Evoluce genů Obsah materielní substrát genů

Evoluce genů

Obsah • materielní substrát genů • vnitřní periodicita genů • původ exonů a intronů

Každý gen vzniká z genu • genealogické vztahy mezi geny • genové rodiny a nadrodiny – eukaryota asi 750 rodin (650 -10000), každá v průměru 50 členů, 90 % velmi vzácných • motivy a moduly

Mechanismy vzniku nových genů • vznik z nekódující sekvence, vzácné u vyšších 1 -5 za mil. let u savců, 5 -10 za mil. let u drozofil, ale stovky u kvasinky, některé Ns/Nn > 1 • postupná transformace a změna (nebo obohacení) funkce • genové fúze • otevírání nových čtecích rámců • mezidruhový přenos (transformace, hybridizace, syngenese) • Přenos organelové DNA (promiskuitní DNA) • genová duplikace (vymizení 3 -7 mil. let, změna funkce) • Celogenomová duplikace, WGD (obratlovci 2 x) • vznik z nadbytečné kopie u diploidů

Vznik novéhu genu u diploida mutace genová duplikace crossing over

Mechanismy vzniku nových genů • postupná transformace a změna (nebo obohacení) funkce • genové fůze • otevírání nových čtecích rámců • mezidruhový přenos (transformace, hybridizace, syngenese) • Přenos organelové DNA (promiskuitní DNA) • genová duplikace • vznik z nadbytečné kopie u diploidů • genomová duplikace

Obsah • materielní substrát genů • vnitřní periodicita genů • původ exonů a intronů

TACACGATACAAAAAACATGAAGATCACTGTTCTCTTTAC AGTTACTGAGCACACAGGACCTCACCATGGGATGGAGCTG TATCATGCTCTTCTTGGCAGCAACAGCTACAGGTAAGGGG CTCACAGTAGCAGGCTTGAGGTCTGGACATATACATGGGT GACAATGACATCCACTTTGCCTTTCTCTCCACAG GTGTCCACTCCCAGGTCCAACTGCAGCAGCCTGGGGCTGA GCTTGTGAAGCCTGGGGCTTCAGTGAAGCTGTCCTGCAAG GCTTCTGGCTACACCTTCACCAGCTACTGGATGCACTGGG TGAAGCAGAGGCCTGGGCGAGGCCTTGAGTGGATTGGAAG GATTGATCCTAATAGTGGTGGTACTAAGTACAATGAGAAG TTCAAGAGCAAGGCCACACTGTAGACAAACCCTCCA GCACAGCCTACATGCAGCTCAGCAGCCTGACATCTGAGGA CTCTGCGGTCTATTATTGTGCAAGACACAGTGTTGCAACC ACATCCTGAGAGTGTCAGAAAACCTGGA

Původ periodicity • mechanismus protoreplikace • podporuje vznik pravidelné terciální struktury • adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu • vedlejší produkt genetického tahu

Mechanismus protoreplikace

Adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu • Větší odolnost proti posunové mutaci • Delší otevřené čtecí rámce u protogenů • Obrana proti náhodnému zahajování transkribce

Větší odolnost proti posunové mutaci AATGCCAT A AAT GCC ATA ATG CCA TAA TGC CAT AAT GCC ATA. . . AAA TGC CAT AAT GCC ATA ATG CCA TAA TGC CAT. . .

Adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu • Větší odolnost proti posunové mutaci • Delší otevřené čtecí rámce u protogenů • Obrana proti náhodnému zahajování transkribce

Delší otevřené čtecí rámce u protogenů • náhodné 300 nukleotidů dlouhé nukleotidové řetězce, potom jen 0, 82 % z nich nebude obsahovat žádný terminační kodón a bude tak kódovat souvislý protein délky 100 aminokyselin (30 x 10 NK – 60%) • vznik nového proteinu posunem čtecího rámce • více čtecích rámců ve stejném úseku DNA • Snadnější vznik uspořádané terciální struktury

Adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu • Větší odolnost proti posunové mutaci • Delší otevřené čtecí rámce u protogenů • Obrana proti náhodnému zahajování transkripce

Obrana proti náhodnému zahajování transkripce • V lidském genomu o délce 3000 Mb je přibližně 30 -40 tisíc genů. To znamená, že zde jsou jednotlivé geny od sebe v průměru odděleny nekódujícími úseky DNA o délce řádově 100 tisíc nukleotidů. • častý motiv nekodujících úseků: AGCTG GGGTG. Cílové místo pro RNA polymerázu II: TATAAATA

Původ periodicity • mechanismus protoreplikace • adaptivní vlastnost genů související s vlastnostmi genetického kódu • vedlejší produkt genetického tahu (přesah do oblasti intronů)

TACACGATACAAAAAACATGAAGATCACTGTTCTCTTTAC AGTTACTGAGCACACAGGACCTCACCATGGGATGGAGCTG TATCATGCTCTTCTTGGCAGCAACAGCTACAGGTAAGGGG CTCACAGTAGCAGGCTTGAGGTCTGGACATATACATGGGT GACAATGACATCCACTTTGCCTTTCTCTCCACAG Jeden z možných důsledků GTGTCCACTCCCAGGTCCAACTGCAGCAGCCTGGGGCTGA existence periodicity – GCTTGTGAAGCCTGGGGCTTCAGTGAAGCTGTCCTGCAAG GCTTCTGGCTACACCTTCACCAGCTACTGGATGCACTGGG nerovnoměrnost v používání TGAAGCAGAGGCCTGGGCGAGGCCTTGAGTGGATTGGAAG synonymních kodonů GATTGATCCTAATAGTGGTGGTACTAAGTACAATGAGAAG TTCAAGAGCAAGGCCACACTGTAGACAAACCCTCCA GCACAGCCTACATGCAGCTCAGCAGCCTGACATCTGAGGA CTCTGCGGTCTATTATTGTGCAAGACACAGTGTTGCAACC ACATCCTGAGAGTGTCAGAAAACCTGGA

Obsah • materielní substrát genů • vnitřní periodicita genů • původ exonů a intronů

celková délka intronů (kbp) 100 10 1, 0 0, 1 0, 3 3 celková délka exonů (kbp) 30

obratlovci Caenorhabditis Drosophila Neurospora Saccharomyces Coprinus mikrosporidie Distiostelium Physarum Acanthamoeba zelené rostliny Chlamydomonas ruduchy Paramecium Tetrahymena Plasmodium Toxoplasma Phytopthora Naegleria Entamoeba Leishmania Trypanosoma trichomonády diplomonády Archaebacteria Eubacteria 1 intron/kb proteinového genu

Původ intronů • Hypotéza časných intronů – introny na počátku (v RNA světě) – introny brzy (na počátku soužití RNA a proteinů) • Hypotézy pozdních intronů (až v DNA světě) – introny později (v DNA světě, ale před vznikem eukaryot – introny velmi pozdě (v rámci eukaryot) samovystříhávající se introny, I, III ?

Původ intronů • Hypotéza časných intronů – vystřihování úseků se stop kodony – geny jakožto lego – koincidence exonů s moduly, předpovězené introny (leghemoglobin, Culex) – fáze intronů (faze 0 introny korelují s moduly) – staré a mladé introny (lepší korelace u starých)

zastoupení (%) Zastoupení jednotlivých typů intronů pozice vůči kodónům

Původ intronů II • Hypotéza pozdních intronů – fylogenetický předek občas neměl (přibývání intronů ve fylogenezi), ale neplatí pro řadu skupin, spíše se zdá, že první eukaryot měl mnoho intronů – parsimonie – opakovaný vznik – chabá koincidence s moduly, třídění z hlediska funkčnosti (přesun části modulu nefunkční)

Funkční význam intronů • Evoluční potenciál druhu (vznik nových genů) • Přepis více typů m. RNA z jednoho genu • Regulace exprese (posuny na nukleosomu)

Posun pozice regulačních elementů na nukleosomu a) b)

Funkční význam intronů • Evoluční potenciál druhu (vznik nových genů) • Přepis více typů m. RNA z jednoho genu • Regulace exprese (posuny na nukleosomu) • Obrana proti nelegitimní rekombinaci

Obrana proti nelegitimní rekombinaci a) paralogy s vysokým stupněm homologie výrazná homologie - dochází k rekombinaci nefunkční produkty nehomologické rekombinace b) paralogy s vysokým stupněm homologie v oblasti exonů slabá homologie - rekombinace neprobíhá funkční nerekombinované geny

Funkční význam intronů • Evoluční potenciál druhu (vznik nových genů) • Přepis více typů m. RNA z jednoho genu • Regulace exprese (posuny na nukleosomu) • Obrana proti nelegitimní rekombinaci • Detekce či odstraňování chyb • Žádná funkce – parazitická DNA

Shrnutí • • • Každý gen vzniká z genu Geny lze uspořádat do genových rodin Protein je vytvářen z modulů, ty z motivů Geny často vykazují vnitřní periodicitu Existence této periodicity má řadu důsledků Moderní geny eukaryot jsou vytvářeny introny a exony • Není jasné, kdy a proč vznikl splicing, většina autorů však předpokládá, že původní geny introny neobsahovaly