Evolucija gena(broj i funkcija)

Evolucioni trendovi

Povećanje:

veličine genoma

intergenske DNK

broja mobilnih elemenata

broja kodirajućih gena

broja i veličine introna

Duplikacije genoma i pojedinačnih gena

duplikacija čitavih regulatornih mreža i intergenskih interakcija

koevolucija “dupliranog partnerstva”

nastanak novih funkcija

-geni sa više interakcija i plejotropije-paleopoliploidije: geni za transkripcione faktore, ribozomske funkcije, transdukciju signala, razviće i sl.

povećanje doze samo jednog proteinskog produkta

kompeticija za interagujući protein

povećana verovatnoća pseudogenizacije

-geni sa manje plejotropnih efekata-kod biljaka – geni za sekundarni metabolizam i biotičke stresore

Starost duplikacija

Određivanje starosti duplikacija

Paranomi – kolekcije dupliranih (paralognih) gena

2SK

T T – vreme divergencije dva nukleotidna nizaKS – proporcija sinonimnih mutacija između dva nukleotidna niza

λ – prosečna stopa nukleotidnih zamena

Poliploidije

Značajne uloge u evoluciji svih eukariotskih genoma

drevne paleopoliploidije - visoka konzervisanost genskih familija Alopoliploidije

Autopoliploidije

Poliploidija kod biljaka Fosilne angiosperme – predački broj hromozoma 7 – 9

Najmanje 70% cvetnica i 95% mahovina i paprati - poliploidna specijacija (pre svega alopoliploidiju) u evolucionoj prošlosti

Arabidopsis thaliana – primer poliploidije Analiza 7000 multigenskih familija

Tri runde potpune duplikacije genoma

1R – pre 101 - 168 mil.god.

2R – pre 66 - 109 mil.god.

3R – pre 24 - 40 mil.god.

Preferencijalno zadržani geni – za TF, transdukciju signala, razviće (duboko umreženi)Ali i geni za - odbranu biljaka od abiotičkih stresora (suša, niske temperature, slanost zemljišta, itd.)

raspad Pangee, porast CO2

Poliploidija kod biljaka

Analiza velikog broja genoma i paranoma (Jiao et al., 2011): Kod svih biljaka sa semenom (Spermatophyta) – 2 potpune

duplikacije genoma:

pre oko 319 mil.god. – poslednji zajednički predak svih Spermatophyta

pre oko 192 mil.god. – poslednji zajednički predak svih angiospermi

Dodatne poliploidije u različitim evolucionim linijama

Analiza Hox gena (“jata”): Cefalohordate – 1 jato

Kolouste – 2 do 3 jata

Kičmenjaci sa vilicom (od riba do sisara) – 4 jata

↓

Dve runde duplikacije (analiza 55 genskih familija)

1R – prekambrijska era

2R – pre 550 - 520 mil.god. (kambrijska eksplozija)

kod košljoriba 3R – pre 350 - 236 mil.god. (masovno izumiranje između Perma i Trijasa)

Poliploidija kod kičmenjaka

Pikaia

Haikouichthys

Myllokunmingia

Poliploidija i adaptivna radijacija

Heteroza i veliki broj regulatornih mreža → veća tolerancija na ekstremnije uslove → invazivnost u nova staništa

Model “recipročnog gubitka gena” Nakon poliploidije, populacije diferencijalno gube gene → evolucija

genetičke inkompatibilnosti → post-zigotska izolacija Promene su prvo u regulaciji ekspresije gena.

Poliploidne grupe imaju više vrsta: Košljoribe - preko 20 000 vrsta Poaceae - preko 10 000 vrsta (nastanak trava nakon duplikacija pre 70-

50 mil.god.) Leguminoze - preko 19 000 vrsta (duplikacije pre adaptivne radijacije)

Duplikacije pojedinačnih gena

Rezultat nejednakog krosing-overa

Procenjena stopa novih kopija 0.001 do 0.017 po genu na mil.god.

Posledice: Povećanje verovatnoće nejednakog krosing-overa

Koincidentna evolucija

homogenizacija članova multigenske familije (usporavanje divergencije)

zajednička evolucija članova multigenske familije

Koincidentna evolucijaKonverzija gena – jednosmerni transfer DNK niza sa jednog gena

na drugiMolekulsko vođenje (molecular drive) – neproporcionalno učešće

jedne DNK sekvence kao donorske

Sve dok su duplirani geni dovoljno slični evoluiraće na sličan način!

Evolucija paralognih kopija

Uloga selekcije: Velike multigenske familije sa identičnim kopijama gena (genske

familije za histone, tRNK, rRNK) – prednost velike količine proizvoda i koincidentna evolucija

Favorizovanje povoljnih mutacija u kopijama (promene vremena i mesta ekspresije paralognih kopija) – divergencija gena

Pseudogenizacija česta u multigenskim familijama

Selektivno favorizovanje promene broja članova familija gena Analiza 9990 familija gena sisara – 1.6% brže promene u broju članova

nego što se očekuje po neutralnom modelu (imunski odgovori, transkripcija, translacija, razviće neurona, međućelijska

komunikacija, itd.) Korelacija između broja članova familija gena i broja tipova ćelija

Nastanak novih (funkcija) gena

Bez duplikacija: Ortologni geni u različitim evolucionim linijama akumuliraju

različite mutacije → promena funkcije gena

Kooptiranje novih funkcija istog DNK niza (vrbovanje gena) –“genetička piraterija”: mutacije u regulatornim elementima → gen pod kontrolom novih

transkripcionih faktora → “funkcionalna plejotropija”

Kristalini (strukturni proteini sočiva oka) i enzimi u drugom tkivu BMP familija gena kičmenjaka, itd.

Geni kao generalisti

Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (1.)

Klasičan model:

1. Duplikacija2. Akumulacija mutacija bez nadzora

selekcije3. Nastanak nove funkcije u novim

okolnostima (selekcija)4. Selekcija deluje preko nove

funkcije (mutacije + selekcija)

Model zasnovan na koncepciji “geni kao specijalisti”

gen A

gen B

gen Bgen A

duplikacija

Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (2.)

Izbegavanje adaptivnog sukoba:1. Gen je generalista2. Jedna funkcija povećava adaptivnu

vrednost, a druga je smanjuje

3. Akumulacija mutacija pod nadzorom selekcije

4. Duplikacija i razdvajanje funkcija

5. Funkcionalna specijalizacija kopija (mutacije i selekcija)

Npr. kod kokoške - geni za kristaline i ASL (argininosukcinat lijaza)

gen A

gen A gen B

duplikacija

gen B

Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (3.)

Neofunkcionalizacija:

1. Duplikacija

2. Akumulacija mutacija pod nadzorom selekcije

3. Direkciona selekcija na jednu kopiju i sticanje nove funkcije

4. Prva kopija zadržava originalnu funkciju

Npr. geni za terpenske sintetaze kod smrče,SCPP geni: osifikacija, zubna gleđ, kazein u

mleku sisara

Nastanak novih funkcija gena i duplikacija (4.)

Subfunkcionalizacija (“duplikacija-degeneracija-komplementacija”):

1. Gen je generalista2. Duplikacija3. Duplirani geni akumuliraju mutacije

koje u svakoj kopiji inaktiviraju jednu od funkcija

4. Mutacije su efektivno neutralne jer nedostajuću funkciju jedne kopije nadomešćuje druga kopija

5. Selekcija za novu funkciju6. Nove mutacije i selekcija

Horizontalni transfer gena (HTG)

“filogenetska nesaglasnost” – ksenologni geni Između prokariota

Drevne razmene (u genomima bakterija i arhea) Rezistencija na antibiotike i dr. U crevima (razmena između bakterija)

Primarna endosimbioza – drevni HTG i postanak eukariota Sekundarne i tercijarne endosimbioze (između prokariota i

eukariota ili eukariota i eukariota) → “ono si što jedeš” Duže zadržavanje endosimbionta → domaćin preuzima gene

Proširivanje ekoloških niša Endosimbionti sintetišu nutriente za domaćina Konvergentna evolucija između filamentoznih gljiva i oomiceta

11 gena uključenih u osmotrofiju iz gljiva u oomicete

Postanak gena iz nekodirajuće DNK

de novo geni– bez homolognih varijanti Plasmodium vivax – 13 gena Primate – 15 novih gena nakon razdvajanja od linije glodara Čovek - potencijalno i do 600 gena nastalo iz ncDNK samo kod ljudi :

3 gena bez introna – ORF za 121 – 163 AK, unutar introna poznatih gena na suprotnom lancu – nisu poznate funkcije u tkivima gde se javljaju iRNK

4. gen (FLI33706) – u mozgu (neokorteks, cerebelum i srednji mozak) 5 introna, ORF od 194 kodona nastanak nakon insercije Alu (1. egzon) pre 38 mil.god. Kod ljudi: 2 mutacije eliminisale 2 stop kodona

ESRG gen: delovi sekvence postoje kod drugih primata, ali samo kod čoveka je aktivan – esencijalan za održavanje ranih embrionskih stem ćelija (kod majmuna nije neophodan ESRG za ove funkcije)

Pldi gen kod miševa (kod pacova i ljudi neaktivna sekvenca) Protogeni (geni u nastanku) – ORF sa potencijalom vezivanja transkripta za

ribozome Kod kvasca (1900 kandidata) – povećano vezivanje pod stresom!