Genomin evoluutio. Miten genomin koko ja rakenne muuttuvat ja miten sitä tutkitaan?

Transkriptio

1 Genomin evoluutio Miten genomin koko ja rakenne muuttuvat ja miten sitä tutkitaan? -duplikaatiot: geenien, geenin osien duplikaatiot, segmentaaliset, koko genomin duplikaatiot -duplikoituneiden geenien evoluutio (yhteisevoluutio: geenikonversio, epätasainen crossing over ) -kromosomitason muutokset -vertaileva kartoitus -genomin koon evoluutio -siirtyvät elementit -kokonaisten genomien sekvensointiprojektit

2 6.1. Duplikaatiot Geeniperheet Duplikaattien evoluutio eriytyy Geenin sisäiset duplikaatiot Segmentaaliset duplikaatiot Duplikaatiot aiheuttavat uusia duplikaatioita, deleetiota ja inversioita Geeniperheen jäsenten yhteisevoluutio 6.2. Polyploidia 6.3. Kromosomiston evoluutio ja vertaileva kartoitus 6.4. Genomin koon evoluutio Genomin koko vaihtelee Repetitiivinen DNA Siirtyvät elementit

3 6. Genomin evoluutio Genomin evoluutioon sisältyy eri tyyppisiä muutoksia: 1) emästen muuttuminen 2) duplikaatiot, deleetiot geenisisältö, genomin koko 3) uudelleenjärjestelyt (translokaatiot, inversiot, krom. fuusiot ym.) geenien ja genomin organisaatio Kaikki ovat alunperin mutaatioita joihin pätevät samat luonnonvalinnan säännöt kuin esim. nukleotidimuutoksiin. Vain mutaatiot jotka fiksoituvat populaatioihin ovat pitkän tähtäyksen evoluution kannalta merkityksellisiä.

4 6.1. Duplikaatiot Duplikaatio: ainoa keino jolla uusi geeni voi syntyä (S. Ohno 1970) Duplikaatio voi käsittää eri pituisen DNA-jakson: osittainen geeniduplikaatio domainin duplikaatio koko geenin duplikaatio segmentaalinen duplikaatio kromosomin duplikaatio - Koko genomin duplikaatio on polyploidia

5 Duplikoituminen on yleistä Kuinka suuri osa eliön geeneistä on duplikoituneita? (Zhang, TREE 18:292, 2003)

6 Uusien (yksittäisten) geeniduplikaatioiden syntynopeus Lynch ja Conery 2000, Science 290:1151: -arvioivat useiden eukaryoottien (mm. ihminen, hiiri, banaanikärpänen, lituruoho jne.) geeniduplikaatioiden syntynopeudeksi 1/100milj. vuotta (perustuen lajista löydettyjen duplikoituneiden geeniparien substituutiojakaumaan) >50% genomin geeneistä odotetaan duplikoituvan ja saavuttavan korkean frekvenssin milj. vuoden aikaskaalalla. Kuinka monta duplikaattia on syntynyt ja yleistynyt jommassa kummassa linjassa jos kaksi eläinlajia on eronnut toisistaan 2 milj. vuotta sitten, ja genomissa on geeniä? Vast. 2 * 2*10 6 * * 1 /(100*10 6 ) = 600 A A Laji 1 Laji 2 A

7 Geeniperheet Geenien (ja suurempien kokonaisuuksien) duplikaatio synnyttää geeniperheitä, joissa voi olla vaihteleva määrä jäseniä -esim. rrna, trna, histonit, hajuaistingeenit -jäsenet voivat sijaita peräkkäin (tandemisti) tai eri puolilla (dispersed) genomia Salmonidien ribosomi RNA-toistoyksikkö

8 Männyn geenikartta Neljä kartoitettua ADHgeeniperheen jäsentä sijaitsevat perättäin (tandemisti) männyn kytkentäryhmässä 9. Komulainen et al. TAG 107:667

9 -Lituruoho: suurin osa geeniperheistä joiden jäsenet sijaitsevat perättäin, sisältää vain muutaman kopion, harvat useita kopioita. AGI Nature 408:

10 Esimerkki geeniperheestä jonka jäsenet sijaitsevat hajallaan genomissa: C. elegans, palindrominen ei-koodaava CE1-geeniperhe (Takashimaa ym. 2007)

11 Single-repeat R3 MYB transcription factors in Arabidopsis (Wang ym. 2008)

12 Duplikaattien evoluutio eriytyy Geeniperheen jäsenet voivat 1) säilyttää entisen funktion (esim. rrna) 2) saada uuden funktion 3) tai ne voivat muuttua pseudogeeneiksi -ajan myötä eri kopioiden sekvenssit muuttuvat niin paljon ettei niiden yhteistä alkuperää voida tunnistaa geeniperhe >50% a-a homologiaa Superperhe <50% a-a homologiaa

13 Miten geenikopiot erilaistuvat? Only a redundant copy of an original gene create by the mechanism of gene duplication escapes from the stranglehold by natural selection, and while being ignored by natural selection, it is free to accumulate formerly forbidden mutations which change the active site. As a result, it may emerge as a new gene locus with a previously nonexistent function. (Ohno 1972) -redundanssin ansiosta haitalliset mutaatiot eivät karsiudu yhtä helposti pois duplikoituneista kuin yksittäiskopiogeeneistä -komplementaariset haitalliset mutaatiot (yhdistettynä mahdolliseen positiivinen valintaan) : kopiot voivat eriytyä toimimaan eri kehitysvaiheissa tai eri kudoksissa/solukoissa tai ne voivat kehittää täysin uuden tai alkuperäisestä hiukan poikkeavan funktion

14 Redundanssi Mutaatioiden fitnes-jakaumat duplikoituneissa ja yksittäiskopiogeeneissä S. cerevisiae-mutaatiolinjoissa, joista oli poistettu yksi geeni (Gu et al. Nature 421:63, 2003) duplikoituneiden geenien mutaatiot eivät olleet yhtä haitallisia kuin yksittäiskopiogeenien mutaatiot.

15 Komplementaariset haitalliset mutaatiot Jianzhi Zhang, TREE 18:292,2003

16 Esim. Laktaattidehydrogenaasi -isotsyymit koostuvat neljästä B- tai A- alaosasta Isotsyymit joissa on runsaasti B-alaosaa Aerobiset kudokset NAD Lactate Pyruvate NADH Isotsyymit joissa on runsaasti A-alaosaa Anaerobisesti toimivat kudokset A- ja B-alaosaa koodaavat eri geenit. Niitä ekspressoidaan eri intensiteetillä eri kudoksissa ja kehitysvaiheissa

17 Laktaattidehydrogenaasi-isotsyymit rotan sydämessä eri kehitysvaiheissa GL269 Hedelmöitys Syntymä Aikuinen

18 Pseudogeenit -pseudogeeni: DNA joka on sekvenssiltään samankaltainen toiminnallisen geenin kanssa mutta siinä on nonsense (>STOPkodoni) ja frameshift mutaatioita -useimpia havaittavia pseudogeenejä ei (enää) transkriboida -geeniduplikaatti päätyy pseudogeeniksi ellei sen olemassaolo ole hyödyllistä eliölle. -duplikaation jälkeen kopioihin kohdistuu puhdistavaa valintaa, mutta sen jälkeen kun toinen kopioista muuttuu toimimattomaksi, sen evoluutio on neutraalia

19 Globiiniperhe: sekä funktionaalisia että pseudogeenejä GL279 α-globiiniperhe β-globiiniperhe

20 Globiinigeenipuu

21 Homologisilla geeneillä on yhteinen alkuperä Ortologiset geenit eronneet toisistaan lajiutumisen takia Sama geeni eri lajeissa Paralogiset geenit eronneet toisistaan geeniduplikaation takia

22 Duplikaatio ennen lajiutumista Geeniduplik. Geeniduplik. Lajiutuminen Lajiutuminen Geeni A B A B Laji X Y Geeni A A B B Laji X Y X Y ortologi

23 Duplikaatio lajiutumisen jälkeen Lajiutuminen Lajiutuminen Geeniduplikaatio Geeniduplik. Geeni A B C Laji X Y Lisää ortologeista ja paralogeista Trends in genetics 18: 619- Geeni A B C Laji X X Y Kumpi, A vai B on säilyttänyt saman funktion C:n kanssa?

24 Evoluutiotutkimuksissa, esim. sukupuiden laadinnassa on yleensä tärkeää erottaa ortologit paralogeista; voi olla ongelmallista kun vain osa eliön geeneistä on sekvensoitu. Ortologisten geenien perusteella tehdyn sukupuun haarautumisjärjestys noudattaa lajien haarautumisjärjestystä Ortologiset geenit sijaitsevat yleensä samassa paikassa kromosomistossa, duplikoituneet geenit (paralogit) voivat olla eri paikassa genomia. Ortologeilla on usein sama funktio.

25 Geeniperheiden evoluutio on nopeaa. Esim. hiiren ja ihmisen välisessä vertailussa hiiressä on kymmeniä nopeasti laajentuneita geeniperheitä: esim. hajuaistiin, sytokromi P450, jne useimmat liittyvät lisääntymiseen tai vastustuskykyyn ja immuniteettiin. -hiirispesif.paralogien (musta) ei-syn. evoluutio on nopeampaa kuin ihmishiiriortologien (pun.). Nature 420:520, 2002 > Duplikoituneissa geeneissä tapahtunut joko valinnan löystymistä tai adaptiivista evoluutiota. K A /K S suhde

26 Geenin sisäiset duplikaatiot mahdollisia hyötyjä ovat -aktiivisten kohtien lukumäärän kasvu -uuden funktion synty -stabiilisuus -aktiivisten kohtien suojaus

27 Antifreezeglykoproteiini-geenin evoluutio Alkuperäinen 6 eksonia sisältänyt trypsinogeeni kehittyi jäätymistä estäväksi glykoproteiiniksi antarktisessa turskalajissa samaan aikaan kun Eteläinen jäämeri kylmentyi. Barton ym. 2007

28 Segmentaaliset duplikaatiot kb mittaiset duplikaatiot; havaittu kaikilla lajeilla Segmentaaliset duplikaatiot A. thalianassa: (Arabidopsis Genome Initiative, Nature 408: )

29 Esim. ihmisellä on paljon segmentaalisia duplikaatioita. Nämä ovat alttiita uudelleenjärjestelyille (duplikaatioille, deleetioille ja inversioille). Uudelleenjärjestelyt aiheuttavat monia ihmisen sairauksia. Kromosomi X: Xp22 steroid sulfatase geeni (STS), deleetio aiheuttaa iktyoosin Xq28 factor VIII geeni (F8), inversio aiheuttaa hemofilia A:n Vihreä. ja kelt : segmentaalinen duplikaatio Vihreä: osallistuu uudelleenjärjeste lyihin Nature Reviews Genetics 2; (2001); 7: (2006)