvergenta evolucija. Ali neko će reći da je to paralelna evolucija, jer postoji neki zajdenički načini da to stablo postane sukulentno (što je adaptacija na životnu sredinu). Ako krenemo od Darvinovog koncepta zajedničkog porekla čitavog života, ova podela je teška, ali ona se može prevazići ako se gleda samo (jedino) razviće - da li su isti elementi u nastanku odeđene adaptacije isti kod dva taksona ili su potpuno različiti elementi u pitanju. Ako su različiti onda je to konvergentna evolucija.

24

Ovo do sad je priča šta bi sve sprečavalo evoluciju različith telesnih sklopova. Ali kako do toga dolazi? PITANJE 61 - Biologija razvića i nastanak evolucionih novina

Evoluciona novina Nije svaka karakteristika koja se pojavi u nekoj evolucionoj liniji evoluciona novina, to je novitet, ali ne novina. Evoluciona novina je osobina ii sistem osobina koje su veoma krupne i koje na suštinski način menjaju odnos organizma sa životnom sredinom. Najbolji primer evolucione novine je endotermija kod sisara i ptica. Evoluciona novina je krupna promena koja suštinski menja odnos organizma sa životnom sredinom kao i način funkcionisanja čitavog organizma (mehanizme obavljanja životnih funkcija). Primeri evolucione novine: - Sposobnost da organizam može da termoreguliše bitno menja njegov odnos sa životnom sredinom. Metabolizam endotermnih je suštinski različit od ektotermnih organizama. - Natanak eukariotske ćelije - ćelija je potpuno drugačija, njeni metavolički (fiziološki) procesi su bitno drugačiji od prokariotske ćelije. Evolucione novine podrazumevaju krupne promene. U filogenetskim istraživanjima evolucione novine nazivamo pojavom novih adaptivnih tipova. Evoluciona novina=adaptivni tip. To nije specijacija (nastank nove vrste), toj krupna promena, toliko suštinska da ćemo kada radimo sistematiku (klasifikaciju) organizme koji imaju tu novinu svrstati u određene filume, podfilume, klase, znači iznad nivoa reda. Iznad nivoa reda u sistematici govorimo o razlikama u adaptivnim tipovima.


25

Definicije evolucionih novina: 1. Osbine koje na suštinski način menjaju odnos organizama sa životnom sredinom i mehanizme obavljanja životnih fja. 2. Kvalitativno nove strukture sa diskontinuiranim postankom u razviću: predački takson ih nema, a kod potomačkog taksona se pojavi neka krupna suštinska promena - diskontinuirano, nastaje kvalitativno nova struktura i to je skokovitost. 3. Nove osobine su zasnovane na kvalitativno drugačijim razvojnim varijantama (razviće je bitno promenjeno). 4. Novi konstrukcioni elementi u telesnom sklopu samo se tu pojavio (nema homologa kod predaka ili drugih organizama)- autapomorfna osobina. Za filogenetske rekonstrukcije i taksonomiju je najprihvatljivija. Ovo je definicija autapomorfne osobine – stanje osobine, koje postoji samo kod jednog taksona ili grupe srodnih taksona, ali ne i kod predačke vrste.

26

PITANJE 61. Biologija razvića i nastanak evolucionih novina

Kako nastaju evolucione novine: To su suštinkse krupne promene. Većina definija Evolucione novine se odnosi na diskontinuitet u nastanku (naglo nastajanje). Dve škole se spore: - Evolucione novine nastaju Darvinovski postepeno škola filetičkog gradualizma. - Evolucione novine nastaju naglo - Saltacionisti. Nastanak krupnih promena mora biti nagao. Mikroevolucija: (klasična evolucije) PS promena učestalosti alela nastank dve nove vrste. Mikroevoluciona promena je do nivoa vrste. Makroevolucija (sin. transpecijska evolucija) se odnosi na više taksonomske kategorije. Krupne promene (ili nastanak evolucionih novina) spada u transspecijsku evoluciju, tj. makroevoluciju. Sa jedne strane postoje ontogenetska ograničenja - nastanak krupnih promena ograničava sama ontogenija, a opet nastajali su novi telesni sklopovi a to su krupne promene. Neslaganja da li novine (novi telesni sklopovi) nastaju postepeno ili naglo:

Gradualisti: evolucione novine nastaju postepeno. Saltacionisti: Evolucione novine nastaju skokovito u malom broju koraka, krupnim promenama.

-Gradualisti - Evolucione novine nastaju postepenom akumualcijom malih mutacija koje u jednom trenutku dovode do pojave kvalitativno drugačijeg svojstva sa novom funkcijom (tj. do toga da ih prepozna selekcija). Mikroevolucija (mikroevolucione promene) se odigrava do nivoa vrsta, i te male promene uslovljava PS koja deluje na mutacije gena sa malim efektima na fenotip. -Saltacionisti - evolucione novine nastaju naglo, u malom broju koraka, makromutacijama. Makroevolucija (sin. transpecijska evolucija) se odnosi na više taksonomske kategorije. Genetičke promene su velike i nagle i to su makromutacije sa ogromnim efektima na fenotip,


27

Od početka u evolucionoj biologiji postoje sporenja da li je evolucija skokovita ili postepena:

Darvin je imao problema sa insistiranjem na postepenosti. Pre nastanka moderne sinteze, bili su: - Mutacionisti (sin. Medelisti) i - Biometričari koji su bili panselekcionisti tj. nastavljači Darvinove priče) Mutacionisti su se bavili kvalitativnim osobinama kao i Mendel. Diskontinuirane osobine.

Biometričari su se bavili kvantitativnim osobinama. Bio je problem razjasniti kako se ove osobine nasleđuju - rešen je sa aditivnim efektom.

Mutacionisti: ako mutira jedan gen koji direkto određuje sva fenotipska svojstva osobine pojaviće se nova fenotipska klasa. I to je skokovita promena. Evolucija je skokovita. Biometričari (Darvinisti): su se bavili malim razlikama između organizama, misle da se evolucija dešava akumulacijom malih razlika. ⌦ Skokovita evolucija - promene su nagle, evolucione novine nastaju samo naglo. Takve promene se nazivaju i makromutacije (= makro promene koje se odmah ogledaju u nastanku fenotipski suštinski različitih promena). ⌦ Filetički gradualizam: promene su postepene, proces divergencije jedne evolucione linije proizilazi iz akumulacije sitnih promena. Isprekidana ravnoteža (napravili su je Guld i Elbridž - paleobiolozi). Gledali su geooške slojeve i zapažali su da u jednom starom geološkom sloju postoji neki fosil, i nalazimo ga nepromenjenog tokom narednih 10 ili 50 miliona godina, kao da neevoluira, a onda odjednom u malom broju geoloških slojeva zapazimo proliferaciju - nastanak jako različitih taksona koji potiču od tog jednog sa kojim se dugo ništa nije dešavalo. To je isprekidana ravnoteža: dugački periodi staze, i odjednom dinamične brze promene koje su često praćene adaptivnom radijacijom. Guld i Elbridž kažu da ne nastaju svi taksoni na ovaj način nakon dužeg perioda mirovanja, već pola-pola, zbog toga je ravnoteža isprekidana.

28

Saltacionisti: Šindevolf i Goldšmit su najpoznatiji.

Šindevolf: I on je zapazio fenomen naglog nastanka kao i Guld i Elbridž. Novi sistemi adaptacija (= novi telesni sklop) tj. evolucione novine nastaju naglo kao posledica narušavanja normalnog razvića. naruši se normalno razviće i nastaju neki adaptivni tipovi koji su preadaptirani na neke nove uslove ili nove ekološke niše. (eksaptacije) Taj novi adaptivni tip još nije savršen, jedva preživi u životnoj sredini (još nije dovoljno adaptiran, li nekako preživi). On je eksaptiran za inicijalni opstanak u toj novoj životnoj sredini (tj. novoj ekološkoj niši). Selekcija će ga dalje usavršavati (usaglašavati taj organizam sa životnom sredinom).

Goldšmit: (poznat po tezi srećnih čudovišta) Smatro je da: evolucione novine nastaju skokovito – mutacijama koje drastično transformišu fenotip u samo jednoj generaciji. Do ovakvih promena dovodile bi tzv. sistemske mutacije, koje bi predstavljale velike promene genetičkog materijala organizama. Goldšmit je smatrao da su geni nebitni. Mislio je da sami geni pojedinačno ne mogu ništa da urade. On je smatrao da su hromozomi jedinice nasleđivanja, a ne geni, (geni se ne nasleđuju pojedinačno već paketi gena - hromozomi). Po njemu čitavi hromozomi daju povezane interakcije u razviću. Ključna je ta interakcija između mreže gena koju je on nazvao hromozom, a ne gen po gen. Hromozomi su veliki međusobno usaglašeni molekuli, pa njihova promena dovodi do krupne promene i nastaće nov hemijski sistem koji će drugačije regulisati razviće i nastaje čudovište. Otud njegova ideja o saltacionizmu.

Novine nastaju naglo kao posledica velikih sistemskih mutacija (makromutacija) koje vidi u rearanžmanima hromozoma.

Velike sistemske mutacije povlače za sobom krupne promene - reorganizaciju sistema razvića Nastaje čudovište. Većina njih ne preživljava, jer im je narušen sistem razvića. Čudovište koje uspe da

preživi mora i da se reprodukuje (tj. da bude dodatno srećno) - otud ime "srećno čudovište". Sledi usavršavanje selekcijom i adaptivna radijacija.

Goldšmit (genetičar) prvi govori o kontrolnim (genima razvića: (To u Modernoj sintezi ne postoji jer je razviće nebitno): Ako je razviće utemeljeno na "hromozomima" (mi danas kažemo na čitavoj interakcijskoj mreži), a ne na pojedinačnim genima, novi sistemi adaptacije mogu nastati isključivo naglo, usled velikih sistemskih mutacije (Šindelvolf koji nije bio genetičar je to zvao narušavanje modernog razvića). To bi značilo potpunu reorganizaciju sistema razvića, po njemu, novi adaptivni tipovi nastaju tako ili nikako. Posledica velikih sistemskih mutacija je nastanak čudovišta (sa nekim potuno novim telom) koje ima male šanse da preživi. Ali neka uspeju da prežive, ali ako se reprodukuju (da bi se ta promena prenele u naredne generacije) to su srećna čudovišta. Zbog koncepcije sećnog čudovišta i zbog negiranja značaja gena on je u modernoj sintezi bio potpuno ismejan i skrajnut. On je predvideo regulatrone Hox gene.


29

Kada se pojavi takav diskontinuitet u razviću, kao što je i goldšmit naglasio, postoji veliki problem da nešto takvo opstane.

Rupet Ridl - Povezuje saltacioniste i gradualiste - Koncepcija evolutivnih opterećanja Postoji hijerarhija evolucione opterećenosti različitih osobina ili gena u regulatornoj mreži.

U sistemu razvića postoji hijerarhija karakteristika po stepenu integrisanosti sa drugim kakteristikama. Geni osobina koje imaju najveći stepen plejotropnog delovanja, duboko umreženi geni, su najviše opterećeni i imaju najmanju verovatnoću evolucionih promena njihove promene dovele bi do ozbiljnog narušavanja integrisanosti i funkcionalnosti sistema. Npr. geni koji definišu esencialne osobine telesnog sklopa, Hox geni. Osobine koje su manje umrežene mogu se znatno lakše menjati.

Kako nastaje ta hijerarhija? - Princip redosleda (Ridl): Geni ili osobine ne nastaju odmah kao ključni za razviće / kao esencijalne osobine telesnog sklopa. One nastanu, pa se na njih tokom dalje evolucije kače druge osobine, sa njima se umrežavaju drugi geni tj. dodaju se nove interakcije i to ih gura sve dublje u mrežu interakcija i povećava njihovo opterećenje.

Dodavanje novih interakcija tokom evolucije gura gene (osobine) dublje u mrežu integracije i povećava njihovo opterećenje.

Stari geni (osobine) će nužno postati duboko umreženi, jer se na njih vremenom kače novi geni i nove interakcije. To ih gura duboko u mrežu i tada postaju esencijalni za telesni sklop. Stari gen koji ima mnogo interakcija, gurnut je dublje u mrežu. Postoji korelacija između toga koliko je evoluciono opterećena osobina sa njenom filogenetskom starošću. Najstarije biće najdublje u regulatornoj mreži. Esencijalne osobine telesnog sklopa jesu filogenetki najstarije osobine, na njih su se nakačile druge.

30

Postanak notohorde (postanak esencijalne osobine telesnog sklopa kičmenjaka). Mala promena jednog gena (koji je TF), dovela je do pojave notohrde. To je Brahiuri gen (koji spada T blok TF-e ). Primarna uloga Brahiuri gena kod svih metazoa od knidaria pa nadalje, je da u blastoporu blastule izaziva invaginaciju ćelija i formiranje klicinih listoiva. Brahiuri gen se aktivira u tom regionu i izaziva takve fizičke efekte u prvim fazama embriogeneze kod svih metazoa od knidaria pa nadalje (samo ne kod sunđerea). Kod hordata se pojavila sekundarna uloga, desila se heterotopija: - Brahiuri gen je, pored primarne uloge uloge, počeo da se ispoljava i dorzalno od blastopora. - tu gde je postao aktivan (tj. u tim novim ćelijama gde je postao aktivan) počeo je da reguliše (okupirao je) novi set gena i počeo je da reguliše razviće notohorde (tj. utiče na takvu diferencijaciju ćelija da one postanu ćelije notohorde. Ta mala promena heterotopija dovela je do nastanka novog morfološkog sistema, koji vremenom postaje ključna esencijalna karakteristika telesnog sklopa kičmenjaka. To u startu nije bila krucijalna osobina, već samo novitet koji je opstao, na njega su se onda kačile brojne druge osobine (bila je sve više umrežena) i postala je esencijalna ključna osobina telesnog sklopa kičmenjaka. Kako bi telesni sklop mogao da se menja, jer to što je najdublje, to je i najviše opterećeno? Ridl: Telesni sklop može a se menja, tako što će se prvo menjati manje opterećene osobine, koje bi svojom promenom malo olabavile opterećenost unutrašnjih (dublje umreženih) osobina - krucijalnih osobina telesnog sklopa. Telesni sklop bi mogao da nastane, ako se krene od filogenetski mlađih (periferija) ka filogenetski starijim osobinama (dublje umrežene) koje jesu esencijalne za telesni sklop.

Danas ne možemo da zamislimo promenu Brahiuri gena kod hordata, to je sada krucijalna osobina koja je kjučna i za faringulu filotipski stupanj. Veoma konzervisana u srži regulatorne mreže.

Osobine telesnog sklopa će se menjati tako što će se prvo periferno moći menjati osobine, dok se ne dođe do krucijalnih osobina telesnog sklopla. Tu je veza gradualizam - saltacionizam. Danas kod savremenih organizama ne možemo da zamilislimo nastanak novog telesnog sklopa. To je moglo da se desi u Kambrijskoj eksploziji pre 540 miliona godina. U Kambrijskoj eksploziji (pre oko 540 miliona godina, za destak miliona godina) nastao je ogroman broj telesnih sklopova (svi telesni sklopovi metazoa i recentnih i izumrlih. Za vrlo kratko vreme - skokovito. Zašto tada, a ne sada? Po Ridlu: Tadašnji organizmi (preci metazoa) su bili jednostavni organizmi, imali su jednostavne genome, slabo integrisani, sa malo koraka i za kratko vreme moguće je da promene sa periferije utiču na ključne osobine, tj. jako mali broj koraka je bio potreban da bi se došlo do ključnih osobina. Lako i brzo su nastali novi telesni sklopovi. To danas nije tako - razvića savremenih organizama su kompleksna, sa mnogo nivoa hijerarhije.


31

Kambrijskoj eksploziji je prethodila fauna mekog tela (postojali su preci, ali ih ne vidimo jer su imali meko telo) ediakarska fauna (sesilni organizmi). U Kambrijskoj eksploziji javlja se fauna tvrdog tela i velike evolucione novine: cefalizacija, varenje u crevima (ekstraćelijsko varenje), mišići, skelet. To je bilo pod uticajem spoljašnjih faktora: povećana koncentracija O2 se smatra se trigerom, stres.

32

__________________________________________________________________________________________ PITANJE 62. Životna sredina i evolucione novine Darvin je smatrao da direktni utisaj različitih faktora životne sredine na procese razvića može biti prvi korak u nastanku evolucionih novina. Ali zbog njegovog nepoznavanja genetike (smatrao da se nasleđuju stečene osobine) to je odbačeno.

Danas se zna da je sredinska indukcija najznačajniji inicijator evolucionih novina. Glavna prednost sredinske indukcije u odnosu na mutacione promene je u tome što one mogu istovremeno uticati na mnoge (ili sve) pripadnike populacije. Ovakve hipoteze podržava i paleontologija:

pojava evolucionih novina kod morskih beskičmenjaka tokom poslednjih 250 miliona godina u pozitivnoj korelaciji je sa velikim promenama u životnim sredinama. postanak cveta kod biljaka može se povezati sa velikim promenama u životnoj sredini.

Rane faze u evoluciji višećelijskih životinja se vezuju za Kambrijsku eksploziju (pre 540 miliona god) i velike promene u životnoj sredini (povećanje koncentracije O2). Adaptivna radijacija metazoa u Kambrijskoj eksploziji se odigravala u dve faze: - Ediakarska fauna (meki deo) sesilni organizmi, kladogeneza

U Prekambriji (Edajakar, pre 630 do 54o miliona godina) intenzivna kladogeneza (pojava mnogo grupa Bilateria) nastala je zbog velikih promena u životnoj sredini. Ediakarska fauna karakteriše se dominacijom životinja sa mekim telom.

- Čvrsti deo (hard part) evolucije u Kambriji. Sledi Kambrijska eksplozija i dominacija životinja sa skeletom (hard part), pre 520 miliona godina.

Skeletonizacija se vezuje i za velike promene u životnoj sredini i za promenu odnosa morfoloških struktura (sklopova) tih organizama prema životnoj sredini i način ishrane tih organizama. Kod Bilateria se pojavljuje niz evolucionih novina: crevo, nervni i mišićni sistem, a ovi organi su im omogućili ishranu većim organizmima i vanćelijsko varenje u crevima. A mozak bi koordinisao aktivnosti životinja. Po ''teoriji svetlosnog prekidača'' ključnu ulogu u daljoj evoluciji morfoloških struktura životinja imala je pojava vida. Sposobnost vida, zajedno sa mozgom zaduženim za obradu tih informacija, pokrenuli su diverzifikaciju telesnih sklopova savremenih životinja. ___________________________________________________________________________________


33

PITANJE 61. nastavak.

Problem između Saltacionista i Gradualista ⌦ Zamerka i Darvinu i drugim gradualistima koji misle da male varijacije dovode do nastanka krupnih promena i tu Saltacionisti ističu "Paradoks selekcije" - selekcija ne može da deluje na osobine koje još uvek ne postoje (na male varijacije nečega što još ne postoji). Selekcija ne može da modelira ono što se još nije pojavilo. ⌦ Odbrana gradualista: Gradualisti kažu da postoje eksaptacije, karakteristike koje nisu upotrebljene za neku f-ju, ali u nekom drugom kontekstu mogu postati adaptacije za nešto potpuno drugo. Rešenje: gradualno (postepeno) mogu da se menjaju neke karakteristike koje u startu nemaju nikakve veze sa budućim novitetom. One će biti eksaptacije i u nekom trenutku će dobiti novu f-ju. Latentna homologija je kad kod pretka (koji nema to svojstvo) postoji razvojna osnova za nastanak te osobine (strukture) u potomačkom taksonu. Kod pretka ne postoji ta osobina, postoji razvojni poetncijal za tu osobinu. Primer: - Agnate nemaju vilicu, ali imaju visceralne lukove u kojima je razvojna osnova (potencijal) za pojavu vilice (novina). - Slušne koščice kod sisara koje nemaju gmizavci, ali drugi vilični zglob ima razvojnu osnovu i mala mutacija Hox genu dovodi do njegove diferencijacije u slušne koščice. Kod predaka ne postoji ta osobina, ali postoji razvojna osnova (potencijal) da se takarakteristika pojavi kod potomačkog taksona - To je latentna homologija. Nagla promena je rezultat "Efekta praga", tj. nastaje akumulacijom malih promena (Gradualisti). Nagla promena je često rezultat "efekta praga": nakupi se mnogo promena koje se fenotipski ne ispoljavaju to su tzv. potenciacione mutacije, i onda se desi još jedna i pređe se prag i to će dovesti do pojave nove strukture koja do tada nije postojala.

34

PITANJE 63 - Postepeni ili nagli nastanak evolucionih novina

Imamo primera i za brzu i za gradualističku evoluciju i ne možemo da se odlučimo samo za jedno.

Ima mnogo promena koje su sigurno skokoviti događaji: Postanak eukariotske ćelije (to je skokovit događaj, nije endosimbiont mogao polako milionima godina da ulazi u drugu ćeliju, već je to bio skokovit događaj i uzrokovao nastanak novog adaptivnog tipa. Postanak cveta ne može biti postepen. MAX geni sa HD su mutirali i doveli do transformacije listova u cvetne elemente. Položaj skapule kod kornjače (kosti u ramenskom pojasu) kod kornjače je unutar oklopa tj. rebara, a kod drugih kičmenjaka spolja. Skapula kod kornjače je u grudnom košu, rerba su napolju. Bar neka od faza uvlačenja skapule unutar oklopa uključivala je skokovitost (veliku ontogenetsku promenu), nemoguće da je samo postepeno. - Kod položaja skapule i formiranja oklopa ključni su geni BMP4 i FGF (fibroblasni faktor rasta). - Desila se Heterotopija. Tokom razvića dermisa, neki regioni dermisa privlače prekursore ćelija rebara. (U tim regionima dermisa se sintetiše FGF protein (kodiran genom Fgf) koji privlači prekursore ćelija rebara) - To dovodi do razvića rebara u dermisu i zadržavanja skapule unutar rebara. - Sve ovo aktivira BMP4 gen koji učestvuje u osifikaciji (fromiranje kostiju). Prave se rebra u kožnom tkivu. - Pošto je BMP4 parakrini faktor, on difunduje kroz tkivo, širi se (ćelije dermisa reaguju na njega) pa celi dermis počinje da se osifikuje i nastane koštani dermis. Okolni dermis da postane kost i kornjača dobija oklop. To nije bio postepen događaj, to je bila heterotopija (promena položaja i mesta aktivacije BMP gena). Često skokovit postanak evolucionih novina povezujemo sa o delovanjem selekcije, a tu je važan Drift tj. malu populciju u kojoj može da opstane i mnogo suboptimalnih stvari. U velikoj populaciji selekcije to eliminiše, a u malim opstaje i može polako da se modifikuje kroz generacije.


35

Ovde je važan drift - Predačke populacije su bile male. U malim populacijama drift može održati i fiksirati nešto što subadaptivno za organizam koji nosi tu karakterstiku.

Mnoge promene nastaju gradualno (ekspatacijama, latentnom homologijom, efektom praga) Tu su bakterije korisne za ekperimente, za krako vreme može da se napravi hiljade generacija. KOd praćenja evolucije generacije su od ključne.

Eksperimenti sa E. coli (Lenski) - kolonije gajene preko 30.000 generacija - Napravljeno je 12 populacija bakterija (kloniranjem jedne ćelije), nakon deoba je napravio 12 populacija. - Gajene su u medijumu sa malo glukoze, ali koji sadrži citrat. - Svakih 500 generacija zamrzavan je uzorak bakterija iz svih 12 populacija (fosilni zapis). Mogli su da odmrznu te uzorke i da vide šta se na njima desilo. - Posle 30.000 generacija u jednoj populaciji pojavila se mutacija, mutanti su počeli da metabolišu citrat iz medijuma. E.Coli inače ne može vari citrat (pa je to novina u metabolizmu). -Analizirani su zamrznuti uzorci populacija, tj. testirali su kada se pojavila ta mutacija koja je omogućila promenu metabolizma, - Otkrili su da nije bila samo jedna mutacija:

- Pre oko 20.000 generacija, u populaciji u kojoj se desila promena (koja je definitivno omogućila korišćenje citrata) pre te su se desile 3 potenciacione mutacije na duga 3 gena koje nisu imale fenotipski efekat i one su omogućile da kada se pojavi krajnja mutacija bakterija bude sposobna da vari citrat.

Sposobnost korišćenja citrata nije se pojavila u jednom koraku. Ovo je primer postpene evolucije (koja je dovela do nečega što bismo mogli nazvati skokom) i efekta praga. Akumulirale su se mutacije u 3 gena, i bila je potrebna još samo jedna mutacija koja u potpunosti izmenila metabolički fenotip. To je ta postepenost i efekat praga. Ima primera i za i jedno i za drugo. Tako da je ovo sporenje nezavršeno.


1

11.Eco-evo-devo: Fenotipska plastičnost i evolucione posledice

PITANJE 64 - Ekološka evoluciona biologija razvića Evo-devo podrarzumeva da evolucija modifikuje programe razvića (Evo-devo smer), na koji nači nastaju potpuno novi telesni sklopovi i problematika. Devo-evo - ontogenetska ograničenja, zbog postojanja specifičnoh programa ontogeneze (individualnog razvića) nije moguće bilo kakva promena, u bilo kom smeru, u bilo kom obimu. Uticaj ontogenije na ograničavanje evolucije. Da li Ontogenija (i promane Ontogenije) može da usmeri evoluciju? Devo-evo - ali dve stvari: - i da li samo razviće ograničava evolucije - i da li samo razviće može da usmeri evoluciju Ovde moramo da stavimo razviće u kontekst životne sredine u kojoj se razviće odvija. Znamo da fenotip nije direktan rezultat genotipa.

2

Na putu od Genotipa do Fenotipa postoji "Crna kutija". Crna kutija je program razvića koji se ostvaruje pod uticajem: različitih uticaja životne sredine, kao i u kontekstu specifičnih kombinacija gena (epistatičkih interakcija između gena). To nam otkriva molekularna biologija razvića. Nasuprot Modernoj sintezi gde fenotip direktno određuje fenotip, danas zahvaljujući molekularnoj biologiji i znanju šta rade geni u organizmu (f-ja gena), a ne samo kako se prenose, znamo da Crna kutija podrazumeva:

- mnogo gena koji jedan drugog regulišu, na različitim nivoima, zato smo pominjali nivoe regulacije od transkripcionog do posttranslacionog nivoa gde se modifikuje sam protein, - kao i da sredina može da izmeni ovaj proces regulacije.

Pričamo sada o ovome Eco-evo-devo koncepcija Eco-evo-devo: genotip i fenotip stavljamo u kontekst životne sredine, ekološki kontekst. Ontogenija (promena ontogenije) može da usmeri evolucije, može da odredi stepen pravac evolucionih promena. Po Klasičnoj koncpeciji evolucije (Moderna sinteza) razviće ne može da ima nikakav uticaj na ono što se prenosi u narednu generaciju. Eco-evo-devo: životna sredina, samim tim što može da utiče na to kakvo će biti razviće može da usmeri pravac evolucije. Lamark (i Darvin i Lamark su govorili o nasleđivanju stečenih osobina, ali postoji važna razlika između njih) je govorio o usmerenim efektima sredine, da je odgovor organizma na promenu sredine adaptivan. Životna sredina utiče na organizam - to menja potrebe organizma, potrebe organizma menjaju ponašanje, ponašanje menja upotrebu/neupotrebu organa i tako životne sredina preko upotrebe/neupotrebe organa usmereno menja pravce evolucije. Darvin - životna sredine utiče, ali ne usmereno. Životna sredina generiše naslednu varijabilnost koja nije po defoltu adaptivna, već može biti različita. To se uklopilo sa pričom o mutacijama u modrenoj sintezi. To je dovelo u problem samog Darvina (problem za koncepciju prirodne selekcije), jer ako se stalno generiše varijabilnost, selekcije ne može biti efikasna, jer ne može ništa da se favorizuje ako se stalno menja na vrlo stohastičan način. Iz tog razloga se u kasnijim izdanjima Darvin malo više približio Lamarku, da bi spasio koncepciju prirodne selekcije.


3

Eco-evo-devo sa idejom da životna sredina može da usmeri pravac evolucije, i to ne kao filter koji će fenotipovi proći, koji neće, već ima formativnu ulogu u kreiranju fenotipa, a samim tim i evolucionih promena podseća malo na nasleđivanje stečenih osobina. To kod Moderne sinteze izaziva veliki otpor, jer su po njima i dalje geni ključni, a ne životna sredina. Po njima je životna sredina izvor šumova u razviću koji nemaju nikakvog uticaja na sam proces nasleđivanja. Govorimo na koji način životna sredina može da indukuje pravce razvića, naravno u okvirma koji postoje u samom genotipu, na koji način može da usmeri pravce razvića i na koji način to može da pdredi pravce evplucije. Životna sredina (predznak eco)

Eco-evo-devo: - Prihvata da postoji program razvića. Genetika ne može biti zanemarena. Eco-evo-devo ne umanjuje značaj kombinatorike gena u jednom genotipu. - Nisu organizmi preformirani u oplođenoj jajnoj ćeliji. Kominacija gena koja se dobije od mame i od tate neće preformirati potomka, neće ga u potpunosti odrediti do kraja njegovog života. Iz kvantitativne genetike: kada analiziramo neko fenotipsko svojstvo u populaciji mi uočavamo fenotipsku varijansu (te osobine populaciji). Komponentne fenotipske varijanse, tj. uzroci te varijabilnosti koju uočavamo su: Vf fenotipksa varijansa = Vg genetička varijansa + Ve sredinska varijansa + Vgxe + COV g,e

- Genetičke razlike između jedinki (zato što se jedinke genetički razlikuju imaju različita fenotipska svojstva) - Sredinske razlike zato što se jedinke razvijaju u različitim (mikro)uslovima daće različiti fenotip. Zato što životna sredina kroz crnu kutiju utiče na to kakav će fenotip biti. - Interakciju između genotipa i sredine - jedan Genotip u jednoj životnoj sredini može da da jedan Fenotip, a u drugoj životnoj sredini neki drugi Fenotip. Neki drugi genotip na te dve

4

životne sredine možre da reguje potpuno drugačije. Životna sredina može na različite načine da indukuje odgovor različitih genotipova. - Kovarijansu izmedu genotipa i sredine - jedan genotip kovarira sa tačno određenom životnom sedinom. Porodica živi u jednoj sredini, oni su međusobno genetički srodni i dele i zajedničku životnu sredinu. I zbog toga oni mogu i više da liče nego što bi to genetika determinisala. Npr. dete je talentovano za matematiku. Da li je ono nasledilo talenat od svojih roditelja koji su takođe matmatičari ili je životna sredina takva da se stimuliše matematika u toj životnoj sredini. Fenotip "matematički talenat" ne mora biti zbog gena, već zvog životne sedine.

Vf fenotipksa varijansa = Vg genetička varijansa + Ve sredinska varijansa + Vgxe + COV g,e (kovarijansa pokazuje postojanje specifičnih veza između genotipa i sredinkih uslova) Vg = aditivna + dominantna + epistatička komponenta Iz kvantitativne genetike nam je poznato da se totalna (fenotipska) varijansa neke osobine u populaciji može razložiti na nekoliko komponenti, tj. uzroka varijabilnosti: - genetičku varijansu (VG, koja se može razložiti na aditivnu, dominansu i epistatičku komponentu), - sredinsku varijansu (VE, koja ukazuje na efekat sredine na formiranje fenotipa, tj. na plastičnost), - interakciju između genotipa i sredine (Vgxe, koja ukazuje na varijabilne odgovore genotipova na sredinske uslove) i - kovarijansu izmedu genotipa i sredine (CovGE, koja pokazuje postojanje specifičnih asocijacija izmedu genotipa i sredinskih uslova). Heritabilnost je odnos genetičke komponente u odnosu na totalnu fenotipsku varijabilnost, tj. koji je udeo genetike u totalnoj varijabilnosti koju zapažamo. h2= VG / Vp Heritabilnost u užem smislu je odnos između aditivne genetičke varijanse i totalne fenotipske varijabilnosti (totalne fenotipske varijanse). h2= Va / Vp h2- heritabilnost Va- aditivna genetička varijansa Vp- totalna fenotipska varijabilnost (totalna fenotipska varijansa) Govori nam koliki je udeo genetičke različitosti u totalnoj fenotipskoj različitosti koju uočavamo. Ova fenotipska varijansa je delom zbog genetičkih razlika, a delom zbog svih drugih koji ulaze u totalnu fenotipsku varijabilnost. Jedna populacija naseljava heterogenu sredinu, varijabilnost će biti pod velikim uticajem životne sredine, a mnogo manje će se odraziti genetičke razlike na fnotipsko svojstvo. U homogenoj


5

životnoj sredini, isti je uticaj životne sredine na sve jedinki, fenotipske razlike između jedinki će se prevashodno oslanjati na genetičke razlike između jedinki. (Životnu sredinu ne zanemarujemo, razlike između ljudi nisu samo genetičke, bar 50% različitosti ljudi je poreklom od različite životne sredine u kojoj svako od nas odresta). Organizmi nisu preformirani svojim genotipom, oni se nalaze pod uticajem životne sredine u "crnoj kutiji". U crnoj kutiji se nalazi: - unutrašnja sredina (kombinacije gena, alelskih varijanti koje su u međusobnim interakcijama, epistaze u najširem smislu).

Ne možemo posmatrati gene zasebno tj. gen po gen, već celinu tj. unutrašnju sredinu jer neki gen i njegova alelska varijanta u jednoj kombinaciji mogu da budu pozitivni za adaptivnu vrednost, u nekoj drugoj kombinaciji sa drugim genima može da bude negativan, jedan alel u nekoj kombinaciji može biti dominantan, u drugom kontekstu genetičkog okruženja može biti recesivan.

- spoljašnja sredina su abiotički i biotički faktori, sve što organizam prima preko svojih reveptora. Signali iz spoljašnje sredine izazivaju promene u unutar ćelije. Signalna transdukcija menja koji će se geni upaliti, a koji ugasiti i nastaje drugačiji ćelijski fenotip, a posledično i fenotip čitavog orfanizma.

6

PITANJE 65. - Fenotipska plastičnost i norma reakcije Osnovni koncept u Eco-evo-devo je Fenotipska plastičnost. Fenotipska plastičnost govori o vezi životna sredina-genotip-fenotip.

Fenotipska plastičnost je sposobnost jednog Genotipa da u različitim uslovima životne sedine napravi različite Fenotipove.

Da smo odrasli u nekoj drugoj zemlji (npr. Nemačka) bili bismo verovatno u velikoj meri drugačiji nego što samo danas, i po morfologiji, i po psihologiji. Naš genotip u zavisnosti od uslova životne sredine da bi drugačiji fenotip Fenotipska plastičnost.

Jedan genotip nije samo fenotip, već opseg fenotipova koje može dati zavisno od uslova životne sredine. Svaki geneotip nema samo jedan fenotip, već seriju fenotipova koje može da da zavisno od toga u kakvoj se životnoj sredini razvija. Boldvin (1896) je to prvi primetio: za evoluciju nije važno koji se fenotip napravio, već je za evoluciju važno koliko je ovaj fenotip sposoban da oseti i primi signale iz spoljašnje sredine i modifikuje svoje razviće spram toga. Koliko je Genotip sposoban da odreaguje na životnu sredinu i da da najadekvatniji mogući Fenotip u toj životnoj sredini. Boldvin to zove Novi faktor evolucije.

Nije bitno samo fenotipsko svojstvo, bitno je kako je genotip uspeo da u "crnoj kutiji" primi i obradi signale i da da najbolji mogući fenotip za tu životnu sredinu.

Selekcionišu se organizmi na osnovu toga kako su uspeli da obrade signale i daju najedkvatniji (najpodobniji) fenotip za tu životnu sredinu - to je Novi faktor evolucije. Formalizacija ove priče počinje 1909. 1900. godine Mendel ulazi u evolucionu biologiju. Volterek (1909) uvodi pojam Norma reakcije, tj. on koristi "fenotipsku krivuju" kao sinonim za ono što danas zovemo norma reakcije.


7

Norma reakcije je ukupnost fenotipova koje jedan isti genotip može da da u opsegu životnih sredina u kojima živi (u kojima može da živi i da opstane).

Dijagrami normi reakcija. Svaka linija je jedan genotip (crni i zeleni genotip). a) Crni genotip u jednoj životnoj sredini (E1) ima određenu fenotipsku vrednost osobine (npr visina). Na ordinati je neko "x" osobina koju merimo. Taj isti genotip u drugoj životnoj sredini (E2) ima drugu vrednost osobine. Taj genotip je plastičan, preomenio je fenotipsku vresnot osobine. Mera plastičnosti je "P" - koliko se promenio fenotip između jedne i druge sredine (predstavlja razliku u vrednostima osobina u ta dva staništa). Zeleni genotip za tu osobinu nije plastičan, u obe životne sredine ima istu vrednost posmatrane osobine. b) Oba genotipa su promenila svoja fenotipska svojstva, promenili su ih na isti način. Bez obzira što je crni veći od zelenog, isti je pravac i stepen promene ovog fenotipskog svojstva. Ta dva genotipa su plastična, ali reaguju na potpuno isti način na životnu sredinu. Vf fenotipksa varijansa = Vg genetička varijansa + Ve sredinska varijansa + Vgxe + COV g,e Kada su genotipovi plastični značajna je komponenta Ve. Sredina značajno deluje na promenu fenotipskog svojstva genotipa. d) Dok je u jednoj sredini jedan genotip manji, u drugoj životnoj sredini on se značajno povećava, za drugi genotip je obrnuto. Ovi genotipovi su plastični, ali način koji primaju i obrađuju signale iz spoljašnje sredine i reaguju na te signale je potpuno različit. Postoji genetička varijabilnost fenotipske plastičnosti. Svi genetički i fiziološki elementi koji treba da prime i odgovore na signal su različiti, rade različito. Elementi koji leže u osnovi plastičnosti su različiti i znači postoji genetička varijabilnost same plastičnosti. Vf fenotipksa varijansa = Vg genetička varijansa + Ve sredinska varijansa + Vgxe + COV g,e Tu je značajna komponentna Vg x e - znači da genotipovi na različite načine reaguju na životnu sredinu, jedan se poveća, drugi se smanji - ukrštanje normi reakcija.

8

c) I ovde je značajna komponenta Vgxe (=genotip sredina interakcija) sa pretpostavkom da bi se ove norme reakcije ukrstila kada bismo dodali još neku životnu sredinu. Oni na različit način reaguju na životnu sredinu.

a) - genotip (norma reakcije data plavom linijom) je plastičan - pokazuje promenu vrednosti odobine u različitim sredinama - genotip prikazan zelenom linijom nije plastičan (ravna norma reakcije). Genotip u jednoj životnoj sredini ima određenu masu tela koju zadržava i u drugoj životnoj sredini. Taj genotip nije plastičan, ne reaguje na promenu životne sredine, ima ravnu normu reakcije. Velčina plastičnog odgovora (P) između prve i druge životne sredine, predstavlja razliku u vrednostima osobina u ta dva staništa. (b) norma reakcije dva genotipa su paralelne (genotipovi pokazuju isti pravac i opseg fenotipske promene) Oba genotipa mogu da budu osetljiva, čak i ako se njihove fenotipske vrednosti u obe životne sredine razikuju, oni reaguju na isti način - njihove norme reakcije su paralelne. (c) Norme reakcije dva genotipa nisu pralelne, fenotipski odgovori genotipova se razlikuju. Ova dva genotipa reaguju različito na promene životne sredine (d) norme reakcija dva genotipa se ukrštaju i menjaju relativni rang u različitim staništima. Ova dva genotipa reaguju totalno različito i njihove norme reakcije se ukrštaju. Zelena linija je jedan genotip, plava je drugi genotip. E1 i E2 su dve životne sredine. Posmatramo dva genotipa u dve životne sredine, neku osobinu (npr. masa tela). x osa - vrednosti koje se razlikuju dve sredine (E1; E2) npr. temperatura. y osa - fenotipska vrednost analiziranih genotipova (npr. masa tela). Na dijagramu su pokazana 2 genotipa. Povlačenjem linija između fenotipskih vrednosti svakog od genotipova u dve životne sredine dobija se norma reakcije genotipa (plava linija prvi genotip, zelena bleđa linija za drugi genotip). Prvi genotip u jednoj životnoj sredini ima jednu masu, a u drugoj ima drugu masu. Taj genotip je plastičan i odgovara na stimuluse iz spoljašnje sredine, pokazuje promenu vrednosti u različitim sredinama. P - veličina plastičnog odgovora između prve i druge životne sredine (E1 i E2), predstavlja razliku u vrednostima osobina u ta dva staništa. Veličina fenotipske promene neke osobine (u različitim sredinama) predstavlja meru plastičnosti te osobine. Fenotipska plastičnost nije svojstvo jedinke, već genotipa. Skripta


9

Volterek (iz ovoga ćemo videti zašto je fenotipska plastičnost dugo bila izbačena iz evolucione priče) je do koncepta Norma reakcije (tj. fenotipske krive) došao radeći na Dafiniji (račići koji mogu partenogenetski da se razmnožavaju) pa imamo od jednog račića klonove (genetički identične). On je napravio klonove (genetički identične potomaka), stavio ih je u različite životne sredine, sa različitim izvorom plena (Dafinije se hrane svačim, od organskog detritusa što su najsitnije čestice, do zooplanktona i fitoplanktona koji mogu biti krupniji. Životne sredine su se razlikovale po veličinai čestica hrane. Kod genetički identičnih jedinki koje su gajene u različitim sredinama, glava i usni aparat su se menjali shodno hrani, iako su u pitanju genetički identične jedinke - imao je jedinke sa sitnom glavom i usnim aparatom koje se hrane organskim detritusom, kao i jedinke sa mnogo većim usnim aparatom i glavom koje se hrane krupnijim plenom. Na osnovu ovoga je opisao "fenotipsku krivulju", za mere u svakoj životnoj sredini mogao je da opiše jednu tačku, spajao je tačke i dobio je fenotipsku krivulju u različitim životnim sredinama.

Njega je zbunila situacija u kojoj se norme reakcije ukrštaju, tj. situacija da različiti genotipovi mogu da daju identičan fenotip.

- Genotipovi mogu plastično da reaguju, ali kako je moguće da se genetičke razlike potpuno izgube u nekoj životnoj sredini. - On počinje da sumnja u koncept genotipa i fenotipa. - Kako neki "bilo kakav" uticaj životne sredine može da obriše razlike između genotipova. - On odbacuje ovu priču zbog ovog problema.

- Podatak da jedan genotip može da napravi različite fenotipove u različitoj životnoj sredini, bio mu je dobra ilustracija razlike između pojmova genotip i fenotip. - Zbunio ga je podatak da različiti genotipovi (genetički različite jedinke) u istoj životnoj sredini mogu da naprave isti fenotip. To je poljuljalo njegovu ideju "genotipa" i "fenotipa". - Očekivao je da svaki genotip ima svoj identitet, da njihovi fenotipovi moraju uvek da se razlikuju i da sredinski uticaj ne može da naruši identitet genotipa.

Johansen (uveo termine gen, genotip i fenotip) za Voltereka kaže "videh ali ne poverovah" jer nije razumeo rezultate do kojih je došao. Nije važno što u nekim životnim sredinama neki genotipovi fenotipski liče. Ne moraju genotipovi uvek da se razlikuju u svakoj životnoj sredini. Ako se ne gde ne razlikuju to ne znači da genotip kao entitet ne postoji. Samo njihova fenotipska ekspresija može biti ista bez obzira što su genotipovi različiti Pošto jedan genotip može da daje različite fenotipove, onda po fenotipskoj formi neki drugi genotip može u nekim situacijama da liči na njega. Norma reakcije je suma svih potencijala jednog genotipa (suma svega što jedan genotip može da napravi). Ne možemo jedan genotip vezati za jedan fenotip, jedan genotip može dati mnogo različitih fenotipova.

10

Po Johansenu su genotip i norma reakcije sinonimi. Nilson-Ele (1914) je uveo termin fenotipska plastičnost.

(skoro nakon ulaska gentike u priču o evoluciji)

Dobžanski - norma reakcije je "mendelovska jedinica nasleđivanja", a ne gen kako je Moderna sinteza sugreisala. Tako je mislio dok je bio u Rusiji, a kad je otišao na zapad prihvatio je Modernu sintezu. Sovjetska škola (20' i 30' godine prošlog veka) najuglednija evoluciono-biološka škola u svetu. Tu su bili vodeći svetski genetičari. Šmaljhauzen - nema kompletne evolucione priče bez genetike, ekologije i biologije razvića (anticipira eco-evo-devo). Fenotipska plastičnost je proučavana, najviše zbog poljoprivrede, jer tu su nepovoljni uslovi za uzgoj žitarica - klimatski uslovi su takvi da je kratak vegetacijski period i zato su jako mali prinosi. I zato su genetičari proučavali uticaj životne sredine na žitarice. Npr. izmišljaju vernalizaciju, kad semena žita prolaze kroz period zamrzavanja i to im bitno menja cvetanje, rast, čitav njihov životni ciklus. Uspeli su da prošire granice vegetaccijskog perioda, razumevajući da se radi o fenotipskoj plastičnosti. Dolazak Staljina, Lisenka (koji je bio vodeći agronom tada u Sovjetskom savezu). Lisenko je upropastio nauku, biologiju, poljoprivredu. Postojao je ideološki raskol između istoka i zapada. Komunističa ideologija smatra da mi nismo predodređeni genima, već nas društvo oblikuje. Svako od nas može da se nauči da razmišlja kolektivno (da usvoji kolektivitet), a ne o sebi kao individui. Čovek se može oblikovati prema društvu, genetika je tu nebitna. Koncept "gen" proglašen bužosakom idealističkom koncepcijom, jer nije realan, već je uticaj životne sredine u modelovanju i ljudi i žitarica realan. Genetika je zabranjena. Mnogi genetičari završavaju u gulazima kao izdajnici. Lisenko, pošto genetika biva odbačena kao ideološki nepodobna, tvrdi da uticajima životne sredine možemo potpuno izmeniti i unaprediti organizam i čoveka i žitaricu; uništiti konzervativizam nasleđa. On prihvata nasleđivanje stečenih osobina u najbanalnijem obliku (Lisenkoizam - sve ono što organizam uradi u kontekstu životne sredine sa drugim organizmom će se naslediti u narednim generacijama, a na koji način nije važno). Evoluciona biologija propada, jer Darvinova koncepcija prirodne selekcije podrazumva kompeticiju između organizama - U besklasnom društvu ne može biti kompeticije, besklasno društvo je kooperativno društvo. Lisenko je smatrao da će se prinosi od žitarica povećati ukoliko se gusto sade jedinke, jer one neće biti u kompeticiji, već će se međusobno solidarno pomagati. To je unazadilo poljoprivredu. Dovelo je do gladi. Evoluciona misao je bila odbačena. Zapadna evoluciona škola - tu je bio čist genocentrizam - sve je u genima, svi smo predoređeni. To je odgovaralo kapitalističkoj ideološkoj priči. Siromašni postoje jer su biološki predodređeni da budu takvi, bogati su takvi jer su biološki superiorni. Veliki raskol između ove dve škole: S jedne strane je fenotipska plastičnost dovedena do besmisla, sa druge strane je fnotipska plastičnost potpuno eliminisana. U Zapadnoj školi su postojali istraživači (Vodington, Goldšmit) koji su uvažavali uticaj životne sredine. Ali odbacivala se bilo kakva uloga životne sredine u promana organizma. U velikoj meri iz ideoloških razloga ovde dve škole se nisu susretale. Fenotipska platičnost do pre nekih 20ak godina je bila jako malo zastupljena. Sa ulaskom molekularne biologije razvića u evoluciji stvar se menja, i danas pridajemo veliku važnost fenotipskoj plastičnosti.


11

Primeri fenotipske plastičnosti I životinje i u fiziološkom i u morfološkom smislu mogu biti značajno pod uticajem životne sredine. Ali razviće životinja je više usmereno i dirigovano (5. Betovenova simfonija) dok je kod biljaka razviće mnogo labavije i podseća na džez improvizaciju. Biljke su sesilni organizmi i plastičnije su u morfološkom i fiziološkom smislu. Različiti faktori životne sredine utiču na morfologiju i fiziologiju biljaka jer ona ne može da beži sa mesta na kome je.

Hetrofilija najpoznatiji primer fenotipske plastičnosti. Ranunculus (ljutić) ima različite tipove listova, zavisno da li su iznad ili ispod vode.

Adaptivna plastičnost - listovi u vodi su končasti i tako povećavaju svoju površinu jer nema opasnosti od gubljenja vode (jer se nalaze u vodi), dok listovi iznad vode imaju cele liske i manju površinu i manja je opsanost od gubljenja vode kroz stome.

Sindrom izbegavanja senke kod biljaka - biljka i kada je mali klijanac može da oseti prisustvo susednih jedinki i da modifikuje svoj rast spram toga da li ima susede sa kojima će biti u kompeticiji. Najodgovorniji za oaj signal su fitohromi koji u zavisnosti od odnosa crvene i dalekocrvene svetlosti vrše fotokonverziju, a ta fotokonverzija pokreće kaskadu signalne transdukcije koja dalje menja koji će geni biti aktivni, a koji neće. Kada biljka još kao mala "zna" da će rasti u prisustvu mnogo kompetitora za svetlost, ona će više da se izdužuje, imaće manje grana ali će biti duža, da u odnosu na kompetitore njeni listovi budu više izloženi svetlu (da budu na punom spektru svetlosti). Polifenizam - oblik fenotipske plastičnosti gde nema kontinuiranih promena vrednosti neke osobine, već postoji ili jedno ili drugo fenotipsko stanje.

Polifenizam - važan oblik fenotipske plastičnosti: zavisno od životne sredine genotip (jednika) može da produkuje ili jedan ili drugi fenotip. Faktor "životna sredina" opredeljuje razviće na jednu ili drugu stranu, i daje diskontinuirane fenotipove.

Primeri polifenizma: Skakavci mogu da imaju 2 osnovna oblika: - migratorni sa krilima (gregarno žive - sele se), - bez krila (sedentarni život). Signal za određivanje puteva razvića genotipu je gustina populacije. Kada osete veliku gustinu (veliku kompeticiju), to je signal da usmere razviće ka gregarnoj formi. (tragaju za novom sredinom i tako smanjuju kompeticiju) Punoglavci, kada žive u velikoj i stabilnoj bari, hrane se uglavno biljnom hranom. Kada se bara isušuje (poveća se gustina) to je triger za mnoge jedinke da preusmere svoje razviće tako da dobiju velike usne aparate i da počnu da se hrane karnivorno i da jedu i druge punoglavce. Nemoria arizonaria (leptir koji živi na hrstu): ima 2 forme: - prolećna forma gusenice se razvija iz jaja koja su prezimila. Signal (niske temeprature, fotoperiod) indukuje razviće jedinke (gusenice) koja izgleda kao resa hrasta, a tim resama se i hrani. (kada iz ovih gusenica metamorfozira leptir i položi jaja, nastaju letnje gusenice) - letnje gusenice će izgledati kao grančice hrasta. (drugačiji hotoperiod i temepratura, drugačija ishrana su signali koji na različite načine usmeravaju razviće istog genotipa).

12

PITANJE 66 - Da li je fenotipska plastičnost uvek adaptivna

Fenotipska plastičnost može biti: - Adaptivna - Neadaptivna (nužna ili neizbežna) fenotipska plastičnost; Maladaptivna(smanjenje adaptivne vrednosti)

Kada kažemo plastičnost=adaptabilnost očekujemo da je genotip sposoban da uvek adaptivno

odgovori svojim fenotipom (da napravi odgovarajući sklop) koji mu povećava adaptivnu vrednost u životnoj sredini u kojoj živi.

Međutim, postoje i odgovori koji nisu adaptivni i to su neizbežni (maladaptivni) odgovori. Npr:

- Stavimo biljku u mrak ona će svakako frnotipski da odgovori tako što će biti etiolirana, sa malp listića, bleda, izdužena. To je neizbežan odgovor (nije adaptivni). Njen aktivni odgovor bi bio da poveća koncentraciju hlorofila, i da tako uzme što više svetlosti, a ukoliko to nije u mogućnosti njen odgovor je fiziološki neizbežan. - Životinja koja se ne hrani će da smrša i to je njen fiziološki neizbežan odgovor, to nije adaptivno kod životinja (jer će biti sitnija, sa manje rezervi, i imaće manje potomaka). To je često maladaptivno (umanjuje adaptivnu vrednost), što manje jede, manje može da ulaže u reprodukciju, i samim tim pada adaptivna vrednost.

Zašto organizam ne može da odreaguje uvek adaptivno?(zašto ne može uvek da formira adaptivan fenotip)?

- Jedan od razloga je Alokacija resursa. Svaka jedinka raspolaže određenom količinom resursa koju može da uloži ili u sopstvenu biomasu ili u reprodukciju. To je fiziološki Trade-off. Jedinka nema dovoljno i za jedno i za drugo.


13

Količina resursa uložena u jednu funkciju umanjuje proporciju koja može biti alocirana u neku drugu. Ovo uzajamno ograničavanje između različitih funkcija je fiziološki trade-off .

Šta je adaptivno zavisi od uslova životne sredine: - Ukoliko jedinka živi u nestabilnim uslovima, r-strategija, tu je adaptivno da se što brže razvija jedinka, ako se brzo razvija onda je malih dimenzija, i najveću količinu resursa ulaže u što raniju i što veću reprodukciju. Tako se povećava šansa da će bar neko od potomstva da preživi. - Ukoliko jedinka živi u konstantnim, stabilnim uslovima, K-strategija, na kapacitetu sredine, tu je adaptivno ulagati u sebe, da jedinka bude jači i bolji kompetitor, da pravi manje potomaka, ali da su to krupniji potomci koji će takođe biti dobri kompetitori. "Terija životnih istorija" se bavi balansom u šta više uložiti, na koji način životni ciklus jedne vrste i jedne populacije treba da evoluira tako da najbolje odgovara životnoj sredini. Zadatak je da se ima što više potomstva, ali da se dovoljno dugo živi da bi se uopšte i moglo ostaviti potomstvo, znači da mora da se balansira između reprodukcije i ulaganja u sebe. Alokacija resursa u resursa u različite f-je organizma je važna.

Osobina može biti plastična. Organizam može da napravi različitu fenotipsku vrednost neke osobine u zavisnosti od uslova životne sredine. Da li sama osobina i njena plastičnost mogu nezavisno da evoluiraju? Da li promena srednje vrednosti osobine kroz generacije (što je evolucija osobine) može da teče nezavisno od evolucije plastičnosti te osobine? Da bi osobina i njena plastičnost mogli da evoluiraju nezavisno, znači da moraju imati nezavisne i različite genetičke osnove, jer ne može nezavisno da evoluira jedna osobina i njena plastičnost ukoliko imaju zajedničku (istu) genetičku osnovu. 1. Model stanja karaktera (karakteristike): I osobina i njena plastičnost imaju istu genetičku osnovu. Isti geni su uključeni u plastične odogovore i u produkciju same osobine. Plastičnost je posledica različite ekspresije istih gena u različitim životnim sredinama. Ne može osobina evoluirati nezavisno od plastičnosti, niti plastičnost nezavisno od osobine.

14

Regulatorni genom je umrežen na različite načine:

- geni koji leže neposredno u osnovi osobine se nalaze na periferiji genoma i to su strukturni geni. Kada evoluira osobina pod uticajem selekcije to su geni na periferiji, strukturni geni koji neposreno učestvuju u formiranju osobine.

- da bi se geni koji učestvuju u formiranju osobine upalili ili ugasili, to kontrolišu regulatorni geni (unutra u mreži).

2. Model Norme Reakcije, danas više prihvaćen. Po ovom modelu geni u osnovi plastičnosti su geni koji primaju signal (receptori), uključeni u puteve signalne transdukcije (prenošenja informacije), TF-i itd. Genetička osnova plastičnosti je "unutra u mreži" ono što reaguje na signale, a ne geni na periferiji (koji leže neposredno u osnovi same osobine). Iz tog razloga (pošto imaju različite osnove) osobina i njena plastičnost mogu nezavisno da evoluiraju. 2. Model Norme Reakcije, danas više prihvaćen. Genetička osnova osobine i genetička osnova plastičnosti te osobine su različite i zato plastičnost može nezavisno da evoluira od same osobine. Genetička osnova plastičnosti su regulatorni geni i geni uključeni u neki put prenošenja informacije do konačnog formiranja fenotipa.

Mreža regulacije - neki geni su dublje umreženi, neki su na perifereiji. Geni koji su u osnovi neke fenotipske karakteristike su na periferiji i to su tzv. strukturni geni. Geni koji primaju signale i modifikuju razviće odeređenog fenotipa su dublje umreženi i to su: - geni uključeni u primajne i transdukciju signala, - regulatorni geni koji regulišu paljenje i gašenje gena u određenim uslovima životne sredine

To je potvrđeno brojnim eksperimentima koji nisu za evoluciju osobine: - eksperiment za evoluciju osobine je lak, npr. veštačka selecija: biramo za roditelje naredne generacije jedinke koje su najveće i dobija se pomeranje srednje vrednosti osobine na tu stranu kroz generacije. U tom slučaju selekcionišemo adaptivnu varijansu. - kod selekcionisanja plastičnosti, gledamo u okviru istog genotipa ili iste familije koja najbolje reaguje, koja je najosetljivija, koja ima najširu normu reakcije i njih biramo za roditelje naredne generacije. Moguće je dobiti u eksperimentalnim uslovima evoluiju fenotipske plastičnosti, povećanu ili smanjenu fenotipski plastičnost, bez evolucije same osobine. Evolucija same osobine je brža, nego evolucija same plastičnosti koja obuhvata regulatorni genom.

Eksperiment Moljac na duvanu: - vrsta može da napravi zavisno od temperature ili crnu ili zelenu larvu. Na niskim temperaturama larva je crna, bolje skuplja svetlost i kao ektotermnom (poikilotermnom) organizmu to mu je adaptivna reakcija. Na visokim temperaturama je zelen. - njemu srodna vrsta može da pravi samo zelene, osim što se povremeno javljaju mutantne crne forme.


15

Eksperiment: Mutantne crne forme su izlagane visokim temperaturama, i na tim visokim T od istog genotipa su se pojavljivale i crne i zelene forme. Selekcionisani su: 1) oni genotipovi koji na visokim tempraturama daju zelene forme. 2) i sa druge strane, selekcionisani su oni koji nikada ne daju zelenu formu, ma kolika da je bila temeperatura. Tu imamo dva smera evolucije plastičnosti ka redukciji plastičnosti (smanjenoj osetljivosti) i ka povećanoj osetljivosti. Posle 13 generacije, bilo je uočljivo: Evolucija velike fenotipske plastičnosti dovela je do toga da senzitivnost ovih larvi je takva da već na niskim teperaturama daju različite forme. Primeri govore da je drugi model realnost.

To ne znači da osobina ili plastičnost osobine može da evoluira potpuno nezavisno. Genotip koliko god da je plastičan neće moći da produkuje adekvatni fenotip, ako strukturni geni koji su u osnovi te osobine nisu adekvatna kombinacija. Ili, genotip može da ima adekvatne alelske varijante na strukturnim genima, ali ako nije sposoban da percipira signal, neće moći da da adekvatan fenotip. Ne može se reći da su potpuno nezavisne, ali genetičke osnove jesu različite.

16

Značaj plastičnosti za evoluciju

Da li plastičnost može da redukuje ili poveća fenotipsku varijansu osobine? ⌦ Kakva je uloga fenotipske plastičnosti, ako evolucija treba da favorizuje neku vrednost osobine, a ta osobina je plastična. Npr. hoćemo da selekcionišemo visoke jedinke, ali ta osobina u različitim uslovima može da se menja. Pošto životna sredina utiče na fenotipsku varijansu, onda u različitim životnim uslovima možemo imati različitu efikasnost selekcije. I to iz sledećeg razloga: u situaciji kada životna sredina uzrokuje da mnogo genotipova daje isti fenotip - onda nema fenotipske varijanse i nema mogućnosti da selekcija bilo šta odradi jer je fenotip isti. Ta Konvergencija plastičnosti, gde veći broj genotipova daje isti fenotip, skriva genetičku varijabilnost. I neće biti efikasne evolucije osobine, jer se ne ispoljava nikakva genetička varijansa. Plastičnost može redukovati fenotipsku varijansu: → usporava evoluciju ukoliko različiti genotipovi imaju sposobnost da formiraju isti fenotip u određenom staništu (konvergencija plastičnosti) → Ne ispoljava se nikakva genetička varijansa, skriva je plastičnost. ⌦ S druge strane, ako fenotipovi na mikrovariranja sredina, daju potpuno različite fenotipove, biće predimenzionirana fenotipska varijansa od relativno malog broja genotipova. I to je veći potencijal za evolucionu promenu. Fenotipska plastičnost može i da uspori i da ubrza evoluciju fenotipske osobine iz razloga što životna sredina deluje na to koliko se genetičke varijanse uopšte ispoljava u obliku fenotipske varijanse. S druge strane, jedan isti genotip u različitim staništima (uslovima životne sredine) može da napravi različite fenotipove. Fenotipska varijansa raste. Fenotipska varijansa zbog plastičnosti može da bude i veća i manja. Ako postoji puferisanje varijabilnosti kroz konvergenciju plastičnosti, onda u populaciji imamo čuvanje velikog genetičkog potencijala za evoluciju, znači tu može da se akumulira puno genetičke varijabilnosti a da se to ne vidi. To je značajno povećanje evolucionog potencijala. Ako se promeni životna sredina i genotipovi odreaguju plastično, doći će do otkrivanja skrivene genetičke varijabilnosti. Fenotipska plastičnost može da sakrije varijabilnost ili da otkrije skrivenu genetičku varijabilnost.


17

I to je značaj plastičnosti za evoluciju, ona tako može da usmerava tokove evolucije.

Po modernoj sintezi se evolucija dešava tako što populacija, ima neki genofond, genetičku strukturu, promeni se životna sredina, neki genotipovi će biti uspešniji u novoj životnoj sredini i biće selekcionisani. Tu genetička promena kasni za sredinskom promenom. To može da ugrozi opstanak populacije, ako je promena tako velika, potrebno je mnogo generacija da bi se ta populacija uskladila sa novim sredinskim kontekstom. Time lag između sredinskih i evolucionih promena je veliki, i može ugroziti opstanak same populacije. Kad imamo fenotipski plastičnost, imamo genotipove koji mogu da reaguju plastično na promenu životne sredine. Životna sredina već u prvoj generaciji može da indukuje fenotip koji (ako i nije najnbolji) može biti dovoljno dobar da obezbedi opstanak populacije. Plastičnost koja je "trenutna" promena (i u istoj generaciji - promena morfologije, fiziologije ponašanja u skladu sa sredinom), koja nije genetička, nego je fenotipska promena može da predstavlja most između generacija koji će obezbediti opstanak opulacije dok se fino ne modeluje i genetička promena. Ovde fenotipska promena može da prethodi genetičkoj promeni. To je najveći novitet koji evo-devo koncepcija unosi u proces evolucije.

- Po klasičnoj evolucionoj biologiji mora postojati genetička varijabilnost koja će biti selekcionisana na različite načine, za time kasni promena fenotipa. - Ideja fenotipske plastičnosti je drugačija: sredinska indukcija može da dovede do pojave novog fenotipa, da obezbedi opstanak, a za tim opstankom će transgeneracijski kaskati genetička promena.

Na osnovu onoga što već postoji u populaciji (i strukturnih i regulatornih gena) napraviće se fenotip koji najbliži tome da može da opstane u toj populaciji. To nije genetička promena, to je epigenetička promena i fenotipska promena.

18

Fenotipska plastičnost može biti reverzibilna: uplašimo se pa odreagujemo ponašajno - pobegnemo od opasnosti. Kada se sunčamo pocrnimo, to je indukcija sinteze melanina, to je reverzibilna plastičnost jer ćemo nakon toga ponovo da pobelimo. Ireverzibilna plastičnost podrazumeva da će se putevi razvića jedne oplođene jajne ćelije (embriona) zavisno od životne sredine usmereiti na različite načine. I to ne može da se vrati unazad. ⌦ Evolucioni značaj plastičnosti 2 Skripta Dramatično se promene životni uslovi u staništu neke populacije: Po klasičnom populaciono-genetičkom modelu ta populacija može da opstane u izmenjenim uslovima životne sredine samo ako poseduje dovoljnu genetičku varijabilnost (za osobine koje su važne za peživljavanje) i postoje genotipovi koji mogu da naprave adekvatan fenotip. Neki genotipovi imaju potencijal da formiraju adekvatan fenotip i opstaju. Oni koji ne mogu, nestaju iz populacije i menja se genetička struktura populacije tj. učestalost alela. Pri promeni životne sredine, populacija će da opstane tako što će genotipovi koji imaju dovoljno široku normu reakcije uspeti da fenotipski odgovore na tu sredinsku promenu. Populacija će opstati samo ako ima dovoljnu genetičku varijabilnost, odnosno već unapred pripremljene genotipove za ove okolnosti. Da li je to uvek moguće? Genetička promena uvek kasni za sredinskom promenom i to može biti problem za opstanak populacije. Po koncepciji fenotipske plastičnosti dovoljno je da postoje plastični fenotipovi koji će pod uticajem životne sredine moći da adekvatno fenotipski odgovore (i u istoj generaciji - promena morfologije fiziologije ponašanja u skladu sa sredinom), tako premošćujući problem genetičke varijabilnosti i omogućavajući opstanak populacije. Što je populacija plastičnija, ima veću verovatnosću da opstaje u izmenjenim uslovima životne sredine. Fenotipska plastičnost predstavlja most koja omogućava populaciji da opstane u izmenjenim uslovima bez genetičke promene.Fenotipska plastičnost daje mogućnost da za Fenotipskom promenom tek sledi genetička promena i da se data populacija i genetički adaptitra na nove uslove. Fenotipska promena prethodi Genetičkoj promeni. Fenotipska plastičnot može može biti i reverzibilna (more-sunčanje- potamni se, a nakon toga se boja kože posle mese dana vrati, ili životinja koja neposredno uoči opasnosti inicajnlni plastični odgovor ponašanja je da pobegne, ona se neće stalno ponašati tako - to je reverzibilan proces jer će se vratiti na staro stanje).


19

PITANJE 67 - Razvojna norma reakcije vs. fenotipska stabilnost

Fenotipska plastičnost može biti reverzibilna: uplašimo se pa odreagujemo ponašajno - pobegnemo od opasnosti. Kada se sunčamo pocrnimo, to je indukcija sinteze melanina, to je reverzibilna plastičnost jer ćemo nakon toga ponovo da pobelimo. Ireverzibilna plastičnost podrazumeva da će se putevi razvića jedne oplođene jajne ćelije (embriona) zavisno od životne sredine usmereiti na različite načine. I to ne može da se vrati unazad. To je put razvića od oplođene jajne ćelije do adulta, on može bti u različitim mestima modifikovan, ali na svakom od tih stupnjeva razviće se opredelilo za jedan od putića. To je Razvojna norma reakcije i ona je ireverzibilna. Opšte pravilo u razviću organizama: svaki genotip ima više mogućnosti - puteva razvića kojim će krenuti zavisno od vrste stimulusa. Razvojna norma reakcije je skup puteva razvića (pravaca ontogeije), koje može proizvesti jedan genotip kao odgovor na sredinsko variranje. Razvojna norma rekacije se skup multivarijantnih trajektorija ontogenije koje jedan genotip može da produkuje. DNK program razvića je veoma plastičan, i ontogenija predstavlja izbor tih alternativnih puteva kojih može biti manje ili više. A koji će se put odabrati zavisi od signala iz spoljašnje sredine. To nam govori o razvojnoj plastičnosti: kojim putem će razviće krenuti (od početnih deoba) zavisi u određenoj meri od signala iz spoljašnje sredine. Nije moguće da jedan genotip bude neograničeno plsatičan, da mu jedna osobina odreaguje na jedan način, druga na drugi, jer: - nema toliko resursa da može na bilo koji način da odreaguje. - ukoliko svaka osobina (fiziološka, morfološka...) reaguje kako hoće, nastaje problem održavanja homeostaze i integriteta jednog organizma.

20

Zato postoji supratan koncept od plastičnosti - Fenotipska stabilnost koja postavlja granice fenotipskoj varijabilnosti. Postavlja granice mogućnosti variranja osobina u okviru fenotipa, da bi se održala homeostaza organizma i da on može da opstane. Postoji homeostaza u fiziološkom smislu i ontogenetsku homeostazu koja podrazumeva razvojni smisao kombinatorike različitih modula. PITANJE 68 - Kanalisanje razvića

Tačke na dijagramu su različiti stupnjeve duž ontogenetskog puta (od genotipa do konačnog fenotipa); Linije su alternativni putevi u svakoj tački razvića (isprekidane linije su neostvarene putanje, pune linije su ostvarene ontogenije). (a) Kanalisanje kao rezultat: genotipovi su međusobno različiti (po alternativnim programima razvića i konačnom fenotipu), ali svaki od njih prati svoj isti put ontogenije u različitim životnim sredinama; sinonim za homeostazu. (b) Kanalisanje kao proces: svaki genotip raspolaže repertoarom potencijalnih putanja razvića - plastičan je. U određenim životnim uslovima, konkretan fenotip (koji se ostvaruje preko konkretnog puta ontogenije) ima najveću adaptivnu vrednost. Prirodna selekcija deluje na molekularne (genetičke i epigenetičke) mehanizme koji opredeljuju put razvića u adaptivnom smeru, sužava broj mogućih konačnih fenotipova. Posebno važan pojam vezan za odnos stabilnosti i plastičnosti je Kanalisanje razvića (Vodingtonov koncept).

Ako genotip u procesu razvića može da krene velikim brojem puteva. Kanalisanje je usmeravanje razvića na određeni put.


21

Kanalisanje razvića podrazumeva razvojne reakcije koje su prilagođene tako da dovode jednog finalnog rezultata, bez obzira na varijacije u sredini u kojoj se razviće odvija (spoljašnja i unutrašnja sredina), razviće će se odvijati u relativno ustaljenom pravcu. (Vodington) To je pokušaj da se razviće odvoji od uticaja sredine. Što je organizam kompleksniji veća je njegova autonomizacija razvića (Šmaljhauzen). Kod najsitnijih beskičmenjaka jaja su potpuno nezasštićena, kako raste kompleksnost organizma, tako se ta jaja stavljaju u ljusku, greju, čuvaju, do sisara kod kojih embrion raste u utrobi majke. Ta zaštita od uticaja životne sredine tj. autonomizacija sa povećanjem kompleksonsti organizma postaje sve važnija. Oblici kanalisanja: - Kanalisanje razvića kao rezultat nekog procesa, to je isto što i homeostaza.

Jedan genotip u jednoj životnoj sredini daje isti fenotip, potpuno je neosetljiv na životnu sredinu. Genotip 1 i Genotip 2 i u jednoj i u drugoj životnoj sredini daju isti fenotip (grančice su putevi razvića). On je vrlo kanalisan, uopšte ne reaguje na varijcije u životnoj sredini. Imamo dva genotipa u jednoj sredini. Linije predstavljaju putanju razvića. Na različitim stadijumima razvića svaki genotip može zavisno od životne sredine da skrene u neku drugu putanju. Puna linija je ostvarena putanja razvića u formiranju fenotipa. Kanalisanje razvića genotipa 1 i genotipa 2, znači da oni i u drugačijoj sredini formiraju svoj nepromenjeni fenotip. Genotip u jednoj sredini kanališe razviće u jednom smeru ka jednom fenotipu. Kada se promeni sredina kanalisanje podrauzmeva da će taj genotip takođe bez obzira na uslove sredine da formira isti fenotip. - Kanalisanje kao proces - podrazumeva transgeneracijski postepeno sužavanje norme reakcije, tako da iz generacije u generaciju postoji sve manji opseg različitih puteva razvića kojim jedan genotip može da krene.

Slika: ovaj genotip ima mnogo različitih puteva kojim može da krene u prvoj generaciji. Recimo da životna sredina deluje tako da indukuje pojavu ovog fenotipa (treći). Ta životna sredina traje dugo na isti način transgeneracijski.

22

Ako taj fenotip koga pravi taj genotip ima najveću adaptivnu vrednost, prirodna selekcija će kroz generacije sve više da favorizuje upravo takve fiziološke, epigenetičke i razvojne procese koji vode tom fenotipu. A konačno i genetičke varijante koje utemeljuju takav fenotip. Kanalisanje je proces gde od široke norme reakcije, transgeneracijski, pod delovanjem selekcije imamo favorizovanje onih genotipova koji sve više imaju razviće koje ih vodi samo jednom (ili ograničenom broju) fenotipova - dolazi do sužavanja norme reakcije. Kanalisanje kao proces podrazumeva selekciju određenih puteva razvića, transgeneracijski.

- Jedan genotip ima više različitih potencijalnih puteva ontogenije (plastičan je). - Taj genotip u jednoj generaciji ostvari fenotip, koji je adaptivan u tim uslovima sredine. - Selekcija će favorizovati te genotipove koji imaju taj put razvića. To znači, da će vrememon selekcija favorizovati one molekularne (genetičke i epigenetičke) elemetne koji opredeljuju put razvića u adaptivnom smeru. - Ta kanališuća selekcija će sužavati izbor ontogenija. Kroz generacije od širokog opsega različitih puteva ontogenije ukoliko postoji jedan put koji vodi adaptivnom odgovoru organizma, taj put će vremenom biti stabilizovan - kanalisan, a alternatini putevi će biti elimisani. - Norma reakcije će se sužavati; nema više toliko alternativnih puteva ontogenije, kanališuća selekcija sužava puteve ontogenije.

Da li kanalisanje i plastičnost imaju različite genetičke osnove? Plastičnost je osetljivost, a kaalisanje je suprotno od toga. Plastičnost je makrosredinska osetljivost - receptori primaju signale, transdukcijom se menja repertoar gena koji su uključeni, a koji nisu. U različitim životnim sredinama nastaju različiti fenotipovi. Kanalisanje teži da izoluje razviće od sredinskih uslova. Kanalisanje je mikrosredinska osetljivost, izolacija od reakcije na životnu sredinu. Gentičke osnove plastičnosti i kanalisanja su različite.


23

- Svi molekulski elementi koji dovode do toga da genotip različito reaguje, spadaju u genetičke molekulske element plastičnosti. - Kanalisanje ima zadatak da se proces razvića što više izoluje od životne sredine. Genotip bilo da se našao u jednoj, drugoj ili trećoj sredini on uključuje elemente kanalisanja.

Hsp (hitšok) proteini vode kanalisanju, miRNK može biti uključena i u jedno i u drugo. PITANJE 69 - Evolucione Posledice kanalisanja razvića Posledice kanalisanja

Zbog kanalisanja jedan isti genotip u različitim sredinama može da da iste fenotipove, jer je vrlo kanalisan. Može da se desi da u jednoj sredini više genotipova bude kanalisano ka istom fenotipu - to je Konvergencija plastičnosti. Kanalisanje podrazumeva da se puferišu dve različite varijabilnosti genetička i sredinska. I zato razlikujemo sredinsko i genetičko kanalisanje. - Sredinsko kanalisanje je izolacija od uticaja životne sredine, to je antipod plastičnosti. - Genetičko kanalisanje podrazumeva da će različiti genotipovi davati isti fenotip, tj. da konačan fenotipski ishod ne zavisi od toga koliko različitih genetičkih varijanti leži u osnovi toga. Elementi kanalisanja:

Hitšok proteini (šaperoni) - uloga im je da očuvaju 3D konformaciju proteina koja može biti izmenjena uticajem spoljašnje sredine (Temperatura može izvati promenu konformacije proteina, šaperon treba da održi protein u 3D konformaciji koja mu omogućava da obavlja f-ju koju treba da obavlja). - Proteini koji su donekle genetički razlčiti, jer postoje različite alelske varijante gena(polimorfizam gena koji daje te proteine) rade istu stvar bez obzira što su genetički različiti. Šaperoni to omogućavaju, bez obzira što se proteini po nekom elementu razlikuju oni će da zauzmu istu konformaciju i da vrše istu f-ju.

24

Dakle, šaperoni puferišu i sredinske i geneteičke uticaje tj. puferišu i sredinsku i genetičku varijabilnost. Oni su najbolji primer kako funkcioniše kanalisanje.

I drugi elementi mogu da dovedu do puferisanja varijabilnosti. Svi nivoi i načini ekspresije gena su jako redundantni (Transkripciona regulacija: cis-trans interakcije, modifikacija histona, metilacija DNK/ Obrada primarnog transkripta/ U transkriptomu: da li će ili neće ući u translaciju / miRNK) služe kanalisanju. Ma koliko postojale varijabilnosti (mi smo međusobno vrlo različiti) a fenotipovi nam imaju mnogo toga zajedničkog, redundantnost omogućava kanalisanje. Ako negde postoji neka greška, velika je verovatnoća da će to biti puferisano na drugom nivou regulacije. Redundantnost epigenetičke regulacije je način da se obezbedi program razvića bez obzira na genetičku raznovrsnost - da se obezbedi kanalisanje razvića. Samim tim što svi ti nivoi puferišu genetičku varijabilnost, oni je čuvaju - sklanjaju je od efekata na fenotip, a samim tim sklanjaju je od selekcije. To je odgovor zašto imamo toliko nekodirajućeg genoma - ne bismo mogli da budemo toliko kompleksni da nemamo sve te nivoe na kojima mogu da se ispravljaju sve moguće greške, a to je zahvaljujući svim tim regulatornim elementima u našem genomu. Što je organizam kompleksniji on ima više nivoa regulacije, i to obezbeđuje kanalisanost razvića u velikoj meri.

Redundancija je postojanje više načina i više nivoa regulacije na kojima se fenotip može kanalisati u određenom pravcu. Ista stvar se može regulisati na više načina i nivoa, počevši od regulacije transkripcije, posttranskripciono, na nivou translacije, posttranslaciono. Redundantnost je važna za kanalisanje - za održavanje stabilnosti fenotipa, jer ako se ne reguliše na prvom nivou može se regulisati na drugom ili trećem, tako da će se opet dobiti isti fenotip.

Hormoni Muški i ženski polni hormoni. Bez obzira što se dva muškarca genetički vrlo razlikuju, po pitanju primarnih i sekundarnih polnih karakteristika ishod je sličan. Oni su genetički vrlo različiti, ali hormonske reakcije postavljaju granice genetičkoj varijabilnosti koja se kod njih može ispoljiti - njihovo razviće će biti kanalisano da se naprave primarne i sekundarne polne karakteristike.

Hormoni regulišu ekpresiju različitih gena tj. kanališu aktivnost niza drugih gena. Jedinke u populaciji mogu međusobno da se razlikuju po mnogo gena koji su regulisani hormonima, ali u slučaju polnih hormona iako postoje genetički različite jedinke u populaciji, njihovo razviće će biti kanalisano da se kod jedinki naprave dva različita pola. Jedinke imaju muške ili ženske odlike, koje jasno razlikujemo. Muškarci su međusobno su jako genetički različiti, kao i žene, ali ipak razlikujemo dva pola.

miRNK je važan faktor u kanalisanju razvića, reguliše kvantitativnu ekspresiju različitih gena.


25

- Kanalisanje skriva genetičku varijabilnost (akumulira skrivenu genetičku varijabilnost) - Promena životne sredina koja može biti velika (stres) može da naruši homeostazu - i može se otkriti varijabilnost koja se pre tpga nije videla u fenotipu. Nije se tu pojavila nova genetička varijanta, već je došlo do promene regulacije tj. nemogućnosti da se puferiše celokupna varijabilnost koja je prisutna. Ili mutira neki regulatorni element. - Doći će do ispoljavanja (velike) varijabilnosti koja se do tada nije videla. Nastaće novi fenotipovi (povećava se norma reakcije). Puferisanjem genetičke varijabilnosti (hit-šok proteini) organizam može da nakuplja mutacije a da se one fenotipski ne vide. One su neutralne, fenotipski se ne ispoljavaju. Kanalisanje razvića dozvoljava da postoji akumulacija neutralnih mutacija, tj. vrši akumulaciju skrivene genetičke varijabilnosti. Ako se desi neki sredinski stres koji ne može biti anuliran mehanizmima kanalisanja, može se otkriti genetička varijabilnost - aktiviraju se geni koji su pre toga bili pokriveni. (znači menja se regulacija, tj. nemogućnost da se puferiše prisutna varijabilnost. Ako se ta skrivena varijabilnost nekako ispolji nastaće novi fenotipovi, nove varijante koje mogu na drugačije načine usmeriti procese evolucije fenotipa.

26

Posledica kanalisanja u ekološkom smislu je sužavanje norme reakcije (ekološka specijalizacija). Ako kanalisanje ide do te mere da se razviće u jednoj populaciji skoro potpuno izoluje od životne sredine. Taj organizam ili ta populacija može da živi samo u ograničenom sklopu životnih uslova, jer čim pređe u neke druge životne uslove ne može da prima signale, ne može da modifikuje svoje razviće i ne može da preživi. To je ekološka specijalizacija. Nisu svi organizmi toliko plastični da mogu živeti bilo gde jer je plastičnost jako skupa za genotip. To bi bio Darvinov demon koji zauzima sve ekološke niše, koji može da prilagodi bilo kakvim uslovima, da živi skoro beskonačno, da ima neograničen broj potomaka, ne može da postoji zbog alokacije resursa, ne može da se ulaže neograničeno u sve.

Darvinovog demon: jako plastičan da odgovara adekvatno na svaku životnu sredinu, idealno preživljava i reprodukuje se, mogao bi živeti bilo gde.

Biti plastičan je jako skupo. Cena plastočnosti: Da bi organizam bio plastičan mora da ima mnogo elemenata za primanje (receptori) i prenošenje (transdukciju) signala, da bi mogao da odreaguje na njih. Taj organizam bi potrošio mnogo energije i vremena u procesu razvića. Ako genotip koji je vrlo malo plastičan i genotip koji je veoma plastičan daju isti fenotip, u prednosti je onaj koji je malo plastičan, jer mu ne trebaju svi ti elementi, nije potrošio mnogo energije na primanje signala i modifikaciju puteva razvića da bi dao fenotip koji je isti kao i kod plastičnog genotipa. Plastičan genotip mora da primi sve signale, da ih obradi, sprovede, da upali ili ugasi određene gene i tu se troši vreme i energija. - U populaciji koja naseljava stabilnu sredinu, plastičnost je jako skupa i neće biti favorizovana, biće favorizovani manje plstični fenotipovi.

Jedan plastičan genotip u određenoj životnoj sredini daje isti fenotip kao i da nije plastičan. Ako taj plastičan genotip troši materiju, energiju, vreme, umesto da je to uložio u nešto drugo, a ne u formiranje fenotipa, znači da mu to obara adaptivnu vrednost. Dok će specijalista za tu životnu sredinu lako bez zaobilaznih puteva formirati taj isti fenotip. U situaciji kada je cena visoka plastičnost će biti elimisana.

U jako varijabilnim životnim uslovima veća je dobit biti plastičan (nego cena), jer ako u tim varijabilnim uslovima organizam ne može da odgovori, biće eliminisan. U populacijama koje žive u varijabilnim uslovima fenotipska plastičnost biće favorizovama, bez obzira na cenu. (generalista)

U stabilnoj životnoj sredini, skupo je biti plastičan i taj organizam će biti eliminisan od strane onog koji nije plastičan jer je ovaj plastičan potrošio više vremena i energije.

Plastični specijalista - organizam koji može da živi u više sredina, ali samo u jednoj dobro. Kada ga preselimo u drugu životnu sredinu reaguje plastično, ali njegova plastičnost je neizbežna maladaptivna, osobine koje razvije u toj drugoj sredini obaraju mu adaptivnu vrednost. On jeste plastičan i njegove osobine odgovaraju plastično, ali on je uspešan samo u jednoj sredini. Neplastični generalista - može da živi u mnogo različitih sredina, ali skoro da uopšte ne reaguju plastično na životnu sredinu. Oni su u svakoj sredini skoro isti, nigde nisu najbolji, ali svuda uspevaju da prežive. Naziv te strategije je: šegrt svih zanata - nije majstor ni jednog - može svuda da preživi, ali nigde nije mnogo dobar.


27

Nije plastičan - ne reaguje uopšte na spoljašnju sredinu, ali nekako preživljava.

Neplastični generalista - produkuje isti fenotip u mnogo životnih sredina, ali ni u jednoj nije potpuno dobar. Naziv te strategije je: šegrt svih zanata - nije majstor ni jednog - može svuda, ali nigde nije mnogo dobar. On nije plastičan, ne može da reaguje na mnogo životnih stimulusa iz spoljašnje sredine, stalno formira isti fenotip, nigde nije preterano dobar, ni za šta se nije specijalizovao, ali dovoljno dobar da može da opstane.

28

PITANJE 72. Nasleđivanje obrazaca razvića i genetička akomodacija Nasleđivanje obrazaca razvića: Nasleđivanje indukovanoih osobina i genetička akomodacija

Fenokopije Postoje osobine za koje znamo da mogu biti gentički determinisane, ali kod nekih organizama sredinska indukcija može da da upravo takve osobine. Fenokopije su sredinski indukovani fenotipovi koji imitiraju fenotipove uzrokovane mutacijama gena.

Sredina može da indukuje pojavu nekog fenotipa za koga se zna da je genetički determinisan kod nekih jedinki. Neka fenotipska osobina ima svoju genetičku osnovu, a kod drugih jedinki ta fenotipska osobina se može dobiti sredinskom indukcijom (bez ove genetičke osnove) - to je fenokopija.

Fenokopije su prvo otkrivene kod leptirova: Podvrste jedne vrste žive na severu i jugu Evrope, obojenost krila je različita zavisno od geografskog položaja. U tim podvrstama postoji genetička determinisanost tih osobina (boje), ali ako se severna vrsta gaji na visokoj temperaturi, ona će po svojoj boji da liči na južnu vrstu - to je fenokopija. Kod nekih vrsta životna sredina indukuje pojavu određenog fenotipa, a kod njiha srodnih vrsta to je genetički determinisano.

Primer repatih vodozemaca za heterohronijom (pojavom spoljašnjih škrga). - Postoje vrste repatih vodozemaca kod kojih je ta osobina sredinski indukovana neke jedinke usled sredinske indukcije će imati, a druge neće imati sredinske škrge. - A postoje vrste repatih vodozemaca koje uvek imaju spoljašnje škrge. Kod prvih vrsta je sredinska indukcija tog fenotipa, a kod drugih vrsta to je determnisani program razvića.


29

Zbog čega kod nekih vrsta neki fenotip nastaje kao rezultat sredinske indukcije, a kod drugih srodnih vrsta je taj fenotip genetički determinisan. Da li sredinska indukcija ima veze sa genetičkom determinisanošću iste osobine. Da li fenokopija može biti prepisana u genotip. Genetička akomodacija: - Ako je populacija izložena istom sredinskom stimulusu duže vreme (priča o kanalisanju), i taj sredinski stimulus indukuje pojavu određenog fenotipa. - Ako selekcija favorizuje taj fenotip, može se doći do toga da u jednom trenutku više nije potrebna sredinska stimulacija da bi se taj fenotip pojavio - to je genetička akomodacija. Fenotip koji je bio sredinski indukovan postaje genetički određen (gentički akomodiran - preuzet od strane genotipa).

Genetička akomodacija je fenomen da neki fenotip postaje genetički uslovljen, a pre je bio sredinski indukovan. Genetika (nasledni sistem) preuzima nešto što je bilo sredinski indukovano. Kada se dešava Genetička akomodacija? Priča o kanalisanju: Populacija je izložena istom sredinskom stimulusu duže vreme (veći broja generacija) indukcija fenotipa koji je favorizovan prirodnom selekcijom (imamo kanalisanje razvića). To može da dovede do toga da taj sredinski indukovan fenotip (tj. ontogenetski put) postane genetički upisan i stabilizovan, tako da više ne mora da postoji sredinski stimulus da bi se pojavio taj fenotip. skripta

Kako dolazi do genetičke akomodacije, kako nešto što je sredinski indukovano, može nakon određenog vremena evolucije (određenog broja generacija) da postane genetički upisano u program razvića.

Kako dolazi do Genetičke akomodacije:

U populaciji imamo jedinke koje imaju različite norme reakcije - tj. imamo genetičku varijabilnost fenotipske plastičnosti. Neke jedinke imaju veoma široku normu (razviće vrlo osetljivo na sredinske stimuluse, labavo razviće) Neki drugi genotipovi su dosta kanalisani i manje su osetljivi na sredinu.

30

Slika (ovo dole su norme reakcije): Neke jedinke imaju široke, neke nešto uže norme reakcije itd.

Promeni se životna sredina (stres) Preživeće samo one jedinke koje imaju dovoljno plastično razviće, dovoljno široku normu reakcije mogu da naprave adekvatan fenotip. Preživeće i preći u narednu generaciju tj. reprodukovaće jesu genotipovi sa širokom normom reakcije. Prvi korak nije selekcija fenotipa, već selekcija norme reakcije.

U narednu generaciju prelaze samo oni fenotipovi koji imaju dovoljno široku normu reakcije i mogu da produkuju fenotip koji je u novim uslovima adekvatan.

Nije ovde selekcionisana osobina, preko te osobine je zapravo selekcionisana norma reakcije - preživeli su samo oni koji su mogli da naprave taj fenotip, koji je do tada bio neuobičajen fenotip u toj populaciji, nije bio indukovan. Ni jedan od fenotipa nije birao taj put razvića jer nije bilo takve sredinske indukcije.

Odatle slede dve različite mogućnosti:

⌦Boldvinov efekat je tip genetičke akomodacije: - Organska selekcija je sredinska indukcija i opstanak genotipova sa dovoljno širokom normom reakcije. (Selektovane su široke norme reakcije ) dalje sledi - Faza ortoplazije - ova nastala fenotipska varijabilnost je materijal za delovanje prirodne selekcije. Na nastalu fenotipsku varijabilnost (ispljenu genetičku varijabilnost) deluje prirodna selekcija.

(PS sad deluje na fenotipove koji su nastali tj. na genetičku osnovu koja leži iza tih fenotipova, a ne više na normu reakcije.)

Opstali su genotipovi sa dovoljno širokom normom reakcije, pojava novih fenotipova, na novu fenotipsku varijabilnost deluje PS.


31

- Dalje kroz vreme, svaka mutacija utvrđuje taj put razvića koji daje adekvatan fenotip za tu životnu sredinu, biće selektivno favorizovana. Svaka mutacija (gentička promena) koja povećava verovatnoću da se pojavi taj adekvatni fenotip biće favorizovana selekcijom.

Prvo: selekcija norme reakcije, Drugo: genetička promena, mutacija koja utvrđuje put razvića koji daje adekvatan fenotip.

⌦ Šmaljhauzen: nisu potrebne nove mutacije, ako sredniski uslovi (stres) otkrivaju skrivenu genetičku varijabilnost na osnovu koje će se razviti fenotip, i na to će delovati selekcija (favorizovati). Novi sredinski uticaji oktrivaju prethodno neispoljeni deo norme reakcije i to je materijal za delovanje PS. Boldvinov efekat ne podrazumeva da se mora sužavati norma reakcije. Norma reakcije može ostati isto toliko široka, ali je važno da se "utvrdi" upravo takva norma reakcije. Važno je da u heterogenoj životnoj sredini jedinke i dalje održe široku normu reakcije, jer je moguće da se dese nove promene životne sredine. U heterogenoj životnoj sredini će utvrđivanje široke norme reakcije biti favorizovano. --- Sledeći model (Vodingtonov) podrazumeva da dolazi do kanalisanja razvića ka tom adekvatnom fenotipu i to je genetička asimilacija.

32

PITANJE 73. Genetička asimilacija Genetička asimilacija je drugi model koji podrazumeva da će se norma reakcije sužavati, podrazumeva kanalisanje razvića ka tom adekvatnom fenotipu.

Genetička similacija (Vodington): nakon selekcije normi reakcije, delovaće kanališuća selekcija koja će da utvrdi put razvića tačno ka određenom fenotipu, da postpeno smanji uticaj životne sredine na taj fenotip (na razviće tog fenotipa). Genetička asimilacija podrazumeva da će se norma reakcije sužavati od široke ka tačno određenom (adekvatnom) fenotipu. (ona podiže nabore u pejsažu, vidi dalje) Vodingtonova ilustracija genetičke asimilacije je Epigenetski pejsaž: - Razviće možemo shvatiti kao jedno polje koje ima brda i doline. Loptica je razviće. - Kako loptica ide od početka razvića, pa kroz polje razvića, ona može da skreće povremeno na različite puteve između brda. - Može da se desi ukoliko je nabor između dve doline mali da neki sredinski uticaj prebaci lopticu na drugu putanju. Ako je nabor visok ne može da je prebaci na drugu putanju. Razviće možemo shvatiti kao putovanje loptice po različitim dolinama, a da li će loptica skrenuti ili ne, zavisi od količine efekata spoljašnje sredine i visine nabore. Neke tačke u razviću mogu imati vrlo niske nabore, i razviće lako skreće na ovu ili onu stranu, druge tačke u razviću imaju vrlo visoke nabore i tu će teško neki efekat sredine da prebaci razviće na drugu stranu. Ukoliko je životna sredina indukovala neki fenotip (tj. neki od puteva razvića kroz doline), a selekcija upravo favorizuje tu dolinu (taj put), Vodington očekuje da će kanalisanjem razvića nabori koji ograđuju taj put razvića da rastu. Nabore prave Regulatorni geni (na svakom nivou regulacije). Svaki mehanizam koji utvrđuje upravo taj put razvića biće selektivno favorizovan, tako da će se vremenom (kroz generacije) dobijati razviće koje ide u tom smeru.


33

Nasleđivanje epigenetičkih informacija je meko nasleđivanje, jer one mogu da se gube tj. obrazac ekspresije gena može da se nasleđuje u naredne generacije ali on može da se gubi. Sve dok nije unet u sekvencu (tvrdo nasleđivanje) možemo da pretpostavimo da se može i izgubiti. Može se izgubiti i u tvrdom, ali to je mutacija.

⌦ Primeri (eksperimenti) (da vidimo šta de tu desilo na molekulskom nivou)

Ovde uzimamo u obzir priču da epigenetika može da se nasleđuje. Ne nasleđuje se samo sekvenca već i obrazac ekspresije. U tom smislu, ako selekcionišemo neki put razvića, mi selekcionišemo i te gene, i tu epigenetiku.

Najpoznatiji je eksperiment sa Drozofilom (na slici su adulti, ali trebaju biti crvići-larvice na povišenoj temeperaturi) - Kada larve drozofile izlaže visokoj temperaturi, u jednom određenom stupnju razvića (larva neposredno pred ulutkavanje - to je faza razvića u kojoj je larva osetljiva), dobija fenotip krosvenules (to su krila bez poprečne vene). Taj fenotip koji nastaje i zbog idređene mutacije. Znači ovo je fenokopija - sredinski indukovan fenotip, koji nastaje i zbog mutacije. - U larvenom stupnju ih je izlagao povišenoj temperaturi. Neke larve nakon metamorfoze u adulta imale su krosvenules fenokopiju, a neke nisu. - Za roditelje sledeće generacije je uzimao samo one jedinke sa fenokopijom. Jedan deo njihovih larvi je opet izlagao temperaturi - eksperimentalna grupa. A drugi deo larvi je bio kontrolna grupa i nije je izlagao temperaturi.

34

Dakle, od roditelja koje su imale crosvenules fenokopiju dobio je larve, jednu grupu njih je ponovo izlagao temperaturi, a drugu nije i to je bila kontrolna grupa. - Opet je za roditelje naredne generacije od ovih novih, uzimao jedinke sa fenokopijom, deo tretirao, deo je bio kontrolna grupa. I tako je ponavljao kroz generacije. Dakle: On je prvo selekecionisao one jedinke koje imaju nizak prag osetljivosti i njih je korsitio za roditelje naredne generacije. Njihovo razviće je vrlo osteljivo na temperaturu. Imale su labavo razviće - široku normu reakcije. Nabor im je nizak na tom mestu. On je to radio tokom "x" generacija.

Vrlo brzo, nakon nekoliko generacije 90% jedinki je imalo krosveinles, bilo je jako osteljivo na temperaturni stres. Najzanimljivije se desilo u 14. generaciji: on je dobio u kontrolnoj grupi, tamo gde jedinke nisu bile izlagane visokoj temperaturi, krosveinles fenokopiju. Znači, bez sredinskog stimulusa razvio se fenotip koji je pre toga bio isključivo izazivan sredinskim stimulusom. Proveravao je da li se desila mutacija, kontrolisanim ukrštanjem sa jedinkama za koje zna da imaju mutaciju, i video je da nije u pitanju mutacija. Znači: on je selekcionisao upravo taj put razvića. Taj put se utemeljio u razviću, i više uopšte nije bio potreban sredinski stimulus. U 16. generaciji 2% jedinki u kontroli je imalo fenokopiju. Kada je ukrštao te dve fenokopije u kontroli daobio je 18 jedinki sa fenokopijom. To je fenomen genetičke asimilacije - proces u kome fenotipska karakteristika inicijalno indukovana sredinskim uticajem postaje kroz delovanje selekcije preuzeta od strane genotipa i može se nadalje formirati bez sredinskog stimulusa. Znači: prvo je selekcionisao vrlo osetljive genotipove, dalje je selekcionisao one puteve razvića koji daju taj fenotip, i ti putevi su se utvrdili. Šta se tu desilo? Kasniji eksperimenti (molekularne analize) koji su rekreirali Vodingtonov eksperiment, pokazali su:


35

1) Hit-šok proteini (šaperoni) deluju kao puferi temperaturnog šoka (ne samo samo temperaturnog, ali prvo su tu otkriveni). Hsp90 je posebno važan za razviće. Oni se nalaze u ćeliji, ukoliko se desi stres, puno proteina će zahtevati da ih šaperoni poprave. Ako je stres preveliki a šaperona manje nego što je potrebno, mnogi proteini neće biti popravljeni. Hitšok proteini šaperoni sada ne mogu da pokriju tu varijabilnost - bilo ona sredinska ili genetička. Oni više ne mogu da drže sve pod kontrolom ne mogu daprikriju tu varijabilnost. Eksperimenti: Drozofila i biljka Arabidopsis - Hsp90 je hemijski inhibiran (ili je mutiran). Tu sada nema šaperona koji treba da prikriva varijabilnost. Posledica je veliko povećanje fenotipske varijabilnosti - izlazi na videlo sve što je šaperon do tada skrivao. Varijabilnost koja se do tada nije videla sada se ispoljava jer nema šta da je puferiše. Mnoge od tih jedinki nisu mogle da opstanu jer je bilo mnogo defektnih proteina, ali ona "normalna" varijabilnost (koja nije letalna) sada se pojavila. Veštačkom selekcijom su održavani ti različiti novi fenotipovi. Kada je ponovo aktiviran Hsp90 u tim linijama, nisu se fenotipovi vratili na staro. Već taj šaperon održava takav fenotip koji je nastao selekcijom nove varijabilnosti. On funkcioniše u novom kontekstu, čuva taj novi kontekst, ne vraća priču unazad. Redukcija efekta šaperona (Hsp90) koji je izazvao temperaturni šok kod Drozofile, je pokrenula različite epigenetičke modifikacije - prvenstveno modifikacije histona a te modfikacije se nasleđuju. Kompromitovana f-ja Hsp90 je indukovala: - različite epigenetičke regulacije (metilacije, remodelovanje hromatina) - supresiju (smanjenje f-je) Policomb gena (to su geni koji održavaju određene utišanim) (sada se aktoviraju geni koji su držani utišanim) Dobija se nova epigenetička reguacija - epigenetička asimilacija.

36

Drugi Vodingtonov ekperimet - Izlagao je larve Drozofile isparenjima etra. Pojavljuje se fenokopija bitoraks - gde na mezotoraksu umesto hantera postoji novi par krila. Drozofila ima jedan par krila, a bitoraks ima 2 para. Bitoraks je poznata mutacija, ali ovde je to uzrokovano isprenjima etri. - Ponovio je istu proceduru kao u prvom peksperimentu i u 29. generaciji u kontrolnoj grupi koju nije izlagao isparenima dobio je bitoraks fenotipove. U molekulskom smislu se desilo: Ultrabitorax regulatorni gen (Ubx) koji spada u Hox gene, kod drozofile može biti polimorfan, tako da su neke od varijanti tog gena osetljive na etar, a druge nisu. On je u početku selekcionisao takve varijante Ubx gena koje su osetljive. Isparenja etra dovode do poremećaja u razviću da u mezotoraksu nastaju krila. miRNK koja je takođe u Hox jatu reguliše količinu Ubx proteina. Tako da i njena modifikacija može da dovede do iste fenokopije. Ako je prisutna osteljiva Ubx vatijanta gena - nabor je nizak i razviće može krenuti na drugu stranu.

Prednosti razvojnih modela evolucije tj. asimilacije. Prednost u odnosu na klasične modele je:


37

- U klasičnom modelu moramo da očekujemo mutaciju koja će onda biti selekcionisana. Da se desi korina mutacija je malo verovatno. Ako se i desi ona je vrlo male učestalosti. Da bi se povećala u populaciji potrebni su ogromni koeficijenti selekcije da bi se favorizovalo nešto što je jako retko. - Razvojni model evolucije gde postoji indukcija određenog fenotipa, ovu stvar premošćuje. Ne treba nam nova mutacije, tu baratamo sa genotipovima koji već postoje, sa varijabilnosšću koja je potencijalno skrivena (koja tu već postoji). - Takođe prednost: sredinskoj indukciji ne podležu samo pojedinačni genotipovi nego i masovno jedinke u populaciji. Neke od njih će razviti adekvatan fenotip. Na ovaj način. fenotipskom indukcijom se rešava problem širenja retkih mutacija. Jer ovde u startu može da postoji veliki broj jedinki koje su odgovorile fenotipski na isti način. Ne mora da se čeka neka mutacija, koja će se ko zna kada desiti. Nojevi: Svi kičmenjaci parava kaluse na koži usled trenja (sredinska stimulacija kože). Kalus je sredinski indukovana promena na koži (ako sviramo gitaru na koži se pojave kalusi). Nojevi se rađaju sa kalusima na trtici. Kod svih kičmenjaka ta pojava može sredinski da se izazove, ali nojevi se rode takvi. Nojevi sede na jajima dugo, dok se ne izležu mali nojevi. Ako je došlo do promene životne sredine (manje padavina), suva zemlja koja povrđuje zadnjicu nojeva. Svaki noj koji nije imao sposobnost da napravi kaluse ili ih nije unapred napravio imaće nižu adaptivnu vrednost (zbog povreda, infekcija, i veće smrtnosti zbog toga). Tu je sredinski stimulus postao genetički indukovan (genetički preuzet) - primer gentičke akomodacije.

Primer razvojnog modela evolucije su nojevi (Evolucija žuljeva na trtici kod nojeva): Kože kičmenjaka ima sposobnost zadebljanja kože (kalusi) usled trenja. To je plastični odgovor na sredinsku indukciju. Kod većine vrsta je pojava kalusa sredinski indukovana, a nojevi se rađaju sa kalusnim zadebljanjima na trtici, nije potrebna sredinska indukcija da bi se pojavila ta zadebljanja. Razlog je promena životne sredine (klime). Preci nojeva živeli u travnatoj životnoj sredini. Promenila se klima (manje padavina), sredina je postala savanaska i suva. Dugo ležanje na jajima na tvrdom tlu kod većine jedinku izazivalo povrede kože i infekcije i manju verovatnoću preživljavanja nojeva koji leži na jajima. Plastični odgovor je bio stvaranje kalusnih zadebljanja na koži trtice. Vremenom po modelu genetičke asimilacije ta osobina je postala genetički stabilizovana i asimilovana; prvo epigenetički, a kasnije i genetički ustanovljeno.

38

Nije samo slučaj promene jedne fenotipske osobine nešto što je važno za fenotipsku evoluciju. Može da postoji slučaj da se promeni samo jedan deo organizma tokom razvića, što izaziva korelativnu promenu čitavog anatomskog paketa. Mala promena koja može biti sredinski indukovana (ili genetički indukovana ali je mala) u nekoj fazi razvića povlačiše za sobom promenu čitavog sklopa tela. Primer 1942 - hendikpeirana koza sa paralizom prednjih ekstremiteta i iz tog razloga ona je morala da živi na dve noge. To je sada njena sredina, nije hodala na 4 već na 2 noge, celi život. Kada je uginula, urađena je obdukcija te koze: - ta koza je imala veliku promenu čitave svoje anatomije. - njeni zadnji ekstremiteti su bili izduženi, položaj karlice, kičme je bio drugačiji, pojavile su se nove tetive koje normalne koze nemaju. Mišići su se drugačije organizaovali. Nova životna sredina je indukovala promenu čitavog anatomskog paketa. Paraliza prednjih nogu je potpuno izmenila životnu sredinu za tu kozu. Ovde se nije desila nikakva genetička promena, a desila se velika promena u fneotipu. Zamislimo da imamo populaciju koza koja nema nikakvu genetičku promenu i svima njima vežemo noge. I tako transgeneracijski. Da li ćemo nakon 100 generacija kada im više ne vezujemo noge dobiti koze koje hodaju na dve noge. Ovo je samo ekperiment za razmišljanje.

Npr. populacija koza gde svima vežemo prednje noge, genetički se one ne menjaju, ali se fenotipski menjaju, jer sve počnu da hodaju na zadnje dve noge. Desi se genetička promena u jednom modulu razvića, drugi se takođe menjaju - po modelu fenotipske akomodacije: složene promene (karakteristika) ne zahtevaju da se desi promena u svakom modulu, već je dovoljno u jednom i sa njim će se korelativno u procesu razvića menjati i drugi elementi tog tela.


39

Primer fenotipske akomodacije Korišćena je riba zrakoperka (dvodihalice, mišić zalazi u peraje - sarcopterigia, tu se nalazi predak svih tetrapoda tj. četvoronožnih životinja). Ova dvodihalica može da živi i u vodi i na kopnu. Jedan grupa je stavljena na kopno, a druga grupa no kopno i posmatrano je njihovo kretanje. Osim što imaju funkcionalna pluća koriste prednje ekstremitete za hod po tlu (ta priča potiče još iz devona, Tiktalik). Nakon određenog broja generacija, suvozemna grupa (naterana da hoda po kopnu) razvila je takve anatomske i ponašajne karakteristike koje konvergiraju fosilnim ostacima tranizicionih formi kao što je tiktalik. Kod suvozemne grupe kretanje je značajno brže, nego kod ovih koje su živele u vodi. Imaju manje neefikasnog uvijanja i mahanja repom dok hodaju. Kraće trajanje koraka. Anatomska promena: tokom razvića dolazi do približavanja peraja središnjoj liniji tela što im odvaja telo od tla povećavajući efikasnost koraka. U ramenskom pojasu određeni elementi su značajno promenjeni. _________________________________________________________________________________

40

PITANJE 74 - Predvodioci i pratioci u evoluciji: fenotip ili geni? Geni kao pratioci ili lideri u evoluciji?

Kod srodnih vrsta neka osobina može biti determinisana sredinskom indukcijom ili je genetički determinisana. Šta je predvodnik, a šta pratilac u evolucionim procesima?

Plastičnost prva ili Geni pratioci - Prvobitno je neka osobina bila pod kontrolom sredinske indukcije (plastična), a tokom evolucije postaje genetički determinisana kroz genetičku asimilaciju. - Predačko stanje je plastičnost (polifenizam). (Polifenizam=jedinke stvaraju jedan ili drugi fenotip). - Kod potomačkih taksona je genetička determinacija (genetička akomodacija). Od plastičnosti neka osobina može postati genetički preuzeta. Prvo sredinska indukcija dovodi do promene fenotipa (plastičnost), bez genetičke promene. Modeli genetičke akomodacije: fenotipska promena tj. određeni put razvića može vremenom biti stabilizovan. Prvo ide fenotipska promena, a nju prate genetičke promene. Fenotip je prvi, geni su pratioci. Npr. dese se mutacije koje menjaju aktivnost ili nivo ekspresije gena iznad praga sredinskog uticaja, nabor se pomeri u epigenetskom pesažu, i više nema sredinske indukcije već genetika (koja je napravila nabor) determiniše određenu osobinu. -U predačkom taksonu imamo fenotipsku plastičnost tj. pojava neke osobine zavisi od sredinske indukcije. -U potomačkom taksonu ta osobina postane genetički determinisana. Epigenetski pejsaž: desile su se mutacije, pa epigenetičke promene, pa genetičke promene koje su podigle nabore u epigenetskom pejsažu, tako da je sada potreban mnogo veći stimulus da bi loptice razvića prešle na drugu stranu. Od polifenizma možemo dobiti genetičku determinaciju.

Geni lideri, genetički polimorfizam prvi (genetika prva) - Polimorfna genetička osnova neke osobine može se staviti pod sredinsku kontrolu, tj. plastičnu regulaciju. - Predačko stanje je genetički polimorfizam (Prvobitno je osobina određena genima), a u potomačkom taksonu osobina je određena sredinskom indukcijom. Brojni proteini (enzimi) koji učestvuju u razviću, mogu biti jako osetljivi na temperaturu i samim tim spuštati nabore u epigenetskom pejsažu. Pošto temperatura utiče na aktivnost enzima koji regulišu druge gene onda postoji uticaj sredinske indukcije na neku osobinu. Hipoteza Geni kao pratioci ili kao lideri u evoluciji testira se u grupi srodnih vrsta (klade) gde postoje obe situacije: u nekim od srodnih vrsta ista osobina je determinisana sredinski, a kod drugih je determinisana genetički. Načini kontrole razvića mogli su se menjati više puta tokom evolucije u okviru istih evolucionih linija. Tranzicija se može desiti tako što se menja osetljivost pojedinih faza razvića na sredinski stimulus (pomera se prag osetljivosti) ili se dodaju novi regulatorni elementi. Na primer, do tranzicije dovode: -Promene uslova životne sredine (npr. temperatura). -Mutacije koje menjaju aktivnost ili nivo ekspresije gena mogu pomeriti razvojni sistem iznad praga sredinskog uticaja, i u fenotipu će se ispoljiti prisutna genetička varijabilnost (genetička asimilacija). -Mutacije u genima za neke hormone koji su važni regulatori razvića (oni mogu postati osetljivi na sredinski uticaj) ili receptore (promene njihve osetljivosti).


41

Primeri: Genetički polimorfizam polifenizam primer: determinacija pola (reptili)

Kod kičmenjaka postoje dva sistema determinacije pola. Kod nekih taksona je determinacija pola genetički determinisana, a kod drugih je sredinski determinisana. Predačko stanje za sve kičmenjake bila je genetička determinacija pola, ali sredinska determinacija (najčešće temperaturna) se pojavljivala više puta tokom evolucije. Genetička i sredinska determinacija su se smenjivale u istoj evolucionoj liniji više puta. Kod kornjača - 6 tranzicija od sredinske u genetičku. Kod guštera - 3 tranzicije od genetičke ka sredinskoj determinaciji. Znači: u nekim evolucionim linijama kičmenjaka determinacija pola postala je sredinski determinisana, pa je opet postala genetički determinisana, pa opet sredinski, pa opet genetički, pa opet sredinski. Genetička i sredinska determinacija neke osobine mogu da se smenjuju: nekada su geni pratioci, a nekada su geni prethodnici. Kod sredinskog određivanja pola, temperatura deluje na steroidne enzime (hormone) važne za razviće gonada (tj. determinaciju pola). Aromataza je tu značajan enzim, temperaturno je jako osetljiva, ona transformiše testosteron u estradiol. Na visokim temperaturama ne vrši funkciju pa će biti više testosterona i gonade postaju muške, a ne ženske. Temperatura kod mnogih zmija i kornjača determiniše pol. Aromataza je spustila epigenetičke nabore u pejsažu toliko da sredinski uslovi mogu značajno da utiču na deteminaciju pola Zašto bi nekad genetička determinacija, a nekad sredinska determinacija bila adaptivna? Genetička je adaptivna sama po sebi jer je odnos polova 1:1. Može biti adaptivna u nepredvidivim sredinskim uslovima.

Genetički polimorfizam polifenizam primer:krilatost rod Calathus

Unidirekcioni prelaz od genetičkog ka sredinskom određenju fenotipa kod insekata, sistemi dimorfizma krila. (Od genetičkog polimorfizma prelazak u polifenizam tj. u fenotipsku plastičnost). Insekti iz roda Kalatus imaju dve forme: krilate i beskrile (ili mala krla) koje imaju različito ponašanje: Krilate jedinke su migratorne i produkuju mali broj gameta, beskrilni (ili kratka krila) su sedentarni, ostaju u populaciji, produkuju gameta. Predačko stanje je genetička determinacija, krilatost determiniše 1 gen sa 2 alela, alel za kratka krila je dominantan. Kod vrste Calathus melanocefalus došlo je do tranzicije ka sredinskoj determinaciji fenotipa (pojavila se sredinska indukcija tj. polifenizam). Kod svih ostalih vrsta je genetička indukcija. Duga krila ne zavise samo od gena, već i od sredinske indukcije. Jedinke sa „krilatim" genotipom razviće tu formu samo u povoljnim uslovima, dok će stresni uslovi (niske temperature i malo hrane) usmeriti razviće ka kratkim krilima i sedentarnom životu. Kod nekih se pojavio monomorfizam, pojavljuju se samo mužjaci sa kratkim krilima.

42

Nešto u putu razvića dugih krila (što je kod drugih vrsta određeno samo jednim genom), je dovelo do toga da taj jedan gen više nije dovoljan, već ostali geni koji su uključeni u taj put razvića su spustili nabor u epigenetičkom pejsažu, tako da je sada sredinska indukcija postala značajna. Znači ne samo gen, već ostali geni koji su uključeni u procese razvića.

Polifenizam - genetički polimorfizam primer: orijenatacija elemenata cveta (Heteranthera)

Predačko stanje je Stohastični polifenizam, gde slučajni mikrosredinski uslovi određuju pravac razvića, pri čemu se na istoj biljci mogu naći cvetovi i leve i desne orijentacije. (Biljka može da ima na levo ili na desno orjentisane cvetove zavisno od mikrosredinskih uslova). Kod vrste Heteranthera multiflora pojavljuje se genetička determinacija (genetički polimorfizam), svaka jedinka ima ili levo ili desno orjentisane cevtove. Podigli su se nabori razvića. Orjenatciju cveta determiniše 1 gen sa 2 alela, leva orijentacija je dominantna. Genetičko preuzimanje kontrole razvića oblika cveta je adaptivno jer smanjuje verovatnoću samooplodnje (postojanje oba tipa cveta na istoj biljci povećava inbriding). Pošto je sredinsko određenje razvojnih puteva cveta predačko stanje, ovde su geni pratioci evolucije fenotipske osobine. _________________________________________________________________________________


1

12. predavanje

Epigenetika: Fenotipska plastičnost, odgovor genotipa na životnu sredinu u razviću fenotipa, podrazumeva da sredinski stimulus utiče na to koji geni će se aktivirati, a koji neće. To je odgovor organizma na životnu sredinu u procesu razvića. Epigenetika podrazumeva mehanizme regulacije ekspresije gena. Fenotipska plastičnost i Epigenetika su važne u eco-evo-devo. Epigenetički kontrolni sistemi (epigenetička inforrmacija) su molekulski mehanizmi koji prave obrazac eksresije gena u jednoj ćeliji, ili u organizmu. Ti obrazci eskpresije gena mogu da se nasleđuju. Epigenetika su mehanizmi koji regulišu ekspresiju gena zovemo ih epigenetički kontrolni sistemi.

Modeli genetičke akomodacije - postoji način da sredinski indukovan obrazac ekspresije gena buce nasleđen.

Postoji 2 paralelna puta nasleđivanja: 1. genetičke informacije (DNK, što je zapisano u genomu).

To je Tvrdo nasleđivanje - infomracija (sekvenca) se ne menja u narednim generacijama osim usled neke mutacije.

2. epigenetičke informacije (markeri, DNK metilacije, histonske modifikacije) - nasleđuju se To je meko nasleđivanje - informacije o obrascima ekpresije gena se nasleđuju, ali ne nedvosmisleno i ne toliko puno generacija kao genetička informacija, može da se menja kroz generacije.

Epigenetiku definišemo kao mehanizam koji dovodi do određenog obrazca ekspresije gena i kao naučna disciplina koja to proučava.

Za evolucionu biologiju je najznačajnije proučavati nasledne epigenetike promene, jer je evolucija po definiciji transgeneracijska, nas zanima ono što može da se nasledi.

2

Ćelija ima obrzac ekspresije gena koji definiše njen ćelijski fenotip, da bi se epigenetička informacija prenela u narednu generaciju ćelija mora da ima "transkripcionu memoriju" tj. ćerka ćelija treba da ima mamin epigenetički obrazac. To je nužno u razviću višećelijskih organizama - u mitozi u okviru istog tkiva ćelije nakog deobe moraju da imaju isti epigenetički obrazac a time i isti ćelijski fenotip kao i ostale ćelije tog tkiva. Epigenetički obrasci preživaljavaju mitozu. EPIGENOM je sistem informacija o aktivnostima gena, o setu gena koji su aktivni ili ne u jednoj ćeliji. Epigenom čine različiti mehanizmi nivoa regulcije ekspresije gena. Transkripcioni nivo (metilacija DNK i hemijske modifikacije histona definišu da li je gen aktivan ili ne). Kada se ćelije dele u nekom tkivu, prenose ćerkama ćelijama iste epigenetičke informacije, pa ćerka ćelija ima isti ćelijski fenotip kao i ostale ćelije tog tkiva, taj mehanizam koji omogućava funkcionisanje razvića višećelijskih organizama. Epigenetičke informacija se prenosi (održava) kroz mitozu (deobom somatskih ćelija) na ćerku ćeliju. npr. postoje Dnmt (DNK metil transferaze) prepisuju metilacioni obrazac, ima i onih koje denovo metiluju. U procesu mitoze se epigenetički markeri prepisuju, bez sposobnosti ćelijskog prepisivanja transkripcione memorije ne bi bilo razvića višećelijskih organizama. I kod 1-ćelijskih eukariota, deobom nastaje ćerka ćelija koja ponovi isti transkripcioni obrazac.


3

Kod višećelijskih organizama koji se reprodukuju seksualno, da bi se epigenetički obrazac preneo transgeneracijski sa roditelja na potomka, on mora do prođe kroz mejozu (mejoza se dešava u gametogenezi). Dakle, neke informacije koje je roditelj stekao pod uticajem životne sredine moraju da prođu kroz gametogenezu, da se prepišu u jajnu ćeliju ili spermatozoid i da u potomstvu ćelije rekreiraju te informacije koje je imao roditelj. Za mitozu i 1-ćelijske eukariote nema problema, ali na koji način epigenetička informacija može da preživi gametogenezu (mejozu) kod vć organizama. Dugo se smatralo da epigenetička informacija ne može da prođe kroz mejozu kod vć organizama.

Primer: Vajsmanova teorija germplazma i somatoplazma, evolucija podrazumeva da se prenosi samo ono što je genetički zapisano u gametskim ćelijama. Organizmi u razviću sadrže epigenetičke informacije, ali gameti ne sadrže jer se vrlo rano u organogenezi odvaja ćelijska linija koja će dati gamete, i one više nemaju veze sa dešavanjem u somatkim ćelijama. I zato se smatralo da tu epigenetika ne može da prođe, epigenetika je na fenotipskom nivou, a ne na genetičkom.

Genetička promena je promena sekvence, a epigenetička promena je promena obrzaca ekspresije. Problemi opstanka (i nasleđivanja) epigenetičke informacije u gametogenezi (mejozi) kod vć organizama: 1) Teorijski problem: gameti (jajna ćelija i spermatozid) ne bi trebali da imaju nikakvu epigenetičku infomaciju, jer od njih treba da nastane totipotentan zigot koji ima sve mogućnosti da od njega deobama nastane bilo koja druga ćelija (svi drugi ćelijski fenotipovi) višećelijskog organizma.

4

Sve što aktivira ili inaktivira neki gen već usmerava ćeliju ka određenom ćelijskom fenotipu, ograničava je (epigenetička informacija sužava potencijal zigota), zato teroijski očekujemo da u gametogenezi moraju da se obrišu svi epigenetički markeri. 2) Empirijski problem: tokom gametogeneze i rane embriogeneze dolazi do prvog masovnog brisanja većine epigenetkih markera. a) U primordijalnim germinativnim ćelijama brišu se markeri tj. gubi se metilacija DNK: oko 60% metilacije DNK u muškoj i 70% metilacije u ženskoj gametogenezi. Gubi se najveći deo markera, ali ne sve.

U gametogenezi od primordijalnih gametskih ćelija, sazrevanjem, nastaju nastaju oocita i spermatoctita pa jajna ćelija i spermatozoid.

b) Nakon brisanja u formiranju oocita i spermatocita, ponovo se reprogamiraju epigenetički markeri tipični za mušku ili žensku gametsku liniju, tj. dodaju se markeri tipični za pol kasnije u gametogenezi. Genom spermatozoida se pakuje u protamine a ne u histone u velikom procentu. Prvo veliko brisanje znači da bi trebalo da se izgubi puno markera koje imali mama i tata. c) Sledeće masovno brisanje epigenetičkih markica je ubrzo nakon oplođenja pre implantacije (sisari) kada počinju deobe. To je nužno da bi se uskladila dva genoma, spermatozoida i jajne ćelije.

U spermatozoidu, muški genom je spakovan u protamine u velikom procentu (a ne u histone). Spajanje sa jajnom ćelijom dovodi do rasplitanja i ponovnog uplitanja muškog genoma, ali sada u histone. Protamini se zamenjuju nukleozomskim histonima.

Dešava se velika demetilacija oba genoma i to: i na nviou i DNK i histona. I smisao je da toga je da se dobije totipotentna oplođena jajna ćelija u kojoj je najveći deo markera obrisan. To traje do stupnja morule (16 ćelija), do tada su ćelija pluripotentne. I tad ponovo počinje reprogramiranje tih ćelija i počinju da se diferenciraju različite ćelijske linije. Da bi epigenetički marker preneo u naredne generacije, mora da preživi dva masovna brisanja. Naravno, postoji određeni procenat markera koji se ne briše, tj. preživljavaju gametogenezu. Prvi otkriveni mehanizam transgeneracijskog nasleđivanja epigenetičke informacije je genomsko utiskivanje.


5

GENOMSKO UTISKIVANJE (imprinting)

Genomsko utiskivanje je fenomen kom podležu neki geni u muškoj i ženskoj gametogenezi. Da li će taj gen biti eksprimiran u potomstvu zavisi od toga da li je taj alel poreklom od mame ili od tate. Ti geni se zovu imprintovani ili utisnuti geni kod sisara ih ima oko 1300. Postoje geni čija aktivnost u potomstvu zavisiti od toga da li je nasleđena varijanta od oca ili od majke.

. Dva gena: gen A i gen B - U ženskoj gametogonezi (oogenezi) u jajnoj ćeliji gen B ostaje aktivan, gen A se gasi. (DNK metilacija i histonske modifikacije) - U muškoj obrnuto. U gametogenezi prvo se svi markeri obrišu, sledi reprogramiranje, pa pri nastanku zigota ponovo brisanje markera osim sa utisnutih gena koji će se ispoljiti u telesnim ćelijama zigota. Kada embron počne da pravi gamete, kada se izdvoji njegova gametska linija u njoj počinje brisanje markera i uspostavljanje obrazca ekspresije tipično za pol embriona: - Ako je ženski pol potomka, u gametogenezi će se desiti epigenetičke modifikacije koje će ugasiti gen A, a gen B ostaje aktivan. - Ako je muški pol potomka, u gametogenezi je obrnuto, gen A je aktivan, a gen B neaktivan. Dakle u spermatogenezi i oogenezi dolazi do epigenetičkih obeležavanja koje se prenose na potomstvo. U svim telesnim ćelijama potomka održava se obrazac dobijen od mame i tate - od mame B, od tate A, mamin A i tatin B će biti ugašeni. Potomak u telesnim ćelijama zadržava epigenetički obrazac dobijen od mame i tate, a u gametskoj liniji se prvo brišu svi markeri, pa se uspostavlja obrazac ekspresije tipičan za pol.

6

Kod sisara ima više od 1300 gena mogu da se imprintuju. Ti geni se ispoljavaju u različitim tkivima, ali najviše u placneti i mozgu. U neokorteksu i prefrontanom korteksu koji sadrži (asocijativne zone važne za inteligenciju) je više aktivnih gena (alela) koji su nasleđeni od mame. U limbičkom sistemu (emocije, afekt) više je aktivnih gena (tj. alela) nasleđeno od tate. Pametni smo na mame, a emotivni na tate. Kako se utiskuju geni Utiskivanje je prisutno kod sisara i cvetnica. Zajedničko za oba je da potomak sisara rase u mami, a klijanac cvetnice raste u semenu na biljci mami. Endosperm je u cvetnicama no što je placenta kod sisara. Kod sisara većina imprintovanih gena (čija ekspresija zavisi od porekla maminog ili tatinog) su grupisani u jata sa zajedničkim kontrolnim regionom utiskivanja ICR (= cis regulator) koji reguliše gašenje ili paljenje čitave grupe (sin. gDMR gametski diferencijalno maetilovani regioni, zato što su u jednoj gametskoj liniji upaljeni, a u drugoj ugašeni). ICR ima puno ponovaka CG dimera, i zato pravi petlje (Sekundarne strukture) za koje se vezuju razni nehistonski proteini, za koje se smatra da određuju da li će taj region biti metilovan ili ne. Tu učestvuju enzimi (DNK metil transferaze) Dnmt3 koja radi de novo metilaciju (jednoj gametskoj liniji gde je sve obrisano treba da de novo da se metiluju tačno određeni ICR-ovi tj. geni). Zavisno od toga koji se protein veže za petlju, on će da naviguje Dnmt3L da se zakači ili ne (zavisno od gametske linije - da li je muška ili ženska). Dnmt3L ne metiluje sama, već nakon vezivanja aktivira Dnmt3a i Dnmt3b koje rade de novo metilaciju. Dnmt3L je ključna za genomsko utiskivanje, jer ona targetuje mesta koja će biti metilovana ili ne. Utiskivanje - geni se u jednoj gametskoj liniji upale, a u drugoj ugase.


7

Primer utiskivanja je gašenje i paljenje igf2 gena (insulin-line growth factor-a) koji se pali u placenti (stimuliše rast placente, trasnort materija od mame ka fetusu, rast embriona). Igf2 je aktivan u tatinoj ćelijskoj liniji, a u maminoj je ugašen. To se dešava na sledeći način: - kod mame, za ICR se veže protein BORIS i to sprečava metilaciju ICR-a. Napravi petlju koja onemogućava da dođu u kontakt pojačavač i promotor Igf2 gena. I Igf2 gen je ugašen. - kod tate, ICR se metiluje jer se za njega ne vezuje Boris, ne sprečava se kontakt promotora i pojačavača i gen je aktivan. Ovde metilacija aktivira gen. ima dosta tih situacija, ranije se mislilo da metilacija samo gasi gen. Ova kopija gena poreklom od tate je aktivna u embrionu, a mamina je ugašena. Mama ima odgovor na ovo: - Igf2r (receptor za igf2 tj. insulin like growth factor) je aktivan kod mame, a neaktivan kod tate. Ovaj receptor zakači faktor rasta, uvuče ga u ćeliju, ubaci ga u lizozome, degraduje ga i tako smanjuje efekat faktora rasta (insulin-like growth factor-a). Igf2r je kod mame nemetilovan, a kod tate metilovan i ugašen. Ovo je odgovor mame na napad tate. Mama ne prepušta u potpunosti aktivnost growth faktora tatinim genima. Ona ih takođe kontroliše. Tata ima još jedan odgovor: promotor se antisens transkribuje, nastaje lncRNK (AIR) koja represira receptor Igf2r.

8

Hipoteza genetičkog sukoba: muški i ženski pol imaju različite interese u reprodukciji, jedan pol je uvek ograničavajući. Interes mužjaka (sisara) je da oplodi što više ženki i da potomak izvuče što više resursa iz mame (da bude što veći, krupniji i kvalitetniji). Interes mame jeste da potomak bude dovoljno kvalitetan, ali ne da uloži sve u jednog potomka, jer je njena reprodukcija ograničena. Ženka može da da mnogo manje potomstva od mužjaka koji može da se ukršta sa puno ženki. Mama je ograničavajući faktor, mora da se brani od tatinih gena koji bi da iscrpe što više resursa iz nje. Sukob polova i njihovi suprotni interesi doveli su do nastanka ovih alternativnih procesa paljenja i gašenja gena u jednoj ili drugoj liniji - tj. genomskog imprintinga, primer je Igf2 gen. Na molekulskom nivou rezltat je genomski imprinting: U placenti su aktivni očevi geni (npr. Igf2) čije je interes da placenta bude što razvijenija i da izvuče što više resursa iz majke. Majka evoluira mehanizme na drugim genima koji poništavaju taj efekat, primer je insulin-lajk grou faktor. Potvrda: Eksperimentalno su napravljeni homogametni diploidi: spojeni su nukleusi dve oocite (ginogenot) i spojene su dve spermatocite (androgenot). genetički je sve uredu, svi su geni na broju. Ni ginogenot ni androgenot ne završavaju razviće, jer kod ginogenota kada se spoje geni koji su ugašeni u ženskoj liniji, uopšte neće biti ekspresije tih gena. Isto je i kod androgenota. Kod ginogenota embrion se skoro normalno razvija (ne potpuno normalno), ali placenta je loša. Kod androgenota je obrnuto placenta je odlično razvijena, a embrion jako loše. Peg 10 i Peg 11 geni (poreklom od visrusnih gag gena) su važni za razviće placente, i aktvne su tatine kopije u placenti.

SK

i una uti (smpo ge Ko

Ma hipKo tki geko ge

KRIPTA, Kod b

u endospermatovare u en

Hipotiskivanja:

1) zamanjuje ulaotomka bi bi

2) zana. Interes s

oadaptacioGenomImprin

ama je trudn - 3 tkiv- 2 gen

- Tatipotalamusu oadaptacion

Muškiiva (hipotala

Placen- menj- utičeprloakMušk

Da bi nomsko sla

ombinacije kBez e

netičke kom

Princibiljaka u enmu je punodosperm ko

teza genetič

ašto je seleaganje u poila manja.

(je

što bi se msvake mam

na hipotezmsko utiskivntovani gen

- P - Hmateepigeemoc

na - embrio

va: hipotalanoma: mam

ni geni su su aktiv

nu hipotezu)

i aleli se ekamus mame

nta (osim komja fiziologije i na maminktin - dojenjki geni instr

se to održaaganje mamkod mame kepigenetike mbinatorike

ipi molekulndospermu ko aktivnih toji je potreb

čkog sukob

ektovano totomka), jer

er smanjivan

mama odricae bi bio da

a rešava ovvanje je nas

ni poreklom

Placenta služHormoni plaerije koje bi enetičke procije, brižnost

on, placenta

amus embrioma i fetus.

aktivni u pirani geni ).

kprimiraju e, hipotalam

munikacije mau i metaboln mozak (hie.

ruiraju mam

alo to morame i potomskoje ne mog

i hormonse. Umesto

larne i fenokoji je analotatinih gena

ban za razvić

ba je prihv

o da mamar ako je kva

njem kvalite

ala ekspresijse njeni gen

vo i objašnjstalo jer su fod tate, akt

i za komunikacente menjaj

inače majkaomene u hipot i sl).

.

ona, hipotal

placenti i hnjenog t

u 2 genommus embrion

ama-fetus) imlizam majkeipotalamus)

mu da ona

a da povećavstva zavisligu da dovedske uloge genetičke k

otipske evol

9

og placenti a koji trebaće klijanca i

aćena, ali p

a gasi nekealitet potom

eta potomka

je nekih svoni prenesu i

java: f-je placentetivni su u pl

kaciju izmeđaju metaboliza potrošila, otalamusu, p

lamus mam

hipotalamusate tj. de

ma (mamin ina i placenta

ma endokrine i usled tog), što priprem

doji, brine

va adaptivno bi samo

du do toga dplacente, u

kombinator

lucije, kod sisara,

a da izvukui biljke.

pitanje je k

e gene čimmka manji i

a smanjuje

ojih gena, ada budu ak

e i hipotalamlacenti i hip

đu mame i fetzam majke, preusmere n

pripremajući

me, placenta.

su embrionde embrio

i embrionova).

nu hormonskga počinje dma mamu z

e o deci.

nu vrednost od genetičk

da ona brineuspeh reprorike, epigen

Ivaima oko 20

u što više r

kako je poč

me smanjujenjena adap

i svoju adap

a stimulisalktvini u poto

musa moralpotalamusu.

tusa, i endoknjenu fiziolo

na fetus. Tajmajku za on

.

na. U mamiona (Važno

v) i u 3 raz

ku funkciju:da ulaže resuza dojenje, b

ženke. Bezkih kombine o potomstodukcije binetički obra

an Petrović00 gena kojiresursa od

ela evolucij

e kvalitet sptivna vredn

ptivnu vredn

a ekspresijuomstvu.

le biti koord

krinu hormonogiju, što omj hormonski no nakon por

inom o za

zličita

: urse u razvibrigu o poto

z genomskonacija - postvu, kod emi zavisio oazac (porek

ć 2015 i se imprintumajke i da

ija genomsk

svog potomnost preko t

nost.)

u nekih tati

dinisane.

nsku funkcijumogućava da

status utičerođaja (dojen

će potomkaomstvu

og utiskivantoje genetič

mbriona takood stohastičklom od oc

uju a ih

kog

mka tog

nih

u a se e na nje,

a.

nja, čke

ođe. čne

ca i

10

dede) reguliše reproduktivne f-je mame i fetusa. To je paralelni obrazac nasleđivanja, epigenetički, koji podrazumeva genomsko utiskivanje i koji povećava adaptivnu vrednost i muškom i ženskom partneru. Geni hipotalamusa reaguju na hromone placente, u hipotalamusu potomka aktivni su tatini geni, prirpemaju ga za termoregulaciju, za refleks sisanja. Ekperimantalno gašenje ovih gena izaziva problem sa termoregulacijom i ponašanjem potomstva. Primer, Peg3 gen (paternalno aktivan ge, Tatina kopija je aktivna) kontroliše ćelijsku proliferaciju i apoptozu u razviću. - eksperimenatlno inaktivirane obe kopije (nema produkta) - sporije razviće embriona, mladunci ne umeju da sisaju (nisu instruirani za sisnaje).

- kod takvog ženskog potomstva - smanjen broj neuraona hipotalamusa, poremećena briga o potomstvu, smanjen apetit, mala proizvodnja mleka. (njeni potomci su mali sa malom šansom opstanka). - kod takvih mužjaka potomaka - nema tipičnog seksualnog ponašanja, agresija, udvaranja.

Nastanak epigenetičkog modifikovanja ekspresije gena? Hipoteza odbrane domaćina. Prvi razlog epigenetičog modifikovanja (lepljenje epigenetičkih informacija na alele) je odbrana od ME, jer se i pokazalo da su u genomima ME preferencijalno metilovani (utišani). To je pokazatelj da je prva uloga epigenetičkog modifikovanja gena bila odbrana od domaćina. Poređenje ortolognih gena monotremata (sisara koji nose jaja) i torbara i pravih sisara (placentalnih) koji su aktivni u mozgu, placenti je pokazalo da ortologni geni kod placentalnih sisara i torbara imaju mnogo više ME nego isti ortologni geni kod monotremata. Ekspanzije ME-ata do koje je došlo nakon odvajanja (pre 210 miliona godina), je omogućila genomsko utiskivanje i nastanak kopija Dnmt3L što je pokrenulo evoluciju genomskog utiskivanja.


11

Odgovor daje Koadaptaciona hipoteza, po kojoj je genomsko utiskivanje kod sisara nastalo jer je neophodno da kooordinirano funkcionišu placenta i hipotalamus. (da se usklade razviće potomka i postnatalno ponašanje majke sisara). Važno za koadaptacionu hipotezu je da je veliki broj gena koji je aktivan u placenti, aktivan i u hipotalamusu, a aktivni su ako su poreklom od tate.

- Placenta služi za komunikaciju između mame i fetusa, i endokrinu hormonsku funkciju. - Hormoni placente menjaju fiziologiju i metabolizam majke, što omogućava da se materije koje bi inače majka potrošila, preusmere na fetus. Utiču na hipotalamus, pripremajući majku za ono nakon porođaja (dojenje, emocije, brižnost i sl).

Veza sa evolucijom genomskog inprintinga: - geni koji su aktivni i u placenti i u hipotalamusu, aktivni su u placenti kod majke, u hipotalamusu majke i hipotalamusu fetusa. - geni koji su aktivni u hipotalamusu mame, su poreklom od dede fetusa. To su: - tri tkiva (placenta, hipotalamus fetusa i hipotalamus mame), placenta. - dva različita genoma: genom mame i genom fetusa. Ukoliko bi sve zavisilo od genetike, bez epigenetike, dva različita genotipa (mame i fetusa) bi morali potpuno da se uklope da bi se zadovoljile sve reproduktivne funkcije majke. Pitanje je da li bi se ta dva genotipa uskladila u svim intra- i postuterinim funkcijama Linija kontinuiteta je epigenetička linija muškog pola, deda i tata: - Imprintovanje omogućava da geni poreklom od tate budu aktivni u placenti, u hipotalamusu fetusa (priprema za sisanje, termoregulaciju), u hipotalamusu majke aktivni su geni koje je ona nasledila od svog oca, tj. dede fetusa. To je muški kontinuitet. To je u korist majke: Postoji kontinuitet u muškom polu, ali mama kontroliše inprinting - utišava gene. Ona je utišala svoj gen i prepustila tu funkciju očevim genima tj. muškim genima, što je u njenom interesu jer je to priprema za negu potomstva. Kontinuitet održava muška linija, ali majka kontroliše, ona inprintuje i gasi sopstvene gene, jer ima od toga interes.

12

Epigenetički nasledni sistemi (opšta razmatranja) Genomski imprinting u konteksu u kom se ovde koristi, odnosi se na specifične gene koji zavise od porekla roditelja, znači njihova aktivnost u potomstvu zavisi od toga koji roditelj je taj alel preneo. Postoji mnogo drugih gena koji nezavisno od toga da li su nasleđeni od mame ili tate, mogu da prenose epigenetički obrazac svoje aktivnosti.

Postoje i geni koji nisu imprintovani (tj. koji nisu u oogenezi ili spermatogenezi specifično epigenetički obrađeni, čija aktivnost u potomstvu ne zavisi od identiteta roditelja koji ih je preneo), a zavisni su od uticaja životne sredine, mogu da prežive gametogenezu i da u narednoj generaciji rekonstruišu epigenetički obrazac svoje aktivnosti. Pod Epigenetičkim nasleđivanjem: - u užem smislu podrazumevamo histonske modifikacije i DNK metilaciju; - u širem smislu podrazumeva sve nivoe regulacije aktivnosti gena (transkripcioni nivo - histonske modifikacije i DNK metilaciju, i druge nivoe male ncRNK, posttranslacioni nivo - modifikacije proteina, peptida, svi nivoi ekspresije gena i u najširem smislu to podrazumevamo pod epigenetikom. Dakle: da li sve to i u kojoj meri može da se nasledi i u potomstvu, a da je sredinski indukovano kod roditelja? Uvodim pojmove (analogija sa genetikom): Epigenetički nasledni sistem - obrazac fenotipske ekspresije se prenosi u naredne generacije. Epigenetička informacija može da prođe kroz gametsku fazu i mejozu i da se rekonstruiše u potomstvu. -Epialeli, (alel = različita genetička varijanta nekog gena, gen može da ima različite alele jer može da ima donekle različitu sekvencu), su varijante koje se ne razlikuju u sekvenci, već u stanju ekspresije. Ekspresija gena koji imaju epialele zavisi od uticaja životne sredine. Epialeli imaju često ugrađen na nekom mestu ME. Poreklo epigenetičkih mehanizama je zaštita domaćina od ME. Ekresija epialela sa ugrađenim ME-tom se lako menja pod uticajem različitih faktora, taj ME se metiluje, tj. menja se epigenetički status tog gena, zavisno da li je za njega zakačen epigenetički marker koji treba da utiša taj gen. Epialeli u širem smislu podrazumevaju različita stanja ekspresije bez obzira na sekvencu i česti su geni koji imaju različite alele ali imaju i epialele sa ugrađenim ME-om. -Epimutacije - promene ne u gentičkoj sekvence već u epigenetičkom statusu.


13

Epialeli su aleli koji se razlikuju po stanju aktivnosti, imaju identičnu sekvencu, ali jedan je aktivan a drugi nije. Podrazumevamo da će stanje aktivnosti bar nekog od njih biti zavisno od životne sredine. Često sadrže ME, što govori o poreklu epigenetičkih sistema (a to je zaštita od ME). Epimutacija je promena stanja ekspresije gena (a u genetici su mutacije promena sekvence). Načini prenosa epigenetičke informacije iz jedne generacije prenese u drugu generaciju. Ima više načina da se u potomstu rekonstruiše epigenetički obrazac roditeljske generacije: Postoji tri različita načina(crtež):

1) soma-soma nasleđivanje: to nije pravo nasleđivanje kroz gametogenezu, već u jednoj generaciji somatske ćelije bivaju sredinski instruirane i uspostavlja se neki obrazac ekspresije, a u narednoj generaciji se to ponavlja. Pod uticajem sredine nastaju neke epigenetičke promene u somatksim ćelijama nekog organizma, i ta informacija se prenosi kroz generacije. 2) soma-germ: (sredina je prvo delovala na somatske ćelije) iz somatskih ćelija informacija ulazi u gametske ćelije, a onda se prenosi germ linijom u naredne generacije. 3) germ-germ: sredinski faktori deluju na gametske ćelije i promene njihov epigenetički obrazac i to se prenosi u naredne generacije. Sve ovo podrazumeva da nema genetičkog već znači isključivo epigenetikog nasleđivanja. SOMA-SOMA nasleđivanje

Najjednostavije je kod 1-ćelijskih organizama: 1-ć eukariot se podeli i ćerke ćelije dobiju iste epigenetičke informacije koje je imala i mama.

Lako razumemo kako se epigenetička informacija prenosi u narednu generaciju, prosto ćerka ćelija dobije sve informacije koje je imala i mama ćelija. Pod uticajem sredine promenjeni epigenetički status mame ćelije biće prenet različitim mehanizmima (modifikacijama histona, metilacijama DNK, malim nekodirajućim RNK molekulima, itd..) i na ćerku ćeliju.

14

Soma-soma nasleđivanje je jasno kod 1-ćelijskih organizama: mitozom nastaju nove ćelije koje nose iste epigenetičke informacije. Pod epigenetičkom informacijom mi često podrazumevamo epimarkere koji kontrolišu transkripciju. Međutim, deobom ćelije deli se celokupna ćelija: nasledni materijal, citoplazma i membrana. Dakle, epigenetička informacija (jedne ćelije koja je npr. indukovana sredinskim stimulusom) podrazumeva da se metabolizam te ćelije umrežio na adekvatan način. Kada se ta ćelija podeli, ta samoodrživa metabolička mreža se takođe deli i prenosi na ćerke ćelije. Ovde sada ne govorimo o transkripcionoj regulaciji, već o svim drugim nivoima regulacije pa i o posttranskripcionoj regulaciji. ⌦ Fenomen Samoodržavanje metaboličikih mreža u ćeliji: Primer Candida albicans (1-ć gljiva), izloženost povišenoj temperaturi indukuje epigenetičke promene koje menjaju čitav metabolizam (tj. menjaju metaboličku mrežu) menja se morfologija i boja ćelije, mogućnost naseljavanja novih staništa (i ta promena nije samo na nivou transkripcije (paljenju/gašenju gena na nivou transkripcije) već i postranslaciono (modifiacija proteina koji su već bili sintetisani) ). Takva metabolička mreža (tj. infromacija) se nasleđuje narednih 10.000 generacija bez nove temperaturne indukcije (tj. bez novog sredinskog stimulusa). Dakle, geni su ostali isti, a prenosila se modifikacija proteina 10.000 generacija naravno bez novih sredinskih indukcija, znači taj epigenetički obrazac se prenosio bez novih sredinskih stimulusa. Primer je gljiva Candida albicans: temperaturnom indukcijom izmenjena je metabolička mreža i ona se videla prosto po promeni boje i promeni morfologije ovih ćelija. Nakon te jedne temperaturne indukcije takav metabolizam, takva morfologija i boja ćelije se održavala u narednih 10.000 generacija znači bez dodatnih novih sredinskih uticaja. Primer Kvasac Saccharomyces cerevihiae enzim proteaza B u vakuolama vrši samoaktivaciju, sredinska indukcija (pH, temperatura, promena hranljivog medijuma) izaziva da proteaza B iz neaktivnog prekursora pređe u aktivni enzim. Aktivna forma vrši samoaktiviranje prekursora i to je beskonačna samoaktivacija. Tu nasleđivanje nije genetičko, već kada se ćelija deli nasleđuje se forma proteina koja se naleđuje i u ćerke ćelije. Drugi primer samoodržavanja metaboličkih mreža: kod kvasca u određenom hranljivom medijumu dolazi do indukcije enzima protaze B u aktivnu formu. Dalje taj enzim u aktivnoj formi, indukuje neprekidno konvenziju neaktivne forme u aktivnu (samostalna konverzija u aktivnu formu) i taj proces je beskonačan. Ako je ćelija nasledila aktivnu formu, svaka nova sinteza ovog enzima će indukovati aktivnu formu. To nema veze sa genetikom, već sa svim onim što sledi iz ekspresije gena. ⌦ Fenomen Strukturno nasleđivanje: Struktura ćelije nakon podele instruira strukturu ćerke ćelije. 2 tipa: membrana i proteini. 1) Strukturno nasleđivanje u formi membrane. Npr. Jedna ćelija pod delovanjem sredinskih faktora epigenetički se modifikovala, tako da na membrani ima različičit broj i vrste receptora i proteina uglavljenih u membranu. Kada se deli ćelija deli se i njena membrana. Ta preneta roditeljska membrana će upravljati formiranjem membrane ćerke ćelije (misli se na sve membrane: spoljašnju, ER, sve organele koje imaju membrane, Mitohondrije...). Membranom je informacija koju sadrži membrana (informacija kako će izgledati membrana ćerke ćelije).


15

Genom sadrži genetičku informaciju, membranom sadrži informaciju kako će izgledati membrana ćerke ćelije. Strukturno nasleđivanje, kada se deli ćelija, ona mora da napravi i dobar deo nove membrane, i to radi na osnovu stare membrane. Svaka informacija, modifikacija koju sadrži stara membrana biće preneta na ćerku ćeliju. Imamo novi pojam – membranom – to je informacija koju ima sama membrana, svaka strukturna modifikacija koju ima membrana, biće nasleđena i u ćerki ćeliji. To je takozvano strukturno nasleđivanje i ono NEMA veze sa genima. Membrane se takođe epigenetički dele, njihov sastav, proteini, lipidi dakle sve se menja pod uticajem sredinskih činioca. Kada se deli ćelija deli se i membrana. Stari oblik membrane služi kao matrica za sintezu novih delova membrane, dakle i membranomi i membrane su mesta koja čuvaju informaciju majke ćelije. Znači to je nešto vrlo bitno. 2) Nasleđivanje kodirano proteinima - strukturno nasleđivanje u formi proteina Kada se ćelija podeli, prenosi ćerkama ćelijama mnogo svojih proteina koje je sintetisala u citoplazmi.To u velikoj meri definiše samu ćerku ćeliju. Poseban nivo nasleđivanja kodiranog proteinima su Prioni.

16

___________________________________________________________________________________ Prioni su proteini koji imaju najmanje dve konformacije: - normalnu konformaciju - solubilnu strukturu bogatu alfa-spiralama, - prionsku konformaciju - amiloidna struktura bogata beta pločama. Prioni spajanjem sa drugim molekulima iste sekvece, prave beta ploče (jezgro priona) i taj prion ima sposobnost da sve druge proteine iste sekvence preobrazi u amiloidnu formu. I tako se dobija jezgro koje se povećava, (to je to nasleđivanje same strukture proteina), u tom procesu učestvuju brojni faktori remodelovanja proteina koji drže stabilnu prionsku strukturu i neki šaperoni. Kada dovoljno naraste, prion može da se podeli i da dospe u ćerku ćeliju nakon deobe. I to je nasleđivanje kodirano proteinima. Prioni se obično vezuju za bolesti (lude krave), međutim prioni (promena konformacije u prionsku strukturu) mogu biti evoluciono važni. Kvasac ima oko 20 proteina koji mogu da formiraju prionske amiloidne strukture, čim promene svoju strukturu, proteini menjaju i svoju funkciju. Kod kvasaca je dobro proučeno 9 proteina koji mogu formirati prione, najčešće to znači gubitak funkcija, ali u određenim uslovima upravo taj gubitak funkcije može dovesti do nastanka novog fenotipa. To je pokazano za translacioni terminacion faktor sub35 koji može da pravi prionske amiloidne strukture. (slika: ćelije u jednoj životnoj sredini koje nemaju prione.) Prionske strukture spontano nastaju u populaciji, ali u stresu bar 60 puta češće nastaju prionske strukture, stres indukuje promenu konformacije proteina. sub35 normalno fukcioniše u normalnoj životnoj sredini, kad se desi stres, češće dolazi do nastanka prionske sturkture translacionog terminacionog faktora. Kada pređe u novu prionsku strukturu, njegova fukcija je značajno slabija i dešava se da se iRNK translatira i nakon stop kodona i da se dobiju neki novi proteini. Tako može da se otkrije genetička varijabilnost koja ranije nije postojala. Postoje podaci da se zbog ovakvih prionskih efekata menja adhezija ćelija (pominjano u kontekstu nastajanja višećelijskih organizama), tj. menja se fenotip celije, menjaju se razne komponente ćelijskog metabolizma. Kod kvasca u eksperimentu, prionska sturktura sub35 dovela je do toga da u novoj sredini nastaju nove varijante adekvatne za novu životnu sredinu, novi fenotipovi. Sve dok traje taj stres, selekcija će favorizovati prionske strukture. U tom nasleđivanju prilikom deobe, selekcija neće eliminisati one ćelije koje imaju prionsku strukturu, već će njihova učestalost rasti. Selekcija ovde ne deluje ovde na nivou gena, već na nivou strukture proteina koja se onda nasleđuje kroz ćelijsku deobu. Moramo da se udaljimo od ideje da se samo geni nasleđuju. _________________________________________________________________________________


17

Prioni su "proteini u pogrešnoj konformaciji". Neki proteini mogu da imaju različite konformacije, a neke od njih mogu biti prionske konformacije. Najveći broj proteina ima solubilnu strukturu (aktivnu strukturu), a neki od njih koji imaju neke specifične ponovke mogu da naprave amiloidnu strukturu bogatu beta pločama.

Prioni su proteini koji imaju najmanje dve konformacije: - normalnu konformaciju - solubilnu strukturu bogatu alfa-spiralama, - prionsku konformaciju - amiloidna struktura bogata beta pločama.

Prioni instruiraju i druge proteine da zazmu istu konformaciju. Formiranje beta ploča podrazumeva novu konformaciju, raskidanje starih i formiranje novih međumolekulskih veza (Vandervalsove sile slažu proteine, formiraju beta ploče). Od malog broja napravi se jezgro, koje instruira i druge proteine iste primarne strukture (=iste sekvence) da zauzimaju istu takvu konfomraciju, i jezgro se širi i dobijaju se velike proteinske ploče. Kada se ćelija podeli i ćerke ćelije će dobiti paket svojih priona. Kod ljudi se prionske bolesti dešavaju u mozgu, jer tu postoje proteini koji imaju potencijal da pređu u prionsku konformaciju. Kod Aplizije (morski jež) prionska konformacija proteina obeležava aktivne sinapse, to je stabilna epigenetička markica jedne aktivne sinapse. Kod ljudi ti protini imaju manji broj tih ponovaka i ne zna se kolika im je uloga u markiranju aktivnih sinapsi kod ljudi, ali budući da su sve prionske bolesti vezane za mozak (lude krave), moguće je da čovek ima mnogo proteina koji mogu da zauzimaju prionske konformacije. Alchajmer ili Parkinskova bolest - u mozgu postoje plake proteina koji su konglomerisani, to nije prava prionska struktura, ali se prave plake. Bez obzira šti te plake oštećuju mozak, jedna hipoteza kaže da su one zaštita: mnogi proteini u nervnim ćelijama nakon nekog dužeg vremena bivaju oštećeni različitim oksidativnim uticajima imaju citotoksično delovanje i mogu da dovedu do odumiranja neurona, pa pravljenje ovih plaka je zaštita. Prelazak iz neprionske u prionsku konformaciju može da ima veliki adaptivni značaj u nekim sistemima: primer je kvasac koji ima 9 proteina koji mogu formirati prione (prionsku konformaciju) i još 18 proteina sa prionskim domenima. Kada pod nekim sredinskim stresom, jedan protein zauzme prionsku konformaciju, on najčešće gubi f-ju ili značajno smanjenje f-je. Neki od proteina koji mogu da pređu u prionsku strukturu mogu da dovedu do pojave nekih adaptivnih fenotipova: Primer je gen Sup 35- to je transkripcioni terminacioni faktor koji ima ulogu u translaciji da kada se dođe do stop kodona učestvuje u zaustavljanju translacije. Kada je u prionskoj konformaciji, on ne zazstavi translaciju na STOP kodonu, nego se čita dalje. Tako se dobija otkrivanje neke informacije koja se ranije nije čitala. Možemo očekivati da se u tom delu što se ranije nije čitalo akumuliralo mnogo mutacija (nije testirano selekcijom jer se nije eksprimiralo), to značajno menja različte aspekte ovih ćelija: metabolizam i varenje drugih hranljivih materija, opstanak pod temperaturana koje nisu optimalne za kvasac, menjaju se molekuli koji određuju adheziju između ćelija. Transkripcioni faktor mod3 može takođe da bude prion, koji reguliše ekpresiju gena za različite adhezivne molekule na površini ćelije. U prionskoj konformaciji on toliko promeni ekspreijsu ovih gena da se javlja tendencija privaljenja kolonija kvasaca (pahuljičenje). To znači da je i pojava višećeličnosti mogla da bude uzrokovana, promenom konformacije proteina u prionske strukture. Kada sup35 pređe u prionsku konformaciju i otvori mnoge informacije koje do tada nisu bile otvorene, 25% tako nastalih fenotipova preživljavalo u novim uslovima što ranije nisu mogli. Pod stresom pojava priona kod kvasca se povećava 60 puta.

18

Soma-soma nasleđivanje kod višećelijskih organizama. Kako se somatička infromacije prenosi na somatičku infomaciju višećelijskog organizma, a da ne prođe kroz gametsku liniju. Soma-soma nasleđivanje je epigenetičko nasleđivanje u širem smislu, i zavisi od inter- i intraindividualnih interakcija između simbionata, parazit-domaćin, efekti materinskog ponašanja na fiziologiju i ponašanje potomstva, socijalno učenje i komunikacija itd. Soma-soma nasleđivanje je epigenetičko nasleđivanje u širem smislu: svaki višećelijski organizam od rođenja živi u određenom kontekstu sredine, u interakcijama sa drugim organizmima, taj sredinski kontekst može da stvara neprekidno kroz generacije iste stimuluse za epigenetičko oblikovanje aktivnosti gena. Primer: Mama ima nekog parazita koji u interakciji sa njenim ćelijskim sistemima menja epigenetička svojstva nekih gena. Njen potomak će dobiti tog istog parazita, zbog toga će i u potomstvu biti rekonstruisan epigenetički status mame. To je epigenetičko nasleđivanje u širem smislu. Primeri soma-soma nasleđivanja: 1) Pčele U košnici su genetički identične jedinke, a fenotipovi su vrlo različititi: - matica (hrani se, ukršta se, nosi jaja - jednostavno ponašanje), - radilice (mnogo različitih uloga i ponašanja - negovateljice, čistačice, istražuju i donose polen, komunikacija, orjenatacija itd). -trut Sve larve nakon izleganja prvih par dana se hrane matičnim mlečom, larva buduća matica nastavlja i dalje da se hrani mlečom, dok larve buduće radilice prelaze na ishranu nektarom i polenom. To menja ekpresiju njihovih gena: dalja ishrana melčom kod matica dovodi do sazrevanja ovarijuma; radilice nemaju zrele ovarijume, strerilne. Velika je razlika u aktiviranim genima.


19

To je soma-soma nasleđianje: u jednoj generaciji imamo ponavljanje sredinskog stimulusa koji pravi tu epigenetičku informaciju i takve fenotipove. U narednoj generaciji se to opet ponavlja. U svakoj generaciji se indukovanje isti epigenetički obrazac. U svakoj generaciji ponavljaju se isti epigenetički obrasci i u tom smislu soma-soma nasleđivanje epigenetike je veoma stabilno. 2) Pacovi - Kako mama može da utiče na biološku memoriju ranog iskustva. Praćena laktacija (dojenje) mame koja doji potomke samo u prvoj nedelji. Razikuju se brižne majke (timare, njuškaju mlade) i nebrižne. Ponašanje brižnih majki pali različite gene kod mladunaca u odnosu na nebrižne. Kod mladunaca brižnih majki (njihov endokrini odgovor) je povećana metilacija gena za glukokortikoidni receptor u hipokampusu. Ovi mladunci su pametniji (bolji rezultati na testu učenja i memorije), otporniji na stres. Kod nebržnih, potostvo ima povećanu metilaciju gena za estrogenskig receptor, pa žensko potomstvo kod takvih majki dostiže ranije polnu zrelost, promiskutetne su, ali više su otporne na infekcije i glad. Oba ponašanja u različitim situacijama mogu biti adaptivna. Ženke koje su imale nebrižne majke, velika je šansa da će ponoviti isti obrazac ponašanja, jer dolazi do ponovnog reprogramiranja mladunaca na isti način. To je soma-soma nasleđivanje. U prvoj nedelji laktacije, stepen metilacije različitih gena između ostalih i glukokortikoidnog receptora bitno menjaju celoživotni epigenetički status. -Kod miševa kada se ženke okote mogu da se razlikuju u pogledu toga koliko su brižne majke tokom prve nedelje laktacije. Brižne, timare svoje potomstvo. To ima veliki efekat na potomstvo i uzrokovan je povećanom metilacijom gena za glukokortikoidan receptor u hipokampusu. Potomstvo brižnih majki ima povećanu otpornost na stres, veću sposobnost da uči i memoriše u odnosu na potomstvo nebrižnih majki. Potomci nebrižnih majki će i sami biti nebrižni prema svom potomstvu. U prvoj nedelji laktacije, stepen metilacije različitih gena između ostalih i glukokortikoidnog receptora bitno menjaju celoživotni epigenetički status. Kada imamo nebrižne majke povećava se metilacija gena za estrogenski receptor. Pa ti potomci, posebno ženke, ranije ulaze u polnu reprodukciju, seksualno su neizbirljive i više su otporne na glad i infekcije. Tako da u situacijama kada je populacija u nepovoljnim životnim uslovima, kada ima malo hrane, adaptivna stratategija je biti nebrižan, zbog toga što to povećava reproduktivni uspeh te ženke, koje su neselektivne one su privlačnije mužjacima, imaju veći broj potomaka, koje su zbog drugačijih epigenetičkih markiranja su otporniji na glad, što je adekvatno za uslove u kojima se to dešava. Kod ljudi: ako je majka depresivna u drugom trimestru trudnoće, dolazi do metilovanja serotoninskog membranog transportera kod embriona. Ako mladunac ima problem sa transportom i efektima serotonina to utiče na aktivaciju pojedinih gena u neuronima. Ti potomcij imaju povećnau verovatnoću za različite simptome posttraumatskog stresa. Kod ljudi: Studija za 14.000 različitih gena kod adolescenata od 15 godina, koji potiču iz bružne porodice, i porodice u kojim su deca bila zanemarivana od prve godine do adolesecntnog perioda. Postoje velike azlike u ekspresiji gena kod ove dve grupe (slično pacovima). Majka instrutira epigenetički, mozak svog potomstva. I za muško i žensko potomstvo tokom prve godine života, ponašanje majke je od presudne važnosti na to kakva će biti epigenetička memorija koja će se odraziti i na psihološki stautus dece. Ponašanje oca je takođe važano, ali pik je oko 5. godine i bitnije je za devojčice, nego za dečake.

20

Ta memorija tog iskustva se teško može menjati, jer su to prve godine kada se beleže obrasci ekspresije u neuronima. Razlike u metilaciji, u svim ćelijama koje imamo - Način na koji smo svi odrastali i kakav je bio odnos u roditeljskoj sredini bitno određuje epigenetički status naših gena za čitav život. Kod depresivnih ljudi je drugačija metilacija glukokortikoidnih receptora, negho kod srećnih. To ne zavisi od objektivnih okolnosti, već od subjektivnog osećaja sreće i nesreće. Glukokortikoidni receptori su važni za neurotransmitere ali i za mnogo toga još: ima ih i na površini imunskih ćelija, stres menja status imuskih ćelija - veza psihosomatskih poremećaja. Soma-soma nasleđivanje podrazumeva ponavljanje epigenetičkog obrasca u svakoj generaciji, koje nije vezani za gametsku liniju, ali se neprekidno rekreira. To je epigentičko nasleđivanje u širem smislu. Soma-germ nasleđivanje je kada iz somatskih ćelija informacije dospevaju do gametksih ćelija, a kada dospu do gametskih ćelija one mogu da se prenesu u narednu generaciju. Soma-germ nasleđivanje, podrazumeva da bi somatičke promene trebalo da utiču na promenu obrazaca u germinativnim ćelijama tj. epigenetičke promene u somatskim ćelijama bi trebalo da utiču na epigenetičke promene u germinativnim ćelijama.

Kod biljaka je to lako pretpostaviti: biljke imaju meristeme, iz tih tkova može da se razvije i grančica i cvet i bilo šta drugo. Svaki spoljašnji uticaj na epigenetiku meristemske ćelije može da se premese u narednu generaciju ukoliko se ona diferencira u gamet i gametske linije. Kod životinja je to bitno drugačije. Najveći broj primera soma-germ nasleđivanja imamo kod biljaka, zato što kod biljaka celog života meristemske ćelije koje su izložene različitim sredinskim uticajima mogu da postanu polne ćelije. Kod njih je neposrednija veza između sredinskih uticaja na somatske ćelije i na nasleđivanje. Primer: Grabuljača Usled sredinske indukcije ona na listovima napravi puno dlaka (lepljive i toksične za herbivore) Sredinska indukcija je atak herbivora koji je jede, što je signal da u razviću razvija više dlaka. Ako u jednoj generaciji postoji ta indukcija, u još dve generacije će se (bez novih sredinskih indukcija) taj epigenetički obrazac će se ponoviti (preneti). Tu dolazi do hipermetilacije MID transkripcionog faktora.


21

Znači imamo neki stabilni obrazac koji dve generacije može da se prenosi Maslačak: Genetički identične biljke su izlagane različitih stresorima, praćeno je koliko se naslednih epigenetičkih informacija tu desi. Mnogo epigenitičkih informacija se prenosi na potomstvo. Kod biljaka je to lako jer nemaju jasnu podelu na somu i germ liniju.

Npr. maslačak (Taraxacum officinale) – apomiksijom se dobijaju genetički identične linije → izlaganje različitim stresorima → nasledne promene metilacije na brojnim mestima u genomu

Imamo i maslačak, tu imamo mogućnost da se apomiksijom vrši razmnožavanje bez pravog oplođenja pri čemu se opet mogu dobiti genetički indentične jedinke i tu se u sijaset eksperimenata pokazalo da izlaganje stresorima pravi epigenetičke obrasce koji su stabilni u manjem ili većem broju generacija zavisno od stresora i zavisno od toga šta je tu epigenetički izmenjeno.

-Kod grabuljače se javaljaju adaptivni epialeli za gustinu dlaka na listovima. To je važna karakteristika u kojoj učestvuje veliki broj gena, služi za odbranu od herbivora jer dlake luče toksičnu smolu. Kada se indukuje herbivorom veća produkcija dlaka (epigenetička informacija), to se nasleđuje najmanje dve naredne generacije (bez nove sredinske indukcije). Epigenetički obrazac koji je doveo do plastičnog odgovora (veće gustine dlačica) se održava još dve generacije. Ovde je važan transkripcioni faktor MID i da se hipermetilacija tog gena održava dve naredne generacije, bez novih indukcija. Znači provlači se kroz gametsku fazu još dve generacije. -Kod maslačka, kada su napravljeni klonovi, genetički identične jedinke, jer se on apomiksijom bespolno razmnožava, izlagani su različitim stresovima i tu su uočene nasledne promene epigenetičke regulacije. Zavisno od stresa različiti setovi gena su epigenetički izmenjeni i nasleđivali su se upravo takvi epigenetički obrasci.

22

-Kod životinja se postavalja pitanje: kako kod višećelijske životinje sredinski uticaj na telo životinje može da se slije u gametsku liniju i da ima uticaj na narednu generaciju? Pokazalo se da u tom procesu ogromnu ulogu imaju male nekodirajuće RNK (ncRNK). One se udružuju sa RISC kompleksima, one mogu da diriguju gde će se uspostaviti stanje hipermetilacije i različite druge modifikacije histona. Što je povezano i sa metilacijom same DNK. To su važne male interferirajuće RNK (siRNK), one udružene sa kompleksima mogu vrlo precizno da diriguju koji će se epigenetički obrazac uspostaviti. One mogu i da migriraju između ćelija, što se smatra jednim od načina kako male nekodirajuće RNK mogu da dospeju i u gametsku liniju. Primer: Nematoda Caenorabdites, hranjena je bakterijama koje imaju DNK niz koji traskripcijom daje dsRNK (dvolančana RNK) koja je triger za obradu i može da nastane siRNK (smol interfiring RNK). Ova siRNK (iz bakterija) targetuje ceh-13 gen Caenorabditesa koji je važan za razviće. siRNK dospeva iz smotskih ćelija do gameta. (Male ncRNK mogu da se kreću između ćelija i da ulaze u različite ćelija). Kod Caenorabditesa ova siRNK je dospela iz somatskih ćelija (jer je jeo te bakterije) u gamete, targetovala je ovaj gen, dovela je do modifikacija ovog gena (modifikacija DNK i hromatina) utišala je ovaj gen i napravljen je u sledećoj generaciji zdepasti fenotip. Taj zdepasti fenotip se ponavljao 40 generacija, bez ponovnog hranjenja ovim bakterijama (tj. bez novog stimulusa). siRNK se ubacila u genosku liniju, angažuje proteine DNK metil transferaze, histonske acetiltransferaze, targetuje gen i dođe do promene (metilacije DNK ili hromatina). Znači, ncRNK upravljaju reprogramiranjem epigenetičkim u potomstvu.

Kod soma‐germ nasleđivanja kod životinja imamo sada malo veći problem.

Tu imamo vrlo rano odvajanje gametske ćelijske linije od somatičke ćelijske linije, od svih ovih somatičkih ćeliskih linija koje možemo da zamislimo. Kako onda da se svije ta informacija do uskog grla gameta. Evo jedan jako dobar primer‐ vrlo direktno nasleđivanje soma‐germ:

Caenorhabditis elegans: ishrana bakterijama, hranjen je bakterijama koje imaju DNK niz koji može da produkuje dsRNK (dvolančane RNK)→ koje odgovaraju sekvenci gena ceh‐13 kod Caenorhabditis elegans‐ to je izuzetno važan TF koji učestvuje u razviću Caenorhabditis elegans) → iz te dvolančane RNK (dsRNK) produkuju se siRNK (small interfering RNA) koje onda targetuju gen ceh‐13 izazivajući njegovu metilaciju ili DNK ili hromatina dakle u svakom slučaju sprečavaju njegovu ekspresiju i evo šta se desilo, šta se tu pokazalo: to se desilo kada je Caenorhabditis elegans hranjen tim bakterijama, ta epigenetička indukcija desila se u somatičkim ćelijama, međutim pokazalo se da te siRNK migriraju iz somatskih ćelija ka gametima, znači odu i u gamete → tako da u narednoj generaciji te iste siRNK targetuju opet ista mesta koja će se ponovo utišati znači regrutuju sve one proteine, o tome smo dosta pričali, i diriguju time šta će se ponovo metilovati odnosno šta će se sve hemijski modifikovati i ugasiće određene gene a to je u ovom slučaju gen ceh‐13 i dovešće do modifikacija hromatina.

Kako se pokazalo ova ishrana dovodi do formiranja „zdepastog“ fenotipa i takav „zdepasti“ fenotip se prenosio stabilno u narednih 40 generacija bez da se dodatno ubacivala hrana. Jednom indukovano imamo prenošenje iste informacije u narednih 40 generacija dakle mali RNK molekuli jesu novi molekuli za prenošenje epigenetičke informacije i oni mogu da migriraju iz somatičkih ćelija u gamete, što do skora nismo znali, i da samim tim u gametskim ćelijama indukuju reprogramiranje odnosno obnavljanje obrasca koji postoji u gametima.

Primer: Aguti miševi Aguti gen ima više alela koji učestvuju u melanogenezi (boji krzna), pošto ima više alela i boje miševa se razlikuju (od svetlih do tamno braon).


23

Među tim alelima postoji jedan megastabilni epialel koji može biti metilovan ili ne, sadrži retrotranspozon IAP (=ME). Kada je ovaj epialel prisutan u genotipu, (a drugi je jedan od normalnih polimorfizama tj. alela), on ima plejotropno delovanje (boja krzna, razni metaboličiki procesi koji dovode do gojaznosti, različitih bolesti). Ako Genotip potomaka koji sadrži ovaj epialel (a drugi je bilo koji normalan alel) - ti miševi će biti žuti debeli sa svim problemima. Ali ako je njihova mama u ranoj trudnoći jela hranu sa puno donora metil grupa (vitamini grupe B, B12 folna kiselina), epialel će biti metilovan (utišan), i taj alel se neće ispoljavati fenotipski u potomstvu (iako im je prisutan u genotipu) i biće normalno. Ovo se prenosilo još 2 generacije (stabilan braon fenotip), a mršav fenotip do F3 generacije. Ovo se prenosilo ovako: IaP retrotranspozon koji je ubačen u ovaj epialel je zaštićen od demetilacije ( i u gametogenezi i u preimplantacionoj embriogenezi). Ako je metilovan to stanje metilacije će se održati i u gametogenezi i u embriogenezi, pa će ćelija imati utišan taj epialel. Tu se pojavljuje i siRNK (poreklom sa Iap retrotranspozona), koja opet kroz gamete instruira kasnije u potomstvu ponovno metilovanje ovog epialela. Imamo ponovo rekodiranje epigenetičkog obrasca kakav je bio kod roditelja. Postoje i siRNK poreklom sa tog ME-a koji sadrži ponovljive nizove i samim tim diriguje sintezu dsRNK iz kojih će nastati siRNK i vrlo je moguće da ti mali RNK molekuli (siRNK) ulaze u gamete. Pošto se radi o mekom nasleđivanju, ova informacije su gubi posle određenog vremena, ako nema nove sredinske indukcije. -Miševi Aguti gen ima više alela, učestvuje u sintezi pigmenata i aktivan u koži, različite varijante tog gena (aleli) dovode do modifikacija u boji krzna. Normalan fenotip boje krzna je braon. Među alelima ovog gena postoji jedan metastabilni epialel koji ima ubačen u sebe IaP retrotranspozon. Kada je prisutan ovaj epialel u genotipu dobijaju se miševi debeli, žuti, skloni dijabetesu i vrlo različitim bolestima. Dakle IaP epialel ima i plejotropni efekat (osim kože eksprimira se i u brojnim drugim organima, tako da kod ovih debelih miševa postoji niz problema - veliki, žuti i gojazni). Kada je ovaj epialel hipermetilovan on se gasi (dominantan je drugi alel u genotipu) i dobija se normalno potomstvo. U kom stepenu će biti metilovan ovaj epialel zavisi od ishrane majke. Ako majke u ranoj trudnoći jedu hranu koja sadrži donore metil grupa (folna kiselina, vitamini iz B kompleksa, čokolada) i iako je bila ukrštana sa mužjacima koji imaju ovaj epialel, među potomstvom te majke nije bilo žutih i debelih jedinki. Nema tih jedinku u potomstvu ukoliko je majka bila na ishrani bogatoj donorima metil grupa. Ovo epistanje se nasleđivalo do dve generacije nakon prve generacije ishrane majke, mršav fenotip do F3 generacije (F0 je majka koja je jela). Mehanizam ovog epigenetičkog nasleđivanja? Retrotranspozon IAP je tokom svih brisanja epigenetičkih markera je zaštićen od demetilacije. On se zadržava kao marker metilovan i u brisanju tokom gametogeneze i u preimplantacionom periodu razvića. Tu može da se desi rekonstruisanje metilacionog obrasca posredstvom siRNK (koja je poreklom sa IaP retrotranspozona). Dakle, epigenetički se nasleđuje i ponovo se rekonstituiše roditeljski epigenetički obrazac. E sad, šta učestvuje u tom epigenetičkom nasleđivanju? Prvo pošto je ME ugrađen verovatno je njegovo gašenje tj. njegova metilacija održava, čak i preživljava sve faze brisanja (reprogramiranja) u velikoj meri znači ako je metilovan ME manja je šansa da će metilacioni marker sa njega biti skinut. Postoje i siRNK poreklom sa tog ME-a koji sadrži ponovljive nizove i samim tim diriguje sintezu dsRNK iz kojih će nastati siRNK i vrlo je moguće da ti mali RNK molekuli (siRNK) ulaze u gamete.

24

Ljudi

Sredinski uticaj. Epigenetička informacija se nasleđivala. - Istraživanje je urađeno na današnjim unucima ljudi koji su kao muški tinejdžeri u Švedskoj (XIX vek) gladovali. Kod unuka tinejdžera koji su gladovali u XIX veku je produžen životni vek (imaju manje problema sa bolestima). Moguće je da je proenošenje infromacije povezano za IFG2 (inslin growth faktorom rasta). - Glad u Holandiji (1944-45 godina), ljudi začeti u vreme te gladi imaju dosta nići stepen metilacije IGF2 gena (tj. insulin growth faktora 2), gojaznost, dijabetes, kardiovaskulane bolesti. Oni koji su bili ranije začeti pre gladi nemaju ove efekte.Znači, neki trenusi u razviću mogu biti vrlo podložni sredinskim uticajima, a neki drugi ne. Začeće i rani periodi embriogenezi su podložni sredinskom uticaju - gladovanju majke. Primeri: -Potomstvo začeto u vreme velike gladi u Holandiji, tokom II svetskog rata (zime 1944-45) ima niži stepen metilacije insulinskog faktora rasta, a posledica je da potomstvo ima povećanu gojaznost, dijabetes, kardiovaskularne bolesti. Znači samo ono potomstvo koje je začeto u vreme gladi, a ne i potomstvo kada su majke bile u poodmakloj trudnoći u vreme gladi, što ukazuje da u određenoj fazi razvića ovaj epigenetički uticaj jeste važan. -U Švedskoj u XIX veku ukoliko su dede kao tinejdžeri gladovali, njihovi unuci imaju produžen životni vek, imaju mnogo manju incidencu dijabetesa. (Znači unuci, to je druga generacija). Ne zna se tačno na koji način se ova informacija prenosila. -U Gambiji, u Africi analiziran je epigenom leukocita dece iz seoskih krajeva Gambije koja su začeta u kišnom i u sušnom periodu, što znači da su se majke različito hranile u tim periodima. Tu su potpuno različiti geni više, odnosno manje metilovani, tj. epigenetički obeleženi kod jedne i kod druge dece. Na koji način se ovo nasleđuje, dotle studija još uvek nije stigla, ovo je prva generacija.


25

Ovde postoje paralelni efekti: - Mama i njeni gameti. Isti sredinski stimulusi daluju i na njenu somu i na njene gamete to su paralelni efekti. Sredina deluje i na njene telesne ćelije i na gamete (ali u kojoj meri na gamete). Analaiza spermatozoida i jajnih ćelija daje odgovor: - sami spermatozoidi imaju na svojoj površini 8 hormonskih i 16 receptora za citokine, znači sami gameti su podložni epigenetičkoj modifikaciji. - oocite imaju receptore za različite hormone, za estrogen, androrecepor, hormon rasta, serotonin, za značajne molekule u signalnom putu NOČ 1 i 2. Pošto postoje receptori znači da sredenski stimulusi, jako utiču na epigenetički status samih gameta, a ne samo na somatske ćelije. Primer: Moljac - njihove larve, usled teperaturne indukcije ili su stavljene u električno polje, to su bile larve sa mutacijom (kratka krila i loša reprodukcija), pri temperaturnoj indukciji dolazi do supresije ove mutacije (ovaj alel je ugašen) i dobije se normalno potomstvo i situacija se zadržava 5 generacija. To je paralelni efekat: Teperaturna indukcija je delovala i na somu tih larvi, i na njihove gamete. Pacov: Neki sredinski stimulusi mogu da deluju samo na gamete, a ne na somu: Pacov u periodu organogeneze kada mu se odvaja gametska ćelijska linija, tretiran je androgenskim supresorom, to se odrazilo samo na njegove gamete, ne i na njegovo telo. Dobija gamete koji imaju takve epigenetičke modifikacije, da u potomstvu ima povećana incidenca tumora, različitih bolesti, loša reprodukcija potomaka. Ovaj uticaj na gamet je doveo do izmenjene matilacije najmanje 15 gena. I ta situacija se održala naredne 3 generacije bez dodatnih sredinskih uticaja. Soma-germ, sredinski uticaj utiče direktno na germinativne ćelije, na promenu epigenetičkog statusa u njima. Tu postoje paralelni efekti tj. sredinski efekat može istovremeno da utiče i na somatičke i na germinativne ćelije; znači nema prenošenja iz some u germ, već su istovremeno oba tipa ćelija pogođena nekim sredinskim stimulusom.

26

Primer: - larve moljca izlaganje temperaturnom šoku, ili el.polju dovelo je do supresije mutiranih efekata. Larve moljca sa SA mutacijom (kraće antene i loš reproduktivni uspeh), Temperaturni šok supresira ovu mutacij i dobijaju se normalne jedinke. Ova se promena ima veze sa modifikacijom hromatina na određenom skupu gena. Ona je istovremeno zahvatala i gametsku liniju koja se formirala u larvama, i somatsku liniju larvi, pa je ovo paralelni efekat. Stabilan epigenetički status se zadržava tokom pet generacija. - Gameti istovremeno reaguju na sredinske stimuluse kao i čitavo telo jedinke jer: i spermatoziodi i oocite imaju receptore za različite hormone. Ako postoji sredinski stimulus koji utiče na promenu hormonskog statusa tela koji će zatim pokenuti promene epigenetičkog statusa naših ćelija, to će uticati i na promenu epigenetičkog statusa naših gameta, jer i oni imaju receptore za hormone. Kod spermatozoida je pronađeno 8 hormonskih receptora i 16 receptora za različite citokine, a kod oocita različiti receptori za hormone (za estrogen, za antroreceptor, za hormon rasta, za neurotransmitere (serotonin), za Notch1 I Notch2 koji su bitni u transdukciji signala). Tako da ne samo somatske ćelije već i gameti imaju receptore i mogu da osećaju uticaje životne sredine. - Uticaji životne sredine mogu da se odraze na gametsku liniju, ali ne i na somatičku liniju i tu je jasno da se tada kroz gametsku liniju mogu prenositi takvi epigenetički obrasci. Kod pacova je urađen tretman androgenskim supresorom u periodu kada se gametska linija odvajala, dobijeno je: nije bilo efekata na somatičkim ćelijama samog pacova, ali potomstvo je bilo obeleženo većim incidencom tumora, raznih bolesti, padom imunog sistema, smanjen reproduktivni uspeh i tu je pokazano da je metilacijom izmenjena ekspresija najmanje 15 gena, a uticaj je bio samo na gametsku ćelijsku liniju. Takav epigenetički status je nadalje bez nove sredinske indukcije održan tri generacije.


27

Paramutacije (nisu mutacije koje dovode do promene sekvence) dovode do promene u ekspresiji gena. Kod paramutacija, ako je jedan alel suprimiran, može da dovede do paramutiranja drugog alela i da tako i njega suprimira. Primer: Kukuruz, B1 gen (to je TF koji učestvuje u sintezi antocijanina), kada ima varijantu (epialel) Bi ima puno antocijanina i biljke su tamne. Drugi epialel B prim je utišan. Kada je biljka heterozigot Bi-Bprim, dobiće se svetle biljke bez obzira što jedan epialel treba biti aktivan. Oko 100 Kb uzvodno od B1 gena, ima 7 ponovaka od 800 nt, i tu je region pojačavača. Ovi ponovci i region pojačavača se transkribuju, nastane dsRNK koja je triger za siRNK. RNK zavisna RNK polimeraza umnožava siRNK. siRNK targetuje gašenje gena sa kog potiče, u toj količini targrtuje i drugi alel, da se i on ugasi - ona paramutira i drugi alel. Taj paramutirani ako se nađe u heterozogotu isto će imati sposobnost da paramutira itd. Najzanimljivije je, što i sad paramutirani epialel takođe će, kada se nađe u kontaktu sa ovim drugim epialelom, da izaziva paramutaciju tog drugog epialela. Dakle, imamo nasleđivanje ove sposobnosti da jedan epialel paramutira drugi alel. Primer: Miševi, ovde učestvuje miRNK u paramutiranju. Kit gen (gen za tirozin kinazu), važan, - homozogtni mutanti ne preživljavaju tj. ne završavaju organogenezu. - heterozigot kit mutirani alel - normalni alel nastaje fenotip sa belim šapama i vrhom repa (jer tirozin kinaza učestvuje u melanogenezi). Ukrštanjem heterozigota sa homozigotom, dobija se neočekivana velika proporcija mladunaca sa belim nožicama i vrhom repa. Imaju genotip bez mutacije ali dobija se fenotip bele šape i rep.

28

Zbog ove mutacija tj. sa mutiranog alela se produkuju (čitaju) brojne falične iRNK (pogrešna dužina, bez poliArepića). To indukuje RNK interfernciju preko miRNK. miRNK bi trebalo da smanjuje ekspreiju ovog mutiranog alela. U narednoj generaciji, spermatozoidi ovakvih mužjaka sadrže povećanu količinu te falične iRNK, i kada se ukrste sa normalnim fenotipom ta povećana količina falične opet indukuje RNK interfernciju. To je paramutacija - epigenetičko nasleđivanje koje je vezano za nekodirajuću RNK i nije vezano za transkripcioni nivo, već za postranskripcioni nivo. Ovakav fenotip se prenosi čak 6 generacija, ukoliko se ukrštaju paramutirane jedinke, i 2 ili 3 generacije ako se ukršataju paramutirani sa normalnim jedinkama. Paramutacije - epigenetički transfer informacije sa jednog alela na drugi pri čemu se uspostavlja stanje genske ekspresije koje se nasleđuje. da se zadržimo na transkiptivnom nivou: vi imate dva alela- jedan je u aktivnom statusu a drugi je u neaktivnom statusu. Ima situacija gde jedan alel koji je npr. u neaktivnom stanju, paramutira u drugi alel kada su prisutni u istom genu, znači epigenetičko stanje jednog alela izaziva epigenetičke izmene drugog alela i to je paramutacija pri čemu se taj paramutirani status nasleđuje. Primer paramutacija vezan za posttranskripcioni nivo i miRNK (dok je kod kukuruza radilo o siRNK). Kod miša na Kit genu koji kodira za tirozin kinazu: homozigoti za Kit+/+ su normalni, braonkasti pacovi, - Homozigoti za mutirani Kit (označen kao Kit tm1Alf - mutacija delecija koja obustavlja sintezu tirozin kinaze). Homozigoti za mutirani Kit ne mogu da prežive jer je tirozin kinaza vrlo važan enzim za brojne funkcije. - Heterozigoti za mutirani Kit preživljavaju ali njihov fenotip je beli repić i bele šapice i tako se prepoznaje koji je heterozigot za mutirani Kit a koji je homozigot za Kit+/+. Kada se ukršta ovaj heterozigot za mutirani Kit (Kit+) sa normalnim homozigotom Kit+/+ dobijaju se jedinke koje su normalni homozigoti Kit+/+ ali među njema veliki procenat ima beli rep i bele šapice. I kod njih imamo neki fenotip koji nismo očekivali za taj genotip. Rekonstrukcija događaja: u heterozigotu zigot produkuje određene proporcije nenormalnih RNK molekula, bez poliA repića, znači dešava se transkripcija i nastanu nenormalne RNK. To sada trigeruje RNK interferenciju pri čemu su u nju uključene miRNK koje prepoznaju one MRE regione i suprimiraju aktivnosti tih nenormalnih RNK molekula. One se međutim nalaze i u gametima i prenose se i u gamete tako da kada vi imate normalni genotip iz prethodnih ukrštanja sa roditeljem koji je bio heterozigot za mutirani Kit vi sada imate višak miRNK koje suprimiraju ekspresiju i kad ne treba i zbog toga imate taj parafenotip koji ne odgovara fenotipu koji očekujete. Ovako nešto se nasleđivalo čak do F2 generacije ukrštanja paramutanata sa normalnim Kit+/+ jedinkama koje su imale normalni fenotip: tokom dve generacije se to održavalo kao epifenotip i tokom 6 generacija su jedinke koje nose te parafenotipove međusobno ukrštane znači opet zanimljiv fenomen. Ovde nam paramutacija u stvari nije na nivou transkripcije već na posttranskripcionom nivou.

Ovo su bili brojni primeri koji nam govore o tome na koje sve načine neki epigenetički markeri na nivou transkripcije mogu da se provuku i kroz mitozu, i kroz mejozu, mogu da budu indukovani ili u somatičkim ćelijama pa da se prenose u gametske ćelije, ili mogu biti indukovani u samim gametskim ćelijama npr paralelnim efektima, ili male ncRNK mogu u gametima ponovo da se prenesu u narednu generaciju i da tu diriguju rekonstrukcijom epigenoma koji je bio prisutan kod roditelja.


29

Imamo dva nivoa nasleđivanja (genetički i epigenetički). Moderna sinteza priznaje samo genetički (tvrdo nasleđivanje), Evo-devo uzimo u obzir i epigenetičko nasleđivanje i to je osnovna razlika tj. mogućnost da fenotip koji je sredinski indukovan bude i nasleđen. To bitno menja percepciju evolucije. Evo-devo ne kaže da jednom indukovani fenotip će biti stabilan u narednim generacijama, zato to i jeste soft nasleđivanje, bez novi sredinske indukcije ta epigenetička informacije kroz generacije pre ili kasnije izgubiti. Po evo-devo koncepciji, ako postoji kontinuirana sredinska indukcija, ukoliko populacija kroz generacije živi pod istom sredinskom indukcijom (primer genetičke akomodacije), znači da će seleckija da fovorizuje upravu takvu epigenetičku informaciju koja vodi razviću fenotipa koji je najadekvatniji za tu životnu sredinu. Recimo kroz genetičku asimilaciju odnosno kroz kanalisanje razvića, upravo takav fenotip jeste adaptivan i onda će selekcija favorizovati kanalisano razviće (kanališuća selekcija). Ukoliko se selektuje taj epigenetički fenotip, možemo da očekujemo epigenetičku akomodaciju kao prvi nivo. Boldvin efekat - svaka mutacija koja stabilizuje takav pravac nasleđivanja će biti favorizovana. Šmaljhauzen - usled sredinskih indukcija promeni se adapivni fenotip, promeni se pravac razvića, ali se otvara i skrivena genetička varijabilnost. U toj skrivenoj genetičkoj varijabilnosti ukoliko neke varijante vode kanalisanju ka optimalnom fenotipu biće favorizovane. To je u evo-devo koncepciji način da fenotipska promena prethodi genetičkoj promeni. Ne mora da se čeka da gen mutira da bi se pojavio neki fenotip. Fenotip može da se pojavi usled sredinske indukcije, a onda da kroz generacije se selektuje upravo takvo razviće koje je epigenetički modifikovano. Tu je važno da se i epigenetički markeri mogu nasleđivati. Ukoliko to traje dovoljno dugo, svaka genetička promena koja vodi upravo takvom razviću će biti selektovana i to je onda i Hard promena - tj. genetička promena. I Boldvin i Šmaljhauzen kažu genetička promena će slediti fenotipsku promenu ako se dese neke mutacije u genima koji su uključeni u to razviće.

30

Da li epigenetička promena može da doživi direktnu konverziju u genetičku promenu:

Regioni koji su izloženi epigenetičkoj regulaciji npr. DNK metilacija - metiluju se Citozini u pojačavačima i promotorima. Dobije se 5-metilcitozin. Ukoliko se 5-metilcitozin dezaminuje dobije se Timin, tj. umesto GC para dobije se GT par. Reparacioni mehanizmi ne mogu dobro da razlikuju T i C. Ukoliko ne poprave ovu zamenu nukleotida, u sledećeoj replikaciji umesto GT para dobičemo AT par. To je tačkasta mutacija (promena sekvence). Rezlutat toga: ako je citozin metilovan u regionu koji podleže epigenetičkoj modifikaciji jer tu DNK metiltransferaza kontroliše da li je gen aktvina ili ne, ukoliko se tu izgubi Citozin, gubi se mogućnost da se tu reguliše ekspresija i taj genotip se fiskira. Promenjena sekvenca može da znači promenu pozicije nukleozoma, jer njegov položaj zavisi od same skevence, a nukleozom tj. njegov položaj takođe spada u vid epigenetičke modifikacije. I to je opet fiksacija određenog genotipa. Znači, ona mesta podložana epigenetičkoj modifikaciji podložnija su i mutacijama. Ako imamo neku epigenetičku modifikaciju koja se transgeneracijski prenosi (npr. metilovan neki gen), u nekoj životnoj sredini stalno je takva modifikacija aktuelna, tu je veća verovatnoća da će se desiti mutacija nego u drugim delovima genoma i ta mutacija može da fiksira upravo takvu varijantu ekspresije. Zašto je važno da tp sve pređe u genetičku informaciju? To ne ono tvrdi nasleđivanje, to je definitovni pokazatelj da je došlo do evolucije - želimo da kažemo da je evolucija genetička promena. Soft nasleđivanje može da utiče na pravce evolucije na sve do sada opisane načine. Ali na kraju ipak želimo da se desi i ta genetička promena koja će utvrditi tu promenu i to je onda Hard tvrda evolucija. ______________________________________________________________________________________


31

Kakve to sad ima veze sa evolucijom, kako se to ovde može prenositi?

Svaki od ovih nivoa epigenetičkog nasleđivanja nakon indukcije polako se ti epigenetički markeri transgneracijski gase i nestaju, zbog toga se to i zove meko nasleđivanje. Kod gena nemamo taj problem, gen ostaje isti i ne gubi svoj identitet kroz generacije. Epigenetički markeri traju određeni broj generacija i onda se izgube bez nove sredinske indukcije, oni traju kraće ili duže, ali svakako se gube. Kako to kad je tako nestabilno može da utiče na sam proces evolucije? Evo-devo kaže: u jednoj životnoj sredini transgeneracijski mi stalno imamo istu sredinsku indukciju, tako da stalno imamo ne samo prenošenje epigenetičke informacije, već i stalno generisanje upravo te epigenetičke informacije i selekcionisanje upravo takvog fenotipa koji je adekvatan za tu životnu sredinu. Setimo se Boldvinovog efekta genetičke asimilacije, prvo sredinska indukcija zbog plastičnosti, zbog široke norme reakcije omogući da se napravi jedan fenotip, i ukoliko je on adaptivan selekcija će taj fenotip da favorizuje bez obzira na koji način se on ostvaruje genetički ili epigenetički. To će postajati najzastupljeniji fenotip koji tu postoji. Iz Vodingtonovih eksperimenata videli smo kako da prvo dolazi do epigenetičke akomodacije, do utvrđivanja upravo takvih puteva razvića koji vode upravo tom fenotipu, nadalje bilo koja genetička promena koja vodi fiksiranju tog fenotipa biće favorizovana selekcijom – to bi bila genetička akomodacija. Nešto što je nekada bio isključivo sredinski indukovan fenotip, ukoliko to dovoljno dugo traje, ukoliko selekcija transgeneracijski favorizuje upravo takav fenotip, možemo da očekujemo genetičku akomodaciju u smislu da u jednom trenutku više nije potrebna sredinska indukcija da se pojavi taj fenotip, već prosto to postaje ustaljen pravac razvića. Bitno je reći da uopšte ne moramo videti vezu mutacije sa konkretnom osobinom koja nas zanima, ona može biti bilo koji nivo u procesu razvića, koji će u onom Vodingtonovom epigenetskom pejsažu podići onaj nabor u nekom trenutku. Postoji još jedna ideja koja govori o tome kako mnogo direktnije epigentička informacija može biti transferovana u genetičku informaciju. To je jedan model koji prosto pije vodu iako ne znamo kako bi eksperimetalno bio testiran osim u modeliranju. Kaže se da regioni koji su izloženi sredinskoj indukciji epigenetičke kontrole skloniji su da mutiraju.

32

Prilikom DNK metilacije nastaje 5 metil citozin. Znači regioni koji se nalaze pod epigenetičkom kontrolom skloni su da imaju petu bazu 5 metil citozin. Dezaminacijom 5 metil citozina nastaje timin. Timin umesto citozina se u reparacionim procesima prilično teško prepoznaje. Postoji podatak da reparacioni mehanizmi prepoznaju, ali vrlo često i promakne im promena iz citozina u timin. Šta je posledica? Ako imamo region koji je vrlo često metilovan, imamo puno 5 metil citozina, dezaminacijom 5 metil citozina se može dobiti timin koji neće biti ispravljen. U narednoj replikaciji na mestu gde je bio G-T dobija se sada A-T. I eto je mutacija. Šta je posledica toga? Prvo ukoliko ste izgubili citozin (metiluju se C-G dimeri), gubljenjem citozina izgubljeno je mesto za metilaciju. Ako smo izgubili mesto za metilaciju, vi smo izgubili mogućnost da sredinski indukujete promenu - fiksiran je fenotip. Znači, određeni fenotip koji je ranije mogao biti korigovan, zbog toga što je bio pod uticajem epigenetičke promene, sada više nije jer je izgubljeno mesto za metilaciju, taj fenotip postaje fiksiran. Druga stvar, ukoliko ovi regioni češće mutiraju, to znači promenu sekvence, mi znamo da pozicija nukleozoma zavisi između ostalog i od toga kakva je sekvenca, a pozicija nukleozoma određuje aktivnost gena u tim regionima gde se nalazi gen. Ukoliko se promeni sekvenca, a to izazove promenu pozicije nukleozoma, mi opet možemo imati promenu u načinima regulacije i možete opet imati takvu promenu koja dovodi do fiksacije određenog fenotipa. Ovo bi bio primer zašto bi neke epigenetičke promene mogle zapravo da budu mnogo direktnije povezane sa genetičkim promenama, a kada se epigenetička promena usadi u genetičku mi onda više nemamo problem mekog nasleđivanja, mi sada imamo tvrdo nasledjivanje. ______________________________________________________________________________________


33

Lajtmotiv našeg kursa je stres - uticaj životne sredine na promenu fenotipa. U eco-evo-devo koncepciji pokušavamo da tu sredinsku promenu uklopimo u priču o samoj evoluciji. - Sredinski uticaj po eco-evo-devo nije samo filter za fenotipove koji direktono proizilaze iz genotipa, već ima formativnu ulogu. Kada se promeni životna sredina, menja se epigenetička regulacija genoma. Kod fenotipske plastičnosti - ako se promene geni koji su aktivni a koji nisu, to menja kompletnu genetičku varijansu. To može da otkriva genetičku varijabilnost koja je do tada bila skrivena. Epigenetika puferiše genetičku varijabinost, ona ne dozvoljava da se mnogo od te genetičke varijabilnosti (na tvrdom nivou) ispolji. Svaki nivo regulacije puferiše genetički varijabilnos i kada se to promeni dolazi do otkrivanja genetičke varijabilnosti - to je otključavanje epigenoma. Kako formativna uloga sredine može da promeni pravce evolucije:

dakle: - Ukoilko imamo jednu populaciju koja nema neku veliku ispoljenu genetičku varijabilnost, kada se promeni epigenetička regulaciju ispoljiće se neki geni (koji do tada nisu bili aktivni). I to je nova genetička varijansa (=ta pokazana varijabilnost) koja sada može da bude selektovana. - Takođe, ukoliko imamo epialele koji se nasleđuju, znači, sredinski stimulus napravi neki epialel koji može da se nasleđuje (videli smo na koje načine). On može da formira novu varijabilnost koja će sada selekcijom biti filtrirana. Znači, selektovaće ne samo genetičku, već i epigenetičku varijabilnost, jer ono što selekcija vidi je fenotip i ništa drugo.

34

Kada je gnom pod stresom - velike promene i novine tokom evolucije su nastale u periodima kada su se desile velike promene u životnoj sredini (nastanci novi telesnih sklopova, velike adpativne radijacije čitavih grupa organizama). Znači, stres indukuje veliku genomsku promenu. To smo dovodili u velu sa otključavanjem ME-ata. ME-e pod kontrolom drže epigenetički mehanizmi, ako stres pormeti epigenetičke mehanizme, oslobodiće se ME-i i praviće nered po genomu. Npr. Piwi proetein koji treba u gametima da kontroliše ME-e, ukoliko je gamet pod streseom u gametogenezi, funkcionalnst proteina tada treba da održava neki šaperon, a pri velikom stresu ne može da se održi funkcionalnost piwi proteina koji treba da drži pod kontrolom ME-e. Tako stres može da izazove direktno promenu u gametima. Otključavanje epigenoma podrazumeva i divljenja ME-ata, a to dovljanje dovodi mutageneze (pojave novih genetičkih varijanti, ali i povećavanje verovatnoće da s epojave pored štetnih korisne mutacije). Ovakvo ponašanje genoma ubrzava potencijal adaptivne evolucije. Da li je mutageneze pod uticajem stresa upotpunosti neslučajna? Da li je genom organizovan tako da bilo gde može da se desi mutageneza? Smatra se da su genomu organizovani tako i čuveju ME-e u određenim regionima koji su podložni uticajima stresa (fabrike gena u određenim delovima genoma, gde ima dosta ME-a, pa tu imamo efekte duplikacije gena itd...) (Barbara Meklintok)ME su kontrolni elementi mutageneze, pod stresom njihov položaj u genomu je takav da određeni ME-i izazovu određeni mutageni efekat. Ako tako sagledamo genom to ograničava slučajnost mutageneze. Ako je genom ogranizovan tako da njegova plastičnost i nesaršenost dovode do pojave novih genetičkih varijanti na određenim mestima sa većom verovatnoćom nego na nekim drugim mestima. Ona, ME smatra kontrolnim elementima adaptivne mutageneze.

Dakle, u odnosu na modernu sintezu koja posmatra gene, evo-devo koncepcija posmatra genom. "Ne znaimaju nas" pojedinačni geni i njihove promene (njihova učestalost se menja što je fakat evolucije), ali kada pričamo o skokovitosti evolucije i krupnim promenama, mi ne možemo da govorimo o pojedinačnim genima, već govorimo o čitavim genomima i kako se ponašaju i izgledaju. Današnji autori: mi smo evoluirali od stava da je genom stabilan i rigidan entitet, do stava da je gnom vrlo plastičan i visoko osetljiv na sredinske stimuluse. Radman: nestabilnost genoma je upravo adaptacija. Genomi nisu precizni, imaju nesavršenost reparacionih mehanizama, zašto se čuvaju svi ti ME-i, po Radmanu je to adaptacija, osetljivost i plastičnost genoma je adaptacija ogranizma.


35

O fenotipskoj plastičnosti je pročano kao o visokousaglašenim evoluiranim kontronim elementima, ovo viđenje genoma kao nestabilnog može da nam promeni ideju o tome šta je fenotipska plastičnost. S jedne strane mogućnost primanja i prenošenja signala kroz ćeliju na tačno određen način, paljenje i gašenje gena jeste važna i u mnogo aspekata je to evoluirana osobina. Ali, uzimajući u obzir nestabilnost genoma i mogućnost da životna sredina kreira odgovor genoma koji može da bude u ogromnoj meri nepredvidiv - to je takođe plastičnost na fenotipskom nivou. Dakle, nestabilnost genoma daje nam ideju da je fenotipska plastičnost nešto više još od ove evolirane osobine plastičnosti. Da sumiramo: Ovde nam se pojavljuje taj "Duh Lamarka" u kontekstu da mi sada govorimo da li životna sredina može da usmeri evolucionu promenu. Lamark je govorio: promena živone sredine - promena potrebe - promena ponašanja - upotreba organa - i to je jedna prilično direktna promena. Mi danas ne govorimo na taj način. Mi danas znamo preko epigentičkih promena, epigentičkig asimilacija, znači mnogo moleukskih mehanizama mogu da dovedu do toga da životna sredina može da usmerava pravce evolucionih promena. Dakle to nije identično Lamarku, ali se pomalja "duh Lamarka" koji modernoj sintezi ne odgovara. Dakle, mi ne govorimo o direktnom prevođenju nasleđivanja stečenih osobina, već o molekulsim mehanizmima koji mogu da dovedu do toga. Ne nužno, ali mogu.

Poređenje: Lamarkijanski modalitet ili "Duh Lamarka vs Darvinovski modalitet (Moderna sinteza) Lamrakijanski pristup: sredinski faktori mogu da dovedu do - sredinski usmerene fenotipske promene - sredinski usmerene mutageneze u određenoj meri i da se dobiju neki adaptirani mehanizmi. Darvinovski pristup: mutageneza je neslučajna, nema veze sa životnom sredinom. Tek nastala genetička varijabilnost biva testirana u određenoj životnoj sredini kroz delovanje PS-e i dobijamo adaptirane mehanizme. Mi smo ovde između ovih gledišta. Često se u nauci stare ideje ponovo javljaju.

36

Suma ovog kursa:

Mi ne negiramo genetičku promenu i modernu sintezu - to je Darvinovski porces. I sve je to uredu dok se nivo stresa ne poveća. Sa povećanjem nivoa stresa značaj nestabilnosti genoma, odgovora genomskih, epigenetičkih, odgovora ME-ata na životnu sredinu i njihova uloga u evoluciji je veća pri većem nivou sresa. Pri malom nivou stresa je mala. Kako se strs povećava, kako je uticaj životne sredine jači i nestabilniji to je odgovor genoma takav da se dobija sve više plastičnosti i odgovora koji su epigenetički usmereni. Lamarkijanski modalitet se povećava sa nivoom stresa u populaciji. Kada stresa nema ona imamo klasični Darvinoski populaciono genetički model. Tu imamo gene - desi se neka mutacija - pa seuspostavlja adaptivna ravnoteža - selekconišu se adaptivni genotipovi itd. Dok je stres mali populaciono-genetička priča stoji. Što je sres veći imamo nestabilnost genoma koja postaje jako važna za definisanje pravaca evolucije.


37

__________________________________________ Uloga stresa u formiranju epigenetičke i genetičke varijabilnosti. Stres jako utiče na procese evolucije. Genomi su načelno osetljivi na uticaj stresa.

Uloge stresa: Promena epigenetičke regulacije genoma. Glad, promena temperature i pH, suša sve je to stres za organizam, što znači da je uloga stresa ogromna. Stres je uticaj nekog sredinskog faktora. Prva promena u genomu jeste epigenetička promena, jer genom reaguje epigenetički na uticaj životne sredine. Ukoliko se epigenetički markeri promene ( tj. neki geni upale, a drugi ugase), nova životna sredina (njen stresni uticaj) može dovesti do otkrivanja nove genetičke varijabilnosti (= da se ispoljava ono što se do tada nije ispoljavalo zbog epigenetičke promene). To se zove otključavanje epigenoma - potpuno se dekonstruiše onaj epigenetički obrazac koji je ranije postojao. Znači da su genomi osetljivi i nestabilni. Šta je rezultat ovakvih procesa? Osnovni zadatak epigenetičkih mehanizama je držanje pod kontrolom ME-a. Kada otključamo epigenom to je kao da ste pustili s lanca ME-e i eto nama indukcije genetičke varijabilnosti. Ukoliko su se promenili obrasci epigenetički, mi imamo promene i epialela, odnosno promene obrazaca aktivnosti gena. slika primer: - Jedna populacija živi u stabilnoj životnoj sredini, desi se stres. - Prva posledica toga jeste otključavanje epigenoma. - Jedna od posledica otključavanja epigenoma je formiranje nekih novih naslednih epialela (nasledni u svim onim situacijama koje smo pomenuli kako se mogu nasleđivati epigenetičke informacije). Tada se kreira nova fenotipska varijabilnost koja ne mora biti genetička ali jeste epigenetička. Selekcija će u svakom slučaju da favorizuje npr. veće jedinke bez obzira da li u osnovi većih jedinki leži genetička ili epigenetička promena, za selekciju je to nebitno. Tako da možemo imati selekciju od populacije malih jedinki, u novim uslovima životne sredine zbog epigenetičkih promena selekciju velikih jedinki u toj populaciji. Otključavanje epigenoma može da dovede do aktivacije ME, do pravljenja nove realne genetičke varijabilnosti, na koju će opet delovati selekcija.

38

Stres preko promene epigenetičke regulacije može da dovede do promena prvo u količini varijabilnosti na koje selekcija može da deluje, i u pravcima delovanja selekcije. Stres ustvari povećava verovatnoću pojave korisnih mutacija. Učili samo da su mutacije apsolutno slučajne, međutim u evo-devo koncepciji koja više ne posmatra gen, već čitave genome, kaže se da genomi imaju takvu strukturu da su programirani za stres, odnosno da su neki delovi genoma podložniji mutacijama u uslovima stresa od drugih delova genoma. Dakle, u stresu kao posledica otključavanja epigenoma, ili aktivnosti ME, neće mutirati bilo šta, odnosno veća je verovatnoća da će određeni delovi genoma mutirati. Barbara MekKlinton (nobelovka za ME) kaže da su ME kontrolori mutacija, da postoje ME koji su skloniji da se šetaju po genomu u uslovima stresa i da na taj način kontrolišu mutacije koje će se desiti. Da li stres i ovakve strukture genoma mogu da izazivaju ne samo slučajne već i neslučajne mutageneze?!

Evo-devo koncepcija posmatra genome, a ne pojedinačne gene. I navedeno o genomu potvrđuje tezu da je nestabilnost genoma adaptacija na životnu sredinu. Znači, svi ovi mogući odgovori genoma mogu se posmatrati (nestabilnost i osetljivost genoma) kao trend u evoluciji, kao adaptacija, omogućavanje odgovora na promenu životne sredine. Mutacije ne moraju biti sličajne - da li mutacije mogu biti usmerene? Da li su pravci promena genetičke ili epigentiče varijabilnosti, slučajni ili mogu biti u velikoj meri neslučajni tj. usmereni i tako određivati pravce evolucije? Tu se javlja "Duh LaMarka". Ideja LaMarkizma je nasleđivanje stečenih osobina. Nasleđivanje onoga što se stiče je naučno problematično. Ovde se niko ne poziva na banalne Lamarkove argumente (promena životne sredine menja ponašanje organizama koji menjaju upotrebu/neupotrebu svojih organa i na taj način se usmereno prenosi promena koja se desi upotrebom/neupotrebom organa), već mi ovde govorimo o mogućnosti da se preko različitih molekulskih mehanizama one nasleđuju. To jesu usmerene promene zato što su reakcije na životnu sredinu. Danas znamo da postoje molekulski mehanizmi koji mogu da modeluju i prenesu fenotipsku informaciju na potomstvo, ne samo genetičku informaciju. Razumemo i na koji način bi ta fenotipska informacija mogla biti usađena dalje u genetičku informaciju.


39

Ovde je jedna sličica koja nama govori o tom antagonizmu La Marka i Darvina. La Mark: sredinski faktori bi doveli do tačno usmerenih adaptivnih promena na genomu tj. epigenomu, dalje bi se ta sredinski usmerena mutageneza nasleđivala. ali, kojim molekulskim mehanizmima. Darvin: imamo slučajnu mutagenezu, znači slučajno mutiraju različiti geni, a sredinski uticaji čine životnu sredinu koja će da filtrira korisne mutacije, a da odbacuje štetne. Po koncepciji Moderne Sinteze selekcija je ovaj levak, tu prolazi samo nešto, on nikako ne utiče na to kakve će se promene desiti, ne utiče ni na fenotip, jer genotip direktno određuje fenotip, i tu će dolaziti do selekcije mutacija, jer tako nastaju adaptirani organizmi. U ECO-EVO-DEVO: sredinski faktori utiču na razviće fenotipa, na epigenetiku i na kraju na genetiku nasleđivanja. To ne znači da se odbacuje moderna sinteza. Ovde moramo da vodimo računa kada dominiraju jedni efekti, a kada drugi efekti.

Nivo stresa određuje na koji način će se odvijati evolucija u populaciji. Kada je veliki nivo stresa imamo porast onog modaliteta o kome je govorio LaMark, preko velike nestabilnosti genoma, preko otključavanja epigenoma, sijaset promena koje to može da izazove, i preko, u određenoj meri, neslučajne mutageneze. Kada je nivo stresa mali, kada nemamo izraženu nestabilnost genoma, kada je genom stabilan jer nije pod stresom, do izražaja dolaze genetičke promene i ovaj Darvinovski proces koji podrazumeva fiksaciju nekih alela, a eliminaciju drugih. Znači, populaciona genetička priča bi u koncepciji ECO-EVO-DEVO bila zastupljena u trenucima kada nema stresa.

40

Documents

pmfe skripta