Wykład 4
Ewolucja genomów
Pierwsze sekwencje genomowe
1981  pierwsza kompletna sekwencja
mitochondrialna (~17,000 par zasad);Anderson
et al, Nature 290(5806):457-65.
1986  pierwsze kompletna sekwencja
chloroplastowa (~156,000 par zasad); Shinozaki
et al, EMBO J 5(9):2043-2049.
1995 - pierwszy kompletny genome: eubakteria
Haemophilius influenzae (~1,830,000 par
zasad); Fleischmann et al, Science
269(5223):496-512.
Więcej genomów ...
1996  Metanococcus jannaschii, ~1,660,000 par zasad;
Bult et al, Science 273(5278):1058-73
1996  Zakończone sekwencjonowanie 16
chromosomów genomu drożdży (Saccharomyces
cerevisiae), ~12,000000 par zasad; Goffeau et al,
Science 274(5287):546, 563-7
1998  pierwszy genom organizmu wielokomórkowego:
Caenorhabditis elegans, ~97,000,000 par zasad;
C.elegans Sequencing Consortium, Science
282(5396):2012-8.
1
Genomy zwerząt
2000  Drosophila melanogaster; ~120,000,000 par
zasad; Adams et al (Celera Genomics), Science
287(5461):2185-95.
2001  genom człowieka:
Venter et al, Science, 291(5507):1304-51
Lander et al, Nature, 409(6822):860-921.
2002  genom myszy, Mouse Genome Sequencing
Consortium, Nature, 420(6915):520-62.
W kolejnych latach genomy szczura, kurczaka, krowy,
swini,kilku gatunków ryb, psa, szympansa, makaka
Genomy roślin
2000 - Arabidopsis thaliana, 115,400,000 par zasad;
Arabidopsis Genome Initiative, Nature, 408(6814):796-
815
2002 - Oryza sativa
Oryza sativa L. ssp. Indica, Yu et al, Science, 296(5565):79-92
Oryza sativa L. ssp. Japonica, Goff et al, Science, 296(5565):92-
100
2006  Populus trichocarpa, Tuskan et al, Science
313(5793):1596-604
28 innych genomów roślin ladowych jest w trakcie
sekwencjonowania
1471 genomów  Kwiecień 27, 2007
2
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=genomeprj
Zagadnienia odnoszące się do
ewolucji genomów
Wielkość genomów
Informacja genetyczna zawarta w
genomach
Układ i dynamika kolejności genów
Nukleotydowa kompozycja genomów
Ewolucja kodu genetycznego
Wielkość genomów
U organizmów haploidalnych wielkość genomu
to całkowita ilość DNA
U organizmów diploidalnych i poliploidalnych
ilość DNA w haploidalnym genomie, jak na
przykład w jądrze komórki rozrodczej
Wartość przelicznika
Jednostka
Picogram Dalton Pary zasad
Picogram 1 6.02x10 11 0.98x109
Dalton 1.66x10-12 1 1.62x10-3
Pary zasad 1.02x10-9 618 1
3
Najmniejszy genom
Mycoplasma genitalium ma najmniejszy
genom wolnożyjącego organizmu zdolnego
do samoreprodukcji
Mycoplasma należy do Mollicutes
580,076 par zasad
470 genów kodujących białka, 3 geny
rRNA, 33 geny tRNA
Wielkość genomów u prokariotów
Taxon Wielkość genomu (Kb)
Bakterie 580-13,200
Mollicutes 580-2,200
Gram ujemne 650-9,500
Gram dodatnie 1,600-11,600
Cyanobacteria 3,100-13,200
Archaea 1,600-4,100
Genomy bakteryjne
W większości okupowane są przez sekwencje
kodujące: 87-94% (wyjątkiem jest genom
Rickettsia prowazekii, 24% nie kodujacego DNA)
Frakcje genomu bakteryjnego:
Chromosomalne DNA: geny kodujące białka:90-95%;
sekwencje kodujące różne sygnały: ~5%; geny RNA
~1%
DNA plasmidowe
Transpozony
4
Procesy odpowiedzialne za dystrybucję
wielkości genomów bakteryjnych
Niezależne i wielokrotne duplikacje genów i
operonów
Drobne delecje i insercje
Transpozycje
Transfer horyzontalny, glównie z plastydów i
bakeriofagów ale także z innych gatunków
Utrata dużych fragmentów DNA u wielu
gatunków pasożytniczych
Minimalny genom
Pierwsze poszukiwania najmniejszego genomu
wolnożyjącego organizmu zaczął Morowitz już w latach
50-tych
Mycoplasma genitalium ma najmniejszą ilość genów ale
nie ma dowodu na to, ze 468 genów jakie posiada
M.genitalium to minimalna ilość potrzebnych genów
Dwa podejścia oszacowania wielkości minimalnego
genomu:
Podejście analityczne: Koonin i Mushegian (1996)
Podejście eksperymentalne: Itaya (1995)
Podejście analityczne - ortologi
Escherichia coli
1,864
889
18
239
220
574 1
Mycoplasma genitalium
Haemophilus influenzae
5
Podejscie analityczne
239 ortologów wspólnych dla wszystkich trzech
gatunków bakterii
24 nieortologiczne geny pełniące te same, ważne
życiowo funkcje (nieortologiczne przemieszczenie
genów)
Przykład: funkcja phosphoglycerate mutase u M.genitalium jest
pełniona przez gen yib0 a u H. Influenzae przez gen gmp. Oba
geny nie wykazują jakiegokolwiek podobieństwa sekwencji
(-) 7 genów uznanych za specyficzne dla pasożytniczych
bakterii
Minimalny genom: 256 genów
Podejście eksperymentalne
Wybrano 79 przypadkowych genów z Gramm pozytywnej
bakterii Bacillus subtilis
Geny po kolei mutowano
W przypadku sześciu genów bakterie nie rosły i nie formowały
kolonii
Aby wykluczyć, że funkcja 73 pozostałych zmutowanych genów
nie jest zastąpiona przez inne geny z tej samej rodziny
przeprowadzano wielokrotne mutacje. Nawet w przypadku
zmutowania 33 genów bakteria utrzymywała zdolność do życia.
6 genów których mutacja była letalna to 7.5% wszystkich
genów B.subtilis
Zakładając, że genom B.subtilis ma 4,200,000 par zasad
można wyliczyć, że długość genomu zawierającego wszsytkie
konieczne geny byłaby:
4,200,000 x 0.075 = 320,000
Jeśli przeciętna wielkość genu to 1,250 par zasad, otrzymujemy
256 genów
Wielkość genomu a ilość genów:
prokarioty
6
Wielkość genomów u
eukariotów (C value)
Plasmodium falciparum
Taxon Wielkość genomu (Kb)
Wszystkie eukarioty 8,800-686,000,000
Alveolata 23,500-201,000,000
Apicomplexa 9,400-201,000,000
Ameby 35,300-686,000,000
Grzyby 8,800-1,470,000
Zwierzęta 49,000-139,000,000
Ssaki 1,700,000-6,700,000
Rośliny 50,000-307,000,000
Gregory & Hebert. Genome Res. 9, 317-324 (1999).
Gregory. Bio. Rev. (2001) 76 65-101
Paradoks wielkości genomów
C value paradox: Wielkość genomu nie odzwierciedla
wielkości i poziomu organizacji: człowiek 3,600,000 kb,
Amoeba dubia 690,000,000 kb
Wielkość genomu nie jest skorelowana z ilością genów
Ilość genów jest pozytywnie skorelowana z poziomem
złożoności organizmu
Wielkość genów nie jest skorelowana z poziomem
złożoności organizmu (protists: średnio1,200-1,500 par
zasad, organizmy wielokomórkowe: średnio1,400-2,200
par zasad).
7
Mechanizmy ogólnego
powiększania się genomów
Poliploidyzacja: dodanie jednego lub więcej kompletnych
zestawów chromosomów
Allopoliploidyzacja: combinacja odległych sobie zestawów
chromosomów (na przykład Triticum aestivum jest
allohexaploidem i posiada trzy zestawy chromosomów
pochodzących od trzech gatunków traw z rodziny Aegilops)
Autopoliploidyzacja: zwielokrotnienie własnego zestawu
chromosomów
Autotetraploidyzacja: duplikacja całego genomu
Kryptopoliploidalność: W wyniku zmian ewolucyjnych (mutacje,
translokacje) powstaje nowy genom, w którym poliploidalność
przodka przestaje być widoczna. Kryptopoliploidalność może
wyjaśniać duże zróznicowanie w wielkości genów u roślin czy
też u ryb
Polisomia: duplikacja chromosomu; w wyniku tego
procesu powstają aneuploidy
Duplikacja jako główny mechanism
powiększania się genomów
Wielkość genomów w wielu grupach systematycznych ma
polinominalną dystrybucję co może oznaczać, że duplikacje
genomów sa głównym mechanizmem prowadzącym do
powiększania się genomów eukariotycznych
Każdej duplikacji towarzyszy utrata małych fragmentow
DNA wobec czego genom powiększa się o faktor nieco
mniejszy niż dwa.
Jeśli genom ssaków jest przeciętnie większy od genomu
bakteryjnego 1,000 razy to powiększenie genu bakteryjnego
do genomu ssaka wymagało 10 duplikacji, każda co 300-
350 milionów lat albo (zakładając ciągły i stały przyrost 6-7
nukleotydów rocznie (Nei 1969)
Po procesie duplikacji następuje często proces utraty
jednego ze zduplikowanych genów. Znaleziono ponad 600
genów, które u większości roślin występują tylko w jednej
kopii pomimo wcześniejszych duplikacji genomów.
Miniaturyzacja genomów
Drastyczne zmniejszenie genomu jest
związane z utratą wielu funckji. Zjawisko
to obserwyjemy bardzo często w przypadku
endosymbiozy:
Przykładem mogą być chloroplast i mitochondia
lub pasożytnictwa:
Przykładem może być Epiphagus virginiana (pasożytnicza
roślina, pokrewna lawendy); utraciła wszytskie geny związane z
fotosyntezą lub zminiaturyzowany genom Mycoplasma
genitalium
Miniaturyzacja genomu może zajść poprzez utratę
genów (utrata genów związanych z fotosyntezą u
Epiphagus virginiana) lub transfer genów (genom
jadrowy drożdży zawiera 300 genów białek
funkcjonujących w mitochondriach; geny te, przynajmniej
w części, były wcześniej cześcią genomu
mitochondrialnego)
8
Hipotezy dotyczące niekodującego
DNA
Selkcjonistyczna
Neutralna
Intragenomowa selekcjonistyczna
Nucleotypowa
Hipoteza selekcjonistyczna
Zakłada, że tzw niegenowe DNA pełni
ważne funkcje takie jak ogólna regulacja
ekspresji genów (Zuckerkandl 1976)
Nadmiar DNA w genomach jest tylko
pozorny gdyż całe DNA pełni jakieś
funkcje
Delecja DNA zawsze będzie wpływała na
fitnes organizmu
Hipoteza neutralistyczna
Niekodujące DNA jest genetycznie i
fizjologicznie nieaktywne (Darlington 1937)
Niekodujące DNA to  junk DNA , zupełnie
bezużyteczne (Ohno 1972)
 junk DNA jest pasywnie przekazywane z
pokolenia na pokolenie jedynie dlatego, iż jest
ono sprzężone z kodującymi genami (Rees i
Jones 1972)
Nadmiar DNA jest wyłącznie przypadkowym
wynikiem procesów ewolucyjnych i będzie
nieskończenie przekazywany z pokolenia na
pokolenie jeśli tylko nie wpływa na fitnes
organizmu.
9
Hipoteza intragenomowa
selekcjonistyczna
Niekodujące DNA określa jako  funkcjonalny pasożyt (Ostergren 1945)
lub jako  genetyczny symbiont (Cavalier-Smith 1983). To material który
jest kumulowany i aktywnie utrzymywany w genomach.
Niekodujące DNA jest także nazywane  selfish DNA (Orgel i Crick
1980, Doolittle i Sapienza 1980) i ma dwie właściwości:
Powstaje gdy sekwencja DNA rozprzestrzenia się poprzez formowanie
swoich dodatkowych kopii w genomie
Nie pełni określonej funkcji w przystosowaniu organizmu i w zasadzie jest
szkodliwe
Zasadniczym mechanizmem powielania  selfish DNA jest transpozycja
poprzedzona duplikacją
Najczęściej wystepujacym samolubnym DNA są transpozony i
retrotranspozony
Główna różnica w pojęciach  junk DNA i  selfish DNA polega na tym,
że  junk DNA jest pasywnie przekazywana z pokolenia na pokolenia i
jest utrzymywane w populacji poprzez przypadkowy dryf genetyczny
podczas gdy  selfish DNA prowadzi do samopowielania się
Hipoteza nukleotypowa
Niekodującemu DNA przypisuje funkcje
strukturalne, nie związane z zadaniem
przenoszenia informacji genetycznej (Bennett
1971)
Niekodujące DNA pełni funkcję  nukleoszkieletu
który utrzymuje proporcjonalną do wielkości
cytoplazmy wielkość jądra (Cavalier-Smith 1978)
Niekodujące DNA jest utrzymywane przez
selekcję ale kompozycja nukleotydowa tego
DNA może się zmieniać przypadkowo.
Co niesie ze sobą duża ilość
niekodującego DNA?
Duże genomy sa bardziej wrażliwe na czynniki
mutagenne
Utrzymywanie i replikacja dużej ilości DNA,
szczególnie gdy większość tego DNA to DNA
niekodujące, może być bardzo kosztowne dla
organizmu
Koszt dużej ilości  junk DNA to długi czas
replikacji (być może organizmy o dłuższym
okresie rozwoju mogą tolerować większa ilość
 junk DNA )
10
Potwierdzenie eksperymentalne?
Pagel i Johnstone zbadali 24 gatunki
salamandry
Wielkość ich genomów jądrowych okazała się
negatywnie skorelowana z tempem rozwoju
Korelacja pomiędzy wielkością genomu a
wielkością jądra i cytoplazmy okazała się
statystycznie nieistotna.
Doświadczenie wspiera teorię  junk DNA
Desmognathus wrighti : 13.50 pg
Plethodon richmondi : 20.40 pg
Ensatina eschscholtzi : 31.00 pg
Plethodon dunni: 47.50 pg
Bolitoglossa platydactyla: 67.00 pg
Rhyacotriton olympicus : 71.20 pg
Dlaczego podobne gatunki różnią
się wielkością genomów?
Nukleotypowe podejście może być tu odrzucone
bo nie ma różnic w stosunku wielkości jądra i
cytoplazmy u podobnych gatunków; koncepcja
ta została też odzucona w badaniach
porównujących gatunki salamandry
Dwie możliwości:
Organizmy różnią się zdolnością kumulowania  junk
DNA
Organizmy różnią się zdolnością pozbywania się  junk
DNA
11
Porównanie dwóch gatunków
muszki owocowej (Moriyama et al 1998)
D.melanogaster D.virilis
genom: 0.18 pg genom: 0.39 pg
Po odliczeniu heterochromatyny genom D.virilis jest
ciagle 36% wiekszy od D.melanogaster
Porównanie 115 intronów z 42 ortologicznych genów
wykazało bardzo podobny stosunek, introny u D.virilis
(średnio 394 bp) były 39% większe od intronów
D.melanogaster (średnio 283 bp)
Wniosek: niektóre organizmy mają większą zdolność
 pozbywania się śmieci
Powtarzalna struktura genomów
eukariotycznych
Powtarzalne DNA: składa się z różnej długości
sekwencji, które występuja w genomie kilka razy
(obok siebie lub rozproszone)
Unikalne DNA: fragmenty DNA które występują
tylko raz
Ilość potarzalnego DNA jest różna u różnych
gatunków:
Chironomus tetans: 5%
Necturus maculosus: 90%
Człowiek: 60%
Elementy powtarzalne : Czynnik odpowiedzialny
za różnice w wielkości genomów
W przypadku wszystkich dotąd studiowanych
blisko spokrewnionych gatunków, różnice w
wielkości genomów moga być wytłumaczone
różnicami w ilości elementów powtarzalnych:
Niektóre nietoperze mają genom 50% mniejszy niż inne
łożyskowce: różnica wynika z małej ilości mikrosatelitów
AT i GC, popularnych w innych genomach
Brak różnic w wielkości genomów u ptaków (1,670,000-
2,250,000 Kb) może być wytłumaczona brakiem
mikrotosatelitów
98% zmienności w wielkości genomów u
człekokształtnych może być wytłumaczone zmiennością
w ilości tandemowych elementów powtarzalnych
12
Dystrybucja genów
Ilość genów
Genomowa lokalizacja genów
Gęstość genów
Skokowy przyrost ilości genów
Bird 1995
13
Isochory
Długie kawałki DNA (>> 300 Kb) homogeniczne
w swojej kompozycji która to kompozycja jest
skorelowana z zawartymi genami.
Ze względu na zawartość GC (GC to molarny
stosunek guaniny+cytozyny w DNA) isochory są
podzielone na 4 rodziny
Poziom GC jest szczególnie wysoki u zwierząt
ciepłokrwistych
Zawartość GC w genomie człowieka
IHGSC. Nature (2001) 409 860-921
Organizacja isochorów w genomie
człowieka
Bernardi, 2000
14
Kompozycja genomów kregowców
Bernardi, 2000
Koncentracja genów w genomie człowieka
Bernardi, 2000
Horyzontalny
transfer genów
Dziedziczenie
niemendlowskie
15
Definicja
Horyzontalny transfer genów (HTG)
występuje wtedy gdy organizm
przenosi swój materiał genetyczny
do istoty żywej innej niż jej/jego
potomstwo
Mechanizm
Lepiej poznany u prokaryotów
Transformacja  introdukcja, przejęcie i
ekspresja obcego materiału genetycznego
(DNA lub RNA). Ten proces jest dość
powszechny u prokaryotów, mniej u
ekaryotów. Transformacjia jest powszechnie
używana w eksperymentach biologicznych do
wprowadzenia obcego materiału
genetycznego do komórek bakteryjnych
Mechanizm, c.d.
Transdukcja  proces w którym DNA
bakeryjne jest przenoszone z komórki do
komórki przez bakterifagi (wirusy bakteryjne)
Coniugacja bakteryjna  proces w którym
żywa komórka bakteryjna przenosi materiał
genetyczny poprzez bezpośredni kontakt i inną
komórką
16
Trzy mechanizmy przenoszenia
genów horyzontalnie
HTG u eukaryotów
Głównie znamy z analizy sekwencji DNA
Przede wszystkim ogromna liczba genów
chloroplastowych i mitochondrialnych
 przeszło do jądra. Miało to jednak miejsce
w dalekiej przeszłości. Współcześnie ten
proces ciągle zachodzi lecz zazwyczaj
prowadzi on do nagromadzenia DNA
organellowego w jądrze, z równoczesnym
upseudogenowieniem genów organellowych.
Przykłady HTG u eukaryotów
Transfer genów bakteryjnych do grzybów
(Saccharomyces cerevisiae), np.
dehydrogenaza dwuhydroorotanowa
(DHOD) została przeniesiona z genomu
bakterii Lactobacillales.
fragment genomu endosymbiotycznych
bakterii Wolbachia został przeniesiony do
chromosomu X żuka  adzuki bean
(Callosobruchus chinensis).
17
Przykłady HTG u eukaryotów
U kręgowców najlepiej udokunetowanym
przykładem jest transfer elementu LINE między
dwoma odległymi filogenetycznie liniami 
przeżuwaczami i wężami
Bov-B long interspersed nuclear elements (LINEs)
zostały znalezione w kilku gatunkach węży i w
żadnych innych liniach kręgowców poza
przeżuwaczami, analiza filogenetyczna wykazała że
transmisja Bov-B do węży nastąpiła ok 40 mln lat
temu i od tej pory element ten dziedziczy sie u gadów
w sposób klasyczny
Phylogenetic tree of Bov-B element
HTG zaburza filogenezę
18