Genoomi evolutsioon /mõned küsimused Genoomide suurused varieeruvad palju, miks?, millega see seotud on? “Prügi DNA” – kas on prügi? Kui jah, siis miks ta seal on. Kui ei, siis mis ta seal teeb. Genoomi kodeeriva ja mittekodeeriva osa suhe varieerub, miks? Kromosoomide struktuurne evolutsioon ja geenide ja geeniperekondade paiknemine kromosoomides – kas ja kuidas muutub ja kas ja mida see mõjutab? Kas suured muutused genoomi tasemel (näiteks kogu genoomi duplitseerumised) on seostatavad suurte sündmustega elu ajaloos (loomad, selgroogsed)? Milline roll evolutsioonis on geenide duplitseerumisel ja kuidas toimub duplikaatide evolutsioon? Geenivahetus genoomide vahel Uute struktuuride teke

Geeniperekondade lateraalne evolutsioon

Geeniklastrid/perekonnad rRNA geenid sadade tandeemsete koopiatena ETS – external transcribed spacer ITS - internal transcribed spacer IGS – intergenic spacer

Globiini geeniklaster Chromosome 22: myoglobin

Bakteritel sama biokeemilise raja geenid tavaliselt koos operonides, reguleeritud samade regulaatorelementide poolt

sarnase biokeemilise raja, funktsiooniga geenidel on kalduvus paikneda genoomis kõrvuti Miks nii? Geeniduplikatsioond Adaptiivne geenide klasterdumine (operonid)

Geeniklastrid tekivad geeniduplikatsiooni teel B ebavõrdne ristsiire (unequal crossing-over) A B A B B’ A edasi, populatsioonis levik triivi või valiku tõttu heterosügootide eelis soodustab geeniduplikatsiooni – mitu erinevat alleelset varianti organismil varuks

Geeniklastrite levik genoomis võib toimuda kromosoomide või kromosoomi osade duplitseerumisel või polüploidselt. Geeniklastri osade “levik” koromosoomist kromosoomi toimib muidugi ka translokatsioonil Tetraploidne, mistap võib lubada mõlemas kromosoomipaaris ühe globiiniklastri välja lülitada Xenopus laevis Xenopus tropicalis nii α kui β globiiniklaster ühel kromosoomil

Geeniduplikatsioonide ajalugu on võimalik rekonstrueerida - geenipuud

Geeniduplikatsioonid: kui sage, kui palju on?

Geeniduplikatsioonid: mis edasi saab? Funktsiooni säilumine Subfunctionalization Neofunctionalization Duplikatsioon Pseudogenistumine Deleteerumine Funktsiooni taastumine

Pseudogenistumine Kui kahte koopiat pole vaja ootab ühte pseudogeenistumine produkt funktsioonitu produkti ei tehta järjestuse homoloogia ei ole tuvastatav aeg Tihti on nii, et pseudogeenistumine toimub palju hiljem kui duplitseerumine. Näiteks lõhnatundlikkuse geeniperekond on inimesel ja hiirel sarnane ca. 1000 geeni. Paraku on inimesel neist ca 50% pseudogeenid samas kui hiirel vaid 20%. Noortel pseudogeenidel on järjestuse homoloogia õde/vend geeniga tuvastatav: ja näiteks C. elegansil on umbes 1 pseudogeen iga 8 funktsionaalse geeni kohta.

Funktsiooni säilumine

Subfunctionalization Lehesööjal ahvil on RNASE1 duplitseerunud ja duplikaat on spetsialiseerunud (ph 7.4 –> 6.3) kõhus lehti söövate bakterite RNA lagundamisele.

Subfunctionalization sebrakala Engrailed duplitseerus kiiruimsete kalade liinis (1) ekspresseerub taga-aju mingites neuronites ja (1b) rinnauime (pectoral appendage bud) arengul. Hiirel ekspresseerub üks ja ainus Engrailed mõlemas kohas

Neofunctionalization Põhimõtteliselt uus funktsioon Üks RNase A perekonna geen on inimesel ja Vana Maailma ahvidel omandanud antibakteriaalse funktsiooni, mis ei sõltu tema RNaassest funktsioonist. On näidatud, et uus funktsioon tekkis mitme arginiini lisandumisega ja viimased ilmselt tagavad bakteriraku pinnaga tiheda kontakti misjärel bakteriraku membraanid pooristuvad. Tavaliselt on uus funktsioon siiski sarnane vanaga. Inimese ja Vana Maailma ahvide opsiini punase ja rohelise valgusetundlikud variandid tekkisid ka duplitserumisel nende kahe liini MRCA-s.

Uue ja osa- funktsiooniga duubelgeenide divergeerumine Kaks mudelit Dykhuizen– Hartl efekt. Positiivset valikut ei ole alguses vaja. Duplitseerumine vähendab funktsionaalset piirangut (functional constraint) mistap puhastav valik nõrgeneb ja mingi kogus juhuslikke mutatsioone fikseerub. Puhastav valik ei lase sellel protsessil aga liiga kaugele minna ja tema mõju vähem muutunud duplikaadile suureneb vastavalt teise duplikaadi divergeerumisele (funktsioon kaob mistõttu funktsionaalne piirang teise duplikaadi suhtes taastub). Muutunud duplikaadil avaneb võimalus omandada uus funktsioon mida positiivne valik siis edasi vormima hakkab – tavaliselt siiski pseudogeen ja surm. Teine mudel sisaldab positiivset valikut kohe algusest ja tal on kaks alam-mudelit. Duplitseerumise järel indutseerivad neutraalsed või peaaegu neutraalsed mutatsioonid nõrga funktsiooni, mida positiivne valik hakkab edasi “töötlema” fikseerides sellele funktsioonile kasulikke mutatsioone. Eellasgeenil juba oli kahetine funktsioon. Pärast duplitseerumist soosib valik ühes koopias ühe ja teises teise arengut.

tsiliaadid ehk ripsloomad Advance Online Publication 1 Nov 2006 Nature 11 Nov 2006 tsiliaadid ehk ripsloomad Välimises ringis on tänases genoomis identifitseeritud duplikaadid. Sisemistes ringides on rekonstrueeritud eellasgeenid ja nende duplitseeritus jne

Geeniduplikatsioonid: mis saab? Nature 11 Nov 2006

17 seene genoomi. Kõikide geenide genealoogia. Geeniduplikatsioonide ja kadude hulk sõltub geeni funktsioonist (stressiga seotud geenidel palju, kasvuga seotud geenidel vähe). Kogugenoomi duplikatsioonid saavad sellest piirangust üle. Duplikaatide biokeemiline funktsioon muutub väga harva, valdavad on muutused regulatsioonis.

Geeniklastrite evolutsioon Divergent evolution Concerted Evolution Birth and Death evolution

Geeniklastrite divergentne evolutsioon

Tulemus: liigipuu versus geenipuu A B C D A B C D A B C D A B C

Probleem Inimese 1 ja 2 -globiini geenid on teineteisele väga sarnased: justkui divergeerunud < 5 MAT. Teistel primaatidel ei tohiks sel juhul 1 ja 2 esineda... Aga kõigil primaatidel ja kõigil imetajatel on 1 ja 2 olemas – kuidas seletada? geeniperekonna puu geenipuu Duplikaatide olemasolu Järjestuse erinevused a) b) 1 2 1-5MAT 1 2 5MAT 300MAT Peab olema midagi, mis ühtlustab 1 ja 2 järjestust liigi sees, et tagada väiksem erinevus kui liikide vahel.

Concerted evolution Brown DD,Wensink PC, Jordan E. 1972. ETS – external transcribed spacer ITS - internal transcribed spacer IGS – intergenic spacer Lähedased liikide sees, >10% erinevad liikide vahel

rRNA geeniklastri evolutsioon seletatav - geenikonversioon ja ebavõrdne ristsiire - puhastav valik - mutatsioon Homogeniseeriv toime

Concerted evolution Brown DD,Wensink PC, Jordan E. 1972. Lateraalne mutatsioonide levik geeni ebavõrdse crossing-overi ja geeni konversiooni kaudu

ebavõrdne ristsiire (unequal crossing-over)

Geenikonversioon ~ ebavõrdne ristsiire Korduvaid blokke “tõstetakse ringi” -muudab geenikoopiate arvu kuid funktsionaalne piirang hoiab arvu siiski suhteliselt konstantsena) Korduvaid blokke “kirjutatakse üle” Ei muuda geenide koopiaarvu Telomeeride läheduses suurem kaal, telomeeridest kaugemal asuvad rRNA geenide IGS ka suurema liigisisese varieeruvusega. (miks? Sest geenikonversiooni ning rekombinatsiooni aktiivsus jaotub kromosoomis sarnaselt st. Tõuseb telomeeri suunas)

Kuni 1970ndad 1990ndad praegu globiinid rRNA MHC

Birth-and-Death Evolution model Nei and Hughes 1992 geenikonversioon ei seleta piisavalt paljude geeniperekondade evolutsiooni uued geenid tekivad (birth) duplitseerumise teel ja teatud osa neist säilub evolutsioonis (valik), osa läheb kaduma (death) pseudogeenidena; Puhastaval valikul suurem roll homogeniseerivas protsessis kui geenikonversioonil. Concerted evolution mõjutab sünonüümsed ja mittesünonüümsed positsioone ühtemoodi samas kui puhastava valiku puhul võivad sünonüümsed positsioonid evolveeruda peaaegu vabalt. B & D ei välista geenikonversiooni rolli vaid seab puhastava valiku tähtsamaks.

Horisontaalne geeni ülekanne ja endosümbioos (Horizontal gene transfer and symbiotic mergers) Loomade mtDNA-l alles 13 valgu ja 24 RNA geeni

Mitokondri geenide pseudogeenid inimese tuuma-genoomis

Inimesele spetsiifilised mitokondri järjestused tuumagenoomis …we have identified 27 NUMTs that are specific to humans and must have colonized human chromosomes in the last 4–6 million years. Therefore in humans, but not in yeast, NUMT integrations preferentially target coding or regulatory sequences.

Horisontaalne geeni ülekanne To get a grip on horizontal gene transfer, they used a method called GeneTrace, previously developed by Victor and Christos. GeneTrace infers horizontal transfer from the patchy presence of a gene family in distantly related organisms. The data generated by GeneTrace allowed them to draw ‘vines’, representing horizontal-genetransfer events, connecting branches on the evolutionary tree. In all, more than 600,000 vertical transfers are observed, coupled with 90,000 gene loss events and approximately 40,000 horizontal gene transfers. Thus, although the distribution of most of the gene families present today can be explained by the classical theory of evolution by descent, anomalies of these patterns are revealed by the ‘minority report’ of horizontal exchange.

Horisontaalne geeni ülekanne

Genoomi suuruse evolutsioon C value enigma Kui prokarüootidel on genoomi suurus ja geenide arv hästi kooskõlas, siis eukarüootidel ei ole. Organismi “keerukus” Genoomi suurus 1 C = 1 pg = ca 1 miljard aluspaari

Genoomi suuruse evolutsioon Solution to the C value paradox: noncoding DNA Pseudogeenid ca 1% 19000

Genoomi suuruse evolutsioon Eukarüootide genoomid paistavad oma suuruse võlgnema peaasjalikult transpositsioneeruvatele elementidele Samas on erinevates liinides tihti absoluutselt erinevad transposonite liigid Samuti on tihti tegemist suure hulga “surnud” transposonitega, kes enam ei “hüppa” ringi. Nii näiteks inimesel ja kanal Veel: tihti on väiksemates genoomides palju rohkem transposonite eri liike kui suurtes genoomides. Inimese genoomist (suur) moodustavad näiteks ainuüksi Alu ja LINE1 kordused 28%.

Mittekodeeriva DNA probleem: miks ta seal on? Genoomi suuruse evolutsioon Mittekodeeriva DNA probleem: miks ta seal on? 1. Performs some essential function such as global regulation of gene expression - little evidence 2. Useless "junk DNA" carried passively by the chromosomes because of linkage to functional genes - neutral to the organism- 3. Functionless parasitic DNA or "selfish" DNA that accumulates and is actively maintained by intragenomic selection 4. Structural function unrelated to the task of carrying genetic information e.g. nucleoskeleton or mechanical function Different types of nongenic DNA may be maintained by different mechanisms

FUGU – Geenide arv umbes sama, mis näiteks meil, aga genoomi suurus on tal vaid 365 Mb (ca. 1/8 meie genoomist). Kodeeriv ala hõlmab ca. kolmandiku genoomist. Introneid on palju vähem ja nad on lühemad. Korduvjärjestusi on ka palju vähem.

Kokkuvõte Geenid esinevad tihti geeniklastritena Geenid/Geeniperekonnad evolutsioneeruvad geeni duplikatsiooni teel Edasi evolutsioneeruvad geenipered kas sõltumatu divergeerumise, concerted evolution, või birth-and-deth mudeli (pseudogeenistumine, puhastav valik) alusel Suur osa mittekodeerivast kordusjärjestustena Klassifitseeritav tandeemsete ja hajusate järjestustena, aktiivselt või passiivselt replitseeruv, junk või selfish DNA