Zmienno

ść

genomów a

ewolucja 1

Maria W

ę

dzony

2009

Zagadnienia:

Zmienność genomu jądrowego

-Mutacje

-Przyczyny i tempo mutacji

-Mutacje genowe

-Mutacje chromosomowe (aberracje chromosomów)

-Mutacje chromosomowe (aberracje chromosomów)

-Mutacje genomowe (poliploidalno

ść

i diploidyzacja)

-Rekombinacje

-Ruchome sekwencje DNA – transpozycja

Ewolucja genów – przykłady

•

Bł

ę

dy kopiowania

•

Uszkodzenia DNA nie zwi

ą

zane z replikacj

ą

:

– deaminacje, depurynacje, oksydacje.

•

Działanie mutagenów chemicznych lub
fizycznych uszkadzaj

ą

cych DNA

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje - przyczyny

Mapa cz

ę

sto

ś

ci

mutacji genomów

mutacji genomów
ro

ś

linnych w Europie –

miara stresu

ś

rodowiska. Widoczne

s

ą

dwa główne

ź

ródła

stresu

ś

rodowiska:

przemysł (np. Niemcy,
widoczna ró

ż

nica

dawnego podziału
RFN-NRD) oraz du

ż

e

napromieniowanie
słoneczne (np. Turcja)

• Cz

ę

sto

ść

mutacji wynikaj

ą

cych z bł

ę

du w trakcie replikacji

wynosi mutacja jednej zasady na ok. 10

9

replikacji

• Nie ka

ż

de miejsce DNA jest jednakowo podatne na

bł

ę

dy kopiowania

– Gor

ą

ce miejsca mutacji np. ci

ą

g AAAAAA

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje – tempo mutacji

– Gor

ą

ce miejsca mutacji np. ci

ą

g AAAAAA

• Tempo mutacji na jedno pokolenie jest o trzy rz

ę

dy

wi

ę

ksze (raz na 10

6

replikacji ), gdy

ż

do wytworzenia

gamety

ż

e

ń

skiej potrzebne jest minimum 30 podziałów

(jajo), znacznie wi

ę

cej podziałów potrzeba dla gamety

meskiej!!! Lecz gamety m

ę

skie s

ą

selekcjonowane w

trakcie zapłodnienia i uszkodzone mog

ą

by

ć

wyeliminowane.

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje

Mutacja (łac. mutatio - zmiana), nagła, skokowa, bezkierunkowa zmiana w
materiale genetycznym organizmu.

Rozró

ż

nienie ze wzgl

ę

du na miejsce wyst

ą

pienia:

Mutacja gametyczna

– mutacja w komórkach linii gametycznej lub w

samych gametach: dziedziczy si

ę

.

Mutacja somatyczna

– mutacja w komórkach ciała (łac. soma): nie

Mutacja somatyczna

– mutacja w komórkach ciała (łac. soma): nie

dziedziczy si

ę

.

Rozró

ż

nienie ze wzgl

ę

du na mechanizm:

Mutacja punktowa

– dotyczy niewielkiej liczby nukleotydów

Mutacja chromosomowa

(aberracja chromosomowa)

– zmiana budowy

chromosomu, dotyczy znacznego odcinka chromosomu.

Mutacja genomowa

– zaburzenia stopnia ploidalno

ś

ci komórki, zmiany

liczby chromosomów.

Zmienność genomu jądrowego

Mutacje

Rozró

ż

nienie ze wzgl

ę

du na skutki fenotypowe:

Mutacja:

Korzystna

– poprawia mo

ż

liwo

ś

ci prze

ż

ycia organizmu i jego

potomstwa w danych warunkach (zawsze odniesienie do

ś

rodowiska).

ś

rodowiska).

Oboj

ę

tna

(mutacja cicha) - nie wpływa na mo

ż

liwo

ś

ci prze

ż

ycia.

Niekorzystna

- powoduje obni

ż

enie zdolno

ś

ci organizmu i jego

potomstwa do prze

ż

ycia w danych warunkach albo

uniemo

ż

liwia rozmna

ż

anie.

Sub-letalna

- prowadzi do powa

ż

nego upo

ś

ledzenia organizmu

i zwi

ę

kszonej

ś

miertelno

ś

ci.

Letalna

– prowadzi zawsze do

ś

mierci.

Rozró

ż

nienie ze wzgl

ę

du na miejsce wyst

ą

pienia - szczegóły

Mutacja gametyczna

– mutacja w komórkach linii gametycznej lub w

samych gametach: dziedziczy si

ę

.

Tylko mutacje komórek gametycznych (tych, z których powstan

ą

gonady i

gamety) s

ą

dziedziczne i tylko one s

ą

motorem ewolucji. Natura chroni lini

ę

gametyczn

ą

przed mutacjami: komórki gametyczne przechodz

ą

znacznie

mniej podziałów w trakcie

ż

ycia osobnika, ni

ż

komórki somatyczne. W

komórkach gametycznych stwierdzono wyst

ę

powanie wi

ę

kszej liczby

mechanizmów naprawczych genomu i specjalne enzymy chroni

ą

ce telomery

chromosomów przed skracaniem.

Mutacja somatyczna

– mutacja w komórkach ciała (łac. soma): nie

dziedziczy si

ę

.

Mutacje somatyczne mog

ą

by

ć

ź

ródłem deformacji, chorób, a w

ś

ród nich

przede wszystkim chorób nowotworowych. W zale

ż

no

ś

ci od czasu i miejsca

wyst

ą

pienia obejmuj

ą

wi

ę

kszo

ść

komórek ciała, mniejszy jego fragment lub

jedn

ą

komórk

ę

. Mówimy,

ż

e ciało osobnika z mutacj

ą

(mutacjami)

obejmuj

ą

cymi tylko cz

ęść

organizmu ma budow

ę

mozaikowat

ą

(mozajka

wyj

ś

ciowych i zmutowanych tkanek). Organizm jest hybryd

ą

.

chromosomów przed skracaniem.

Mutacje somatyczne (przykłady) – tylko niektóre komórki lub rejony
ciała ujawniaj

ą

mutacj

ę

Krokodyl z mutacj

ą

Mutacje barwy u Petunia hybrida

Oczywi

ś

cie mutacje somatyczne

nie musz

ą

dotyczy

ć

wygl

ą

du:

mog

ą

to by

ć

mutacje

metabolizmu lub innych funkcji
komórek i tkanek nie daj

ą

ce si

ę

bezpo

ś

rednio zaobserwowa

ć

.

Krokodyl z mutacj

ą

albinotyczn

ą

skóry

Mutacja „albinotyczna” u ro

ś

liny

Pojedyncza mutacja somatyczna zaczyna rozwój raka

W normalnej komórce

regulowany jest wzrost

komórki i tempo

namna

ż

ania. Onkogeny

pobudzaj

ą

w sposób

niekontrolowany wzrost i

mno

ż

enie si

ę

komórek.

„Białko zapobiegaj

ą

ce

nowotworzeniu” powoduje

ś

mier

ć

komórek, w których

nagromadziło si

ę

du

ż

o

mutacji. W nowotworach ten

gen te

ż

jest uszkodzony.

mno

ż

enie si

ę

komórek.

Zaczyna si

ę

od

mutacji w

pojedynczej

komórce

Pocz

ą

tkowo komórki namna

ż

aj

ą

si

ę

lokalnie i niezbyt szybko –

wyst

ę

puje tendencja do

dalszych mutacji: faza dysplazji

Wzrasta tempo namna

ż

ania komórek

nowotworowych, wdzieraj

ą

si

ę

w

s

ą

siaduj

ą

ce tkanki (inwazja) i

ostatecznie pojedyncze komórki

rozpoczynaj

ą

w

ę

drówk

ę

naczyniami

krwiono

ś

nymi (przerzuty)

Rozwój nowotworu

Zniesienie reakcji

kontaktowej

pomi

ę

dzy

komórkami –

komórka uwalnia

si

ę

spod kontroli

organizmu.

Intensywne

podziały

Mutacje w

rejonach genów

naprawczych

DNA

Kumulowanie si

ę

mutacji w tym

protoonkogeny

mutuj

ą

w onkogeny

Dalsze mutacje, brak

stabilno

ś

ci genetycznej –

metastaza. Tkanka

nowotworowa pobudza

rozwój naczy

ń

krwiono

ś

nych,

którymi nastepnie komórki

w

ę

dzruj

ą

w organizmie.

Rozró

ż

nienie ze wzgl

ę

du na mechanizm - szczegóły:

Mutacja punktowa

– dotyczy niewielkiej liczby nukleotydów

Mutacja chromosomowa

(aberracja chromosomowa)

– zmiana

budowy chromosomu, dotyczy znacznego odcinka chromosomu.

Mutacja genomowa

– zaburzenia stopnia ploidalno

ś

ci komórki,

zmiany liczby chromosomów.

Mutacja punktowa –

nazywana bywa tak

ż

e „mutacj

ą

genow

ą

” lub

„mutacj

ą

nukleotydow

ą

.

Nie ka

ż

da mutacja punktowa to zmiana tylko jednego nukleotydu,

mo

ż

e by

ć

zmienionych, utraconych, dodanych kilka lub

kilkana

ś

cie nukleotydów.

Nazwa „mutacja genowa” myl

ą

ca. Wskazuje,

ż

e dotyczy jednego

genu. Tymczasem mutacja w jednym punkcie chromosomu, mo

ż

e

dotyczy

ć

znacznej cz

ęś

ci chromosomu, o ile zostanie przesuni

ę

ta

„otwarta ramka odczytu” na skutek dodania lub wypadni

ę

cia

nukleotydów w liczbie ró

ż

nej od 3.

Mutacje punktowe - rodzaje

Podstawienie – zamiana jednej zasady na inn

ą

Tranzycja = puryny w puryn

ę

albo pirymidyny w pirymidyn

ę

Transwersja = puryny w pirymidyn

ę

lub pirymidyny w puryn

ę

Delecja punktowa – utrata zasady lub zasad
Insercja punktowa – wł

ą

czenie zasady lub zasad

Insercja punktowa – wł

ą

czenie zasady lub zasad

W wyniku delecji lub insercji punktowej liczby zasad
ró

ż

nej od 3 wyst

ę

puje „po

ś

lizg” – zmiana sekwencji

odczytu, bardzo gro

ź

ne dla całego genomu. Mo

ż

e zmieni

ć

znaczenie zapisu od miejsca powstania tej mutacji, a

ż

do

ko

ń

ca chromosomu, a przynajmniej do ko

ń

ca sekwencji

transkrybowanych, w obr

ę

bie których mutacja nastapiła.

Utrata lub dodatkowe aminokwasy
•Po

ś

lizg mo

ż

e zupełnie zmieni

ć

sens zapisu, wi

ę

c zmiany o 1

lub 2 zasady s

ą

bardziej brzemienne w skutki ni

ż

zmiany o 3

zasady lub wielokrotno

ść

3.

•Insercje/delecje całych tripletów mog

ą

tak

ż

e mie

ć

du

ż

e

znaczenie je

ż

eli dotycz

ą

centrum aktywnego enzymu, zmieni

ą

struktur

ę

przestrzenn

ą

białka lub lokalne wła

ś

ciwo

ś

ci DNA i

Mutacje punktowe - skutki

struktur

ę

przestrzenn

ą

białka lub lokalne wła

ś

ciwo

ś

ci DNA i

mog

ą

na przykład spowodowa

ć

,

ż

e czynniki transkrypcyjne

nie b

ę

d

ą

rozpoznawa

ć

specyficznego dla siebie fragmentu.

Mutacja ma inne znaczenie kiedy dotyczy sekwencji
regulatorowych, intronów, a inne je

ż

eli dotyczy sekwencji

koduj

ą

cych białko. Je

ż

eli mutacja punktowa dotyczy odcinka

regulatorowego mo

ż

e mie

ć

wpływ na działanie wielu

genów (całej kaskady).

• Zmiana synonimiczna (jeden z rodzajów „mutacji cichych”) –

brak bezpo

ś

redniego skutku, nowy triplet koduje ten sam

aminokwas lub ma to samo znaczenie (ale mo

ż

e zmieni

ć

si

ę

na

przykład gi

ę

tko

ść

DNA w tym miejscu).

Mutacje punktowe - skutki

• Zmiana niesynonimiczna – mutacja zmiany sensu. Zamienia

ć

si

ę

mog

ą

:

– Kodon sensowny => sensowny

o innym znaczeniu = skutek to nowy

aminokwas w tym miejscu białka.

– Kodon sensowny => nonsensowny

= skutek to przedwczesna

terminalizacja transkrypcji. Skrócenie peptydu.

– Kodon nonsensowny => sensowny

– przedłu

ż

enie mRNA o sekwencj

ę

wcze

ś

niej nie transkrybowan

ą

, a w konsekwencji przedłu

ż

enie ła

ń

cucha

białkowego o nowe aminokwasy lub na przykład zmiana adresu.

Mutacje punktowe - albinizm

Albinizm (bielactwo) - brak
pigmentu w skórze, tworach
skórnych, włosach i t

ę

czówce

oka (czerwone oczy lub,
rzadziej, niebieskawe). Albinizm
wywołany jest przez brak
enzymu tyrozynazy
przekształcaj

ą

cego prekursor

przekształcaj

ą

cego prekursor

melaniny w barwnik melanin

ę

.

Warunkuje go allel recesywny,
musi by

ć

homozygotyczny by

wywoła

ć

efekt Cz

ę

sto

ść

wyst

ę

powania: 1/110 000 osób.

Prócz albinizmu wła

ś

ciwego

(uogólnionego) wyst

ę

puje tak

ż

e

albinizm lokalny (cz

ęś

ciowy)

Mutacje punktowe - albinizm

Albinizm uogólniony

u pingwina i myszy

laboratoryjnej

Albinizm lokalny u krokodyla –

mutacja somatyczna

Mutacje punktowe - melanizm

Melanizm uogólniony u
jaguara: z lewej zwierz

ę

o

typowym ubarwieniu, u dołu
zwierz

ę

o czarnej sier

ś

ci.

Melanizm lokalny to ró

ż

ne miejscowe

przebarwienia skóry, równie

ż

u

człowieka: nale

żą

tutaj tzw. Pieprzyki.

Nale

ż

y obserwowa

ć

te zmiany ze

wzgl

ę

du na mo

ż

liwo

ść

pó

ź

niejszych

zmian nowotworowych.

Mutacje punktowe – anemia sierpowata

Anemia sierpowata, niedokrwisto

ść

sierpowata - polega

na wadzie budowy hemoglobiny. Mutacja punktowa w
genie ła

ń

cucha

β

hemoglobiny powoduje zmian

ę

pojedynczego aminokwasu w sekwencji białka
hemoglobiny A (HbA) (z kwasu glutaminowego na walin

ę

,

w pozycji 6 od ko

ń

ca -NH

2

) powstaje hemoglobina S

(HbS). Hemoglobina HbS słabiej wi

ąż

e tlen co powoduje

stałe niedotlenie tkanek u osobników homozygotycznych
pod wzgl

ę

dem tego allelu. Choroba dziedziczy si

ę

w

pod wzgl

ę

dem tego allelu. Choroba dziedziczy si

ę

w

sposób autosomalny i recesywny, z allelem
kodominuj

ą

cym

HbA

. Ten rodzaj dziedziczenia, polega na

tym,

ż

e nosiciele tylko jednej kopii wadliwego genu

(heterozygoty), w normalnych warunkach nie maj

ą

objawów klinicznych (to znaczy niedotlenienia), jednak ich
erytrocyty zawieraj

ą

ok. 40% hemoglobiny HbS

(naddominacja

HbA

). Heterozygoty HbA HbS s

ą

równie

ż

w

du

ż

ym stopniu odporne na malari

ę

. Naddominacja

powoduje,

ż

e na terenach wyst

ę

powania malarii mutacja

powoduj

ą

ca anemi

ę

sierpowat

ą

utrzymuje si

ę

w populacji

– gdy

ż

wystepuje pozytywna selekcja heterozygot.

Krwinki osobnika
heterozygotycznego:
obok normalnych
widoczne krwinki
sierpowate.

Mutacje punktowe – hemofilia

Hemofilia (inaczej zwana "krwawi

ą

czk

ą

" czy te

ż

"chorob

ą

królów") - grupa chorób spowodowanych

genetycznie uwarunkowanym niedoborem czynnika
krzepni

ę

cia.

Hemofilia jest chorob

ą

sprz

ęż

on

ą

z płci

ą

. Gen, którego

mutacje powoduj

ą

chorob

ę

, znajduje si

ę

na

chromosomie X. Zatem choroba przenoszona jest
dziedzicznie zarówno przez kobiety i m

ęż

czyzn.

dziedzicznie zarówno przez kobiety i m

ęż

czyzn.

Jednak

ż

e ojciec nie mo

ż

e przenie

ść

tej choroby na

syna, a jedynie na córk

ę

. Cecha ta dziedziczy si

ę

recesywnie, co oznacza, i

ż

choruj

ą

jedynie osoby z

pełn

ą

ekspresj

ą

recesywnego allelu, czyli:

m

ęż

czy

ź

ni hemi-zygotyczni wzgl

ę

dem tego genu (XaY)

kobiety homozygotyczne wzgl

ę

dem tego genu (XaXa)

Hemofilia ma wiele postaci i nie wszystkie maj

ą

przebieg ostry. Współcze

ś

nie mo

ż

na zapobiega

ć

jej

skutkom podaj

ą

c chorym preparaty poprawiaj

ą

ce

krzepni

ę

cie krwi.

Ludzkie chromosomy X i Y
(zdjęcie z mikroskopu
elektronowego
skaningowego
chromosomów mitotycznych.

Mutacje punktowe – dynamiczne

Mutacja dynamiczna - mutacja polegaj

ą

ca na powieleniu si

ę

(ekspansji)

fragmentu genu, zwykle o długo

ś

ci 3 nukleotydów. Jedn

ą

z

prawdopodobnych przyczyn takich mutacji jest zjawisko po

ś

lizgu

polimerazy DNA podczas replikacji DNA. Liczba powtórze

ń

mo

ż

e

zwi

ę

ksza

ć

si

ę

w miar

ę

liczby podziałów komórki.

Mutacje dynamiczne s

ą

przyczyn

ą

wielu neurodegeneracyjnych i

neuromi

ęś

nioiwych chorób genetycznych:

Pl

ą

sawica Huntingtona

Zespół łamliwego chromosomu X
Dystrofia miotoniczna
Choroba Friedricha
Ataksja rdzeniowo mó

ż

d

ż

kowa

inne choroby

Rozró

ż

nienie ze wzgl

ę

du na mechanizm - szczegóły:

Mutacja chromosomowa

(aberracja chromosomowa)

– zmiana

budowy chromosomu, dotyczy znacznego odcinka chromosomu.

Płytka mitotyczna
zawieraj

ą

ca fragment

ramienia chromosomu
pozbawiony centromeru
(strzałka): delecja

Mutacje chromosomowe (1)

Insercja z translokacj

ą

–

wstawienie z przeniesieniem

Delecja -

utrata

Duplikacja -

podwojenie

Inwersja -

odwrócenie

Translokacja wzajemna –

przeniesienie wzajemne

Szczególny rodzaj fuzji

chromosomów: fuzje Robertsona =
powstaje chromosom bez centromeru i
dicentryk. Chromosom bez centromeru
jest skazany na eliminacj

ę

z genomu, a

dicentryk na rozerwanie i powstaj

ą

nowe

pary chromosomów.

Mutacje chromosomowe (2)

Fuzja

chromosomów

telocentrycz-

nych

Translokacja fragmentu ramienia do

chromosomu telocentrycznego

P

ę

kni

ę

cie

w centro-

merze

Inwersja wokół centromeru –

szczególny rodzaj inwersji

Chromosomy telocentryczne wyst

ę

puj

ą

bardzo rzadko i s

ą

bardziej

od innych aktywne w generowaniu nowych aberracji

chromosomowych.

Mutacje chromosomowe (3)

Bezpo

ś

rednie wykazanie translokacji jest mo

ż

liwe

dzi

ę

ki metodzie „malowania chromosomów”.

Mo

ż

emy u

ż

y

ć

sondy DNA z jednego chromosomu

i w genomie mutanta mo

ż

emy znale

źć

miejsca,

gdzie znajduje si

ę

translokowane DNA (kolor

ró

ż

owy na zdj

ę

ciu).

Mutacje genomowe - poliploidalno

ść

Mutacja genomowa

– zaburzenia

stopnia ploidalno

ś

ci komórki, zmiany

liczby chromosomów.

Poliploidalno

ść

–

zwielokrotnienie liczby

haploid

zwielokrotnienie liczby
chromosomów

Autopoliploidalno

ść

:

zwielokrotnienie własnego genomu

Allopoliploidalno

ść

: poł

ą

czenie

genomów mi

ę

dzy gatunkami

poliploid

Przypomnienie niektórych aspektów budowy
chromosomów - kochezyny

1. Kochezyny pojawiaj

ą

si

ę

w j

ą

drze w trakcie

Kochezyny to białka fibrylarne i globularne
tworz

ą

ce razem kompleks podobny do agrafki,

która zapina si

ę

na chromatydach siostrzanych

bezpo

ś

rednio po zako

ń

czeniu replikacji danego

odcinka DNA w fazie S cyklu komórkowego.

1. Kochezyny pojawiaj

ą

si

ę

w j

ą

drze w trakcie

syntezy.

2. Ł

ą

cz

ą

chromatydy siostrzane

do pocz

ą

tków

anafazy .

3. Umieszczone s

ą

co ok. 18 kB wzdłu

ż

całego

chromosomu.

4. Przy centromerze rozmieszczone s

ą

znacznie

g

ęś

ciej i trudniej si

ę

rozł

ą

czaj

ą

.

5. Wyst

ę

puj

ą

zarówno w mitozie jak i mejozie

(zawsze ł

ą

cz

ą

chromatydy siostrzane).

Rozpad kochezyn w profazie mitozy

6.

Kochezyny zaczynaj

ą

si

ę

„rozpina

ć

” w

profazie mitotycznej, czemu towarzyszy
kondensacja chromatyny.

7. Pod koniec profazy wida

ć

chromatydy

siostrzane le

żą

ce blisko koło siebie.

8. W metafazie mitozy niejednokrotnie

widzimy rozdzielone chromatydy
siostrzane poł

ą

czone ci

ą

gle w rejonie

centromeru (pozta

ć

„X” chromosomu).

9. Kochezyny w rejonie centromeru

9. Kochezyny w rejonie centromeru

rozpadaj

ą

si

ę

na pocz

ą

tku anafazy, co

umo

ż

liwia rozej

ś

cie si

ę

chromatyd

siostrzanych do przeciwnych biegunów.

10. Brak rozpadu kochezyn centromerowych

mo

ż

e prowadzi

ć

do aneuplidalno

ś

ci lub

aberracji chromosomowych.

Z lewej zdj

ę

cie we fluorescencji chromosomów

metafazowych, u których wyznakowano na
czerwono kochezyny, a DNA na zielono (z lewej)
lub białoniebiesko (z prawej). Kochezyny s

ą

jeszcze obecne tylko przy centromerze.

W mejozie kochezyny nie rozpadaj

ą

si

ę

w profazie I-ego podziału

mejotycznego, nadal ł

ą

cz

ą

chromatydy siostrzane. Ponadto pojawia

si

ę

nowy kompleks białek, ł

ą

cz

ą

cych chromosomy homologiczne -

kompleks synaptonemalny (zielona strzałka na rysunku).

Schemat budowy
chromosomu mejotycznego:

Chromatydy siostrzane obu
chromosomów
homologicznych spi

ę

te

kochezynami na całej

Chromosom
homologiczny
spi

ę

ty

kochezynami

Chromosom
homologiczny
spi

ę

ty

kochezynami

Element
podłu

ż

ny (o

ś

podłu

ż

na)

Element
podłu

ż

ny (o

ś

podłu

ż

na)

Element

centralny

kochezynami na całej
długo

ś

ci. Pomi

ę

dzy

chromosomami
homologicznymi pojawiaj

ą

si

ę

podłu

ż

ne osie białkowe, do

których doł

ą

czaj

ą

filamenty

poprzeczne zachodz

ą

ce na

siebie podobnie jak elementy
zamka błyskawicznego.
Filamenty poprzeczne tworz

ą

element centralny kompleksu
synaptonemalnego.

Komponenty elementu centralnego

Kompleks synaptonemalny uwidoczniony na preparatach.

B

A

A. Chromosomy w I mejozie z
wybarwionymi białkami,
widocznymi na zdjęciu w czarnym
kolorze (metoda nakrapiania,
mikroskop elektronowy, małe
powiększenie)

B. Chromosom „wysrebrzony” w
mikroskopie elektronowym – duże
powiększenie. Widać oś utworzoną
przez nachodzące na siebie
filamenty elementu centralnego.

Kompleks synaptonemalny uwidoczniony na preparatach.

B

A. Białka kompleksu synaptonemalnego widoczne na zdjęciu preparatu jako czarna oś
biwalentów (metoda nakrapiana, mikroskop optyczny, chromatyna słabo widoczna).

B. Białka kompleksu wyznakowane przeciwciałami z zielonym fluorochromem, telomery i
płytki końcowe chromosomów wyznakowane przeciwciałami ze znacznikiem czerwonym.
Widać, że tworzenie kompleksu rozpoczyna się od telomerów. Kompleks jest ukończony, gdy
struktury budowane z obu końców chromosomów homologicznych spotkają się i utworzą
jedną oś biwalentu.

Kompleks synaptonemalny w pierwszej fazie podziału mejotycznego

A

LEPTOTEN

A. Proces nazywany profaz

ą

pierwszego podziału mejotycznego rozpoczyna si

ę

od

uwidocznienia w mikroskopie

ś

wietlnym chromatyny w postaci nici (łac. leptum sk

ą

d nazwa

leptoten). Na poziomie molekularnym jest to etap tworzenia elementów (osi) podłu

ż

nych

kompleksu synaptonemalanego i wst

ę

pnej kondensacji chromatyny.

B. Drugi etap, zygoten, rozpoczyna si

ę

gdy osie białkowe chromosomów homologicznych

ł

ą

czone s

ą

elementami poprzecznymi kompleksy synaptonemalnego – zapinany jest

białkowy „zamek”. Chromatyna dalej kondensuje i biwalenty s

ą

ju

ż

wyra

ź

nie widoczne.

B

ZYGOTEN

Kompleks synaptonemalny w pachytenie

W pachytenie, który trwa stosunkowo długo w mikroskopie

ś

wietlnym nie wida

ć

zmian, oprócz dal-

szej kondensacji chromatyny. Na poziomie molekularnym dziej

ą

si

ę

bardzo istotne zjawiska. Na

kompleksie synaptonemalnym pojawiaj

ą

si

ę

białka enzymatyczne: w

ę

zły rekombinacyjne. Według

jednej z hipotez sprawdzaj

ą

one poprawno

ść

koniugacji jednocze

ś

nie tn

ą

c i sklejaj

ą

c fragmenty nici

PACHYTEN

C

jednej z hipotez sprawdzaj

ą

one poprawno

ść

koniugacji jednocze

ś

nie tn

ą

c i sklejaj

ą

c fragmenty nici

chromatynowych. Co jaki

ś

czas „myl

ą

si

ę

” i sklejaj

ą

nici homologiczne na krzy

ż

, nast

ę

puje zjawisko

znane nam jako „crossing-over”, czyli wymiana fragmentów chromatyd pomi

ę

dzy chromosomami

homologicznymi - warunek rekombinacji mejotycznej.

Dwa biwalenty w pachytenie i u góry
powi

ę

kszony fragment jednego z nich.

Strzałki pokazuj

ą

w

ę

zły rekombinacyjne

widziane w pachytenie na tle komple-ksu
synaptonemalnego (mikroskop elektronowy)

Mejoza I – chiazmy w diplotenie, zanik białek osi w dziakinezie

DIPLOTEN

D

D. W diplotenie niewidoczne s

ą

ju

ż

w

ę

zły rekombinacyjne i koniugacja przestaje by

ć

taka

ś

cisła jak w pachytenie bo rozpada si

ę

element centralny kompleksu synaptonemalnego.

Pary chromosomów homologicznych poł

ą

czone s

ą

tylko w miejscu chiazm. Dawniej

uwa

ż

ano za oczywiste,

ż

e chiazmy s

ą

pozostało

ś

ci

ą

po crossing-over. Ten pogl

ą

d jest

obecnie kwestionowany. Liczba chiazm nie koreluje z liczb

ą

zdarze

ń

crossing-over na

poziomie molekularnym i oba zjawiska s

ą

odr

ę

bnie regulowane genetycznie. W miejscu

chiazm zidentyfikowano podobne do kochezyn białka: chiazminy.

E. W diakinezie zanikaj

ą

białka osiowe kompleksu synaptonemalnego a chromatyna ulega

dalszej kondensacji. Dopiero teraz dezintegruje si

ę

otoczka j

ą

drowa.

DIAKINEZA

E

Autopoliploidy – dziedziczne zwielokrotnienie liczby chromosomów wyst

ę

puje

zazwyczaj za po

ś

rednictwem zaburze

ń

mejozy, gdy nie dochodzi do redukcji

liczby chromosomów w trakcie tego procesu. Niekiedy takie gamety mog

ą

by

ć

zdolne do zapłodnienia, cz

ęś

ciej u ro

ś

lin. Podwojenie liczby chromosomów mo

ż

e

zaj

ść

równie

ż

przed utworzeniem organów rozrodczych w linii gametycznej, wtedy

mejoza redukuje liczb

ę

chromosomów, ale do poziomu pierwotnie somatycznego.

Jak powstaj

ą

autopoliploidy?

Poliploidyzacja w komórkach
somatycznych jest cz

ę

stym

zjawiskiem u ro

ś

lin.

Ź

ródłem

Schemat cyklu
komórkowego

zjawiskiem u ro

ś

lin.

Ź

ródłem

poliploidyzacji mo

ż

e by

ć

endoreduplikacjia

DNA (blokada

cyklu komórkowego w fazie S –
zamiast w podział, komórka
wchodzi w now

ą

faz

ę

G1) lub

endomitoza

(blokada podziału w

fazie M – mitoza zaczyna si

ę

, lecz

jest niepełna i chromatydy
siostrzane si

ę

nie rozchodz

ą

do

ró

ż

nych biegunów, chocia

ż

oddzielaj

ą

si

ę

od siebie).

endomitoza

endoreduplikacja

Przypomnienie: Regulacja cyklu komórkowego

W prawidłowym cyklu komórkowym na
przemian nast

ę

puj

ą

po sobie etapy

podwajania ilo

ś

ci DNA (faza S) i jego rozdział

na dwie równe cz

ęś

ci (mitoza, faza M).

Rozdzielaj

ą

je fazy G1 i G2.

Cykl komórkowy regulowany jest przez cykliny,
kinazy zale

ż

ne od cyklin i anafazowy kompleks

enzymatyczny (APC czyli cyklosom).

1. Poziom cyklin wzrasta lub opada:

Cyklina D

Cykliny A i E

Cykliny B i A

Cdk2

Cdk1

cykliny
degradują
gdy są już
niepotrzebne

1. Poziom cyklin wzrasta lub opada:

Cyklina fazy G1 – (cyklina D)
Cykliny fazy S – (cykliny E i A)
Cykliny mitotyczne (cykliny B i A)

2. Kinazy zale

ż

ne od cyklin (Cdk) – ich poziom

jest stały, ale tylko w poł

ą

czeniu z cyklin

ą

mog

ą

działa

ć

:

G1 Cdk (Cdk4)
Cdk fazy S (Cdk2)
Cdk fazy M (Cdk1)

3. Anafazowy kompleks enzymatyczny
(Anaphase promoting complex = APC)
nazywany tak

ż

e cyklosomem

-Powoduje rozpad kohezyn

-Degraduje cyklin

ę

B

Cykliny A i E

Cyklina D

Cykliny B i A

Cdk2

Cdk1

cykliny
degradują
gdy są już
niepotrzebne

Przypomnienie: Kolejne fazy cyklu komórkowego

1. Wzrasta poziom cykliny G1 (cyklina D),
przył

ą

cza si

ę

do jej wła

ś

ciwej Cdk4 i komórka

dostaje sygnał do przygotowania replikacji

2. Wzrasta poziom czynnika fazy S (S-phase
promoting factor = cyklina A + Cdk2) co
powoduje przygotowanie j

ą

dra do fazy S

3. W trakcie replikacji DNA rozpada si

ę

cyklina E a

wzrasta poziom cyklin mitotycznych. Na koniec

Cykliny A i E

Cdk2

niepotrzebne

wzrasta poziom cyklin mitotycznych. Na koniec
fazy S rozpadaj

ą

si

ę

cykliny A i D => rozpoczyna

si

ę

faza G2. Do nowo utworzonej nici DNA doł

ą

czj

ą

si

ę

gemininy

= blokada replikacji.

4. Pod koniec G2 formuje si

ę

Kompleks promuj

ą

cy mitoz

ę

(cykliny B i A ł

ą

cz

ą

si

ę

z ich Cdk1) co inicjuje: kondensacj

ę

chromatyny, formowanie wrzeciona podziałowego, rozpad
otoczki j

ą

drowej. Na koniec nast

ę

puje aktywacja kompleksu

promuj

ą

cego mitoz

ę

- APC

5. APC umo

ż

liwia rozpad kohezyn i rozej

ś

cie si

ę

chromatyd siostrzanych do biegunów wrzeciona.

Do cykliny B przył

ą

cza si

ę

ubikwityna co umo

ż

liwia strawienie cykliny B przez proteosomy.

Rozpoczyna si

ę

synteza cykliny G1 => komórka przechodzi do fazy G1. Rozpadaj

ą

si

ę

gemininy

,

które blokowały mo

ż

liwo

ść

ponownej syntezy na matrycy DNA.

Cyklina D

Cykliny B i A

Cdk2

Cdk1

cykliny nie
degradują w
odpowiedni
m czasie co
zaburza

Autopoliploidalno

ść

: endoreduplikacja i endomitoza

Faza G1 przebiega normalnie (cyklina D
+Cdk4)

Wzrasta poziom czynnika fazy S (cyklina A + Cdk2)
co powoduje przygotowanie j

ą

dra do fazy S

ENDOREDUPLIKACJA

: W trakcie

replikacji DNA nie rozpada si

ę

cyklina E i brak

cyklin mitotycznych. Nie rozpadaj

ą

si

ę

cykliny A i

D. Do nowo utworzonej nici DNA nie doł

ą

czaj

ą

si

ę

gemininy = brak blokady powtórnej replikacji. Na
nowo powstałych kopiach DNA tworzone s

ą

Cykliny A i E

Cdk2

zaburza
podział

nowo powstałych kopiach DNA tworzone s

ą

nast

ę

pne kopie, a kohezyny nie pozwalaj

ą

si

ę

rozej

ść

chromatydom siostrzanym = powstaj

ą

chromosomy politeniczne.

Przy endomitozie faza G2 przebiega prawie normalnie:
tworz

ą

si

ę

kompleksy promuj

ą

ce mitoz

ę

i anafaz

ę

, ale

niektóre skutki ich działania s

ą

zablokowane.

ENDOMITOZA

: rozchodz

ą

si

ę

chromatydy siostrzane (nie tworz

ą

si

ę

chromosomy

politeniczne), a wi

ę

c podwaja si

ę

liczba chromosomów. Jednak nie rozchodz

ą

si

ę

one do biegunów

bo nie s

ą

przył

ą

czane do wrzeciona podziałowego i nie rozpada si

ę

otoczka j

ą

drowa.

Poliploidalno

ść

– autopoliploidy potrzebuj

ą

stabilizacji mejozy co mo

ż

e nast

ą

pi

ć

na skutek

wtórnej diploidyzacji.

Wtórna diploidyzacja
U autopoliploidów chromosomy
koniuguj

ą

czwórkami

(kwadriwalenty), tak długo, a

ż

jakie

ś

powa

ż

ne zmiany

strukturalne (np, delecje,

Dzi

ę

ki wtórnej diploidyzacji

przywracana jest
równowaga w mejozie.

Zjawisko

strukturalne (np, delecje,
inwersje) nie zró

ż

nicuj

ą

chromosomów na tyle,

ż

e

zaczynaj

ą

koniugowa

ć

znowu po

dwa. Je

ż

eli wszystkie pary

chromosomów przejd

ą

ten proces

koniugacja przebiega normalnie –
tworz

ą

si

ę

biwalenty. Zjawisko to

nazywamy wtórn

ą

diploidyzacj

ą

.

Zjawisko
autopoliploidyzacji, a
nast

ę

pnie wtórnej

diploidyzacji
prawdopodobnie odegrało
du

ż

e znaczenie w ewolucji

genomów.

Aneuploidalno

ść

– brak lub nadmiar jednego lub kilku

chromosomów. Mutacja powstaje w trakcie podziału
mejotycznego (zawsze jest to zmiana dziedziczna) lub
mitotycznego (wtedy zarówno mo

ż

e dotyczy

ć

komórek

gametycznych jak i somatycznych, mo

ż

e zatem mie

ć

charakter dziedziczny lub efekt lokalny).

Mutacje genomowe - aneuploidalno

ść

Brak chromosomu:

Monosomia – jeden zamiast dwóch chromosomów z

danej pary

Nadmiar-Polisomia:

Trisomia – trzy zamiast dwóch chromosomów danej pary

Tetrasomia – cztery itd.

Zarówno brak jak i nadmiar chromosomu mo

ż

e dotyczy

ć

wi

ę

cej ni

ż

jednej pary

chromosomów w genomie. U zwierz

ą

t aneuploidalno

ść

oznacza powa

ż

ne

zaburzenia lub letalno

ść

organizmu. Ro

ś

liny toleruj

ą

znaczny zakres

zmienno

ś

ci liczby chromosomów.

Liczne choroby człowieka:

Aneuploidalno

ść

chromosomów somatycznych

Zespół Downa – trisomia (nadmiar jednego) 21 pary chromosomów. Objawami są
niedorozwój umysłowy, mały wzrost, nieprawidłowe proporcje ciała, zbyt duży język,
wady narządów wewnętrznych.
Zespół Edwardsa – trisomia 18 pary chromosomów. Objawami są głęboki niedorozwój
umysłowy, wady rozwojowe.

Zespół Pataua

-

trisomia chromosomu 13 silny niedorozwój umysłowy

Mutacje genomowe - aneuploidalno

ść

Zespół Pataua

-

trisomia chromosomu 13 silny niedorozwój umysłowy

rozszczep wargi i podniebienia, wady oczu i uszu, anomalie kończyn i wady innych
narządów.

Aneuploidalno

ść

chromosomów płciowych

Zespół Turnera – monosomia chromosomów płci X, osobnik ma cechy kobiece. Jest to
najczęstsza aberracja chromosomów płci (1:2500 ciąż0 i najczęstsza przyczyna
spontanicznych poronień (90% zbadanych przypadków).
Trisomia chromosomu X (zespół XXX, nadkobieta, metakobieta, nadsamica)
Zespół Klinefeltera – disomia chromosomów X u mężczyzn XXY
Zespół XYY – disomia chromosomu Y. Mężczyźni charakteryzują się wysokim
wzrostem, zwiększoną pobudliwością emocjonalną i agresywnością,

są płodni.

W historii

ż

ycia wyst

ą

piły dwa znacz

ą

ce „skoki”:

• Przej

ś

cie od Procariota do Eucariota

ok. 1,4 mld lat temu

to przej

ś

cie od około 1000 genów do ok. 10000 u

osobnika.

• Przej

ś

cie od komórek do organizmów zło

ż

onych

czyli od

ok. 10000 do około 80000 genów.

Mechanizmy powstawania nowych genów

Nowe geny mog

ą

powsta

ć

przez:

• rearan

ż

acj

ę

(przetasowanie, rekombinacje) odcinków DNA

• duplikacj

ę

i dywergencj

ę

genów

• nabywanie genów od innych gatunków

W ewolucji genomów wa

ż

ne były wszystkie te procesy.

Mechanizmy, które powoduj

ą

zmiany aran

ż

acji genów i zwi

ą

zane s

ą

z

rozmna

ż

aniem płciowym.

Rekombinacje:

–Chromosomy matki i ojca losowo rozchodz

ą

si

ę

do komórek potomnych

(niezale

ż

ne dziedziczenie grup sprz

ęż

e

ń

, rekombinacja niehomologiczna).

–Crossing-over prowadzi do nowych aran

ż

acji w obr

ę

bie grup sprz

ęż

e

ń

(rekombinacja homologiczna).

Przetasowanie (rearan

ż

acje) genów

(rekombinacja homologiczna).

Inne zjawiska zwi

ą

zane z rearan

ż

acj

ą

DNA:

•Konwersja genów

(zmiana stosunku alleli, dodatkowa kopia jednego z

alleli zast

ę

puje drugi allel, „lepsza” kopia mo

ż

e wypiera

ć

z genomu

homologiczne „gorsze” kopie)

•Transpozycja

– przeniesienie fragmentu DNA w inne miejsce na kilku

mo

ż

liwych drogach. Elementy transpozycyjne (transpozony) to

sekwencje DNA wyposa

ż

one w mechanizm umo

ż

liwiaj

ą

cy ich wyci

ę

cie z

chromosomu i wł

ą

czenie w inne miejsce:

Rekombinacje, po mutacjach nast

ę

pny wa

ż

ny mechanizm

ewolucji. Rekombinacje zawsze zwi

ą

zane s

ą

z dziedziczeniem

płciowym i wynikaj

ą

z przegrupowania genów w trakcie mejozy i

zapłodnienia.

Dwa rodzaje rekombinacji:

Prawa odkryte przez Mendla:

rekombinacja niehomologiczna

Rekombinacje genów - szczegóły

Geny

na chromosomach niehomologicznych

(Mendel my

ś

lał,

ż

e

wszystkie geny) dziedzicz

ą

si

ę

niezale

ż

nie => zatem w potomstwie

mog

ą

si

ę

spotka

ć

w zupełnie nowych kombinacjach.

Zjawisko odkryte przez Morgana:

rekombinacja homologiczna

Geny

z jednej pary

chromosomów homologicznych tworz

ą

grup

ę

sprz

ęż

e

ń

. Geny z pary chromosomów homologicznych te

ż

mog

ą

rozej

ść

si

ę

niezale

ż

nie, z ró

ż

n

ą

, charakterystyczn

ą

dla siebie

cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

. Jest to mo

ż

liwe dzi

ę

ki zjawisku

crossing over

.

Od ojca

Koniuga-

cja w

skutki

Diada

Mejocyt

profaza I

Mejocyt

metafaza I

Rekombinacje genów w mejozie: crossing over

Od matki

cja w

mejozie

Crossing-over

skutki

Podział

mejotyczny I

Sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana ni

ż

na schemacie na

poprzedniej stronie, gdy

ż

ka

ż

dy chromosom jest zbudowany z dwóch kopii

(chromatydy siostrzane) i ka

ż

da z tych kopii rekombinuje niezale

ż

nie w

pierwszej profazie mejotycznej (pachyten). Ka

ż

da gameta to inna kombiancja

genów.

Rekombinacje genów w mejozie: crossing over

Diada .

II podział

Tetrada .

Ostatnio (lata 80-te XX wieku) wykryto,

ż

e istniej

ą

fragmenty

DNA maj

ą

ce zdolno

ś

ci przemieszczania si

ę

w obr

ę

bie

chromosomu lub pomi

ę

dzy chromosomami. Transpozycja

nale

ż

y do typu rekombinacji niehomologicznej.

Jak dot

ą

d transpozony zostały znalezione w ka

ż

dym gatunku

gdzie ich poszukiwano – czy

ż

by były powszechne?

Rearan

ż

acje genów wywołane transpozycj

ą

Elementy insercyjne i transpozony

gdzie ich poszukiwano – czy

ż

by były powszechne?

U muszki owocowej 10% genomu to elementy ruchome.
Elementy ruchome mog

ą

obejmowa

ć

krótkie fragmenty

(

elementy insercyjne

= IS), a

ż

do długich, zawieraj

ą

cych

geny

transpozonów

.

Jest kilka kategorii elementów ruchomych.

DNA RNA DNA

–

Odwrotna transkryptaza

LTR LTR

pol

transkryptaza

pol

– gen koduj

ą

cy odwrotn

ą

transkryptaz

ę

;

LTR

– long terminal

repeats = długie powtarzalne sekwencje,

zawieraj

ą

promotory

Kategorie elementów ruchomych (transpozonów)

Kategoria 1: DNA-RNA-DNA z sekwencj

ą

LTR i genem pol

repeats = długie powtarzalne sekwencje,

zawieraj

ą

promotory

sprz

ęż

onych z nimi genów

Tanspozony typu 1 maj

ą

własny mechanizm samopowielania

do

złudzenia przypominaj

ą

retrowirusy!!! które te

ż

maj

ą

sekwencje

LTR w genomach i odwrotn

ą

transkryptaz

ę

Pierwotna kopia nie jest wycinana =>powstaje wiele kopii tego
samego genu, daje to mo

ż

liwo

ść

dywergencji genu.

Czy wirusy s

ą

ź

ródłem transpozonów, czy te

ż

wirusy s

ą

to

„usamodzielnione” transpozony? Dylemat wci

ąż

nie rozwi

ą

zany.

DNA RNA DNA

–

Odwrotna transkryptaza

AAAAA

AAAAA

pol

transkryptaza

pol

– gen koduj

ą

cy odwrotn

ą

transkryptaz

ę

Kategorie elementów ruchomych (transpozonów)

Kategoria 2: DNA-RNA-DNA z genem pol i sekwencj

ą

poly-A

pol

– gen koduj

ą

cy odwrotn

ą

transkryptaz

ę

Kategoria 2 nie ma własnych sekwencji promotorowych, zatem taki
transpozon uruchomiany jest razem z s

ą

siaduj

ą

cymi genami, o ile

le

ż

y w miejscu gdzie nast

ę

puje taka aktywacja s

ą

siaduj

ą

cych

genów.

Pierwotna kopia genu nie jest wycinana = powstaje wiele kopii tego
samego genu, mo

ż

liwo

ść

dywergencji.

=> przypominaj

ą

retrowirusy pozbawione elementów

samopowielania

DNA DNA

–

IR

IR

tpn

transpozaza

Kategorie elementów ruchomych (transpozonów)

Kategoria 3: DNA-DNA z genem tpn i sekwencj

ą

IR

IR – inverted repeats (sekwencje odwrócone)

Tpn

– gen koduj

ą

cy enzym transpozaz

ę

Transpozaza

rozpoznaje IR i przecina DNA w tym miejscu, przenosi

wyci

ę

ty fragment w inne miejsce, tam gdzie znajdzie IR i tam

wkleja.

•Pierwotna kopia fragmentu DNA jest trwale wycinana

•Powstaj

ą

„rekombinacje nieuprawnione”

Analizuj

ą

c sekwencje nukleotydów w genomach znaleziono

wiele odcinków DNA homologicznych = podobnych do siebie.
Mo

ż

na je znale

źć

w obr

ę

bie tego samego genu, a tak

ż

e w

ró

ż

nych genach. St

ą

d wnioski dotycz

ą

ce mechanizmów

ewolucji genów.

⇒

Geny ewoluuj

ą

drog

ą

duplikacji i dywergencji.

Ewolucja genów Eukariota

⇒

Geny ewoluuj

ą

drog

ą

duplikacji i dywergencji.

⇒

Duplikacje mog

ą

powsta

ć

na ró

ż

ne sposoby

Nie zawsze w wyniku duplikacji nast

ę

puje dywergencja.

Skutkiem duplikacji mo

ż

e by

ć

tak

ż

e:

1. wydłu

ż

enie si

ę

genu

2. zduplikowanie tych samych genów

Na skutek wydłu

ż

enia si

ę

genu powstaj

ą

białka w których

ta

sama sekwencja aminokwasów powtarza si

ę

wielokrotnie

.

Dobrym przykładem takiego białka jest kolagen, w którym ta
sama sekwencja powtarza si

ę

ponad 50 razy.

Jedna z podwojonych kopii genu mo

ż

e zachowa

ć

swoje funkcje co

Wydłu

ż

anie genów dzi

ę

ki duplikacji

Dywergencja genu w nastepstwie duplikacji

Jedna z podwojonych kopii genu mo

ż

e zachowa

ć

swoje funkcje co

zapewnia stabilno

ść

procesów, w których gen uczestniczy. Jego

zduplikowana kopia jest uwolniona od presji selekcyjnej i zachodz

ą

ce

w niej mutacje nie s

ą

dzi

ę

ki temu letalne. Mo

ż

e to doprowadzi

ć

do

powstania nowego genu, albo do utraty funkcji i powstania
nieaktywnego „psedogenu”, który tym bardziej b

ę

dzie mógł

gromadzi

ć

mutacje do czasu, gdy jaka

ś

zmiana w strukturze DNA na

powrót nie uruchomi transkrypcji w tym odcinku. Wi

ę

kszo

ść

genów

organizmów wy

ż

szych wyewoluowała w ten sposób. Mo

ż

na na

poziomie molekularnym prze

ś

ledzi

ć

pokrewie

ń

stwo konserwatywnych

(nie zmienionych) sekwencji, oraz rejony i kolejno

ść

gromadzenia

mutacji w trakcie ewolucji genu.

•

Duplikacja całych genomów (autopoliploidalno

ść

).

– Najszybszy sposób zwi

ę

kszania liczby genów.

– U zwierz

ą

t wielokomórkowych zjawisko zawsze letalne.

– Prawdopodobnie cz

ę

ste zjawisko u organizmów ni

ż

szych.

– Do dzi

ś

cz

ę

ste zjawisko u ro

ś

lin.

Drogi prowadz

ą

ce do duplikacji genów lub grup genów (1)

•

Duplikacja całych chromosomów lub ich fragmentów.

– U zwierz

ą

t wielokomórkowych zjawisko zawsze niekorzystne.

– U organizmów ni

ż

szych i u ro

ś

lin zjawisko cz

ę

ste.

•

Duplikacja pojedynczego genu lub jego fragmentu.

– Najcz

ę

stsze i najskuteczniejsze zjawisko prowadz

ą

ce do

post

ę

pu ewolucyjnego.

–

Ś

ledz

ą

c „rodziny genów” mo

ż

na odtworzy

ć

drogi ewolucji.

Duplikacja pojedynczego genu lub grupy genów mo

ż

e

zaj

ść

na skutek:

•

Nierównomiernego procesu crossing-over (Nierównomierna
wymiana chromatyd siostrzanych).

•

Amplifikacja DNA

•

Transpozycja

Drogi prowadz

ą

ce do duplikacji genów lub grup genów (2)

Rodziny genów (duplikacja + dywergencja) - przykłady

–

geny homeotyczne (homeobox, hox, mad-box)

–

miozyny, tubuliny

–

globiny krwi

–

rodopsyny

–

kinazy (enzymy odpowiedzialne m.in. za fosforylacj

ę

białek)

–

geny koduj

ą

ce czynniki transkrypcyjne

–

geny t-RNA

–

wiele innych…

Rodziny genów (duplikacja + dywergencja) - przykłady

Rodzina genów koduj

ą

cych globiny

.

Globiny w poł

ą

czeniu z hemem tworz

ą

hemoglobiny

.

U człowieka wyst

ę

puj

ą

dwie rodziny globin.

Hemoglobina człowieka składa si

ę

z dwóch ła

ń

cuchów alfa i z

dwóch beta – oba geny pochodz

ą

od wspólnego, pierwotnego

genu na co wskazuje ich

daleko posuni

ę

te podobie

ń

stwo =

homologia

.

Przykłady duplikacji i dywergencji genów (1)

Globiny alfa

– zakodowane w chromosomie 16

Rodzina alfa ma 3 kopie: jedna koduje alfaglobin

ę

embrionaln

ą

a dwie alfaglobiny osobników dojrzałych.

Globiny beta

– zakodowane w chromosomie 11

Rodzina beta składa si

ę

z 5 genów + 1 pseudogen:

jeden gen funkcjonuje u zarodka, dwa u płodu, dwa u
osobników dorosłych.

U ssaków niemal ka

ż

dy gen koduj

ą

cy białko

W

ś

ród dzi

ś

ż

yj

ą

cych ssaków tylko bez

ż

uchwowce (np.minog) maj

ą

monomeryczn

ą

(jednoła

ń

cuchow

ą

) hemoglobin

ę

. Wszystkie ryby

kostnoszkieletowe i czworonogi maj

ą

ju

ż

ła

ń

cuchy alfa i beta.

To pozwala na ustalenie kiedy nast

ą

piło podwojenie kopii genu, a

nast

ę

pnie dywergencja kopii i dalsza ewolucja tego genu – ok. 500

mln lat temu.

Przykłady duplikacji i dywergencji genów (2)

U ssaków niemal ka

ż

dy gen koduj

ą

cy białko

wyst

ę

puje w wielu kopiach.

• Geny koduj

ą

ce

aktyn

ę

, miozyn

ę

: ró

ż

ne ich kopie

uruchamiane s

ą

w ró

ż

nych tkankach.

• Rodopsyny:

białka znajduj

ą

ce si

ę

w siatkówce oka

wra

ż

liwe na ró

ż

ne długo

ś

ci

ś

wiatła determinuj

ą

mo

ż

liwo

ść

kolorowego widzenia.

• Sekwencje genów homeotycznych u Drosophila zawieraj

ą

ok. 100 powtórze

ń

sekwencji 180 pz (homeoboks)

koduj

ą

cych białka regulatorowe. Le

żą

one jeden za drugim

na chromosomie 3, stanowi

ą

sekwencje regulatorowe

odpowiedzialne za symetri

ę

ciała w osi przednio-tylnej.

Ekspresja kolejnych odcinków regulatorowych nast

ę

puje od

przodu ku tyłowi wskazuj

ą

c na histori

ę

powstania tych

sekwencji.

Przykłady duplikacji i dywergencji genów (3) – geny
homeotyczne

sekwencji.

• U kr

ę

gowców (i u człowieka) wyst

ę

puj

ą

4 kompleksy genów

homeotycznych (Hox) homologicznych do kompleksów
homeoboksu u Drosophila. Sekwencje tych kompleksów s

ą

bardziej zró

ż

nicowane, ale tak

ż

e odpowiadaj

ą

za symetri

ę

przednio-tyln

ą

zarodka, płodu a nast

ę

pnie dojrzałego

organizmu.

Hipoteza: powstanie sekwencji homeoboksu

zapocz

ą

tkowało ewolucj

ę

zwierz

ą

t wielokomórkowych.

Geny, na których produkty jest du

ż

e zapotrzebowanie maj

ą

zwykle wiele

takich

samych

kopii na przykład

geny histonów = potrzebne dla zachowania struktury i upakowania DNA
rRNA, tRNA = potrzebne przy ka

ż

dej translacji

Uwaga: Wszystkie 21 rodzajów t-RNA stanowi

ą

rodzin

ę

genów. Ponadto ka

ż

dy

z 21 rodzajów t-RNA ma wiele kopii.

Geny histonów, rRNA, t-RNA nie ulegaj

ą

dywergencji zarówno w odcinakach

koduj

ą

cych jak i niekoduj

ą

cych dlatego mówimy,

ż

e wykazuj

ą

daleko

Duplikacja bez dywergencji – zwi

ę

kszenie liczby kopii tych

samych genów

koduj

ą

cych jak i niekoduj

ą

cych dlatego mówimy,

ż

e wykazuj

ą

daleko

posuni

ę

ty konserwatyzm.

Przypuszczamy,

ż

e geny s

ą

„konserwatywne” wtedy

gdy ich funkcja jest bardzo wa

ż

na i najmniejsza zmiana zagra

ż

a

ż

yciu

organizmu.

Wielokrotnie powtórzone geny z zachowaniem funkcji np. geny

rRNA

podlegaj

ą

prawdopodobnie ewolucji zespołowej, która realizuje si

ę

na skutek konwersji

(zast

ę

powania „gorszej” kopii przez „lepsz

ą

” stopniowo w całej rodzinie).

Szczególne znaczenie dla ewolucji ma z jednej strony konserwatyzm
sekwencji regulatorowych, oraz ich nowe „przetasowanie” całkowicie
zmieniaj

ą

ce wzór ekspresji genów.