LUCA sajátságaiaz RNS-világtól a 3 domén

kialakulásáig

Tóth András - ELTE TTK Biológia

Thursday, June 21, 12

AbiogenezisAz élet szervetlen anyagokból való létrejöttének módja utáni kutatás. Darwin óta rengeteg lehetséges modell született leírására. Megközelítések: genetikai vagy metabolikus

Stanly L. Miller, 1953, Science: Miller-Urey kisérlet, a Föld feltételezett ősi körülményei közt (H2O, CH4, NH3, H2, elektromos szikra) L- és D- aminosavak előállítása (glicin és alanin egyértelmű detektálása) - “primordial soup”

Y-J Kuan et al., 2003, Astrophysical Journal: Glicin detektálása egy csillagközi molekula felhőben - szerves anyagok jelenléte a naprendszerek keletkezésénél (utána transzferjük: pl. üstökös)

ÉletCarl Sagan: “Darwini evolúcióra képes önfenntartó kémiai rendszer”

Molecular Biology of the Cell: “...energia által hajtott, öröklött információ által megszabott kémiai folyamatok komplex rendszere”

Thursday, June 21, 12

LUCALast Universal Common Ancestor

Az a legrecensebb organizmus, melytől minden mai Bacteria, Archaea, Eukarya leszármaztatható. 3.8-3.5 milliárd évvel ezelőtt élhetett a Paleoarchaikumban.Darwin feltételezte először, ma: fenti közös sajátságok + filogenetikai modellek Carl Woese, 1998, PNAS: LUCA inkább élőlények csoportja, HGT fontosságaTheobald et al., 2010, Nature: LUCA elmélet formális tesztje konzervált fehérjékkel: tisztán statisztikailag is helyes. Egyetlen élőlény genetikai öröksége maradt fent, LUCA indivídum.

• Genetikai kód: kétszálú DNS (A,G,C,T nukleotidokkal), 64 kodon (mely 20 aminosavat kódolt), DNS-repair enzimek

• Genetikai kód kifejezése: egyszálú RNS intermedier (mRNS) lefordítása fehérjékké a riboszómán (rRNS + riboszómális fehérjék), aminosavakból összeszerelve (tRNS).

• Fehérjék - metabolikus folyamatok katalízise és irányítása, szintézis, repair• Kétrétegű lipid membrán, cytoplasma-ban vizes oldat, ionpumpák• ATP & d-glükóz• Kezdetleges sejtosztódás

Thursday, June 21, 12

RNS - ribóz + foszfát csoport + bázis (AUGC)

DNS - dezoxiribóz + foszfát csoport + bázis (ATGC)

Nukleotidok által alkotott, bázisok sorrendje segítségével információt tároló és annak örökítésre képes hosszú polimerek

Thursday, June 21, 12

A genetikai információ áramlásaA génexpresszió

A genetikai kód majdnem teljesen univerzális (pl. a mitokondriumok a transzláció során a stop kodonok

olvasásában térhetnek el)

1958, Francis Crick: A molekuláris biológia centrális elmélete

DNS-replikáció

DNS RNS transzkripció

RNS Fehérje transzláció (nukleotid sorrend aminosav sorrendá alakítása)

RNS DNS reverz-transzkripció (retrovírusok)

Thursday, June 21, 12

Transzkripció

RNS-polimerázok katalizálják a DNS RNS-é való átírását

A DNS templátról 5‘ 3’ irányba formálódik az RNS lánc de novo

Thursday, June 21, 12

Transzláció

Riboszóma - komplex molekuláris masinéria, fehérjeszintézis színhelye (2/3 RNS, 1/3

asszociált fehérjék

mRNS: szintézishez szükséges információ, tRNS: szekvencia-komplementer aminosavak becsatolása, rRNS: katalitikus szerep, peptid-

kötések kialakítása

Thursday, June 21, 12

DNS-replikáció

DNS replikációs villa

A DNS két szála templátként szolgál a szemikonzervatív replikációhoz miután

Helicase-ok szétválasztják őket

DNS-polimeráz 5‘ 3’ irányúkomplementer szál szintézis, vezető szálon folytonos átírás, elmaradó szálon okazaki fragmentumokkal szakaszosan látszólag

3‘ 5’ irányú növekedésThursday, June 21, 12

A három domén rendszer• Woese, C.R. & Fox, G.E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain:

the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 74, 5088-90 (1977)

• “living systems represent one of three aboriginal lines of descent: (i) the eubacteria, comprising all typical bacteria; (ii) the archaebacteria, containing methanogenic bacteria; and (iii) the urkaryotes, now represented in the cytoplasmic component of eukaryotic cells”

• Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1–4 (1990)

rRNS törzsfaalapján

Thursday, June 21, 12

Domain Bacteria

• Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1–4 (1990)

• Sejtstruktúra: lipid PM, nincs sejtorganellum, peptidoglikán alapú sejtfal, cirkuláris DNS

• Metabolizmus: kemoszintézis, fotoszintézis, heterotrófia

• Legkorábbi létformák egyike: 3.45 milliárd éves sztromatolit telepek (cianobacteria)

Thursday, June 21, 12

Domain Archaea• 1977 - Woese et al.: rRNS törzsfák alapján a korábbi

prokaryota csoportosítás két alapvetően különböző élőlény csoportot tartalmaz, Archaea biokémiailag jelentősen eltér Bacteria-tól

• Eukarya legközelebbi rokonai

• Nem peptidoglikán alapú sejtfal, DNS hiszton fehérjékkel asszociálódik, cirkuláris genom, transzláció Met-el keződik, gének operonokba csoportosulnak, nincs RNS splicing, sejt és genom mérete az Eukaryota-kénál 100x kisebb.

• Első felfedezésük: extrém élőhelyen, de általánosabb élőhelyeken is tömegesen előfordulnak. A globális ökoszisztéma egy jelentős részét teszik ki.

Thursday, June 21, 12

Domain Eukarya• Modern endoszimbiótikus elmélet: Sagan, L. On the origin of mitosing cells.

Journal of Theoretical Biology 14, 255-274 (1967).

• Az eukaryota sejt kb. 2.1 milliárd éve jelent meg egy archaea és egy α-proteobacteria szimbiozisának eredményeképpen, utóbbiból mitochondria létrejötte

• Archaea eredetű gének: információ feldolgozás, gén expresszió, repair Bacteria eredetű gének: operációs feladatok, metabolizmus, membránok

• Eukaryota sejt tulajdonságaihoz a genetikai komplexitás növekedése szükséges. Az ehhez szükséges energiát a mitokondrium biztosította - Lane, N. & Martin, W. The energetics of genome complexity. Nature 467, 929–934 (2010)

• Nucleus, sejtorganellumok (ER, GC, mt, pt, lys, etc), citoszkeletális rendszer

• Többsejtűség kialakulásához szükséges: Fejlett genetikai reguláció, CAM-ek (Cell Adhesion Molecules), ECM (Extracellular Matrix), intra és intercelluláris jelátviteli útvonalak

Thursday, June 21, 12

Tree of Life (2012 közepe)

Thursday, June 21, 12

LUCA nem az első élőlény

Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította.

A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?

Thursday, June 21, 12

LUCA nem az első élőlény

Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította.

A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?

Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.

Thursday, June 21, 12

LUCA nem az első élőlény

Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította.

A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?

Hanem elkezdünk a tudományos módszertan segítségével lehetséges válaszokat keresni. Thomas Cech, 1982: RNS enzimatikus funkciójának felfedezéseWalter Gilbert, 1986, Nature: RNS-világ a modern sejtek megjelenése előtt

Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.

Thursday, June 21, 12

RNS-világpre-RNS világ: molekulák, melyek alkalmasak voltak saját maguk szintézisét katalizálni, és nyersanyagokért versengeni. darwini evolúció kezdete. Első kémiai reakciókat irányító variábilis örökítőanyag kialakulása.

RNS-világ: az információ átörökítéséért és reakciók katalizálásáért felelős molekula a bonyolultabb RNS lett.

• Ribozimok: fontos kémiai reakciók katalízise (peptid-kötés formálódás), RNS-ek feltekeredési képessége

• Információ tárolás, limitációkkal

Szintézishez kooperatív rendszer kell - Kompartmentalizáció, amfipatikus molekulákból vesicula kialakulása.

Fehérjék és DNS megjelenése: változatosabb reakciók, több funkció, az örökítőanyag sokkal biztonságosabb tárolása.

Thursday, June 21, 12

In vitro molekuláris evolúció

Thursday, June 21, 12

In vitro ribozim evolúcióMivel a kezdeti RNS replikátor elveszett, csak kisérleti úton lehetséges az RNS-katalizált RNS replikáció vizsgálata.Wochner et al., Science, 2011: R18 RNS-polimeráz ribozim in vitro szelekciója. Cél: minél hosszabb RNS szakaszt, minél jobban szintetizáló ribozim, lehető legkisebb minta dependenciával.

0

25.00

50.00

75.00

100.00

R18 C19 tC19 tC19Z

Szintetizált RNS hossza

• in vitro evolúció, 50 millió random mutációval, templát dependencia sikeres csökkentés, szintetizált szakasz hosszának komoly növelése R18-tól

• egyetlen gyorsítási beavatkozás: új 5’-domén feltétele a ribozimra

Thursday, June 21, 12

Pinheiro, V. B. & Holliger, P. The XNA world: progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology (2012)

Genetikai rendszerek de novo előállításaPotenciális alkalmazás: szintetikus biológia (biztonságosság fokozása)

Thursday, June 21, 12

Bibliográfia

• Bruce Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell • Berg Biochemistry• Wochner et al., Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active

Ribozyme, Science, 2011; 10.1126/science.1200752• Douglas L. Theobald, A formal test of the theory of universal

common ancestry, Nature, 2010; 10.1038/nature09014• Szostak et al., The Origins of Cellular Life, Cold Spring Harbor

Prespectives in Biology, 2010; 10.1101/cshperspect.a002212• Steven A. Benner, Defining Life, Astrobiology, 2010; 10.1089/

ast.2010.0524

Thursday, June 21, 12

Köszönöm a figyelmet!

Thursday, June 21, 12