Eduard Kejnovský + Roman Hobza EVOLUČNÍ GENOMIKA: OD VZNIKU ŽIVOTA KE KOMPLEXNÍM GENOMŮM Brno, jaro 2014 Evoluční genomika 2014: 17.2. – Vznik života, genetický kód a svět RNA 24.2. – Relikty světa RNA 3.3. – Historie genomiky 10.3. – Evoluce genomů 17.3. – Evoluce genů 24.3. – Strategie a metody genomiky 31.3. – Dynamika genomů 7.4. – Lidský genom a evoluce člověka 14.4. Evoluce sexuality I. 21.4. – Velikonoce 28.4. - Evoluce sexuality II. 5.5. – Polyploidizace 12.5. – Malé RNA 19.5. – Diskuse a test 1. Kosmologická předehra 2. Vznik života 3. První genetické systémy a vznik genetického kódu OSNOVA Mýty a náboženství Albert Einstein – teorie relativity, první rovnice pro vesmír Alexander Friedmann (1922) – rovnice nemají statické řešení, smršťování nebo rozpínání vesmíru Edwin Hubble (1929) – rudý posun ve spektrech vzdálených galaxií, úměrný vzdálenosti, vesmír se rozpíná George Gamow (1948) – původ těžších prvků, vyšší hustota na počátku, existence počátku, „big bang“ (Fred Hoyle) Penzias a Wilson (1964) – reliktní záření, 2.7K, izotropní KOSMOLOGICKÁ PŘEDEHRA Velký třesk a rozpínání vesmíru Velký třesk (Big bang): - singularita - neplatí fyzikální zákony - vznik prostoru, času a hmoty - reliktní záření, inflace Otázka vzniku času: - Aristoteles - křesťanství - kosmologie - teorie strun - vesmíry propojeny - liší se konstantami a zákony, počty rozměrů inflace Temná hmota, temná energie Antropický princip 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. VZNIK ŽIVOTA http://justmotivated.com/wp-content/uploads/2012/11/Lou-Holtz-life-Quote.jpg https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcStd6qIuhxcJ_g7B6SS_-8wandISZ_qYVagZhELDEc7SSx j-9FD Co je život? Definice NASA: - otevřený sytém - replikace - samosestavování - evoluce Atributy života: - reprodukce, metabolismus, růst, adaptace, odpověď na podněty, aj. - život a druhý zákon termodynamiky http://chemoton.files.wordpress.com/2010/05/what-is-life-schrondinger-book.jpg http://eslimaginarium.files.wordpress.com/2010/05/life-is.png http://static.guim.co.uk/sys-images/Media/Pix/pictures/2008/02/25/Monkeys460.jpg Kdy začíná? Klasická a moderní abiogeneze Aristoteles - život má původ v neživé hmotě 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 organických materiálech, sterilizace Woehler (1828) – syntéza močoviny, kvantifikace energie při reakcích, není prostor pro vitální sílu, redukcionismus Moderní abiogeneze: - vznik života na Zemi sérií postupných kroků - stavební kameny (AK, báze) à polymery à buňka - různé hypotézy (svět RNA, Miller, panspermie) Oponenti – falzifikovatelnost, malá pravděpodobnost Rozdíl mezi klasickou a moderní abiogenezí: – frekvence vzniku života - složitost vznikajících organizmů Redukcionismus – odmítá rozdíl mezi anorganickou a organickou hmotou, složité věci lze vysvětlit jednoduššími, řada fyzika-chemie-biologie-sociologie, Dawkins Vitalistická filozofie – dělila přírodu na živou a neživou, vyloučila abiogenezi 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 Více různých teorií: svět RNA, protenoidy, Millerovy experimenty, panspermie aj. Poloha Země (4.5 mld) Sopečná činnost a atmosféra Po zchladnutí moře (před 4 mld) Život před 3.8mld Urey-Millerův experiment vodní pára (H2O) amoniak (NH3) metan (CH4) vodík (H2) dusík (N2) oxid uhličitý (CO2) Modifikace: 1. Pyrosyntéza 2. UV záření 3. tlakově vlny 4. kosmické záření 5. radioaktivita 6. sluneční vítr Výsledek: 20 AK, 5 bází, hlavní cukry Námitky a současný pohled 1. atmosféra nebyla redukující, 2. kyslík z fotolýzy vody a hornin, 3. problém – kyslík byl jedem Vznik života v podmořských sopkách - první život se vyvinul hluboko pod povrchem Země - dnešní bakterie několik kilometrů pod povrchem - možnost života na jiných planetách nebo měsících Teorie „hluboké horké biosféry“ - podmořské komíny - 2000m - - vyvěrá přehřátá voda bohatá na minerály, krystalizuje a sedimentuje, katalýza - - zvláštní ekosystém (extremofilové, fotosyntetické bakterie) Teorie světa sulfidů kovů (Wachtershauser, 1980) - za přítomnosti sulfidů kovů vznikají složitější uhlíkaté sloučeniny - reakce vytvářející energii využitelnou pro další reakce cyklů - vzrůstá složitost cyklů - reakce neprobíhaly ve volném oceánu ale na povrchu minerálů (pyrit) - důležitá role kyseliny octové – jednoduchá kombinace C+H+O, dodnes klíčové postavení v metabolismu - 1997: smíchal CO, H2S, NH3, NiS, FeS při 100oC a získal AK a peptidy - podmínky podobné blízkosti podmořských sopek Potíže teorií vzniku života: vznik na povrchu Země – jedovatý kyslík rozkládá organické látky vznik na dně oceánů – RNA je nestabilní při vysokých teplotách Vznik života v mělkých lagunách na povrchu jednoduchý metabolismus předcházel genetice Panspermie: Přišel život z vesmíru? •Anaxagoras (5. stol. př.n.l.): zárodky života rozptýleny po celém vesmíru • •Lord Kelvin, Arrhenius (1908): panspermie • •Sir Fred Hoyle, Crick: řízená panspermie Vesmír je bohatý na organické látky Komety: - mohou přenášet organické látky, Hyakutake – methan Meteority: - denně na Zemi dopadá až 150 tun organického materiálu, dříve více - prebiotické reakce v mělkých lagunách - objev aromatických polycyklických uhlovodíků (PAH) v okolí mrtvých hvězd - glycin v mezihvězdném prachu Chondrity – nejstarší kamenné meteority, obsahují chondruly s organickými látkami, Murchison – 64 druhů AK, jen 8 „pozemských“ AK http://creationwiki.org/pool/images/e/ec/Space_molecules.jpg Meziplanetární expres Bakterie – vesmírní kolonizátoři? Streptococcus mitis: - 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. coli 60 Gy bakteriální spóry: – odolnost, konformace A-DNA - izolace bakterií z trávicího traktu hmyzu zalitého v jantaru (25-40 mil. roků) - solné vrstvy (New Mexico) – bakterie 300 mil let Extremofilové 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 PRVNÍ GENETICKÉ SYSTÉMY A VZNIK GENETICKÉHO KÓDU První genetické systémy 1. Proteiny – koacerváty a mikrosféry 2. Nukleové kyseliny – genová teorie a ribozymy 3. Proteiny i nukleové kyseliny – genetický kód 4. Jiný princip – PNA, polycyklické aromatické uhlovodíky, jíly Na počátku byly pouze proteiny: - aminokyseliny vznikají snadněji než báze NK - primitivní modely buňky - hromadění produktů, reakce, růst, dělení - vznikají v koloidních roztocích - problém ředění 2. Foxovy mikrosféry 1. Oparinovy koacerváty - otázka původu enzymatických molekul - vznikají z protenoidů = polymery vzniklé kondenzací aminokyselin - pořadí AK v těchto polymerech je náhodné - některé mohou vykazovat katalytickou funkci složitá biochemie: DNA – RNA - protein jednoduché polymery – replikátory, RNA evoluce • RNA je genetický materiál i katalyzátor postuloval Crick 1968 • katalyticky aktivní RNA – RIBOZYM (Cech 1982) • RNA svět (W. Gilbert 1986) • vznik genetického kódu a proteosyntézy Na počátku byly pouze nukleové kyseliny – genová hypotéza Co bylo dříve – DNA nebo proteiny? 1. Unikátní vysoce nepravděpodobná událost („frozen accident“) • 2. Postupný vývoj 3. Produkt rozumné bytosti – nesplňuje kriterium vědecké hypotézy (ověřitelnosti) Na počátku byly proteiny i nukleové kyseliny (koevoluce) VZNIK GENETICKÉHO KÓDU Důkazy postupné evoluce genetického kódu •Minimalizace chyb •Přímé interakce AK s kodony •AK kódované podobnými kodony jsou syntetizované stejnými biochemickými dráhami Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech GC model Nejstarší triplety GXC Gly, Ala, Val, Asp glycinové hodiny mutační expanze Odchylky od standardního kódu tRNA: nejstarší biomakromolekula Možný vznik tRNA - replikace RNA genomů s náhodným počátkem, fosilie – fág Qβ - výhodný počátek na 3’ konci, mikrohelix - vazba AK stabilizuje replikázový komplex, - po replikaci odštěpení vlásenek à předchůdce tRNA - dle homologie se řadí vedle sebe à kondenzace AK Živa 2 - obr 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 Živa 2 - obr Aptamery a genetický kód Báze vážící arginin (zeleně) Argininové kodony (AGG) - SELEX experimenty - aptamerové RNA silně se vážící na arginin obsahují argininové kodony (Schostak) - na počátku přímé interakce AK a RNA (kodonů) - složitý translační aparát (tRNA) až pozdějším výdobytkem Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech Evoluce genetického kódu: Antagonistické nebo komplementární síly? vznik expanze adaptace AK à jiná AK AK à nonsense Stop à AK Odchylky od univerzálního genetického kódu mt kvasinek, obratlovců, ostnokožců aj. Jiný organizační princip: 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 Život na 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 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 KONEC Inkorporace bílkovin do RNA světa Dvoukroková syntéza bílkovin: Živa 2 - obr Živa 2 - obr Aktivace tRNA, aminoacyl-tRNA synthetasa, mohl být ribozym, bez templátu, operační kód Kondenzace aminokyselin, peptidyltransferasa, je ribozym, podle templátu, genetický kód 1.AK + ATP AK-AMP 2.AK-AMP + tRNA AK-tRNA AK Předchůdce tRNA: poučení od fága Qβ Syntéze peptidů předcházely jiné funkce aminokyselin = aminoacylace, mohl to být předstupeň aktivace tRNA. Vznik operačního kódu Struktury nebo vlastnosti vzniklé v ranějších evolučních etapách bývají v modifikované podobě použity později k jiným účelům Spiegelman monstrum Experiment – Sol Spiegelman (1967): - RNA fága Qβ+replikáza - přenosy a zkracování času - 4500bp à 218bp - zachováno místo pro replikázu - vlásenka na 3’-konci genomové RNA viru Qβ dodnes nese adaptér –CCA Během transferů rychlost syntézy RNA vzrůstala a délka RNA se zkracovala De Novo syntéza RNA pomocí Qbeta replikázy