HOX. Esimerkki geeniperheestä: HOX

Transkriptio

1 Esimerkki geeniperheestä: HOX HOX Barton ym Unraveling ancient segmental duplication events in human genome by phylogenetic analysis of multigene families residing on HOXcluster paralogons, Abbasi, Mol Phylogenet Evol 2010 Aug 7

2 Duplikaatiot altistavat duplikaatioille, deleetioille inversioille ja translokaatioille Epätasainen crossing-over -Aiheuttaa duplikaatioita ja deleetioita -Epätasaisen crossing-overin todennäköisyys kasvaa kun jo ennestään tandemduplikaatio deleetio duplikaatio

3 Juosteiden väärin pariutuminen replikaatiossa (replication slippage) -alueilla joissa on lyhyitä toistojaksoja (mikrosatelliitit) > duplikaatioita ja deleetioita

4 Juosteen sisäinen rekombinaatio saman suuntaisten toistojen välillä > deleetio

5 Juosteen sisäinen rekombinaatio käänteistoistojen välillä > inversio

6 Kromosomien välinen rekombinaatio > resiprookkinen translokaatio

7 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)

8 Ihmisen hajureseptorigeeniperhe Niimura ja Nei PNAS 2003

9 GL Geeniperheen jäsenten yhteisevoluutio (concerted evolution) Geeniperheen jäsenet ovat sekvensseiltään usein hyvin samanlaisia keskenään - etenkin perättäin sijaitsevissa geeniperheen jäsenissä kuten esim. rrna-geenit rrna geeniperheen toistoyksikkö toistuu perättäin satoja kertoja, toistot ovat samanlaisia sekvenssiltään vaikka geeniperhe on syntynyt jo kauan aikaa sitten. (NTS nontranscribed spacer ETS external transcribed spacer ITS internal transcribed spacer)

10 Geeniperheen jäsenten yhteneväinen evoluutio tapahtuu epätasaisen crossing-overin ja geenikonversion kautta. Homologinen rekombinaatio resiprookkinen rekombinaatio > crossing over (rekombinaatio, tekijäinvaihto) ei-resiprookkinen rekombinaatio > geenikonversio -rekombinaatio ja geenikonversio alkavat Hollidayn liitoksen muodostuksella meioosissa. Riippuen siitä mitkä juosteet katkeavat ja yhdistyvät lopputuloksena on joko rekombinaatio tai geenikonversio. -rekombinaatiossa vaihdetaan materiaalia vastavuoroisesti -geenikonversiossa toinen alleeli muuttuu toisen kaltaiseksi

11 Homologinen rekombinaatio: Hollidayn liitos Geenikonversio Crossing over

12 Rekombinaatio/geenikonversio GL 32

13 Geenikonversio/rekombinaatio voi tapahtua: -saman kromatidin sisällä -saman kromosomin toisen kromatidin kanssa -vastinkromosomin kanssa -ei-homologisen kromosomin kanssa GL308

14 geenikonversio voi tapahtua molempiin suuntiin -driftin takia toinen häviää ja toinen jatkaa. Tämä jatkaa. Geenikonversio homogenisoi geeniperheen jäsenet (kopioluku ei muutu) GL310

15 Väärinpariutuminen + crossing over > deleetio ja duplikaatio Epätasainen crossing over homogenisoi geeniperheen jäsenet (kopioluku muuttuu) Driftin takia vain tämä (duplikaatio) menee jatkoon GL311

16 Globiinigeenien evoluutiossa on tapahtunut geenikonversiota Fylogeneettinen puu, kolme lajia, 2 globiinigeeniä Eksoni 3:n perusteella Eksoni 1 ja 2 perusteella GL315

17 6.2. Polyploidia -koko kromosomisto kahdentuu -auto- ja allopolyploidia -yleistä kasveilla Lynch ja Conery ajan kuluessa tapahtuvat deleetiot ja muut muutokset duplikaateissa > diploidisaatio -kokonaisten genomien sekvensointi > koko genomin duplikaatioita sekä kasvien (lituruoho) eläinten (mm. ihminen) että mikroorganismien (hiiva) historiassa The evolutionary significance of ancient genome duplications, Van de Peer et al. Nature Rev. Genet. 10, (2009)

18 Esimerkki hiivalajeista. Koko genomin duplikaatio A. gos K. lac K. wal S. cas S. cer S. glab

19 Resiprookkisia geenien häviämiä Scannell et al. 2006,Nature 440:341, 2006

20 6.3. Kromosomiston evoluutio vertaileva kartoitus -kromosomikäsivarsien tai niiden osien resiprookkiset ja eiresiprookkiset translokaatiot, para- ja perisentriset inversiot, fuusiot, duplikaatiot ja deleetiot muokkaavat kromosomistoja -aikaa myöten kromosomistot muuttuvat niin että mitä kaukaisemmista lajeista on kyse, sitä pienemmissä kromosomin palasissa kahdessa lajissa on ortologisia geenejä samassa järjestyksessä -syntenian säilyminen: samassa juosteessa -geenijärjestyksen säilyminen

21 Translokaatio, fuusio GL405

22 Duplikaatio, deleetio, inversio, katkeama GL405

23 Vertaileva kartoitus A. thaliana ja A. lyrata AL1 AL3a AL5 AL AL2 ATHACS LHY F20D22 CRY2 AXR1 PHYA ICE10 ICE13 GI F19G10 AthZFPG TRDL2-1 ATTSO392 CXC750 VIP1 RHL1 F19K23 FT SLL2 nga111 TRDL2-2 ADH1 11% 47% 18% 38% 25% 17% 20% 24% AL3b AL4 nga172 SPY MDC16 DMC1 ENR-A CAS1 PHYB CK2α2 CON ELF3 ATEX6 COP1 ACT3 ICE12 FPA AGL RIB RNS1 6.8 PBB1 33% 14% 13.5 ATA TRDL ASN1 34% CK2α3 F3H 19% TSA nga % 88.7 AL6 19% TRDL1-2 GA1 LD 22% TRDL2-3 14% ICE7 AthDET1 CRY1 25% CLC-d 23% AthCDPK9 ICE1 CO nga249 TFL1 42% % % DHS1 TRDL2-4 33% AP2 PRHA TSB2 41% 16% CH42 VRN2 FCA PHYC ATTSO191 ATPEN1 TRDL2-5 ICE3 41% AL8 ATCLH2 EMF2 FRI MFB13 MHJ24 19% 18% 22% A. thal. Chr. 1 A. thal. C hr. 2 A. tha l. C hr. 3 A. tha l. C hr. 4 A. thal. C hr. 5 (Kuittinen et al. 2004) eroamisen (5MYA) jälkeen 3 fuusiota, 2 resiprookkista translokaatiota, 1 inversio

24 Vertaileva kartoitus A. thaliana ja A. lyrata AL1 AL3a AL5 AL AL2 ATHACS LHY F20D22 CRY2 AXR1 PHYA ICE10 ICE13 GI F19G10 AthZFPG TRDL2-1 ATTSO392 CXC750 VIP1 RHL1 F19K23 11% 47% 25% 17% AL3b AL4 nga172 SPY MDC16 DMC1 ENR-A CAS1 PHYB CK2α2 CON RIB RNS1 PBB1 33% ATA1 TRDL1-1 ASN1 CK2α3 19% F3H TSA1 nga112 17% AL6 19% TRDL1-2 GA1 LD 22% TRDL2-3 14% ICE7 AthDET1 CRY1 25% % % % % AL8 10% DHS1 TRDL2-4 AP2 PRHA 41% TSB2 CH42 VRN2 FCA PHYC ATTSO191 ATPEN1 TRDL2-5 ICE3 41% ATCLH2 22% 33% 16% 19% 18% FT SLL2 nga111 TRDL2-2 ADH1 18% 38% 20% 24% ELF3 ATEX6 COP1 ACT3 ICE12 FPA AGL CLC-d AthCDPK9 ICE1 CO nga249 TFL1 23% 26.0 EMF FRI A. thal. Chr. 1 A. thal. C hr. 2 A. tha l. C hr MFB13 A. tha l. C hr MHJ24 A. thal. C hr. 5 (Kuittinen et al. 2004)

25 Vertaileva kartoitus Arabidopsis thaliana - Brassica nigra Lagercrantz 1998

26 Vertaileva kartoitus ihminen-hiiri Eichler 2003: Science 301:

27 -Kromosomit voivat olla konservoituneita kun katsotaan harvahkoa merkkigeenikarttaa mutta kun mennään sekvenssitasolle, geenisisällössä ja geenijärjestyksessä voi olla paljon eroja. -Geenisisällön ja -järjestyksen eroja voi olla myös lajin sisällä polymorfisena. Esim. lituruoholla tietty patogeeniresistenssi aiheutuu siitä onko kyseisellä kasvilla RPM1-geeniä vai ei. Esim. maissilla kasviyksilöiden väliset erot voivat olla huomattavia. Vilkas transposonitoiminta selittää runsaat uudelleenjärjestelyt.

28 Kolmen maissihaplotyypin väliset erot geenisisällössä ja järjestyksessä bz -alueella: Messing, Dooner 2006, Curr Op Plant Biology 9: