Evoluční genomika (Eduard Kejnovský a Roman Hobza) 1. Vznik života Kosmologická předehra. Atributy života. Moderní abiogeneze. Meteority, panspermie, extremofilové. První genetické systémy na bázi proteinů nebo NK. Ribozymy. Vznik genetického kódu a proteosyntézy. Teorie jílů. Zvláštnosti života a život na bázi křemíku. 2. Relikty světa RNA Svět RNA, Důkazy. Počátky světa RNA a osud prvních RNA katalyzátorů. Centrální role RNA dnes. Ribozómy, tRNA, spliceozóm, snRNA, snoRNA, RNázaP, editace, telomeráza, Eigenův limit, Riboorgis eigensis. Hypotéza termoredukce a původ prokaryot 3. Evoluce genomů Definice genomu. Velikosti genomů a paradox hodnoty C. První DNA genomy. Extrémní genomy, minimální genom. Změny ve velikosti genomu, plynulé nebo skoky, mechanizmy. Polyploidizace. Teorie nekódující DNA, big bang v genomu kukuřice. Geografie genů a uspořádání genů v genomech. Počty chromosomů u různých druhů. Syntenie a kolinearita. Regulační systém na bázi RNA. Genomové projekty. 4. Evoluce genů První geny. Anatomie genů. Původ nových genů. Mechanismy evoluce nových genů. Geny a jejich velikosti, extrémy.Introny - staré nebo mladé. 5. Dynamika genomů Podíl repetitivní DNA na velikosti genomů. Retroelementy. DNA transposony. Tandemové repetice. Mikrosatelity. Genomy organel jako pozůstatky prokaryotických organismů. Objev promiskuitní DNA. Migrace genů do jádra. Mechanismus přenosu genů do jádra. Genomy organel a vnitrobuněční parazité. 7. Interakce genomů Parazitická DNA, restrikčně-modifikační systémy jako parazité, viry, vnitrobuněční parazité (Mycoplasma, Rickettsia) a jejich genomy, obranný mechanismus trypanosomy, ovlivnění pohlaví způsobené parazity (Wolbachia), molekulární parazité živočichů a rostlin. Závody ve zbrojení, červená královna a rychlost evoluce. Pozitivní vliv parazitů na hostitele. 8. Evoluce sexuality. (A) Příčiny sexuality: rekombinace a sexualita, rychlost evoluce a degenerativní procesy u nerekombinující DNA - Mullerova rohatka (Mullers ratchet), genetické svezení se (genetic hitchhiking), selekce na pozadí (background selection). Haploidie a diploidie. 9. Evoluce sexuality. (B) Důsledky sexuality: mechanismy determinace pohlaví, vznik a evoluce pohlavních chromosomů. Historie lidských pohlavních chromosomů - záhadné palindromy na chromosomu Y, samčí geny jsou zálohované, Y se brání degeneraci, evoluční vrstvy na chromosomu Y. Papája - pohlavní chromosomy ve stádiu zrodu. 10. Meioza a rekombinace v evoluci genomů. Co je příčinou a co následkem. 11. Struktura a evoluce lidského genomu Základní charakteristika. Genové rodiny v lidském genomu. Repetice v lidském genomu. Srovnání genomu člověka s genomem myši a šimpanze. Evoluce člověka. 12. Genomika - strategie a metody. Mapování genomů. Genomové knihovny, sekvenování a analýza sekvencí. Genomové projekty. KOSMOLOGICKÁ PŘEDEHRA Mýty a náboženství Albert Einstein - teorie relativity, první rovnice pro vesmír Alexander Friedmann a Georges Lamaitre - matematické rovnice nemají statické řešení, dochází ke smršťování nebo rozpínání vesmíru Fred Hoyle a Thomas Gold (1948) - teorie ustáleného stavu (steady-state), vesmír se rozpíná ale hustota hmoty se nemění (vzniká z ničeho), trvale rozpínající se vesmír nemusí mít počátek Velký třesk Gamow (1948) - zkoumal původ těžších prvků, výhodná vyšší hustota na počátku, existence počátku, „big bang" (Hoyle) Velký třesk (Big bang): vznik ze singularity, nekonečná teplota, křivost, hustota, neplatí fyzikální zákony, vznik prostoru, Času a hmoty, smysl otázky „co bylo před vznikem" - analogie se severním pólem Hubbluv důkaz rozpínání vesmíru Hubble (1929) - rudý posun ve spektrech vzdálených galaxií, úměrný vzdálenosti, vesmír se rozpíná, nejde o rychlost pohybu ale o změnu vzdáleností (i mnohonásobek rychlosti světla) Reliktní záření: velkého třesku pozůstatek předpověděli žáci Gamowa - Ralph Alpher a Robert Herman (1948) - objevili Robert Wilson a Arno Penzias (1964-1965) - teplota 2.7K, izotropní, Části raného vesmíru měly stejnou teplotu a hustotu - rozpínáním se protáhla vlnová délka reliktních fotonů 1000x, původní teplota záření byla 3000K - poměr fotonů a baryonů 109:1 v Čase 10-35 po velkém třesku - přesnější měření prokázala neizotropní charakter - náhodné fluktuace - vznik galaxií Modely vesmíru Present Size OJ M Open Universe Flat Universe Closed uniuerse Big E-Ei.ľig Time Present Time Friedmanovo řešení (1922, 1924): Uzavřené modely (sférické) - kladná křivost +1, součet úhlů v trojúhelníku > 180o (Riemannova geometrie), různé modely, decelerační parametr, různá doba trvání, analogie s vrhem kamene Otevřené modely (hyperbolické) - záporná křivost -1, součet úhlů trojůhelníku < 180o , záporná křivost Inflační vesmír - rozfouknutí vesmíru H vt r ľ l i falešné vakuum [ oneSnI vákuum - hustota energie látky plynule klesá - hustota energie vakua skokově klesá - vakuum předá přebytek energie látce, zamrzne, poté opět pokles energie látky Graf změny vzdáleností mezi vesmírnými objekty Á vt 10-35 1[r3a fs) É3S" Vývoj vesmíru ZÁŘENI MTTONV H.*L LEFTOHY HMKW LEFT Of*0 V A ÉftA 10"*» O vesmíru 1. Hadronová éra: - 10"44s až 10-43, teplota 1033K až 1012K - inflace vesmíru - 10-35 - kvarky se spojují v hadrony (mezony a baryony) - z vakua se tvoří baryony (neutrony a protony) a antibaryony - anihilace a vznik hmoty a záření (fotony) první asymetrie - kvarkgluonová plazma 2. Leptonová éra: - 10-4s až 10s, teplota 1012K až 1010K - nejvíce obsaženy ve vesmíru leptony (= elektrony, neutrina aj.) Vývoj vesmíru 3. Éra záření: - 10s až 106 let, teplota 1010K až 3000K - anihilace pozitronů s elektrony, vznik záření - protony + neutrony = vodík (^H) - deuterium G2D) -tritium d3D) - tralphium (lehké helium 23He) - helium (24He) - lithium 36Li - 37Li - He+He = Be + He = C - dále přítomny volné elektrony a neutrony 4. Éra látky: -106 až dodnes, teplota 3000K až 3K - elektrony se spojují s jádry za vzniku neutrálních atomů - vesmír průhledný pro fotony a elmagnetické záření - formování galaxií, dva scénáře - adiabatický a izotermní shora dolů zdola nahoru SCÉNÁŘ ADIABATICKY („SUPRA DOLŮ") HUSTOTA ZÁSéNÍ V DÉLKA DÉLKA MADKUPA (LfvAHEC) / i I ROZPAD «^®-© ^ ® ipP=10«M GALAXtE i/ ^ Ni ROZPAD * HVĚZDOKUPY HVĚZDY IZOTĚRMNI (,,ZESPODA NAHORU") HVĚZDOKUPY i[>6u o o «s e> ^ T *;_ř * / tf V 300 Sv. lůl. SHLUKOVANÍ ®,1 GALAXIE i SHLUKOVÁNI ® í© © 1°1X KUPA ©©©GALAXII *3Ci jr 10* svôtetnýeti Ibi^ SHLUKOVANÍ' NADKUPA ,u 7> SOfod úe světelných let < ■O Vývoj vesmíru - prostoročasová pěna - vesmíry propojeny prostoročasovými trubicemi - liší se konstantami a zákony, počty rozměrů Antropický princip paralelní vesmíry Fyzika totiž zjistila, že existence života na Zemi je téměř zázrakem. Stačilo by, aby fyzikální konstanty vesmíru byly jen nepatrně odlišné a hmota ani život, jak je známe, by nevznikly. Vlastnosti vesmíru jsou přesně a jemně vyladěné právě tak, že na Zemi mohl vzniknout život a nakonec člověk. Téměř se zdá, že vesmír vznikl proto, aby mohla inteligentní bytost vzniknout. V USA dal antropický princip podnět ke vzniku nového kreacionistického hnutí, "Intelligent Design". Zrodil se tak tzv. antropický princip, který zformuloval v r.1973 kosmolog Brandon Carter ve dvou verzích: "Slabá" verze konstatuje skutečnost, že svět je právě takový, že na něm mohl vzniknout život. "Povaha vesmíru a naše místo v něm jsou slučitelné s naší existencí jako pozorovatelů". Prostě tu jsme, protože tu můžeme být. "Silná" verze říká, že do základů vesmíru byly vloženy takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život musil vzniknout. Klasická abiogeneze heterogeneze - Aristoteles - život má původ v neživé hmotě, např. vznik larev z rozkládajícího se masa, Newton, Descartes, - Francesco Redi (1668) - zabránil larvám klást vajíčka a z masa larvy nevznikaly, „omne vivum ex ovo" - Antoni van Leeuwenhoek (1683) objevil bakterie - Lazzaro Spallanzani (1768) - bakterie pocházejí také ze vzduchu a mohou být zničeny varem - Louis Pasteur (1862)- mikroorganizmy přítomny v různých organických materiálech, po sterilizaci a ochraně organizmy nevzniknou Moderní abiogeneze - vznik života na Zemi sérií postupných kroku, první živé systémy vznikly z primordiálních chemikálií, více rUzných teorií (svět RNA, protenoidy, Millerovy experimenty, panspermie aj.) Vitalistická filozofie - dělila přírodu na živou a neživou Redukcionismus - složité věci lze vysvětlit jednoduššími, řada fyzika-chemie-biologie-sociologie, Dawkins - Woehler (1828) - syntéza močoviny, kvantifikace energie při reakcích, není prostor pro vitální sílu, redukcionismus Rozdíl mezi klasickou a moderní abiogenezí: - frekvence vzniku života - složitost vznikajících organizmu Moderní teorie chemické evoluce a podmínky na Zemi v době vzniku života A.I. Oparin (1924) - složité molekulární struktury vznikly z jednodušších Haldane (1928) - život vzešel z primordiální polévky, úloha UV záření H. Urey - atmosféry ostatních planet jsou redukující Poloha Země (4.5 mld) Zdroje energie Sopečná činnost a atmosféra Po zchladnutí moře (před 4 mld) Život před 3.8mld Urey-Milleruv experiment Water vapor " Oceanic" compartment Sparks stimulate lighting Condenser cools gas Heat The "ocean" is sampled and wnrlíĽ (IA \ .k,.,i,,^..i..-=h..,iv,oí ^oal, dusík (N2) Ingredients in Miller's experiments :: :: ::::: O pHydrogen Nitrogen Carbon Water Ammonia Methane gas gas dioxide oxid uhličitý (CO2) vodní pára (H2O) amomc^ (Nhy metan (CY\A) Modifikace experimentu 1. Pyrosyntéza: místo elektrod použita pícka (S. Fox), simulace sopečné činnosti, tepelná energie sopek srovnatelná s energií blesků, katalyzátory 2. UV záření 3. tlakově vlny (průlety meteoritů) 4. kosmické záření 5. radioaktivita 6. sluneční vítr Výsledek: 20 AK, 5 bází, hlavní cukry Urey-Millerova (Wachtershauser, 1980) u kovu - za přítomnosti sulfidu kovu vznikají složitější í uhlíkaté sloučeniny - jednoduchý metabolismus předcházel genetice - reakce vytvářející energii využitelnou pro další reakce cyklU - vzrUstá složitost cyklU - reakce neprobíhaly ve volném oceánu ale na povrchu minerálU (pyrit) - dUležitá role kyseliny octové - jednoduchá kombinace C+H+O, dodnes klíčové postavení v metabolismu 1997: smíchal CO, H2S, NH3, NiS, FeS při 100°C a získal AK a peptidy - podmínky podobné blízkosti podmořských sopek Vznik života v podmořských sopkách (Martin a Russel, 2002, black smokers) - podmořské komíny v hloubkách kolem 2000m, nalezeny poprvé u Galapág, i jinde - průměr otvorů stovky metrů, zvláštní ekosystém (extremofilové, fotosyntetické bakterie) - vyvěrá přehřátá voda bohatá na minerály (sulfidy), krystalizuje při styku s vodou oceánu a sedimentuje, magmatické horniny - katalýza .... Teorie „hluboké horké biosféry" (T.Gold, 1990, hot deep biosphere) - první život se vyvinul hluboko pod povrchem Země - dnešní bakterie několik kilometrů pod povrchem - možnost života na jiných planetách nebo měsících Panspermie ( „www. panspermia. com") - Anaxagoras (5. stol. př.n.l.)^ zárodky života jsou rozptýleny po celém vesmíru Newton: materiál z komet je důležitý pro život na e i -A rrhenius (1908): Panspermie - Crick - řízená panspermie - Hoyle and Wickramasinghe (1978)^ bakterie v husté raku jsou odolné vůči záření Komety, meteority a chondrity Komety: - mohou přenášet organické látky (Science, 1990) - Hyakutake - methan a ethan v ohonu komety Meteority: - přenos z Marsu častější než na Mars - dnes denně na Zemi dopadá 30-150 tun kosmického organického materiálu, dříve více - prebiotické reakce v mělkých lagunách se zakoncentrovanou polévkou látek mimozemského původu, vymražování, vypařování - objev aromatických polycyklických uhlovodíků v okolí mrtvých hvězd v mlhovině, glycin v mezihvězdném prachu Komety, meteority a chondrity Chondrity: - typ kamenných meteoritů, nejstaší pevný materiál ve sluneční soustavě, obsahují chondruly Chondruly: - malé kuličky v meteoritech, řec. chondros = zrno, - vznikají zahřátím na 1500-1900oC a ochlazením, - obsahují organické látky (aminokyseliny) Stromatolity: stopy prvního života - zkamenělé útvary tvořené mikroorganizmy (sinice) - vznikly většinou v prekambriu (800 000 let) - anaerobní podmínky (archea), činností sinic vznikl kyslík - moderní stromatolity (hypersalinní jezera, Austrálie) Bakterie - vesmírní kolonizátori Streptococcus m/t/s: injJ ^ Streptococcus m/t/s: náhodně zavlečen na Měsíc (Surveyor3) a po 31 měsících zpět (Apollo12) a byl životaschopný Deinococcus radiodurans: - 15 000 Gy/ 37% životaschopnost člověk 10 Gy, E. coli60 Gy bakteriální spóry: - odolnost, konformace A-DNA - izolace bakterií z trávicího traktu hmyzu zalitého v a jantaru (25-40 mil. roku) Extremofilove Acidophile: An organism with an optimum pH level at or below pH 3. Aerobe: requires O2 to survive. Alkaliphile: An organism with optimal growth at pH levels of 9 or above. Anaerobic: does not need O2 to survive. Endolith: An organism that lives inside rocks. Halophile: An organism requiring at least 0.2M of NaCl for growth. Hypolith: An organism that lives inside rocks in cold deserts. Mesophile: An organism that thrives in temperatures between 15-60 °C. Metalotolerant: capable of tolerating high levels of heavy metals, such as copper, cadmium, arsenic, and zinc. Microaerophilic: requires levels of O2 that are lower than atmospheric levels. Oligotroph: An organism capable of growth in nutritionally limited environments. Piezophile: An organism that lives optimally at high hydrostatic pressure. See also Barophile Psychrophile: An organism that can thrive at temperatures of 15 °C or lower. Radioresistant: resistant to high levels of ionizing radiation. Thermophile: An organism that can thrive at temperatures between 60-80 °C. Xerotolerant: requires water to survive Co je život? Erwin Schrodinger: What is life (1947) Definice NASA: - otevřený sytém - replikace - cyklická reprodukce - samosestavování - hierarchické struktury, fraktály - evoluce - směřování ke komplexním strukturám Atributy života: - reprodukce, metabolismus, růst, adaptace, odpověď na podněty, organizace v Život a druhý zákon termodynamiky: Systém měnící entropii na negentropii využívající toku energie. Život jako otevřený systém První genetické systémy 1. Proteiny - Oparinovy koacerváty a Foxovy mikrosf éry 2. Nukleové kyseliny - genová teorie a ribozymy 3. Proteiny i nukleové kyseliny - genetický kód 4. Jiný princip - pRNA, PNA, jíly Serves as a template 1br assembly... 1- replikdtory which then serves as a template to reconstruct the original. První replikátory 4.0 b llionyea-s ago 3.5 bill onyearc ago -Time-* S rnple Structural Develaprent or Ability :o rnsirtain Ability to Ahilty to replicate organic organization a membrane or a cons:ant internal transform cornpojnds' begins s milar barier fr¥dj errvinnnieni eiergy in o-gamc compcunds Na počátku byly pouze proteiny: 1. Oparinovy koacerváty - primitivní modely buňky - ohraničené semipermeabilní membránou - hromadění produktů, reakce, růst, dělení - vznikají v koloidních roztocích - problém fixace enzymaticky aktivních molekul uvnitř koacervátu, ředění Na počátku byly pouze proteiny: 2. Foxovy mikrosféry - snaha zodpovědět otázku původu enzymatických molekul - vznikají z protenoidů = polymery vzniklé kondenzací aminokyselin - pořadí AK v těchto polymerech je náhodné - některé mohou vykazovat katalytickou funkci Na počátku byly pouze nukleové kyseliny - genová hypotéza 2^ co bylo dříve - DNA nebo proteiny? RNA je genetický materiál i katalyzátor postuloval Crick 1968 katalytická aktivita RNA (Cech 1982) RNA svět (W. Gilbert 1986) vznik genetického kódu a proteosyntézy jednoduché polymery - replikátory, RNA evoluce autonomní organizmy jsou buněčné složitá biochemie: DNA - RNA - protein N JClůalJťtůfl 5 [a] rna forma [B] Rlbozymes catalyze RNA replication Mi L RNA Ani i no aeld Protein [Cl RNA catalyzes protein synthesis DNA } V * 1 J [d] rna encod» both dna and protein RIBOZYMY: 3 archetypy 1. „Hammerhead" ribozym Aktivita v cis Odvozené typy: > Vlásenkové ribozymy > Hepatitis 5 virus ribozym > replikace genomové RNA rostlinných viroidů (vlásenkové ribozymy) a viru hepatitidy 5 u savců mechanismem valivé kružnice >VS ribozym (Neurospora crassa) > vznik monomerů ssRNA, templátů pro reverzní transkripci RNA Varkud satelit plazmid (mt u N. crassa) 150b, transkript, ligace a štěpení 2. Introny I. typu Aktivita v cis Odvozené typy: > Introny II. typu > samosestřih > U6 snRNA > spliceosomální sestřih 3. Ml RNA (RNA složka RNasy P) Aktivita v trans Odvozené typy: > RNA složka RNasy P jiných organismů „Hammerheacľ ribozymy Helix II N Helix III N N "N N N N C A .N N N N A A - N N N U H si Loop III í Loop II C N U N G N N Catalytic ; A C N A core N M Helix! N N í Loop I - tři dvoušroubovice stýkající se v konzervovaném jádře 13 nukleotidů - nejjednodušší popsaná forma katalytické RNA - popsán v ssRNA genomech rostlinných patogenů, viroidů a virusoidů, satelitní DNA čolků - replikace mechanismem valivé kružnice - štěpení konkatemerů - katalyzují i opačný směr reakce - ligaci - přirozená aktivita v cis, v umělých molekulách i v trans krystalová struktura - tvar „Y" Vlásenkové (hairpin) a VS ribozymy vlásenková struktura, odvozené z ribozymů hammerhead antivirové aplikace, HIV-1, ligáza při manipulacích s RNA 'Hakptn4 Catalytic RNA J An rma copv u made tiíih lne d^a nrdchi would rKtnullv s*rv» sí a (empl-ale tor o protein Tie 'iialrplrf FN A Mndíto the aubalr-qte rcc-Qgi-rtlon n» 'rialipln' RNA It wc jí; led (o catalyze inomer Cleavage by Itie hta1rplriJ cpls lytic ANA disables Ire i-.- ^-i ! blocking theprůduclbn O' a protein cií^iea w caaiyze toner c leava (i ť it3cllon vlásenkové Varkud |_é satelit 5 helixů three-way junction Ribozymy: introny I. skupiny 1982 - Thomas Cech: sestřih pre-rRNA prvoka Tetrahymena thermophilia - samosestřih - v genech pro tRNA, rRNA i mRNA - mt hub, cp řas, bakteriofágy - dvoukroková transesterifikace, bez energie, přenos fosfodiesterové vazby - guanosinový kofaktor - manipulace aktivního místa umožní trans reakci Seiť-spllclng mirons Droup tl -T 1 ' /g V 1 -p- ho - 1 -P- HO Ribozymy: introny I. skupiny Ribozymy: introny II. skupiny - méně rozšířené, odvozené, bakterie, organelové genomy eukaryot - adenosinový kofaktor - „retrohoming" - inserce do alel bez intronu, reverzní transkripce Sestřih Reverzní sestřih *> To 3' end intron branch site 5* splice site [ ho ^ 5'e.roti ^^mJ' e.xon 1 st step 5' sPl'ce s'te cleavage | and lariat formation 2nd step | exon ligation O■ ^—-ch RNAr\ RT + DNAfargetsits 1 a „ ŕ i mtron r\ Reverse l t RNA splicing \/ 1 B Antisense /"~\ intron strand I )RHA cleavage S.E ^^r~^ 1 intran A 3-—-^ cDNA RNA l CkT) synthesis ^ 1 D Rornmhinatinn /Repair Adenosine in the lariat structure? has thref: photphodiester bunds. ZráníJRNA: odštěpení 5'-leaderu za vzniku zralé p tRNA, 1983 S. Altman Specifické vlastnosti: S ROzpozriurii ouuou uiu není na zukiad a tvaru Nukleofilem je hydroxylový ion OH- kutečný enzym - opakovaná aktivita v trans ^ ozpoznUní substrátu není na základě párování bází, ale podle struktury E. coli-RNA + jedna bílkovina, katalytická aktivita čisté RNA prokázána H. sapiens- RNA + tři bílkoviny, katalytická aktivita RNA neprokázána DNAzymy - enzymaticky aktivní DNA - připraveny in vitro selekčními metodami (SELEX) - „10-23" deoxyribozym, katalytické centrum (15bází) + dvě ramena vážící substrát, štěpí RNA - výhody DNA: tvorba DNAzymů rezistentních k nukleázám, sekvenční specificita - tvorba molekul DNA podobných proteinům (báze s postranními AK řetězci, OBR.) - antivirové, proti HIV-1 RNA, - cílené proti „rakovinovým" genům Selekce DNA ve zkumavce: Aptamery a SELEX - G. F. Joyce, J.W. Szostak, a L. Gold, počátek 90. let - molekuly RNA nebo DNA -15-60 bází dlouhé, intramolekulární interakce, folding - získané selekcí ve zkumavce (SELEX) - lat. „aptus" = pasovat, zámek a klíč - vazba malých molekul a makromolekul, supramolekulárních struktur Či buněk - velké rozdíly afinit u podobných molekul theophylline caffeine (1,3-dimethylxanthine) <<(1,3,7-trimethylxanthine) SELEX: „evoluce in vitro A. In vitro Selection of an RNA-Aptamer ^ DNA synthesis: primer 1 random primer2 in vitro-transcriptioi t amplification by PCR (mutagenesis) selection (z.B. nitrocellulose filter binding, binding to immobilised proteins etc.) cloning sequencing -reverse transcription using primer 2 B. - DNA viry (AAV) pro genovou terapii - rezistence k Ab - metoda SELEX - produkce supervirů Na počátku byly proteiny i nukleové kyseliny (koevoluce) GENETICKÝ KÓD Vznik genetického kódu 1. Unikátní vysoce nepravděpodobná událost („frozen accident") 2. Postupný vývoj - důkazy: (a) minimalizace chyb (b) Korelace fyzikálně-chemických vlastností A K a tripletů, interakce (c) Ak syntetizované společnými biochemickými dráhami jsou kódovány podobnými triplety 3. Produkt rozumné bytosti - nesplňuje kriterium vědecké hypotézy (ověřitelnosti) Inkorporace bílkovin do RNA světa K , , , • 1. AK + ATP- AK-AMP Dvoukroková syntéza bílkovin: 7 2. AK-AMP + tRNA— AK-tRNA Aktivace tRNA, aminoacyl-tRNA synthetasa, mohl být ribozym, bez templátu, operační kód Kondenzace aminokyselin, pept;tyrľonzyf;rasa' AK adenosin -{^(gKE) (ATP) (aminoacyladenylát vázaný na aaRs) ©-adenosin (pyrofosfát) í tRNA }- ■ aminoacyl-V. J tRNA Q tRNA ^ adenosin *Cr) (AMP) 5' -> 2 antikodonová smyčka antikodonový triplet ,<%---- mRNA ... ' ■ • kodonový triplet Předchůdce tRNA @ db — diskriminační báze mx — mikrohelix ac — akceptorová část (~y~y~) akceptorová sekvence (as) nejstarší část tRNA Snad signál pro replikasu, vlásenka na 3'-konci genomové RNA viru Qf> dodnes nese adaptér -CCA Syntéze peptidů předcházely jiné funkce aminokyselin - aminoacylace, předstupeň aktivace tRNA, vznik operačního kódu Struktury nebo vlastnosti vzniklé v ranějších evolučních etapách bývají v modifikované podobě použity později k jiným účelům j w » 9 » ■ f ■ ■ •» w ■ i -**m w^r- -w w w j Nekódovaná syntéza peptidů Adaptorové smyčky Diferenciace RNA na genotyp (komplementární vlákna) a fenotyp (adaptory) Změna terciální a kvartérní struktury adaptorů mohla vytvořit podmínky pro vznik peptidové vazby tRNA: nejstarší biomakromolekula - replikace RNA genomů s náhodným počátkem - výhodný počátek na 3' konci, mikrohelix - vazba AK stabilizuje replikázový komplex - ribozymové aaRs připojují AK - za CAA jsou diskriminační báze, operační kód - přesun bází do antikodonové oblasti Aptamery a genetický kód - Aptamerové RNA silně se vážící na arginin obsahují argininové kodony (Schostak) 31 I UA 29 G G .], G G H 5-gaCA uG^ N Ml II 40 c a c 3-cu G C aG agug a ua 10 a a 5-ga 3-cu G C 13 31 _ LUA_ 29 G G _lg g_ s CA uCy x li. aGG a wa 10 40 ca č I I I gug a a Přechod ke kódované syntéze -od operačního ke genetickému kódu Vznik operačního kódu předcházel vzniku genetického kódu Bioinformatické studie -přímá genetická souvislost operačního a genetického kódu Sekvence dnešních tRNA lze odvodit z opakovaných spojení, rekombinací a mutací krátkých palindromatických sekvencí Antikodony - pocházejí z první trojice spárovaných bazí v akceptorové části prvotních adaptorových RNA Teorie vývoje genetického kódu i První poloha Druhá poloha U C A G Tretí poloha U Phe Ser Tyr Cys U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser term term A Leu Ser term Trp G C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gin Arg A Leu Pro Gin Arg G A íle Thr Asn Ser U íle Thr Asn Ser C íle Thr Lys Arg A Met Thr Lys Arg G G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G GC model Nejstarší triplety GXC Val, Ala, Asp, Gly nejčastější aa, abiotická syntéza, glycinové hodiny Další vývoj prostřednictvím mutační expanze AU model Prakód obsahoval jen báze A,U Mutační expanze většinou adaptivní GCU model (Trifonov) GCX, GXU, XCU expanze GCT-nemoci pořadí kodonů v evoluci a stabilita obě vlákna kódující Mutační expan i První poloha Druhá poloha U C A G Tretí poloha U Phe ■■■ i Tyr Cys U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser term term A Leu Ser term Trp G C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gin Arg A Leu Pro Gin Arg G A lie Thr Asn Ser U He Thr Asn Ser C lie Thr Lys Arg A [Met Thr Lys Arg G G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G AU model Prakód obsahoval jen báze A,U Mutační expanze většinou adaptivní První poloha Mění smysl kódování (aa) nemění povahu aa Druhá poloha Mění smysl kódování Pur/Pur, Pyr/Pyr - nemění povahu aa Pur/Pyr - mění i povahu aa Třetí poloha Nemění smysl kódování, když ano, zachovává chemickou povahu aa Důkazy postupné genetického kódu Minimalizace chyb Přímé interakce AK s kodony AK kódované podobnými kodony jsou syntetizované stejnými biochemickými dráhami Reduces errors? (Alff-Steinberger 19ó9) Direct interactions? (Pele 8 Welton I960) Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech Did prebiotic conditions influence the amino acid repertoire? Wetef&Mitidr(1981), Wong & Bronskiti (1979), Kvenwoiden et al (197Qt 19711 Glavin a at. (1999) Evoluce genetického kódu: Antagonistické nebo komplementární síly? Origin of Oigin c: -re Earn ťe (a).in;agcnÍE.1ii; forces- (b) Ccmdenrisntary evolutionary forces Oigin G" c u d B Evolution of RNA w^rld? Evolution of a oomplEí RNA iTCrid? Last loittid" anoeE:Dr Extant iľE vznik expanze adaptace □ Code Drign -stereochenris:r/ Cud e e^anacn - HJEVClUlicn Cede adaptaten -Error nininiza.:ÍDn Odchylky od univerzálního genetického kódu V Lnt conman °3T (a) Muclear varianta I U |.+:nnc*ja I .h-z-tLi Lu'ri u - i ■ -j ubil u c Q J LUL lín UCL BM LU J 1 hl ĽĽLi Lpi U-IĽ ■ ■: .I..1. fiw luvľ ' -il UUG l'-l .1. ^ Liu JCh n ■■ ■: - i Li u -■ UM ItM :■ ĽJL Lvu (kl liu ili.. ■li i"l"JJ My ŮUĚ Lvu h r íku >■; dup :. nu OE~ i::.í Li u rťů í^C- Ůlrt íku mu a. mJ j lil ni MU AUL ri- Mj£ IH mc Tw MC Ml mjľ :-■ ■3l.lt, Ih " ■ i .W "LyT - - My MJĽ- Wlí MJJ ■■i Lyi My ■ULIJ Ví íi^U Ml UhL UĽJ (Jly rp umirimi^Jr^i l.uinn Utátm-i Smi'--Ľiun^ii' (-»mMÉ| -ťiitat-itaift - I . i J-.-d hi ■ 11 b I lily-plii i Ad tlil inrimri Hypercykly (M. Eigen) Původně jeden Člen -duplikace a mutace -dva Členy ... Proč je genetická informace uložena v DNA Rozdíly mezi RNA a DNA: Ribosa (2'-OH skupina) Uracil místo thyminu (absence methylu v poloze 5) DNA nm Iky: chemická Důsledky: micka .I...L. 'uchovaní k - dvouřetězcová (replikace) - vyšší chemická i fyzikální stabilita - delší molekuly (uchování komplexní informace) - dvour eiězcová (replikace) - méně reaktivní deoxyribóza - konformační flexibilita - funkční relevance organizační Teorie jílů Alexander Graham Cairns-Smith (1985): „Seven Clues to the Origins of Life" - anorganické křemiČitanové látky tvořící krystaly - replikace - mutace - šíření do okolí, sedimentace - obdoba přírodního výběru Problém přechodu od jílů k nukleovým kyselinám, teorie není široce akceptována ľi života a život na Zvláštnosti bázi křemíku? Důvody pro křemík: - vyšší stabilita, možnost života při vyšších teplotách - ve vesmíru velmi rozšířen - v periodické tabulce leží pod uhlíkem, podobná chemie - váže čtyři vodíky (SiH4/ silan), tvoří polymery (silikony), kde se střídají Si-O (podobně jako C-O tvoří polyacetaly) Nevýhody: - je větší a proto hůře tvoří dvojné a trojné vazby - dlouhé řetězce méně stabilní - silany jsou velmi reaktivní s vodou - počet křemíkatých látek ve vesmíru 10x menší Další prvky a rozpouštědla Fosfor: - může tvořit dlouhé polymery - velmi reaktivní, stabilnější v kombinaci s dusíkem - P-N vazbu tvoří různé sloučeniny i cyklické Síra místo kyslíku - některé bakterie Rozpouštědla: Čpavek: - rozpouští většinu organických látek i některé kovy - normální tlak: kapalný při -79 až -33oC - při 60 atm: kapalný při -77 až +98oC - podmínky pod povrchem měsíce Titanu