Геномы. Эволюция.И эволюция геномов.

Секвенирование генома за $1000

• Oxford Nanopore Technologies LTD

• Пока просеквенированы геномы бактериофагов, вирусов и бактерий

Парадокс

• Чем объяснить эту огромную разницу в размерах геномов?

Кузнечик Podisma pedestris

Плодовая мушка Drosophila melanogaster

18,000 Mb 180 Mb

Размер генома и число генов

Некодирующие участки геномаГены Геном

фаг MS2 4 3,5 kbHIV 19 9,7 kbE.coli 4’288 4,6 Mb

S.cerevisiae 6’275 12,1 MbM.musculus 23’786 2,7 GbH.sapiens 23’686(?) 3,2 Gb

P.aethiopicus ? 130 GbT.nigroviridis 27’918 340 Mb

P.dubium ? 670 GbP.japonica ? 150 GbC.ruddii 182 160 kbP.coffeae 6712 19,76 Mb

N.deltocephalinicola 137 112 kb

• Чем больше геном, тем больше места там занимают некодирующие участки

Сколько нужно генов?

• Itaya (1995) Нокаут 79 случайных генов Bacillus subtilis: только 6 летальны, 73 не влияют на жизнеспособность

• 7,5% генома незаменимы

• Геном B.subtilis 4,2x106 x7,5% = 3,2x105 bp

• Средний размер гена 1,25 кb, что дает минимальный размер генома ≈ 254 гена

Сколько нужно генов?

• Mushegian and Koonin (1996)

• Сравнение полных бактериальных геномовE. coli

H.influenzae M.genitalium

1,146

1,129

88918

10

239

1

Состав генома человека

Некодирующие РНК человека

Повторяющиеся элементы генома

• Рассеяные (диспергированные) повторы• Тандемные повторы• Микросателлиты• Минисателлиты• Сателлиты

Тандемные повторы

Класс Размер Блоки Локализация на хромосоме

Сателлиты 5-171 bp >100 kb ЦентромераМинисателлиты 6-64 bp 0,1-20 kb ТеломераМикросателлиты 1-13 bp < 150 bp Везде

Barbara McClintock (1902-1992)

• Открыла феномен транспозиции в 1930-х

• Получила Нобелевскую премию в 1983

Классы транспозонов

Транспозоны

• Кодируют белок транспозазу

• Транспозаза вырезает транспозон и вставляет его в другое место

• На месте, где был транспозон, образуется повтор

Транспозон Tn3

• 39 bp инвертированные повторы на концах

4957 bp

устойчивость к ампициллину bla

транспозаза

tnpA“repressor” tnpR Tn3 resolvase

3 гена:

Подвижные интроны

Homing

Чем опасны транспозоны?

Повторы как причина хромосомных дефектов

Чем еще опасны транспозоны?

• Передача устойчивости к антибиотикам• Перенос генов из хромосомы в плазмиду

• Перенос плазмид из одной клетки в другую• MDR

Ретротранспозоны

Ретротранспозоны

• LINE (Long Interspersed repeats)

• До 7 kb длиной; ~500’000 копий на геном

• Автономны• ~21% генома человека

• SINE (Short Interspersed repeats)

• 100-500 bp длиной; до 1 млн. копий

• Не могут перемещаться сами• 13% генома человека

• Произошли от 7SL-RNA, содержат промотор

Exon shuffling

exon 1 SINE

intron

exon 2

DNA copy of transcriptSINE exon 2

• Транскрипция SINE продолжается до нормального сигнала терминации

• Обратная транскрипция SINE и экзона

• Встраивание в случайном месте

Псевдогены

• Непроцессированные псевдогены: неполная дупликация или мутации в дуплицированной последовательности

• Процессированные псевдогены: обратная транскрипция и интеграция мРНК

У дрозофилы нет теломеразы

Псевдогены

• Наибольшее число псевдогенов относится к рибосомным белкам

• По псевдогенам также можно отслеживать эволюцию

Мутации

• Репликация, репарация, рекомбинация, транспозиция...

• По современным оценкам, в популяции из 10 тысяч диплоидных организмов, каждый нуклеотид будет мутирован как минимум 20 раз в течение 1 миллиона лет

Сравнительная геномика. Филогения.

• Филогенетическое древо• Сравнение нуклеотидных последовательностей• Отбор мутаций:• Мутации в важных областях?• Мутации в малозначащих областях?• Мутации в кодирующих областях, не меняющие состав белка?

Сравнение геномов мыши и человека

Менее 1% генов мыши не имеют гомологов среди генов человека!

Филогенетика

• Попытка нарисовать «родословную» всех живых существ

• Понимание хода эволюции

• Уточнение биологической таксономии

... и животноводство!• Как происходило одомашнивание животных? Независимо или мигрирующие племена приводили их с собой?

• Сравнение филогенетических деревьев для одомашненных и диких свиней

• Оказалось, что свиней «приручали» независимо

Социальная организация насекомых

• Если проследить родственные связи между социальными насекомыми, то окажется, что социализация возникла независимо в трех группах

Грубое филогенетическое древо

Last Unique Common Ancestor (LUCA)

• «Мифическое» существо, от которого произошло все живое на Земле

Молекулярные часы

• Скорость накопления мутаций примерно одинакова

• Таким образом, количество мутаций у потомства пропорционально числу поколений

• Однако кроссинговер может перемешать все карты. Как быть?!

Митохондриальная ДНК

• Мутирует крайне медленно, так как в мтДНК вообще нет ничего лишнего!

• Нет рекомбинации• Обычно для грубой оценки родства организмов используют рРНК и мтДНК

• ПРОБЛЕМА: передается только по материнской линии

Митохондриальная Ева

• Жила около 140-280 kya, предположительно в Восточной Африке

• Однако численность Homo sapiens sapiens, похоже, никогда не была менее 10’000 особей

• Сравнение с митохондриальной ДНК Homo neanderthalis: разошлись 660±140 kya

Но есть решение!

• У человека есть еще ДНК, которая не рекомбинирует

• Что это за ДНК?

Есть ли польза от микросателлитов?

• Люди отличаются друг от друга количеством повторов микросателлитов

Есть ли вред от микросателлитов?

• FXMR - Fragile X-chromosome Mental Retardation

• Болезнь Хантингтона

Гаплогруппы человеков

Y-chromosomal Adam

• В свете самых последних исследований, Адам жил в Африке около 237-581 kya

Homo neanderthalis

• В 2010 году просеквенирован геном

• От 1 до 4% генов похожи на неандертальские, но только у тех, кто живет не в Африке

• То есть те, кто вышел из Африки, каким-то образом усвоили часть неандертальской ДНК

Генетическое однообразие

• Эффект основателя• Эффект бутылочного горлышка• Дрейф генов

Небольшие популяции быстро утрачивают генетическое разнообразие

«Эффект основателя»

• Популяция африканеров произошла от небольшого числа поселенцев. Сейчас среди них высок процент страдающих болезнью Хантингтона.

• Генетическое разнообразие броненосцев в Северной Америке ниже, чем в Южной.

• У индейцев Америки не бывает группы крови В.

Распределение аллелей групп крови

Броненосцы в Америке

Полидактилия у амишей

Bottleneck

• В небольших популяция очень высок шанс случиться дрейфу генов, что приводит к изменению распределения маркеров в популяции

B

B

b

B b

b

b

b b

b

b

b

B B

B

b

b

b

b b b

b

b

Гепарды в бутылочном горлышке

• По всей видимости, гепарды чуть не вымерли во время ледникового периода.

• Очень гомогенная популяция• Все «прелести» инбридинга: большая часть котят не доживает до года

Дрейф генов

• В популяции, состоящей из 10 самцов и 90 самок, генетическое разнообразие утрачивается с той же скоростью, что и в популяции, состоящей из 18 самцов и 18 самок.

• Львиные прайды

Наш ближайший родственник :)• Геном совпадает на 98,5%

• 24 пары хромосом

• Хромосомы 2А и 2В слились в районе теломеры, образовав человеческую хромосому №2, на которой легко обнаруживаются остатки теломер и центромер

• Около 30% белков идентичны

• В остальных - в среднем 2 замены аминокислот

• ~2,7% генома - дупликации и делеции (в популяции человека ~0,5%)

• Разошлись в эволюции около 6 млн. лет назад

Человек и шимпанзе

• У человека мутирована каспаза-12, которая мешает развитию Альцгеймера у обезьян

• Наибольшие отличия - в факторах транскрипции, например FOXP2, мутации в котором приводят к нарушениям речи и распознанию языков

• Данные по сравнению Х-хромосом указывают на то, что они разошлись на 1,2 млн. лет позже, чем остальные хромосомы (?!)

• Есть существенные отличия в некодирующих RNA, некоторые из которых специфичны для большого неокортекса, которого нет у обезьян

Horizontal (Lateral) Gene Transfer

• Перенос генов между разными организмами• Один из таких примеров - бактериальная кобламинсинтетаза, находится в месте стыка хромосом 2A и 2B.

Дупликация генома?

Дупликация участков генома

• Дрожжи: спонтанное удвоение небольших участков генома (50-250 тысяч пар оснований)

• Возникают в результате ошибок репликации или неправильного залечивания двуцепочечных разрывов

• После расхождения человека и шимпанзе, наши предки получали в результате удвоения ~5 пар оснований каждый год

• Средний размер удваиваемого участка ~50 тыс. пар оснований

Что происходит с удвоенным геном?

• В отсутствие эволюционного давления, вторая копия начинает накапливать мутации и инактивируется

• У человека обнаружено множество примеров, когда вторая копия гена сильно мутирована и неактивна

• Иногда второй ген начинает мутировать и приобретать новые свойства

Гомология и все-все-все

• Гомологи: очень похожие ДНК/РНК/белки

• Ортологи: гомологи из двух разных организмов

• Аналоги: белки/органы/ткани, выполняющие одни и те же функции, но не имеющие общего предшественника

• Паралоги: гены, возникшие в результате удвоения, но затем разошедшиеся в ходе эволюции (гемоглобины А, A2, B, F)

Сложная гомология• Гомология может проявляться на уровне первичных, вторичных и третичных структур

• Ангиогенин vs. pancreatic RNaseCLUSTAL 2.1 MULTIPLE SEQUENCE ALIGNMENT

File: /Users/my/Desktop/ang.ps Date: Sat Mar 31 15:27:09 2012 Page 1 of 1

: :**::::* ** . *:*.:: ** .:* ** *:... . .. **:.:****.:*. ** :***:* .:: :* :: . : : * *:**:::* *:* .** :* * **::. *:::****.. :***:*gi|178250|gb|AAA51678.1| ----MVMGLGVLLLVFVLGLGLTPPTLAQDNSRYTHFLTQHYDAKPQ-GRDDRYCESIMRRRGLTS-PCKDINTFIHGNKRSIKAICENK--NGNPHRENLRISKSSFQVTTCKLHGGSPWPPCQYRATAGFRNVVVACENG--LPVHLD 140gi|38201686|ref|NP_937878.1| MALEKSLVRLLLLVLILLVLGWVQPSLGKE-SRAKKFQRQHMDSDSSPSSSSTYCNQMMRRRNMTQGRCKPVNTFVHEPLVDVQNVCFQEKVTCKNGQGNCYKSNSSMHITDCRLTNGSRYPNCAYRTSPKERHIIVACEGSPYVPVHFD 149 1.......10........20........30........40........50........60........70........80........90.......100.......110.......120.......130.......140.......150

*: .gi|178250|gb|AAA51678.1| QSIFRRP 147gi|38201686|ref|NP_937878.1| ASVEDST 156 .......

История глобинов

β-талассемия

• NMD

• Non-sence mediated decay

• Уничтожает неправильно сплайсированные мРНК

• Плохо справляется с ошибками в последнем экзоне

Удвоение целого генома

• Полиплоидия встречается довольно часто у дрожжей и растений (не путать с многоядерными клетками!)

• Считается, что на заре развития позвоночных, у наших далеких предков два раза случилось удвоение всего генома