Podstawy genetyki V

Podstawy genetyki V
Interakcje genetyczne część 2. Genetyczne podstawy biologii systemów. Genetyczne podstawy rozwoju.
Powstanie i ewolucja informacji genetycznej
Interakcje genetyczne
2
Interakcje
} 
Łagodzące (alleviating interactions)
} 
} 
Syntetyczne, pogarszające (synthetic, aggravating
interactions)
} 
3
Fenotyp podwójnego mutanta lżejszy, niż przewidywany dla
sumowania fenotypów mutantów pojedynczych
Fenotyp podwójnego mutanta cięższy, niż przewidywany dla
sumowania fenotypów pojedynczych mutantów
Interakcje łagodzące
} 
Supresja
} 
Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie
(b)
} 
} 
Epistaza
} 
Fenotyp mutacji (a) maskowany przez mutację w innym
genie (b)
} 
4
Podwójny mutant ab ma fenotyp dziki lub bliski dzikiemu
Podwójny mutant ab ma fenotyp taki sam, jak mutant b – obecność
mutacji b narzuca fenotyp niezależnie od allelu genu a
Epistaza (sensu stricte)
Mutacje w jednym genie (epistatyczne) maskują
fenotyp alleli innego genu (hipostatycznego)
}  Z reguły wskazuje na funkcję w tym samym szlaku,
może posłużyć do ustalenia kolejności procesów
}  Zauważona jako czynnik zmieniający typowy rozkład
9:3:3:1 w krzyżówkach dwugenowych
} 
5
Epistaza
} 
D. melanogaster – mutanty barwy oka
wt
vermillion
white
Podwójny mutant white, vermillion ma oczy białe,
nieodróżnialne od pojedynczego mutanta white
Mutacje white epistatyczne względem vermillion (i wielu
innych mutacji barwy oka
} 
} 
6
Epistaza
wt
} 
} 
7
white
Drozopteryna – jasnoczerwona, ommochromy –
brunatne
} 
} 
vermillion
Defekty szlaku drozopteryny – oczy ciemnobrązowe
Defekty szlaku ommochromów – oczy jaskrawoczerwone (np.
vermillion)
Produkt genu white – transport prekursorów
barwników (guaniny i tryptofanu) do komórek zawiązka
oka w zarodku
Epistaza
Przy regulacji pozytywnej (i
np. szlakach biosyntezy)
mutacja elementu leżącego
wyżej w szlaku będzie
epistatyczna
} 
Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35
8
Epistaza i szlaki regulatorowe
Obecność mutantów o
przeciwstawnym efekcie sugeruje
regulację negatywną jednego z
etapów szlaku
mutacja tra epistatyczna
Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35
9
Grupa krwi Bombay
} 
} 
} 
} 
} 
Rzadki recesywny allel h genu
innego niż I
Homozygoty hh nie wytwarzają
antygenu H, który jest prekursorem
antygenów A i B
Homozygoty hh w testach dają
grupę 0, niezależnie od genotypu IA
lub IB
Uniwersalny donor, biorca tylko od
innej osoby hh
Ok. 4 osoby na milion (w Bombaju
1: 10 000, wyspa Reunion 1:1000)
10
Interakcje syntetyczne
} 
Syntetyczne wzmocnienie
} 
} 
Syntetyczna letalność
} 
} 
Fenotyp podwójnego mutanta silniejszy (lub nieoczekiwany)
niż suma fenotypów pojedynczych mutacji
Pojedyncze mutacje nie są letalne, podwójny mutant letalny
Niekomplementacja niealleliczna (SSNC – second-site
non-complementation)
} 
11
Dwie recesywne mutacje a i b w podwójnej hetrozygocie
dają fenotyp zmutowany
Syntetyczne wzmocnienie
} 
Nieoczekiwanie silny (synergistyczny) efekt połączenia
dwóch mutacji
} 
np. mutacja a obniża tempo wzrostu o 10%, mutacja b o 20%, a w
podwójnym mutancie obniżenie o 90%
Skrajny przypadek: syntetyczna letalność
}  Zwykle dotyczy alleli nullomorficznych lub
hipomorficznych
}  Łatwiejsza do badania w organizmach mających
wegetatywną fazę haploidalną (np. drożdże)
}  Inny wariant: SDL (synthetic dosage lethality)
} 
} 
12
nadekspresja jednego genu ujawnia b. silny fenotyp w
kontekście mutacji innego genu
Syntetyczne wzmocnienie
} 
W przypadku alleli null dotyczy szlaków działających równolegle
} 
Szlak A i B wykazują
redundację, ale defekt
obydwu jest letalny
Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437
13
Syntetyczne wzmocnienie
} 
W przypadku alleli hipomorficznych może dotyczyć elementów
tego samego szlaku
Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437
14
SDL
} 
Syntetyczna letalność dawki (nadekspresji) – synthetic
dosage lethality
} 
Np. nadekspresja genu PHO4 jest letalna w kontekście
delecji genu PHO85
} 
15
PHO85 koduje kinazę białkową, ktorej substratem jest, m.
in., produkt PHO4. Fosforylacja hamuje aktywność białka.
Letalny efekt nadmiaru aktywnego białka Pho4p.
Poszukiwanie interakcji
Interakcje dające się selekcjonować pozytywnie (np.
supresje) można wykrywać stosując bezpośrednią
selekcję (np. po mutagenezie albo po transformacji
plazmidem wysokokopiowym)
}  W niektorych organizmach modelowych (drożdże)
możliwa systematyczna analiza interakcji dla
wszystkich par genów
} 
} 
} 
cel: stworzenie kompletnej mapy interakcji
Poszukiwanie interakcji syntetycznych: metody SGA i
dSLAM
16
SGA
} 
} 
} 
} 
} 
Synthetic Gene Array
Kolekcja delecji, krzyżowana z
badanym genem
Sporulacja,
Selekcja haploidów MATa
Selekcja pojedynczych i
podwójnych mutantów
17
Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437
Interakcje genetyczne a fizyczne
} 
Badania na skalę genomu i proteomu
(wysokoprzepustowe)
} 
} 
} 
} 
Np. u drożdży dla 1000 genów mapa z ok. 4000 interakcji
Dla pojedynczego genu nie będącego niezbędnym (defekt
nie jest letalny) średnio 34 interakcje, dla genów
niezbywalnych (essential) – 5x więcej
Globalna sieć (interaktom) powinna zatem mieć ~200 000
interakcji
Interakcje fizyczne i genetyczne rzadko się nakładają,
choć częściej, niż przewidywano by dla pełnej
losowości
} 
18
U drożdży ~1%
Interakcje genetyczne – ujęcie systemowe
} 
Interakcje genetyczne wskazują na związki funkcji
} 
} 
19
Mogą wiązać elementy tego samego szlaku/kompleksu, ale
też różnych szlaków, powiązanych funkcją
Zestaw interakcji (pozycja na mapie interaktomu
genetycznego) może wskazywać na funkcję genu
Sieci
} 
Dwie własności sieci
robustness (krzepkość) – odporność na zaburzenie np.
mutację jednego z elementów)
}  evolvability – potencjał zmienności
Zależą od topologii sieci
} 
20
Sieci biologiczne
} 
} 
} 
Sieć a) – najmniej odporna na zaburzenia, sieć c) – najbardziej
W sieci a) najwięcej interakcji syntetycznych, w c) - najmniej
Sieci biologiczne przypominają typ b) – struktura hierarchiczna (scale-free)
21
Sieci biologiczne
} 
Przykładowa sieć dla 204 genów drożdżowych
22
Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437
23
Costanzo i wsp., (2010) Science 327, 425
Sieci biologiczne
} 
Sieci interakcji biologicznych mają charakter
hierarchiczny
} 
} 
} 
} 
“Mały świat” – długość scieżki pomiędzy dwoma
węzłami jest niewielka (3.3 u drożdży)
} 
} 
węzły centralne (hubs) z dużą liczbą połączeń
węzły peryferyjne, z małą liczbą połączeń
węzły centralne częściej odpowiadają genom niezbywalnym
(których defekt jest letalny)
Gęste otoczenia lokalne (sąsiedzi danego węzła często
oddziałują ze sobą)
Podobne właściwości ma np. Internet, sieci interakcji
społecznych, liczba Erdősa wśród matematyków
24
Interakcje genetyczne a biologia systemów
Badanie sieci interakcji funkcjonalnych na skalę całego
organizmu to podstawa biologii systemów
}  Interakcje genetyczne są ważnym elementem takiej
sieci
} 
} 
} 
Może nawet bardziej, niż interakcje fizyczne
Interakcje fizyczne identyfikują kompleksy, interakcje
genetyczne mogą pokazać, w jakim kontekście te kompleksy
funkcjonują
Wszystkie dotychczasowe wyniki są bardzo
niekompletne, nawet u drożdży
}  Nie ma biologii systemów bez genetyki
} 
25
Genetyczne podstawy rozwoju
Przełączniki genetyczne
26
Ekspresja genów a rozwój
} 
Zmiany ekspresji genu odpowiadają na czynniki
środowiskowe i wewnętrzne
} 
} 
} 
Utrzymanie homeostazy
Adaptacja do środowiska
Rozwój i różnicowanie – tworzenie złożonych struktur przez
lokalne interakcje
Gilbert, S. Developmental Biology. 6th Edition. Sunderland, Mass.: Sinauer Associates Inc., 2000.
27
Przełączniki genetyczne
} 
Zmiana informacji genetycznej w rozwoju
} 
} 
Epigenetyczne
} 
} 
Rearanżacje DNA: nieodwracalne lub odwracalne
Piętno genomowe, chromatyna
Regulacja ekspresji genu
} 
} 
28
Kaskady i sieci regulacyjne oparte na kontroli ekspresji
Transdukcja sygnału – integracja informacji ze środowiska
Przełączanie typu płciowego drożdży
Na chr. III oprócz aktywnego
locus MAT dwie wyciszone
kasety HMLα i HMLa
}  Przełączenie typu:
mechanizm konwersji genu
przez rekombinację
}  Inicjowany przez nacięcie
DNA endonukleazą HO
} 
29
Przełączniki oparte na regulacji ekspresji
} 
Nie dochodzi do zmiany sekwencji DNA
} 
} 
} 
Proste układy:
} 
} 
} 
Pętle sprzężenia zwrotnego
Przełączniki dwustanowe
Bardziej złożone układy
} 
} 
} 
Zasadniczo odwracalne, ale mogą być bardzo stabilne
Mechanizmy transkrypcyjne lub inne (np. alternatywne
składanie)
Oscylatory i zegary
Integracja sygnałów z otoczenia: gradienty morfogenów i
efekty lokalne
Sieci
30
Prosty przełącznik dwustanowy: fag λ
} 
Cykl lizogenny
} 
} 
} 
Integracja do genomu
Wyciszenie ekspresji genów
faga
Cykl lityczny
} 
} 
} 
31
Wycięcie z genomu
Ekspresja genów faga
Replikacja
Kontrola przełącznika faga λ
} 
} 
} 
cI – represor: cykl lizogenny
cro – cykl lityczny
wspólne sekwencje cis
32
Działanie represora
} 
} 
Hamuje ekspresję genów
wczesnych, w tym cro
Aktywuje własną ekspresję
} 
Zależnie od poziomu białka
} 
} 
} 
Przy niskim i średnim
stężeniu białka represora
wiązanie z OR1 i OR2
Przy dużym stężeniu białka
represora wiązanie też z OR3
– hamowanie ekspresji cI
Dodatnie sprzężenie
zwrotne utrzymuje wysoki
stały poziom represora cI
33
aktywacja genu cI
hamowanie genu cI
Efekt kooperatywny
} 
} 
} 
Powinowactwo do OR2 dużo niższe, niż do
OR1
Związanie cI z OR1 zwiększa powinowactwo
do OR2 – wiązanie kooperatywne
Taki rodzaj wiązania daje szybką i
jednoznaczną odpowiedź układu na stężenie
cI
34
Działanie cro
} 
} 
Blokuje ekspresję represora cI
Brak cI – ekspresja genów wczesnych, kaskada lityczna
} 
} 
Dalsze etapy przez antyterminację zależną od produktu
genu N
Efekt: przełącznik dwustanowy (bistabilny)
} 
} 
cI aktywny -> nieaktywny cro
cro aktywny -> nieaktywny cI
} 
35
Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)
Dodatnie sprzężenie zwrotne
} 
Może dawać efekt pamięci – stabilnego utrzymywania
zmienionego stanu
Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)
Antoine de Saint-Exupéry, Le Petit Prince,
http://wikilivres.info/wiki/Le_Petit_Prince 36
Wyjście z blokady lizogennej
} 
Przełączenie z lizogenii w cykl lityczny: proteoliza
białka represora przez RecA (sygnał uszkodzeń
genomu)
37
Oscylatory
} 
} 
Kombinacja kilku prostych opartych na represji przełączników może dać
układ periodycznie oscylujący – konieczne ujemne sprzężenie zwrotne
Przykład (skonstruowany sztucznie) – tzw. repressilator (Elowitz &
Leibler, 2000)
Elowitz & Leibler, Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.
38
Wikimedia commons
Represillator
} 
Oscylacje układu
Elowitz & Leibler, Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.
39
Oscylatory cyklu dobowego
} 
Podobna zasada, ale bardziej złożone (i bardziej
stabilne)
Wewnątrzkomórkowy oscylator dobowy myszy
(http://www.bmse.ucsb.edu/profiles/mirsky/)
40
Oscylator w rozwoju kręgowca – “zegar i
czoło fali”
} 
} 
Cooke & Zeeman 1976
Oscylacje + ruch (np. wzrost)
Baker et al., (2006) Dev Biol 293:116-126
41
Oscylator w rozwoju kręgowca – “zegar i
czoło fali”
} 
Strefy generowane przez oscylatory (np. rozwój somitów D. rerio,
myszy itp.)
oscylacje Her/hes (regulator transkrypcji)
sygnalizacja Notch
pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego
42
Holley & Takeda (2002) Semin Cell Dev Biol 13(6):481-8
Kageyama et al. (2007) Dev Dyn 236(6):1430-9
Ewolucja informacji genetycznej
43
Czym jest życie?
metabolizm
+
informacja
(replikacja)
Cząsteczki organiczne mogły powstać w
atmosferze pierwotnej Ziemi
Oparin, Haldane
Miller, 1953
(A)biogeneza
} 
Ewolucja jest właściwością organizmów żywych
} 
Życie = ewolucja
} 
Powstanie życia z materii nieożywionej nie było
zjawiskiem ewolucyjnym
} 
} 
trudności z wyjaśnieniem abiogenezy nie mogą być
traktowane jako zarzut wobec teorii ewolucji
właściwe dziedziny:
} 
} 
} 
46
fizyka (teoria złożoności, teoria samoorganizacji, termodynamika_
chemia
planetologia
Koncepcje abiogenezy
} 
Powstanie informacji
} 
} 
kluczowe powstanie zdolności (samo)replikacji
powiązanie genotypu z fenotypem – możliwość działania
doboru
} 
} 
progenota
Powstanie metabolizmu
} 
} 
} 
47
kluczowe powstanie samoorganizującej się sieci
metabolicznej
powielanie struktury nie na zasadzie replikacji matrycowej
replikacja “wynaleziona” później
Czas i scena
Istnieją też koncepcje umieszczające część z tych etapów poza Ziemią
48
Pierwsze ślady życia - kontrowersje
} 
czert Apex (Apex chert) – Australia, wiek 3,5 mld lat (Schopf 1993)
} 
Interpretacja jako śladów życia komórkowego podważona w 2002
(Brasier et al. 2002) - artefakty tworzenia skał zawierających żelazo
49
Pierwsze ślady życia
} 
} 
czert Strelley Pool, Australia – wiek 3,4 mld lat, (Brasier et al. 2006)
skamieniałe maty mikroorganizmów - stromatolity
Współczesne stromatolity
Skamieniałości ze Strelley Pool
50
Co było najpierw?
} 
Metabolizm (Oparin, Dyson)
} 
} 
Zależny od informacji genetycznej (kodowane enzymy)
Replikacja (Eigen)
} 
51
Zależna od metabolizmu (enzymy replikujące DNA)
Świat RNA: metabolizm + replikacja
RNA może wykazywać aktywność enzymatyczną
(metabolizm)
RNA może tworzyć różne struktury
Kto naprawdę rządzi w komórce?
• DNA – replikacja informacji genetycznej –
przekazywanie jej kolejnym pokoleniom
• RNA – ekspresja i regulacja informacji
genetycznej – różne funkcje na różnych etapach
RNA w ekspresji genu
} 
Obraz klasyczny – cetralna hipoteza (“dogmat”)
} 
} 
} 
mRNA – RNA informacyjny
tRNA – RNA transportujący (przenosi aminokwasy)
rRNA – RNA rybosomalny
Inne role RNA
} 
Sortowanie białek w komórce
Inne role RNA
} 
Elementy systemu obróbki RNA
} 
snRNA – składanie mRNA
Inne role RNA
} 
Elementy systemu obróbki RNA
} 
snoRNA – obróbka rRNA
RNA katalityczne
} 
omas Cech (1982) – intron w Tetrahymena sam się
wycina
Nagroda Nobla 1989
RNA katalityczne
} 
Sidney Altman (1983) – RNaza P (enzym tnący
prekursory tRNA) składa sie z białka i RNA, to RNA
jest katalizatorem
Nagroda Nobla 1989
RNA syntetyzuje białko
Co potrafią rybozymy?
} 
} 
} 
} 
Cięcie RNA, cięcie DNA
Ligacja (łączenie) cząsteczek RNA
Tworzenie wiązania peptydowego
Rybozymy selekcjonowane in vitro potrafią też
} 
} 
} 
} 
} 
polimeryzować RNA
fosforylować RNA i DNA
alkilować i aminoacylować RNA
tworzyć i przecinać wiązania amidowe i glikozydowe
dołączać kationy metali do grup porfirynowych
RNA jako elementy regulacyjne
XIST – inaktywacja chromosomu X
}  siRNA, miRNA, stRNA itd... - małe cząsteczki RNA
regulujące działanie genów
} 
Problemy świata RNA
} 
} 
} 
Ograniczona zdolność magazynowania informacji w
pojedynczym replikatorze (ilość informacji możliwej do
zakodowania jest odwrotnie proporcjonalna do częstości
błędów relikacji – granica Eigena)
„Samolubne RNA” w sieci replikatorów
Abiotyczna synteza RNA
Abiotyczna synteza polinukleotydów
Ligacja polinukleotydów na katalizatorze
glinokrzeminanowym
65
Z ostatniej chwili!
} 
Samoorganizujące się sieci rybozymów
Online 17.10.2012
66
Rybozym Azoarcus
67
Samoorganizacja sieci RNA
} 
} 
Rybozymy zdolne do katalizy ligacji innych wariantów
tworzą cykle autokatalizy
Cykl jest wydajniejszy od pojedynczych “samolubnych”
rybozymów
N Vaidya et al. Nature 000, 1-6 (2012) doi:10.1038/nature11549
68
Powstanie błon – pierwsze prakomórki
} 
Samoorganizacja lipidów amfipatycznych w struktury
mogące otaczać prakomórki
Takie lipidy mogły powstawać w warunkach
prebiotycznych, a nawet w kosmosie
}  Wyodrębnienie prakomórek błoną nastąpiło wcześnie
w ewolucji
} 
69
Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)
Ewolucja kodu
} 
} 
} 
Oddziaływania RNA – aminokwasy (pra-tRNA)
rybozymy syntetyzujące
uniwersalny rybosom pojawił się później
70
Ewolucja kodu
} 
Pierwszy kod był mniej specyficzny
} 
} 
} 
Ewolucja przez
} 
} 
} 
rozróżniane mniej aminokwasów
rozróżniane grupy aminokwasów
zwiększanie liczby kodowanych aminokwasów
zwiększanie specyficzności
Czy kod od początku był trójkowy?
} 
71
może wyewoluował z dwójkowego, ale z przecinkiem (trzeci
nukleotyd nieznaczący)
Jak powstała informacja genetyczna
Powstają pierwsze nici RNA
Nukleotydy
RNA replikuje RNA
RNA katalizuje reakcje z udziałem aminokwasów
Aminokwas
Polipeptydy
RNA katalizuje tworzenie białek i DNA
DNA przejmuje rolę materiału genetycznego
Powstanie DNA
} 
Reduktaza rybonukleotydów
} 
Enzym obecny we wszystkich gałęziach drzewa życia –
bardzo stary
73
Drzewo ewolucyjne życia
?
LUCA
75
LUCA jako wspólnota genów
} 
Niezależnie od tego, u podstawy był jednolity kod
genetyczny i wspólne podstawowe mechanizmy genetyczne
76
Podsumowanie
77
Hipotezy alternatywne
} 
Przesunięcie niektórych etapów prehistorii życia poza
Ziemię
} 
} 
78
kosmiczne pochodzenie prostych cząsteczek organicznych
kosmiczne pochodzenie życia - panspermia
Panspermia
} 
Pierwsze cząsteczki biologiczne, a nawet organizmy
nie powstały na Ziemi
} 
} 
Cząsteczki organiczne, aminokwasy w materiale kosmicznym
Problem ustalenia warunków początkowych
} 
} 
79
Jeżeli nie wiemy, gdzie powstawało życie, nie mamy możliwości
formułowania hipotez
“Panspermia ukierunowana” – życie celowo “zasiane” na
Ziemi przez inną cywilizację (Orgel & Crick, 1973)
Cząsteczki organiczne z kosmosu
} 
Meteoryt z Murchinson
} 
} 
liczne związki organiczne, w tym aminokwasy
Komety (potwierdzona obecność związków
organicznych)
80
Błony z kosmosu
} 
Struktury lipidowe tworzone przez ekstrakty
materiału z meteorytu z Murchinson (A)
} 
Struktury tworzone w reakcjach fotochemicznych z
materiału naśladującego lód z przestrzeni
kosmicznej (B)
81
Deamer et al. (2002), Astrobiology 2(4)
Zagadka chiralności
} 
Życie zachowuje chiralność: L-aminokwasy, D-pentozy
82
Zagadka chiralności - wyjaśnienia
Reakcje polimeryzacji (np. RNA) sprzężeniem zwrotnym
wzmacniają stereospecyficzność
}  Stereospecyficzność związana z prawami fizyki
(asymetria oddziaływań cząstek elementarnych) –
oddziaływanie supernowej w galaktyce
}  Polaryzacja światła
}  Zamrożony przypadek
} 
83
Astrobiologia
} 
Aby szukać życia poza Ziemią należy zrozumieć, jak
powstawało na Ziemi
Europa (księżyc Jowisza), © Wikimedia
84
Tytan (księżyc Saturna), © Wikimedia, New Scientist
Powstanie mitochondriów i
chloroplastów - endosymbioza
Biologia ewolucyjna?
Nothing in Biology Makes Sense
Except in the Light of Evolution
Theodosius Dobzhansky (1900-1975)
Biologia ewolucyjna?
“Wiêęc ja ju¿ż 40 przesz³ło lat mówiêę proz¹ą, nie
maj¹ąc o tym najmniejszego pojêęcia!”
Molière
Każdy biolog korzysta z teorii ewolucji, nawet jeżeli nie
zdaje sobie z tego sprawy!
Pierwsza synteza
Darwinizm + genetyka klasyczna + genetyka
populacji è Syntetyczna teoria ewolucji
}  Mutacje jako podstawa zmienności ewolucyjnej
} 
} 
} 
W populacjach naturalnych występują rozmaite allele
wielu genów, nowe powstają w wyniku mutacji
Ewolucja jako zmiany częstości alleli w populacji
Pierwsza synteza
}  4
główne siły ewolucji
}  Mutacje
}  Przepływ
genów
}  Dobór naturalny
}  Dryf genetyczny
Druga synteza
Darwinizm + genetyka molekularna è
molekularna
}  Molekularne mechanizmy ewolucji
} 
} 
} 
} 
} 
ewolucja
Jak zachodzą zmiany sekwencji DNA (i białek), jak ewoluują
genomy
Jak działa dobór naturalny na poziomie sekwencji
Genetyczna kontrola rozwoju w ewolucji (“evo-devo”)
Ewolucja molekularna jako narzędzie do poznawania
funkcji genów i genomów
Podobieństwo i homologia
}  Homologia:
podobieństwo wynikające ze
wspólnego pochodzenia ewolucyjnego –
cecha odziedziczona od wspólnego przodka
} 
vs. homoplazja – podobieństwo powstałe niezależnie, nie
odziedziczone po wspólnym przodku
Podobieństwo i homologia sekwencji
} 
Przy dostatecznie dużym podobieństwie można
założyć, że sekwencje są homologiczne
} 
} 
} 
Podobne struktury przestrzenne i/lub funkcje mogą być
determinowane przez różne sekwencje
Liczba możliwych sekwencji aminokwasowych o nietrywialnej
długości jest gigantyczna
Na poziomie sekwencji praktycznie nie stwierdza się
konwergencji, homoplazje są przypadkowe
Rozmiary genomów
93
Rozmiary genomów i liczba genów
94
Skąd się biorą nowe geny
} 
} 
Liczba genów w trakcie ewolucji wzrasta
Jak powstaje nowa informacja (nowe geny)?
95
Paralogi i ortologi
Paralogi – geny homologiczne w tym samym genomie,
powstałe w wyniku duplikacji genu - np. α-globina i βglobina człowieka
}  Ortologi – geny homologiczne powstałe w wyniku
specjacji, pochodzące od genu u wspólnego przodka –
np. α-globina człowieka i α-globina myszy
} 
Nowe geny powstają dzięki duplikacji DNA
Duplikacje wewnątrz genu
}  Tasowanie eksonów
}  Duplikacje całych genów
}  Duplikacje fragmentów i całych chromosomów
(aneuploidia)
}  Duplikacje genomu (poliploidia, hipoteza 2R)
} 
Duplikacje
T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009
Duplikacje wewnątrz genu
5’
1
2
3
4
5
6
3’
Pierwotny gen trypsynogenu
Delecja
1
5’
6’
3’
Thr Ala Ala Gly
4 duplikacje + dodana sekwencja
1
5’
6’
Wewnętrzne duplikacje
5’
1
1
3’
Dodana: Gly
2
3
4
5
6
7
…
37
38
39
40
41
6’
Gen glikoproteiny chroniącej przed zimnem Dissostichus mawsoni
3’
Ewolucja globin
Ewolucja genów opsyn
Ewolucja widzenia kolorów
Geny HOX – regulatory rozwoju
Ewolucja genów HOX
Dzięki duplikacjom genów HOX wyewoluowały bardziej złożone plany ciała
Białka składają się z domen
T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009
Granice domen i eksonów często się pokrywają
Tasowanie eksonów i domen
T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009
Wspólne motywy w różnych genach
Możemy stawiać hipotezy
dotyczące funkcji nieznanych
białek na podstawie motywów
znajdowanych w sekwencji.
Podstawa większości
współczesnych badań
biochemicznych!!
Ewolucja białek
Pierwsze peptydy były bardzo krótkie
}  Do dzisiaj w białkach ślady budowy z powtarzających
się krótkich motywów
} 
108
Geny i muzyka – Susumu Ohno
Ohno S, Ohno M. 1986. e all pervasive principle of
repetitious recurrence governs not only coding
sequence construction but also human endeavor in
musical composition. Immunogenetics 24:71-78
}  Ohno S. 1987. Repetition as the essence of life on this
earth: music and genes. Haematol. Blood Transfus.
31:511-518
} 
109
Powtórzenia
110
Muzyka sekwencji
111
Muzyka sekwencji
112
Homologia genów jako źródło informacji
} 
Duplikacje paralogiczne są źródłem nowych
genów i nowych funkcji, ale często działających
na podobnej zasadzie
} 
} 
Np. poszukiwanie nowych enzymów o funkcji zbliżonej
do już znanych
Geny ortologiczne z reguły (choć nie zawsze)
zachowują funkcję
} 
organizmy modelowe – wnioskowanie o funkcji genów
na podstawie badań nad innymi organizmami
} 
np myszy, a nawet drożdże jako modele do badania chorób
człowieka
Ewolucja sekwencji i dobór naturalny
114
Modele ewolucji sekwencji
Badając ewolucję nie dysponujemy z reguły sekwencją
przodka
}  Liczbę mutacji musimy oszacować na podstawie różnic
między sekwencjami współczesnymi
}  Konieczne jest uwzględnienie wielokrotnych mutacji w
tej samej pozycji, zwłaszcza dla bardziej odległych
sekwencji
} 
115
Problem obliczania odległości
ACGGTGC
C
T
Rzeczywista liczba mutacji:
5
Obserwowana liczba zmian
2
GCGGTGA
Odległość jest zaniżona, im odleglejsze
sekwencje, tym bardziej
116
Modele ewolucji sekwencji
Modele Markova – stan w pokoleniu n +1 zależy tylko
od stanu w pokoleniu n i reguł przekształcenia
(macierz prawdopodobieństw zmiany stanów)
}  Modele o różnym stopniu skomplikowania
}  Mogą uwzględniać:
} 
} 
} 
} 
} 
117
mutacje wielokrotne w tej samej pozycji (poprawka
Poissona)
różne prawdpodobieństwa zmian nukleotydowych (lub
białkowych)
różne prawdopodobieństwo mutacji w różnych pozycjach
sekwencji
różne częstości nukleotydów
Mutacje i dobór naturalny
} 
Efekty działania mutacji obserwujemy pośrednio
} 
} 
różnice sekwencji między populacjami (gatunkami)
polimorfizm sekwencji w obrębie populacji
} 
Na allele wytworzone przez mutacje może działać
dobór
} 
Za zmiany częstości powstających alleli może
odpowiadać dryf genetyczny
} 
Obserwujemy mutacje utrwalone całkowicie lub
częściowo (polimorfizmy) w puli genowej
118
Podstawowe pytanie ewolucji molekularnej
} 
Jaka jest rola dryfu i doboru w wyjaśnieniu
obserwowanego zróżnicowania sekwencji?
} 
} 
} 
wewnątrzpopulacyjnego (polimorfizmy)
międzygatunkowego
Pytanie dotyczy zróżnicowania ilościowego!
} 
119
Nikt nie podaje w wątpliwość tego, że adaptacje w ewolucji
powstają dzięki działaniu doboru!
Dobor czy dryf?
} 
Selekcjonizm
} 
} 
większość utrwalonych mutacji została wyselekcjonowana
przed dobór
większość polimorfizmów jest utrzymywana przez dobór
} 
} 
dobór równoważący, naddominacja, dobór zależny od częstości
Neutralizm (Kimura, 1968)
} 
} 
} 
120
większość utrwalonych mutacji została utrwalona przez dryf
za większość polimorfizmów odpowiada dryf
mutacje utrwalane przez dobór są rzadkie, nie mają wpływu
na ilościową analizę zmienności molekularnej
Mutacje i dobór
} 
niekorzystne (szkodliwe)
} 
} 
} 
neutralne
} 
} 
} 
s<0
eliminowane przez dobór (oczyszczający/negatywny)
s ≈ 0 (a konkretniej, s ≤ 1/4N)
utrwalane przez dryf
korzystne
} 
} 
121
s>0
utrwalane przez dobór (z udziałem dryfu dla niewielkich s)
Selekcjonizm i neutralizm
} 
Selekcjonizm:
} 
} 
} 
} 
większość mutacji jest niekorzystna
większość utrwalonych mutacji jest korzystna
mutacje neutralne są rzadkie (nie częstsze od korzystnych)
Neutralizm
} 
} 
} 
122
większość mutacji jest niekorzystna lub neutralna
większość utrwalonych mutacji jest neutralna
mutacje korzystne są rzadkie (znacznie rzadsze od
neutralnych)
Selekcjonizm i neutralizm
selekcjonizm
neutralizm
pan-neutralizm
Neutralizm nie oznacza pan-neutralizmu, czyli negowania znaczenia selekcyjnego mutacji!
123
Tempo ewolucji sekwencji a funkcja
Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej
istotne obszary białek) ewoluują szybciej, niż obszary kluczowe dla funkcji
124
Tempo zmian
jednostka: PAM/108
lat
Jednostka czasu
ewolucyjnego: ile lat
(w milionach, 106)
potrzeba do utrwalenia
1 mutacji/100 aa (1
PAM)
} 
} 
Białka zaangażowane w podstawowe funkcje komórki ewoluują
wolniej.
W sekwencji białka obszary kluczowe dla funkcji ewoluują wolniej.
125
Tempo zmian
} 
Czynnikiem decydującym o tempie zmian jest dobór
oczyszczający (negatywny)
} 
} 
} 
w “ważniejszych” sekwencjach więcej zmian będzie
niekorzystnych (eliminacja przez dobór)
w mniej istotnych sekwencjach więcej zmian będzie
neutralnych (utrwalanie przez dryf)
zmiany bez znaczenia dla funkcji będą neutralne
} 
} 
} 
126
pseudogeny
niekodujące obszary międzygenowe?
podstawienia synonimiczne?
Status neutralizmu
} 
Wyjaśnia wiele zjawisk obserwowanych w ewolucji
molekularnej
} 
} 
wysoki polimorfizm sekwencji DNA i białek
zegar molekularny
} 
} 
wolniejsza ewolucja sekwencji o kluczowym znaczeniu
} 
} 
ale jest wiele odstępstw, nie istnieje globalny zegar prawdziwy
dla wszystkich gałęzi drzewa życia
to też można wyjaśnić modelem, w którym większość mutacji jest
albo niekorzystna, albo korzystna, ale niekorzystnych jest więcej
Jest bardzo przydatny jako hipoteza zerowa do
badania doboru naturalnego na poziomie sekwencji!
127
Status neutralizmu
} 
Dane molekularne, zwłaszcza genomowe, pozwoliły
ocenić zgodność modelu neutralnego z obserwacją
zmienności sekwencji
} 
128
Kimura: 1968 – nie były wtedy znane metody
sekwencjonowania DNA!
Status neutralizmu
} 
Smith & Eyre-Walker 2002 – 45% podstawień
aminokwasowych w ewolucji Drosophila sp.
utwalonych przez dobór dodatni
} 
Andolfatto 2005 – pomiędzy D. melanogaster i D.
simulans dobór dodatni odpowiada za utrwalenie:
} 
} 
129
20% podstawień w DNA w intronach i obszarach
międzygenowych
60% podstawień w DNA w sekwencjach UTR
Status neutralizmu
} 
Głównym i nieprzemijającym osiągnięciem jest
stworzenie matematycznego opisu współdziałania dryfu
i doboru naturalnego (dodatniego i oczyszczającego) w
ewolucji molekularnej
} 
Dzięki tym modelom opracowano testy poszukujące
śladów doboru w sekwencjach (model neutralny jako
hipoteza zerowa)
} 
Istnieje znacząca liczba pozycji i sekwencji
ewoluujących według modelu neutralnego
} 
130
można dobrać sekwencje tak, by uzyskać zegar molekularny
Status neutralizmu
} 
Dryf genetyczny ma w ewolucji molekularnej bardzo
znaczącą, ale nie wyłączną rolę
} 
131
znaczne obszary genomu ewoluują w sposób bliski
neutralnemu