Evolucija animalnih različitosti

Evolucija animalnih različitosti

• Evolucija genoma• Dupliciranje gena• Mutacije• Regulacija ekspresije gena• Obrasci ekspresije gena

Evolucija animalnih različitosti

Nove tehnologije i istraživanja profila ekspresije genaGenski čipovi

Evolucija animalnih različitosti

• Diferencijacija ćelija• Ekspresija genoma• Regulatorni proteini• RNK svet

Geni koji odreñuju obrazac ekspresije

(eng. pattern determininig genes)

Kako geni menjaju obrazac svoje ekspresije tokom evolucije?

• Regulatorni geni kodiraju proteine koji vrše kontrolu ekspresije drugih gena.

• Posebno je značajna klasa regulatornih gena koji se nazivaju geni koji odreñuju obrazac razvića.

• Promene aktivnosti ovih gena ili obrasca ekspresije, tokom evolucije, dovodi do značajnih promena u morfologiji vrsta.

• Prosečni animalni genom kodira približno 1.000 različitih regulatornih proteina.

• Procenjuje se da 10% regulatornih gena pripada ovoj klasi gena što znači da prosečni animalni genom poseduje 100 gena koji odreñuju obrazac razvića.

Na koji način geni koji odreñuju obrazac razvića proizvode različitost tokom

evolucije?• Dvadesetogodišnja istraživanja na model sistemu D.

melanogaster.• Kod vinske mušice detektovan i prvi gen koji odreñuje

obrazac razvića.• Na osnovu promena animalne morfologije nastalih

eksperimentalnim manipulacijama dokazani su i načini delovanja proteinskih produkata gena koji odreñuju obrazac razvića.

Na koji način geni koji odreñuju obrazac razvića proizvode različitost tokom

evolucije?

a. promene u načinu ekspresije (mestu) b. promene u regulatornom proteinu (funkciji) c. promene u ciljnim genima (regulatornim elementima)

a. Promene u načinu ekspresije

• Represor X• T8 segment odgovoran za

razvoj axial spine.

• U jednoj vrsti eksprimirase u torakalnim segmentima T1 – T7.

• U drugoj vrsti eksprimira se u torakalnim segmentima T1 – T8.

a. Promene u načinu ekspresije

• Pax 6 kontroliše razvoj oka kod većine animalnih vrstauključujući i čoveka.

• Eksperimentalni dokaz kod D. melanogaster

• Ekspresijom gena Pax 6 u “pogrešno” tkivo uzrokuje razvoj još jednog (“ekstra”) oka

b. promene u regulatornom proteinu (funkciji)

• Regulatorni proteini koje kodiraju ovi geni dobija novu funkciju, mutacijom npr.

• Domen koji funkcioniše kao aktivator transkripcije dobija osobine represornog domena.

Gen Antp

• Gen Antennapedia (Antp) • Model sistem D. melanogaster• Kodira regulatorni protein sa

homeodomenima.• Kontroliše razvoj srednjeg

segmenta toraksa -mezotoraksa (T2) - koji produkuje par nožica.

Gen Antp

• U normalnim okolnostima se neeksprimira u embrionalnom tkivu koje je odgovorno za razvoj glave.

• Inverzija hromozoma dovodi do mutacije gena Antp.

• Proteinski produkt mutiranog gena učestvuje u regulaciji ekspresije gena i u segmentuembrionalnog tkiva glave koje je odgovorno za formiranje antena.

• REZULTAT – umesto antena razvijaju se nožice.

Geni ftz i antp

• Nastali duplikacijom gena HOX pre 400 miliona godina kada je došlo do razdvajanja crustacea i insekata.

• Oba proteina imaju veoma slične DNK vezujuće domene (homeodomene).

• Proteinski produkti ova dva gena prepoznaju različite sekvence u molekulu DNK jer se u obliku heterodimera sa različitim “partnerskim” proteinima vezuju za molekul DNK.

Geni ftz i antp

• Protein – protein interakcija odvija se preko kratkog proteinskog motiva aktivirajućeg domena.

• Protein Ftz poseduje pentapeptidnu sekvencu – motiv LRALL.

• Protein Antp poseduje terapeptidnu sekvencu – motiv YPWM.

Geni ftz i antp

• Protein Ftz, preko motiva LRALL, formira dimer sa regulatornim proteinom FtzF1.

• Protein Antp, preko motiva YPWM, formira dimer sa regulatornim proteinom Exd(Extradenticule).

• Rezultat – Proteini Antp i Ftz regulišu ekspresiju različitih ciljnih gena.

Geni ftz i antp

• Tribolium castaneum• Protein Ftz u svom

aktivirajućem domenu sadrži oba proteinska motiva LRALL i YPWM i zbog toga ima funkcionalne karakteristike i proteina Ftz i proteina Antp.

c. promene u ciljnom genu (regulatornim elementima)

• Ne dolazi do promena u ekspresiji ili funkciji regulatornog proteina.

• Ciljni geni “stiču nove” regulatorne elemente i na taj način:

a. počinju da bivaju regulisani od strane drugih regulatornih proteina; ili

b. počinju da bivaju regulisani od strane istih regulatornih proteina ali na drugačiji način.

Promene pojačivača

• 200 bp dug tkivno-specifični pojačivač mezoderma za koji se vezuje regulatorni protein Dorsal.

• Ovaj pojačivac poseduje dva Dorsal vezujuća mesta niskog afiniteta (low-affinity Dorsal binding sites).

• Supstitucija jednog nukleotida u svakom od Dorsal vezujućih mesta modifikuje aktivnost pojačivača i on postaje optimalan za vezivanje proteina Dorsal.

Promene pojačivača

• Protein Dorsal funkcioniše sinergistički sa regulatornim proteinom Twist koji aktivira ekspresiju gena u neurogenom ektodermu.

• Nativni pojačivač nema mesto vezivanja za Twist.• Osam nukleotidnih supstitucija modifikuje pojačivač i čini ga dostupnim za vezivanje sa ovim regulatornim proteinom jer se kreiraju dva mesta za vezivanje Twist-a.

Promene pojačivača

• Ako se dogode još dve nukleotidne supstitucije u low-affinity Dorsal binding sites stvara se modifikovani pojačivač – pojačivač sa Dorsal vezujućim mestima visokog afiniteta (eng. high-affinity Dorsal binding sites) koji je aktivan i u mezodermu i neurogenom ektodemu.

Promene pojačivača

• Sa još nekoliko nukleotidnih supstitucija dolazi do nove promene u pojačivaču.

• Kreira se novo vezujuće mesto - za represor Snail koji vrši blokadu ekspresije u mezodermu.

• Modifikovani pojačivač sa dva optimalna Dorsal mesta, mestom za vezivanje Twist-a i mestom za vezivanje represora SNAIL eksprimira se samo u neurogenom ektodermu.

Promene pojačivača

• Serije od 2, 10 ili 14 nukleotidnih supstitucijarezultiraju stvaranjem različitih dorzal pojačivača koji regulišu ekspresiju ciljnih gena u različitim regionima embriona: a. u mezodermub. u mezodermu i neurogenom ektodermuc. neurogenom ektodermu

Gen ultrabitorhorax

• Gen koji odreñuje obrazac ekspresije kod D. melanogaster i koji ilustruje sva tri način dejstva ovih proteina:

a. promene u načinu ekspresije (mestu)

b. promene u regulatornom proteinu (funkciji)

c. promene u ciljnom genu (pojačivaču)

Gen ultrabitorhorax

• Kodira regulatorni protein koji kontroliše razvitak trećeg torakalnog segmenata - metatoraksa (T3).

• Specifično inhibira ekspresiju gena koji utiču na razvoj drugog torakalnog segmenta (T2) – mesotoraksa kao što je npr. gen Antp.

a. Promene u načinu ekspresije

• Mutacija gena Ultrabitorhorax (Ubx) dovodi do promene u njegovoj funkciji i to tako što protein eksprimiran sa mutiranog gena gubi represorni efekat na ekspresiju gena Antp.

• Na taj način protein Antp se eksprimira i u mesotoraksu (T2)i u metatoraksu (T3) što za posledicu ima transformacija metatoraksa u smislu duplikacije mesotoraksa.

• Morfološki rezultat: umesto para haltera formira se još jedan para krila.

a. Promene u načinu ekspresije

• Gen Cbx (Contrabitorax)• Mutacija gena Cbx za posledicu ima

ekspresiju gena Ubx i u metatoraksu (T3) i u mesotoraksu (T2).

• Protein Ubx sada vrši represiju ekspresije gena Antp (i drugih gena) odgovornih za normalan razvoj mesotoraksa koji se transformiše u smislu dupliciranja normalnog metatoraksa.

• Morfološki rezultat: umesto para krila formira se još jedan par haltera.

b. promene u regulatornom proteinu (funkciji)

• Neizmenjeni (wt) protein Ubx je represor zahvaljujući alanin bogatom represornom domenu (ovakav domen poseduju i neki drugi regulatorni proteini vinske mušice, Eve, npr.)

• Mutacija dovodi do konverziea funkcije Ubx iz represora u aktivatora transkripcije što uzrokuje da se njegov proteinski produkt ponaša slično Antp proteinu odnosno promoviše razvoj mesotoraksa.

b. promene u regulatornom proteinu (funkciji)

• Transgeni embrion Drosophile (sa ekspresijom mutiranog gena ubx i blokiranom ekspresije gena antp)abnormalno se razvija u smislu da se sva tri torakalna segmenta formiraju tako da liče na prvi normalni abdominalni segment.

c. promene u ciljnom genu(regulatornim elementima)

• Protein Ubx (slično proteinu Antp) poseduje tetrapeptidni motiv YPWM u svom aktivirajućem domenu preko koga interaguje sa proteinom Exd (Extradenticule) i formira heterodimer.

• Protein Exd interaguje i sa drugim regulatornim proteinima (proteini Hox).

c. promene u ciljnom genu(regulatornim elementima)

• Heterodimeri se vezuju za regulatorni element.

• Protein Exd (Extradenticule) vezuje se za sekvencu TGAT u okviru regulatornog elementa.

• Protein Ubx i drugi proteini Hox vezuje se za segment koji ima motiv ATKR

• K – T ili G• R – A ili G

c. promene u ciljnom genu(regulatornim elementima)

• Afinitet vezivanja različitih heterodimera zavisi od dva nukleotida - NN - koji povezuju dva polu mesta u okviru regulatornog elementa.

• Ako se na pozicijama NN nalaze dva timin za regulatorni element vezivaće se dimer Exb (Extradenticule) – Ubx (Ultrabitorhorax).

• Ako su na pozicijama NN nalaze dva guanina za regulatorni element vezivaće se dimer Exb-Labial (Labial je protein Hox).