Evoluce genu

1
Evoluce genu
2
Obsah

• materielní substrát genu
• vnitrní periodicita genu
• puvod exonu a intronu

3
Obsah

• materielní substrát genu
• vnitrní periodicita genu
• puvod exonu a intronu

4
Každý gen vzniká z genu

• genealogické vztahy mezi geny
• genové rodiny a nadrodiny eukaryota asi 750
  rodin (650-10000), každá v prumeru 50 clenu, 90
  velmi vzácných
• motivy a moduly

5
Mechanismy vzniku nových genu

• vznik z nekódující sekvence, vzácné u vyšších 1-5
  za mil. let u savcu, 5-10 za mil. let u drozofil,
  ale stovky u kvasinky, nekteré Ns/Nn gt 1
• postupná transformace a zmena (nebo obohacení)
  funkce
• genové fúze
• otevírání nových ctecích rámcu
• mezidruhový prenos (transformace, hybridizace,
  syngenese)
• Prenos organelové DNA (promiskuitní DNA)
• genová duplikace (vymizení 3-7 mil. let, zmena
  funkce)
• Celogenomová duplikace, WGD (obratlovci 2x)
• vznik z nadbytecné kopie u diploidu

6
Vznik novéhu genu u diploida
mutace
genová duplikace
crossing over
7
Mechanismy vzniku nových genu

• postupná transformace a zmena (nebo obohacení)
  funkce
• genové fuze
• otevírání nových ctecích rámcu
• mezidruhový prenos (transformace, hybridizace,
  syngenese)
• Prenos organelové DNA (promiskuitní DNA)
• genová duplikace
• vznik z nadbytecné kopie u diploidu
• genomová duplikace

8
Obsah

• materielní substrát genu
• vnitrní periodicita genu
• puvod exonu a intronu

9
TACACGATACAAAAAACATGAAGATCACTGTTCTCTTTACAGTTACTGAG
CACACAGGACCTCACCATGGGATGGAGCTGTATCATGCTCTTCTTGGCAG
CAACAGCTACAGGTAAGGGGCTCACAGTAGCAGGCTTGAGGTCTGGACAT
ATACATGGGTGACAATGACAATGACATCCACTTTGCCTTTCTCTCCACAG
GTGTCCACTCCCAGGTCCAACTGCAGCAGCCTGGGGCTGAGCTTGTGAAG
CCTGGGGCTTCAGTGAAGCTGTCCTGCAAGGCTTCTGGCTACACCTTCAC
CAGCTACTGGATGCACTGGGTGAAGCAGAGGCCTGGGCGAGGCCTTGAGT
GGATTGGAAGGATTGATCCTAATAGTGGTGGTACTAAGTACAATGAGAAG
TTCAAGAGCAAGGCCACACTGACTGTAGACAAACCCTCCAGCACAGCCTA
CATGCAGCTCAGCAGCCTGACATCTGAGGACTCTGCGGTCTATTATTGTG
CAAGACACAGTGTTGCAACCACATCCTGAGAGTGTCAGAAAACCTGGA
10
Puvod periodicity

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

11
Mechanismus protoreplikace
12
Adaptivní vlastnost genu související s
vlastnostmi genetického kódu

• Vetší odolnost proti posunové mutaci
• Delší otevrené ctecí rámce u protogenu
• Obrana proti náhodnému zahajování transkribce

13
Vetší 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...
14
Adaptivní vlastnost genu související s
vlastnostmi genetického kódu

• Vetší odolnost proti posunové mutaci
• Delší otevrené ctecí rámce u protogenu
• Obrana proti náhodnému zahajování transkribce

15
Delší otevrené ctecí rámce u protogenu

• náhodné 300 nukleotidu dlouhé nukleotidové
  retezce, potom jen 0,82 z nich nebude obsahovat
  žádný terminacní kodón a bude tak kódovat
  souvislý protein délky 100 aminokyselin (30x 10NK
  60)
• vznik nového proteinu posunem ctecího rámce
• více ctecích rámcu ve stejném úseku DNA
• Snadnejší vznik usporádané terciální struktury

16
Adaptivní vlastnost genu související s
vlastnostmi genetického kódu

• Vetší odolnost proti posunové mutaci
• Delší otevrené ctecí rámce u protogenu
• Obrana proti náhodnému zahajování transkripce

17
Obrana proti náhodnému zahajování transkripce

• V lidském genomu o délce 3000 Mb je približne
  30-40 tisíc genu. To znamená, že zde jsou
  jednotlivé geny od sebe v prumeru oddeleny
  nekódujícími úseky DNA o délce rádove 100 tisíc
  nukleotidu.
• castý motiv nekodujících úseku
  AGCTG AGCTG AGCTG GGGTG. Cílové místo pro RNA
  polymerázu II TATAAATA

18
Puvod periodicity

• mechanismus protoreplikace
• adaptivní vlastnost genu související s
  vlastnostmi genetického kódu
• vedlejší produkt genetického tahu (presah do
  oblasti intronu)

19
TACACGATACAAAAAACATGAAGATCACTGTTCTCTTTACAGTTACTGAG
CACACAGGACCTCACCATGGGATGGAGCTGTATCATGCTCTTCTTGGCAG
CAACAGCTACAGGTAAGGGGCTCACAGTAGCAGGCTTGAGGTCTGGACAT
ATACATGGGTGACAATGACAATGACATCCACTTTGCCTTTCTCTCCACAG
GTGTCCACTCCCAGGTCCAACTGCAGCAGCCTGGGGCTGAGCTTGTGAAG
CCTGGGGCTTCAGTGAAGCTGTCCTGCAAGGCTTCTGGCTACACCTTCAC
CAGCTACTGGATGCACTGGGTGAAGCAGAGGCCTGGGCGAGGCCTTGAGT
GGATTGGAAGGATTGATCCTAATAGTGGTGGTACTAAGTACAATGAGAAG
TTCAAGAGCAAGGCCACACTGACTGTAGACAAACCCTCCAGCACAGCCTA
CATGCAGCTCAGCAGCCTGACATCTGAGGACTCTGCGGTCTATTATTGTG
CAAGACACAGTGTTGCAACCACATCCTGAGAGTGTCAGAAAACCTGGA
Jeden z možných dusledku existence periodicity
nerovnomernost v používání synonymních kodonu
20
Obsah

• materielní substrát genu
• vnitrní periodicita genu
• puvod exonu a intronu

21
100
10
celková délka intronu (kbp)
1,0
0,1
0,3
3
30
celková délka exonu (kbp)
22
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
23
Puvod intronu

• Hypotéza casných intronu
• introny na pocátku (v RNA svete)
• introny brzy (na pocátku soužití RNA a proteinu)
• Hypotézy pozdních intronu (až v DNA svete)
• introny pozdeji (v DNA svete, ale pred vznikem
  eukaryot
• introny velmi pozde (v rámci eukaryot)
• samovystríhávající se introny, I, II, III ?

24
Puvod intronu

• Hypotéza casných intronu
• vystrihování úseku se stop kodony
• geny jakožto lego
• koincidence exonu s moduly, predpovezené introny
  (leghemoglobin, Culex)
• fáze intronu (faze 0 introny korelují s moduly)
• staré a mladé introny (lepší korelace u starých)

25
Zastoupení jednotlivých typu intronu
zastoupení ()
pozice vuci kodónum
26
Puvod intronu II

• Hypotéza pozdních intronu
• fylogenetický predek obcas nemel (pribývání
  intronu ve fylogenezi), ale neplatí pro radu
  skupin, spíše se zdá, že první eukaryot mel mnoho
  intronu
• parsimonie opakovaný vznik
• chabá koincidence s moduly, trídení z hlediska
  funkcnosti (presun cásti modulu nefunkcní)

27
Funkcní význam intronu

• Evolucní potenciál druhu (vznik nových genu)
• Prepis více typu mRNA z jednoho genu
• Regulace exprese (posuny na nukleosomu)

28
Posun pozice regulacních elementu na nukleosomu
a)
b)
29
Funkcní význam intronu

• Evolucní potenciál druhu (vznik nových genu)
• Prepis více typu mRNA z jednoho genu
• Regulace exprese (posuny na nukleosomu)
• Obrana proti nelegitimní rekombinaci

30
Obrana proti nelegitimní rekombinaci
a)
výrazná homologie - dochází k rekombinaci
nefunkcní produkty nehomologické rekombinace
paralogy s vysokým stupnem homologie
b)
slabá homologie - rekombinace neprobíhá
paralogy s vysokým stupnem homologie v
oblasti exonu
funkcní nerekombinované geny
31
Funkcní význam intronu

• Evolucní potenciál druhu (vznik nových genu)
• Prepis více typu mRNA z jednoho genu
• Regulace exprese (posuny na nukleosomu)
• Obrana proti nelegitimní rekombinaci
• Detekce ci odstranování chyb
• Žádná funkce parazitická DNA

32
Shrnutí

• Každý gen vzniká z genu
• Geny lze usporádat do genových rodin
• Protein je vytváren z modulu, ty z motivu
• Geny casto vykazují vnitrní periodicitu
• Existence této periodicity má radu dusledku
• Moderní geny eukaryot jsou vytváreny introny a
  exony
• Není jasné, kdy a proc vznikl splicing, vetšina
  autoru však predpokládá, že puvodní geny introny
  neobsahovaly