EWOLUCJA GENOMÓW

Bioinformatyka, wykład 6 (22.XI.2010) krzysztof_pawlowski@sggw.pl

Wykład 6 – spis treścigenomikamapowanie genomówpoczątki ewolucjiświat RNAświat wirusów (?)ewolucja genomów

GENOMIKA GENOMIKA –– badanie struktury i funkcjonowania genombadanie struktury i funkcjonowania genomóóww

GENOMIKA

GENOMIKA STRUKTURALNA

GENOMIKA PORÓWNAWCZA

GENOMIKA FUNKCJONALNA

MAPOWANIE GENOMU: •Mapy genetyczne •Mapy fizyczne

SEKWENCJONOWANIE

• Ewolucja genomów

• Ewolucja genów

• Transkryptomika

•Regulacja transkrypcji

• Proteomika

Structural

genomics Comparative

genomics

Functional

genomics

II znaczenie: =proteomika

strukturalna

Biolog

ia mo

lekula

rna &

bioi

nfor

maty

ka

Mapy genomowe

MAPY GENETYCZNE MAPY

FIZYCZNE•

powstają

w oparciu o analizę

częstości rekombinacji między badanymi markerami•

pokazują

rozmieszczenie

markerów na chromosomie oraz odległości genetyczne między nimi

•

powstają

poprzez bezpośrednią lokalizację, technikami biologii

molekularnej, badanej sekwencji DNA w genomie• jednostka:

pary zasad –

pz (ang. bp, kbp)• jednostka:

1cM = 1% rekombinacji (1 crossing

–

over

na 100 mejoz)

u ludzi to ok.0,7 –

1 Mb

Mapa genomu –

graficzna prezentacja położenia markerów/genów na chromosomie

MAPYGENETYCZNE MAPY

FIZYCZNE

cM bp

Marker genetyczny

–

polimorficzna sekwencja DNA (specyficzna) z jednego miejsca na chromosomie, używana do mapowania genetycznego,

może być

związana z fenotypem.

Jest to podstawowe narzędzie genetyka

Marker genetyczny

klasa I

(markery fenotypowe)

•są

to geny kodujące cechy jakościowe organizmu np. antygeny erytrocytarne, antygeny głównego układu zgodności tkankowej (Major Histocompatibility

Complex

-

MHC).

•markery tej klasy indentyfikowane

są metodami serologicznymi lub metodami

elektroforetycznymi.

klasa II

(markery DNA)

•są

to sekwencje DNA, niekoniecznie kodujące, np. RFLP, SSLP, SNP

•markery

takie

jako markery

genetycze muszą

mieć

przynajmniej dwie alleliczne

formy.

•markery tego typu identyfikowane są przy użyciu technik analizy molekularnej.

Ten sam

chromosom Różne chromosomy

Bardzo bliskoBlisko Daleko

Częstość CROSSING-OVER Rzadko Kilka Często Często

Sprzężenie TAK TAK NIE NIE

θ 0% 1-4% 50% 50%

Częstość rekombinacji

From: TISSUE ENGINEERING & HUMAN GENETICS LABORATORY

Markery

genetyczne cd.RFLPs

(Restriction Fragment Lenght Polymorphisms) --

polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych

Miejsce cięcia enzymu restrykcyjnego HindIII.

SNPs

(Single Nucleotide Polymorphisms) – polimorfizm pojedynczych nukleotydów

Genom ludzki: 37,8 mln

SNPsdbSNP

@ NCBI

Analiza SNP umożliwia wykrycie polimorfizmu pojedynczego nukleotydu w obrębie badanej sekwencji. Klasycznie polega to na amplifikacji określonego fragmentu genomu w reakcji PCR i sekwencjonowaniu

uzyskanego produktu.

Zaletą

tej techniki jest wysoka wydajność

identyfikacji polimorfizmu w obrębie badanej sekwencji, wadą

jest wysoki koszt analizy.

Markery genetyczne cd.

H2

O, CO, CO2

, N2

, H2

S and H2

pierwotny skład atmosfery ziemskiej

Pierwotna „zupa”

prostych związków organicznych

Początki ewolucji

Experiment by Miller:1953:

Eksperyment Ureya-Millera

Początek życiaOk. 14 miliardów lat temu

–

Wielki Wybuch (Big Bang)

LUCALast

Universal

Common

Ancestor

?

Hipoteza świata RNA

rybonukleotydykrótkie polimery RNA

komplementarne łańcuchy RNA

komplementarne łańcuchy RNA traktowane jako matryca do robienia kopii „oryginalnego genu”

„oryginalny gen”

Carl Woese, 1967. Walter Gilbert,1986

Świat RNA/DNA

dwuwarstwapęcherzyki z dwuwarstwy

micele

Monowarstwa

Free olygomers

and polymers

Primitive Probionts

Oligo/polymers with low degree of organization

Probionts

Polymers with the higher degree of organization

Organisms

Biopolymers

Chem

ical

Preb

iolo

gica

lBi

olog

ical

Non-specific self assembly

Prebiological

selection

Prebiological

selection

Major transitions

in

early

evolution

Hipoteza!

Pre-LUCA diversity

Rola wirusów. Hipoteza Forterre’a

Świat wirusów. Hipoteza Koonina

Powstanie eukariontów

Geny „informacyjne” –

z archeonów

Geny „operacyjne” –

z bakterii

Powstanie eukariontów

Geny „informacyjne”

–

z archeonówGeny „operacyjne”

–

z bakterii

Początki kodowania białek

T C A G

TGT Cys

TGC Cys

T

TTT Phe

TTC Phe

TTA Leu

TTG Leu

TCT Ser

TCC Ser

TCA Ser

TCG Ser

TAT Tyr

TAC Tyr

TAA Ochre

TAGAmber

TGA Opal

TGG Trp

C

CTT Leu

CTC Leu

CTA Leu

CTG Leu

CCT Pro

CCC Pro

CCA Pro

CCG Pro

CAT His

CAC His

CAA Gln

CAG Gln

CGT Arg

CGC Arg

CGA Arg

CGG Arg

ATT Ile

ATC Ile

A ATA Ile

ATG Met

ACT Thr

ACC Thr

ACA Thr

ACG Thr

AAT Asn

AAC Asn

AAA Lys

AAG Lys

AGT Ser

AGC Ser

AGA Arg

AGG Arg

G

GTT Val

GTC Val

GTA Val

GTG Val

GCT Ala

GCC Ala

GCA Ala

GCG Ala

GAT Asp

GAC Asp

GAA Glu

GAG Glu

GGT Gly

GGC Gly

GGA Gly

GGG Gly

A/Ala C/Cys D/Asp E/GluF/PheG/Ala H/His I/Ile K/LysL/LeuM/Met N/AsnP/Pro Q/GlnR/ArgS/SerT/ThrV/ValW/TrpY/Tyr

alaninacysteinakwas asparaginowykwas glutaminowy fenyloalaninaglicynahistydynaizoleucynalizynaleucynametioninaasparaginaprolinaglutaminaargininaserynatreoninawalinatryptofan tyrozyna

2-ga pozycja w kodonie1-

sza

pozy

cja

w ko

doni

eKOD GENETYCZNY

stop

stop

stop

Własności kodu genetycznegoTRÓJKOWY

NIEZACHODZĄCY…

A G A C G A C U U …a1 a2 a3

…

A G A C G A C U U …

a1

a2

a3

a4

a5

a6

a7

…

A G A C G A C U U …

a1

a2

a3a4A

B C

Własności kodu genetycznegoTRÓJKOWY

NIEZACHODZĄCY

BEZPRZECINKOWY

JEDNOZNACZNY

KOLINEARNY

G A A G A C C U U G A G …

kolejność

trójek w mRNA

pierwszatrójka

drugatrójka

trzeciatrójka

czwartatrójka

Glu Asp

Leu

Glu kolejność

aminokwasów w białkupierwszyamin.

drugiamin.

trzeciamin.

czwartyamin.

Własności kodu genetycznego

ZDEGENEROWANY

UNIWERSALNY

TrójkaABC

Amin1

TrójkaABA

Amin2

TrójkaCBC

Amin3

TrójkaCBA

Am4 Am5

Trójka TrójkaAAA AAC

Amin3NIEPRAWDA!!

….

Odstępstwa od kodu genetycznegokodon Uniwersalny

kodMitochondria

ssacze

Mitochondria

drożdżoweMitochondria

DrosophilaMitochondria

Aspergillus

TGA STOP tryptofan tryptofan tryptofan tryptofan

AGA

AGG

arginina STOP arginina seryna arginina

ATA izoleucyna metionina metionina metionina izoleucyna

CTN leucyna leucyna treonina leucyna leucyna

Ewolucja genomów

MutacjeDuplikacje genówRearanżacje

genów

Utrata genówRearanżacje

chromosomalne

Duplikacje genomów...

Poziomy transfer

genów

Powstawanie nowych genów.

Mutacje punktowe

typu – missense (nonsynonymous )

AUG CCU CAA UUG UAG

met pro gln leu STOP

mutacja

AUG CAU CAA UUG UAG

met his gln leu STOP

Mutacje punktowe typu –

frameshift

AUG CCC UCA AUU GUA

met pro ser ile val

X

duplikacje genów lub ich fragmentów• nierówny crossing-over

•

nierównomierna wymiana fragmentów między siostrzanymi chromatydami

• duplikacja podczas replikacji

X1X2

X1X2

widełki replikacyjne

Domena A Domena B Domena C

A B C

A B B C

Domena A Domena B Domena B Domena C

Duplikacja segmentu genowego B

• duplikacja domen

rearanżacja

istniejących genów

Domena A Domena B Domena C

A B C

A B X

Domena A Domena B Domena X

Przetasowanie domen

X Y

Domena X Domena Y

• przetasowanie domenX1X2