allelbłędy procesu powielania DNA

paczki priorytetowe (USA) 13 na 100 opóźnionychbagaż przewożony samolotem 1 na 100 zagubionyzawodowa maszynistka 1 błąd na 250 znakówkierowca samochodu (USA) 1 śmierć na 10 000

ludzi na rok

prelegent 1 błąd na każdy slajd

CZĘSTOŚĆ BŁĘDÓW

REPLIKACJA DNA 1 błąd na 1 000 000 000 zasad

allelbłędy procesu powielania DNAdziałanie mutagennych czynników (środowiskowych, reaktywnych produktów metabolizmu komórkowego, infekcje wirusowe i bakteryjne)

NAPRAWA

stary/nowy allel

zmienione położenie allelu

nieprawidłowa ilość lub miejsca i czas pojawiania się

zmieniona sekwencja - nowy allel

zmieniona ilość kopii allelu

niefunkcjonalne białko

allel

działanie mutagennych czynników (środowiskowych, reaktywnych produktów metabolizmu komórkowego, infekcje wirusowe i bakteryjne)

błędy procesu powielania DNA

• komórka/organizm nie jest w stanie przeżyć(eliminacja allelu)

• choroba genetyczna zmniejszone szanse na przeżycie lub wydanie potomstwa

• nowotworzenie

transpozycja elementów ruchomych

ewolucja zduplikowanych alleli ● specjacja

Mechanizmy zmienności genomów:duplikacje (całego genomu, całych chromosomów, części chromosomów,

genów, fragmentów genów kodujących domeny białkowe, eksonów)endoreplikacja, replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, amplifikacja części DNA, krzyżówki międzygatunkowe, transpozycje

i następujące po nich mutacje różnicujące powstałe kopie

mechanizmy duplikacji(insercji/delecji - indel)

poślizg replikacyjny(replication slippage)

http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch7F3.htm

A two-exon gene is flanked by two Alu elements and a neighbouring replicationtermination site. (1) Recombination between the two Alu elements leads to a tandem duplication event, as does a (2) replication error instigated by thereplication termination site. (3) Retrotransposition of the mRNA of the geneleads to the random integration of an intron-less paralogue at a distinct genomiclocation.

Hurles M (2004) Gene Duplication: The Genomic Trade in Spare Parts. PLoS Biol 2(7): e206 doi:10.1371/journal.pbio.0020206

mechanizmy duplikacji

1

2

3

A new duplication in a gene (blue) with two tissue-specific promoters (arrows) arises in a population of single copy genes. Fixation within the population resultsin a minority of cases. After fixation, one gene is inactivated (degradation) orassumes a new function (neofunctionalization), or the expression pattern of theoriginal gene is partitioned between the two duplicates as one promoter issilenced in each duplicate in a complementary manner (subfunctionalization).

Hurles M (2004) Gene Duplication: The Genomic Trade in Spare Parts. PLoS Biol 2(7): e206 doi:10.1371/journal.pbio.0020206

los zduplikownych genów

Concerted EvolutionDifferent gene conversion events homogenize minimally diverged duplicate genes in

each daughter species (A and B), with the result that while paralogues are highlysimilar, orthologues diverge over time.

Hurles M (2004) Gene Duplication: The Genomic Trade in Spare Parts. PLoS Biol 2(7): e206 doi:10.1371/journal.pbio.0020206

Hanaoka i in. 2001 RIKEN Review 41: 12-13 Focused on Bioarchitect Research

Mechanizmy zmienności genomów:duplikacje (całego genomu, całych chromosomów, części chromosomów,

genów, fragmentów genów kodujących domeny białkowe, eksonów)endoreplikacja, replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, amplifikacja części DNA, krzyżówki międzygatunkowe, transpozycje

i następujące po nich mutacje różnicujące powstałe kopiedelecje

replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, transpozycjeinwersje

pękanie/łączenie się chromosomów, rekombinacja umiejscowiona

One kind of reversible mutation is the picturesquely named flip-flop. In certain bacteria, such as Salmonella, a segment of DNA can be cut out, turned around and pasted back into the double helix. The orientation ofthe DNA determines whether nearby genes are turned on or off. In thecase shown above, the flip simultaneously activates or inactivates a gene(H2) and a region that suppresses expression of a competing gene (H1).This determines which protein is made: H1 or H2.

Caporale 2003 American Scientist 91: 234 DOI: 10.1511/2003.3.234

Tab (Transabdominal) mutation in Drosophila causes part of the thorax of the adult fly to develop instead as tissue normally characteristic of the sixth abdominal segment. Tab isdue to a gene fusion. (a) The locations of the Abd-B and sr genes on a map of a normalchromosome 3 are depicted. The two genes are (very) approximately 5 million base pairsapart, and there are normally hundreds of genes in between them. (b) The Tab inversion hasone chromosomal breakpoint within the Abd-B gene and the other within sr (arrows in part a). As a result of misfusion of these breakpoints, an inversion arises in which pieces of theAbd-B and sr genes are fused at either end of the inversion. (c) A magnified view of thecentromere-proximal breakpoint of the inversion. The inversion breakpoints have produced a DNA molecule in which the promoter region of the Abd-B gene is now only 28,000 base pairsaway from enhancer elements of the sr gene. This causes the Abd-B transcript to be ectopically expressed in some parts of the fly's thorax, where the wild-type Abd-B gene isnot transcribed. Griffiths, Gelbart, Miller, Lewontin 1999 Modern Genetic Analysis, W. H. Freeman and Company, New York http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=mga.figgrp.2191

Figure 2.An Isochromatid Model with Staggered Single-Strand Breaks Can Give Rise to anInversion Accompanied by Duplications at the Breakpoint Regions in Inverted Orientation. Themechanism is illustrated in relation to the inversion 3R(8), which is fixed in the lineage to D. melanogaster. (A) Ancestral state in D. simulans (Figure 1). (B) Two pairs of staggered single-strand breaks (a-b and c-d) result in long 5′-overhangs (C), which can then be filled in (greydashed arrow); when followed by nonhomologous end joining, this may result in an inversionflanked by inverted duplications of the sequences between the paired single-strand breaks(D). Landmarks: A, CG2708; B, HDC14862 (3′); C, pfd800; D, HDC12400; E, HDC14861; F, HDC14861; G, CG31176; H, CG7918; I, HDC14862 (5′); J, CG34034; and K, CG5849.

From: Principles of Genome Evolution in the Drosophila melanogaster Species Group Ranz JM, Maurin D, Chan YS, vonGrotthuss M, Hillier LW, et al. PLoS Biology Vol. 5, No. 6, e152 doi:10.1371/journal.pbio.0050152

Figure 1.Molecular Organization of Three Genomic Regions of the Right Arm ofChromosome 3 in D. melanogaster, D. yakuba, and in D. simulans. These threegenomic regions harbor the breakpoints of the paracentric inversions 3R(7) and 3R(8), also known as In(3R)84F1;93F6–7, and have been reconstructed by BLAST analysis, in situ hybridization, resequencing, and whole-genomealignments at UCSC (http://genome.ucsc.edu/). According to the information in D. erecta and different outgroup species (Table 1), D. simulans (S) is thespecies that best represents the ancestral (A) configuration for all threeregions.

From: Principles of Genome Evolution in the Drosophila melanogaster Species Group Ranz JM, MaurinD, Chan YS, von Grotthuss M, Hillier LW, et al. PLoS Biology Vol. 5, No. 6, e152 doi:10.1371/journal.pbio.0050152

Figure 8. Mechanism for chromosomal inversion with a repeated sequence motif. A hypothetical chromosome is shown with genes A through N and two repeated sequencemotifs (open and black arrows) in a reverse orientation (top). Repeated motifs areshown pairing during meiosis with a recombination event occurring in the middle of thepaired motifs (middle). Resolution of the recombination event between the repeatedsequence motifs leading to the inversion of the central gene region (bottom).

Richards i in. 2005 Genome Res. 15: 1-18

mechanizm inwersji regionu oflankowanego odwróconymi powtórzeniami

Mechanizmy zmienności genomów:duplikacje (całego genomu, całych chromosomów, części chromosomów,

genów, fragmentów genów kodujących domeny białkowe, eksonów)endoreplikacja, replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, amplifikacja części DNA, krzyżówki międzygatunkowe, transpozycje

i następujące po nich mutacje różnicujące powstałe kopiedelecje

replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, transpozycjeinwersje

pękanie/łączenie się chromosomów, rekombinacja umiejscowionainsercje

transpozycje elementów ruchomych

uszkodzenia genomu spowodowane obecnością sekwencji Alu

insercyjnamutageneza

nierówny crossing-overza pośrednictwem ALU

Mechanizmy zmienności genomów:duplikacje (całego genomu, całych chromosomów, części chromosomów,

genów, fragmentów genów kodujących domeny białkowe, eksonów)endoreplikacja, replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, amplifikacja części DNA, krzyżówki międzygatunkowe, transpozycje

i następujące po nich mutacje różnicujące powstałe kopiedelecje

replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, transpozycjeinwersje

pękanie/łączenie się chromosomów, rekombinacja umiejscowionainsercje

transpozycje elementów ruchomychrearanżacje chromosomowe

pękanie/łączenie się chromosomów, nierówny crossing-over, infekcje wirusowe

Porównanie ssaczych chromosomówczłowiek-kot - duża zachowawczośćczłowiek-mysz - duże rearanżacje

ludzkie chromosomy

chromosomy myszy

odcinki podobne zaznaczono tymi samymi kolorami

u ssaków chr. X & Y wyewoluowały (na skutek nagromadzenia mutacji i braku rekombinacji)z pary homologicznych autosomów 240-320 mln lat temu

Mechanizmy zmienności genomów:duplikacje (całego genomu, całych chromosomów, części chromosomów,

genów, fragmentów genów kodujących domeny białkowe, eksonów)endoreplikacja, replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, amplifikacja części DNA, krzyżówki międzygatunkowe, transpozycje

i następujące po nich mutacje różnicujące powstałe kopiedelecje

replikacyjny poślizg, nierówny crossing over, transpozycjeinwersje

pękanie/łączenie się chromosomów, rekombinacja umiejscowionainsercje

transpozycje elementów ruchomychrearanżacje chromosomowe

pękanie/łączenie się chromosomów, nierówny crossing-over, infekcje wirusowe

rekombinacja genówlosowy dobór osobników i gamet, losowy rozdział chromosomów homologicznych, crossing over,

poziomy (horyzontalny) transfer genówkoniugacja, transformacja, transdukcja u bakterii, endosymbioza, …?

procesy mutacyjne w ludzkim genomie –częstość i wielkość mutującego locus

http://www.sanger.ac.uk/Teams/Team29/

delecje, duplikacje, inwersje i konwersje jako wynik niehomologicznej rekombinacji elementów powtórzonych (NAHR)

http://www.sanger.ac.uk/Teams/Team29/

Gene Product Organism ExonLength

#Introns IntronLength

Adenoshine deaminase Human 1500 11 30,000

Apolipoprotein B Human 14,000 28 29,000

Erythropoietin Human 582 4 1562

Thyroglobulin Human 8500 40 100,000

a-interferon Human 600 0 0

Fibroin Silk Worm 18,000 1 970

Phaseolin French Bean 1263 5 515

nie istnieje korelacja pomiędzy sumaryczną długością eksonów i intronów i liczbą intronów w genie

procenty oznaczają

udział eksonóww całkowitej długości genu

typowe ludzkie geny

wyjątkowo długie ludzkie geny

geny Ig pokazano w wersji zarodkowej przed rearanżacją

najmniejsze ludzkie geny

Liczba intronów w wybranych ludzkich genach:gen wielkość (kb) l. intronówthrombomoduliny 3,7 0ß-globiny 1,4 2owalbuminy 7,7 7BRCA1 100 22titiny 101,5 362czynnika von Willebranda 175 52dystrofiny 2400* 79

* wlk. bakteryjnego genomu

Introns in Globin Gene Family

Plant globin

Leghaemoglobin

Myoglobin

Human α-globin

Human β-globin

GeneSize (bp)

1098

876

8659

677

1418

50 100 150Number of amino acids

Ewolucja zachowuje położenie intronów, nie zachowuje ich wielkości i sekwencji

duplikacja genomu

General overview of phylogeneticrelationships among gnathostomes and theproposed phylogenetic timing of genomeduplication events. Grey rectangles depictthe possible position of the first genomeduplication (1R); the black ones show thesecond genome duplication (2R), and fish-specific genome duplication (FSGD or 3R).Steinke et al.2006 BMC Biology 4:16

Each star indicates a WGD (tetraploidization) event on that branch. The question mark indicates that ancientevents are visible in the rice genomethat would require other monocotyledongenome sequences to be resolved. Theformation of the palaeo-hexaploidancestral genome occurred afterdivergence from monocotyledons andbefore the radiation of the Eurosids.Jaillon et al.. Nature 449: 463-467

zwierząt

roślin

Reconstructed ancestralchromosomes. Ancestralvertebrate chromosomes A, B, and F had two alternative scenarios, fusions or fissions, between the 2R WGD events, as shown in Fig. 3.Thus, the number of proto-chromosomes ranges from 10 to 13 depending on the choice of twoalternatives. The figure illustratesthe scenario in which only fissionstook place. Ten reconstructedproto-chromosomes in thevertebrate ancestor shown at thetop are assigned distinct colors, andtheir daughter chromosomes in thegnathostome ancestor aredistinguished by their respectivevertical bars. In the genomes of theosteichthyan, teleost, and amnioteancestors, and human, chicken, andmedaka genomes, genomic regionsare assigned colors and vertical barsthat represent correspondences ofindividual regions to the proto-chromosomes in the gnathostomeancestor from which respectiveregions originated. Unassignedblocks are shown in the rightmostchromosome (Un) in theosteichthyan and amniote ancestors.

Nakatani et al.. 2007 Genome Res. 17: 1254–1265.

Vertebrate chromosome evolutionscenario.

(A) For simplicity, we illustrate two proto-chromosomes (red and blue bars) duplicated by the first round of WGD. Subsequently, fission divided one of theduplicated chromosomes.

(B) The second round of WGD doubled theproto-chromosomes. Blocks in chromosomes are labeled with theirrespective chromosome positions in thehuman genome.

(C) After the second WGD, earlyvertebrates underwent slow changes in karyotype over a long evolutionaryprocess.

(D) In the ancestral mammalian lineage, intensive interchromosomalrearrangements occurred and theancestral chromosomes were broken intosmaller segments that were distributedacross many human chromosomes.

(E) In the ancient ray-finned fish lineage, intensive chromosome fusions mergedthe ancestral chromosomal segmentsinto ancestral teleost chromosomes.

(F) Another round of WGD in the ancestralteleost doubled proto-chromosomes, but afterward, few global rearrangementsshaped the present medaka genome.

Nakatani et al.. 2007 Genome Res. 17: 1254–1265.

Change of Chromosome Numbersduring Speciation of CerealsBased on the dotplotcomparison of rice, maize, sorghum, and wheatchromosomes, synteny blockshave been used to assembleprogenitor chromosomes ofthese species. Rice syntenyblocks have been color coded.

(A) Using the rice color-codesytenic block from Tab. 3 andTab. S4, the chromosomes ofthe progenitors of maize havebeen reconstructed. The blocknames in the figure are thesame in Table 3. No change in chromosome number occurred, but an increase of maizechromosome sizes did.

(B) Comparison of the relationshipof the maize progenitors withsorghum and wheat has beenused to reconstruct thechanges and conservation ofchromosomes during speciation.

Wei et al.. 2007 PLoS Genet. 3: e123

Tasowanie eksonów Exon shufflingDuring evolution, DNA segments coding for modules or

domains in proteins have been duplicated andrearranged. By shuffling modules between genes, protein families have evolved.

Blood coagulation factors represent such a family. Itsmembers contain similar domains in variouscombinations and numbers. P=protease domain, GF=growth factor domain, K="kringle"-domain.

http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1993/illpres/exon.html

Phillip A. Sharp Split genes and RNA splicing, Nobel Lecture, December 8, 1993http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1993/sharp-lecture.html