ДУПЛИКАЦИИ ГЕНОМА лекция 1 Дупликации — один

ДУПЛИКАЦИИ ГЕНОМА лекция 1

Дупликации - один из наиболее значимых механизмов эволюционного преобразования геномов (Оно, 1973). Есть мнение, что генные дупликации могут быть важным фактром видообразования (Wagner, 2002). Копия дуплицированного гена может в ходе эволюции приобретать новую функцию под "прикрытием" другого, работоспособного гена. При этом изменения могут затрагивать: (1) кодирующие части генов, вызывая изменение белковых продуктов (вплоть до утраты старой и приобретения новой функции); (2) регуляторные районы, контролирующие экспрессию генов (с приобретением качественно новых регуляторных особенностей); (3) протяженные геномные фрагменты, содержащие большие группы генов; (4) целые хромосомы или полные геномы (полиплоидизация). Все вышеперечисленные типы дупликаций выявлены во всех секвенированных в настоящее время геномах эукариот, 2 бактерий и вирусов. (Wolf, Li, 2003)

• Удвоение целого генома — не уникальный случай в истории жизни. Полногеномная дупликация произошла, например, 350 млн лет назад у предков костистых рыб; 40 млн лет назад то же самое случилось в одной из групп лягушек. Обычно после полногеномной дупликации большинство «лишних» генов быстро теряется, и лишь некоторым из них находится какое-нибудь новое применение. До тех пор, пока два гена-паралога не начнут выполнять в организме разные функции, естественный отбор не может воспрепятствовать мутационной поломке или полной утрате одного из них. 3

Авторам удалось составить список из 8437 генов, которые имелись у общего предка хордовых и сохранились хотя бы у некоторых современных позвоночных. Все эти гены в свое время «учетверились» , но большая часть появившихся паралогов была быстро утрачена. Сохранились паралоги примерно у 20 -25% генов. Среди этих генов, дубликаты которых «пригодились» ранним позвоночным, резко повышена доля генов, участвующих (1) в регуляции транскрипции (гены — регуляторы активности других генов), (2) в деятельности нервной системы, (3) в регуляции эмбрионального развития, (4) в передаче разнообразных сигналов. • Это явно не случайный «выбор» ; он хорошо согласуется с идеей о том, что геномные дупликации у предков позвоночных стали важной предпосылкой для 4 последующей эволюции по пути усложнения.

(Becak & Kobashi, 2004) 5

ПАЛЕОПОЛИПЛОИДИЯ У ЭУКАРИОТ Paleopolyploidy refers to ancient genome duplications which occurred at least several million years ago (mya). 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛИПЛОИДИИ (по скорости синонимичных замен, Ks) 7

• Duplicated genes can be identified through sequence homology on the DNA or protein level. Paleopolyploidy can be identified as massive gene duplication at one time using a molecular clock. To distinguish between whole-genome duplication and a collection of single gene duplication (which is a common phenomenon in the genome) events, the following rules are often applied: 1. Duplicated genes are located in large duplicated blocks. Single gene duplication is a random process and tends to make duplicated genes scattered throughout the genome. 2. Duplicated blocks are non-overlapping because they were created simultaneously. Segmental duplication within the genome can fulfill Rule #1; but multiple independent segmental duplications could overlap each other. 8

ПАЛЕОПОЛИПЛОИДИЯ Полиплоиды становятся диплоидами через генный сайленсинг, мутации и утраты. 9

У осетровых рыб число хромосом варьирует от 118+2 до 560. Это максимальные значения хромосомных чисел у животных, включая низших хордовых (2 n=22 – 174) и полиплоидных видов рыб (2 n=36 -100). • • tetraploid (four sets; 4 x), for example Salmonidae fish pentaploid (five hexaploid (six sets; 6 x), for example wheat oktoploid sets; 5 x) (eight sets; 8 x), for example Acipenser (genus of sturgeon fish) triploid (three sets; 3 x), for example the genus Tardigrada dekaploid (ten sets; 10 x), for example certain strawberries dodecaploid (twelve sets; 12 x), for example the plant Celosia argentea 10

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛИПЛОИДИЗАЦИИ • Paleopolyploidization events lead to massive cellular changes, nicluding doubling of the genetic material, changes in gene expression and increased cell size. • Genes lost during diploidization is not completely random, but heavily selected. Genes from large gene family, which diversity is required for their functions or genes that function in a dosage manner, tend to be retained (eg. cellular machinery, transcriptional factors and protein kinases). On the other hand, genes involved in DNA repair, apoptosis and transemembrane receptors tend to return to a single copy status. • Overall, paleopolyploidy can have both short-term and longterm evolutionary effects on an organism's fitness in the natural environment. 11

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛИПЛОИДИЗАЦИИ • Genome Diversity -- genome doubling provided the organism with redundant alleles that can evolve freely with little selection pressure. The duplicated genes can undergo neofunctionalization or subfunctionalization which could help the organism adapt to the new environment or survive different stress conditions. • Heterosis -- polyploids often have larger cell sizes and even larger organs. Many important crops, including wheat, maize and cotton, are paleopolyploids which were domesticated by ancient people. • Speciation -- It has been suggested that many polyploidization events created new species because of gaining adaptive traits or sexual incompatibility with their diploid counterparts. An example would be the recent speciation of allopolyploid Spartina -S. anglica; the polyploid plant is so successful that it is listed as 12 invasive species in many regions.

ПОЛИПЛОИДНЫЕ РЯДЫ У ЖИВОТНЫХ • Полиплоидные ряды видов (роды и даже целые семейства) обнаружены у рыб, амфибий и рептилий. Показано, что в эволюции этих групп тесно связаны межвидовая гибридизация, стадия бесполого размножения (партеногенез или гиногенез) и полиплоидия. Такая эволюционная схема включает в себя следующие этапы: • 1. При межвидовой гибридизации образуется диплоидная форма, переходящая к однополому размножению. • 2. При скрещивании этих гибридных форм с одним из родительских (или близких к нему) бисексуальных видов образуется однополая триплоидная форма, размножающаяся гино- или партеногенетически. • 3. Скрещивание триплоида с одним из близких бисексуальных диплоидных видов приводит к формированию тетраплоида, способного возвратиться к 13 бисексуальному типу размножения.

ФЕНОМЕН ПОЛИПЛОИДНОГО СБРОСА • Шелковица Morus alba имеет 2 n=28, а у M. nigra 2 n=308. • Содержание ДНК у M. nigra больше, чем у Morus alba всего в 4. 5 раза (в основном, за счет исчезновения семейств высоко- и среднеповторяющихся последовательностей) 14

ПОЛИПЛОИДИЯ И ВИДООБРАЗОВАНИЕ • Полиплоидия – единственный воспроизводимый человеком пример видообразовательных событий. • Полиплоиды в смысле структурно-функциональной организации генома значительно консервативнее их диплоидных сородичей. Направление видообразования здесь также жестко канализировано: от диплоидов к полиплоидам. диплоид полиплоид видообразование Х 15

КАК ПОЛИПЛОИДЫ СОЗДАЮТ НОВУЮ ИЗМЕНЧИВОСТЬ? • Потенциальные причины ранее неизвестной изменчивости у полиплоидов. Соединение хромосом двух диплоидных геномов (красный и синий) в тетраполидный геном может вызвать • (1) increased variation of dosage-regulated gene effects and expression (magnitudes of allelic effects and expression shown by size of blocks for three loci); • (2) altered regulatory interactions (trans-acting regulatory factors shown as dimeric proteins, with heterodimers not functioning properly); • (3) genetic changes affecting gene expression (e. g. , insertions, deletions, translocations and gene conversions); and • (4) epigenetic changes (repression or derepression of gene expression caused by genome interaction of chromatin modeling factors, which could also trigger movement of transposable elements) 16

17

ГЕНОМНАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ И РАЗНООБРАЗИЕ ПОЛИПЛОИДНЫХ РАСТЕНИЙ Согласно молекулярному анализу >90% ныне живущих видов покрытосемянных имели 1 или более древних геномных дупликаций, в то время как у голосеменных (считающихся сестринской группой по отношению к покрытосемянным) полиплоидов <5%. Успех формирования новых полиплоидов у покрытосемянных частично связывают с высокой пластичностью структуры их генома, что проявляется в толерантности к - изменению хромосомных чисел (анеуплоидия, и полиплоидия), - размера генома (изменчивость достигает 2000 кратности), - мобильности (ретро)транспозонов, - инсерциям, делециям и - эпигеномному реструктурированию. 18

• Если два белка характеризуются сходной последовательностью аминокислотных (выше критической длины, до которой совпадения могут быть остатков чисто случайными), то у них есть общая предковая последовательность, и соответствующий предковый ген. Количество таких предковых структур у белков весьма ограничено. • К примеру, был один ген в геноме, а потом их стало два (дупликация). Со временем мутации изменили эти гены каждый по-своему. А потом этот вид дал начало двум новым видам (см. рис. ниже). Все эти гены являются «родственниками» (гомологами), но по-разному называются. Гомологичные гены, которые мы рассматриваем в составе разных видов, называются ортологи, а гомологичные гены в одном геноме называют паралоги. 19

20

Сравнения таких родственных генов часто используют при исследовании эволюции. Эволюционная геномика (сравнительная геномика), используется очень интенсивно в медицине. Пример ее практического применения. У людей по разным причинам бывает ожирение. В частности, есть семейные формы, менделирующие. У человека мутации, вызывающие это заболевание, картированы не были. Сходный фенотип ожирения наблюдали у мышей. У мышей этот генетически картировали (картируют, на самом деле, не ген, а собственно мутацию в гене). Просеквенировали участок вокруг этой мутации, потом нашли такую же последовательность нуклеотидов в геноме человека. Стало ясно, в каком месте генома человека надо искать мутации, вызывающие ожирение у человека. Проверка этого участке генома человека у больных людей и сравнение его со той же нуклеотидной последовательностью у здоровых подтвердила, что мутации этого гена у человека, как и у мыши, приводят к 21 ожирению.

Paleopolyploidy refers to ancient geniome duplication which occurred at least several million years ago (mya). The genome doubling event could either be an autopolyploidy or an allopolyploidy. Due to functional redundancy, genes are rapidly silenced and/or lost from the duplicated genomes. Most paleopolyploids, through evolutionary time, have lost their "polyploid" status through a process called diploidization, and are referred as “diploids " nowadays (eg. baker's yeast, Arabidopsis and perhaps humans). 22

ГЕННЫЕ ДУПЛИКАЦИИ ЯВЛЯЮТСЯ КОРОТКО-ЖИВУЩИМИ • Полные генные дупликации – наиболее известный механизм образования генов, возможно относящийся к большинству новых генов. Успешная генная дупликация проходит легче через ДНК, чем через обратную транскрипцию м. РНК. • Скорость событий дупликации примерно одинакова у разных видов (!) и составляет ~0. 01 дупликаций на ген за 1 млн лет. • Время полу-жизни дуплицированных генов составляет всего 3 -8 млн лет; следовательно, дуплицированные гены постоянно генерируются, тестируются и часто отбрасываются. (Wolf, Li, 2003) 23

24 (Zhang, 2003)

25 (Nei, 1975)

( Zhang, 2003) 26