6.4. Genomin koon evoluutio 6.4.1. Genomin koko vaihtelee
C-arvo: genomin haploidi koko pg:na 1 pg = 0.98 x 10 9 bp = 1 milj. kb = 1000 Mb (ero: geneettinen genomin koko (cm))
Missäkohtaa genomiaon kokoeroja? geenien määrä geenien koko; eksonien/intronien koko geenien välialueet polyploidisaatio repetitiivinen DNA, mm. siirtyvistä elementeistä peräisin
Genomin koko -genomin koko ja proteiinia koodaavien geenien määrä korreloivat bakteereilla, arkeilla ja viruksilla mutta eivät eukaryooteilla: C-arvoparadoksi -Eukaryooteilla geenien määrä vaihtelee 50 kertaisesti, DNA:n määrä 80 000 kertaisesti - selittyy paljolti repetitiivisellä, eifunktionaalisella DNA:lla, kasveilla myös polyploidialla Geenien lukumäärä
Prot. koodaavaa Ihm. pseudogeeni Repetitiivistä DNA:ta Barton ym. 2007 Ihmisen beta T-solureseptorigeeni (osa) E. coli K12 - genomia
Ihmisen factor IX geeni GL12
kb 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Lituruohon tiiviitä geenejä COP1 DET1 IV II FCA IV GA1 IV TFL1 V FAH1 IV F3H III CAD IV DFR V CHI III CHS IV
Genomin koon vaihtelu heinäkasveissa selittyy polyploidisaatiolla Lajien määrä GL381 Genomin koko x 10 9 bp
Miten saa aikaiseksi paljon erilaisia geenituotteita ilman että genomin koko kasvaa: -intronien koodaamat proteiinit -päällekkäiset geenit -geenin jakaminen (samalla geenillä on erilaisia toimintoja) -RNA:n editointi (transkription jälkeinen prosessointi) S Farajollahi and S Maas 2010 Molecular diversity through RNA editing: a balancing act. Trends in Genetics 26: 221-230 -vaihtoehtoinen silmikointi H Keren, G Lev-Maor & G Ast 2010 Alternative splicing and evolution: diversification, exon definition and function. Nature Reviews Genetics 11, 345-355
Mikä määrää genomin koon? Repetitiivisen DNA:n määrä on seurausta tasapainosta toistojen synnyn ja häviämisen välillä: erot eri lajeilla johtuvat joko erilaisesta vauhdista jolla toistoja syntyy genomiin tai jolla niitä poistuu genomista -selektionistinen hypoteesi: funktio, esim. globaalinen geenisäätely -nukleotyyppinen hypoteesi: solukoko -neutralistinen hypoteesi: roska-dna; drifti määrää genomin koon -itsekäs DNA-hypoteesi: kykenee itsenäisesti lisääntymään genomin sisällä; liiallinen DNA voi olla huono metabolian raskauden takia
Mikä hypoteesi? Barton ym. 2007
6.4.2 Repetitiivinen DNA selittää pääosin eukaryoottien C-arvoparadoksin koostuu eri pituisista ja sisältöisistä DNA-jaksoista jotka esiintyvät moninkertaisina toistoina joko paikallisesti (tandem, perättäin) tai hajallaan (dispersed) genomissa yksittäin esiintyvät jaksot ovat yksittäiskopiogeenejä (single copy genes) Ihmisen genomista noin 50 % on repetitiivisiä sekvenssejä, vain alle 1,5 % koodaavaa aluetta
-Yksinkertaiset perättäin esiintyvät repetitiiviset sekvenssit: GL392 -Hajallaan olevat repetitiiviset sekvenssit ovat suureksi osaksi siirtyviä elementtejä.
6.4.3. Siirtyvät elementit (transposable elements) - sekvenssejä jotka pystyvät siirtymään ja kopioitumaan genomissa - suhteellisen pysyvä osa genomia - aktiivisten siirtyvien elementtien toiminnan hiljennys (silencing) - ei adaptiivista funktiota - luokittelu: autonominen ei-autonominen RNA-välitteinen (luokan I elementti; retrotransposoni) DNA-välitteinen (luokan II elementti; DNA-transposoni )
Siirtyvien elementtien liikkuminen a) DNA-transposoni: Konservatiivinen transpositio b) DNA-transposoni: Replikatiivinen transpositio c) Retrotransposoni Hox! -tämän mekanismin avulla myös satunn. geenien mrna:sta kääntyy joskus cdna ja insertoituu genomiin > retrosekvenssi; on usein pseudogeeni GL324
Ihmisen siirtyvät elementit voidaan jakaa pääosin 4 luokkaan: Review-artikkeli siirtyvistä elementeistä: Slotkin, Martienssen 2007, Nat Rev Gen 8:272-285 Nature 409:860, 2001 Retro trans poso neja
Eukaryoottien SINE-LINE elementit SINE (short interspersed repetitive elements) -75-500bp -ei-autonomisia siirtyviä elementtejä jotka tarvitsevat apua retropositioon -peräisin 7SL RNAsta tai trnasta (suurin osa) -esim. ihmisen Alu muodostaa 10% genomista. LINE (long interspersed repetitive elements) -3-7 kb sis. endonukleaasin ja käänteistranskriptaasin joka spesifinen kullekin LINElle (3 pää määrää spesifisyyden) -osa degeneroituneita, eivät enää pysty siirtymään SINEt siirtyvät LINEn avulla
GL348 Sine-Line-parit
Geenit ESTit Siirt.elementit Mitok. (musta)/kloropl. (vihr.)-alkuperä trna (musta) snrna (pun) Värikoodi: Pun=paljon Sin=vähän v.pun= rdna Siirtyviä elementtejä on paljon sentromeerien lähellä. A. thaliana Nature 408:796, 2000
Liikkuvien elementtien vaikutukset -Genomin koon kasvu -Geenien siirtyminen bakteereissa plasmidien transposonit sisältävät resistenssigeenejä -Geeninsäätely Siirtyvän elementin insertio geeniin > geeni muuttuu toimimattomaksi tai geenisäätely muuttuu; esim transposoni FLC geenin 1. intronissa > FLC ei toimi; esim. jos E. colin gal operoniin menee transposoni, operoni ekspressoituu jatkuvasti -Materiaalina uusille geeneille tai säätelyalueille
-Aiheuttavat genomisia uudelleenjärjestelyjä (inversiot translokaatiot, duplikaatiot, insertiot ja deleetiot) 1) joko suoraan: DNA-sekvenssi siirtyy paikasta toiseen 2) tai välillisesti: syntyy homologisia alueita eri puolille tai perättäin genomissa, jolloin rekombinaatio on mahdollinen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 8 9 6 7 4 5
6.5. Genomiprojektit: Eri lajien genomien sekvenssivertailu antaa tietoa: geenien lkm, koko, pseudogeenit uusien geenien synty geeniperheet ja niiden organisaatio intronien lkm ja sijainti repetitiiviset sekvenssit: mikrosatelliitit ja siirtyvät elementit Ei-alleelinen geenikonversio alueelliset erot nukleotidisisällössä, metylaatiossa, geenien ja intronien ominaisuuksissa kodonin käyttö horisontaalinen geenisiirto (lajien välillä, organellien ja tuman välillä) Charlesworth et al. 2001 TREE 16:235
Sivusto NCBI:stä http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=genomeprj