Bible … Darwin … z hlediska proteinů a proteinových komplexů
- frekvence mutací DNA je +/- stejná, ale různé proteiny jsou
různě změněné – (např. 6 ze 7 změn v cytochromu C jej
poškodí; kvasinkový a lidský ubikvitin se liší třemi AMK)
- takto konzervované proteiny jsou lehce identifikovatelné v
různých organismech a mají „homologní“ (ortologní) funkci
- srovnání genomů/proteomů
ukazuje (podobně jako morfologie)
na změnu („evoluci“) proteinů v čase
- divergence druhů koreluje do
určité míry s konzervací/divergencí
DNA/proteinových sekvencí
- DNA je replikována s relativně
vysokou přesností (1 změna na 109
nukleotidů – cca4000 TNR12 písmen
na A4 stranu – 8000 TNR12 na list –
500listů/balík – cca 250 balíků)
- poškození DNA dalšími vlivy …
Prof. Lehmann
Dr. Špirek
- velmi příbuzné sekvence DNA/proteinů mezi člověkem a
šimpanzem (nejbližší člověku) díky „krátké“ době, po kterou
mohlo k mutacím docházet – jsou zachovány i nukleotidy ve 3.
pozici synonymních kodonů (kodony specifikující stejnou
AMK)
- přesný fylogenetický vztah (strom) mezi člověkem a primáty
bylo možné určit až dle sekvenací (ne podle morfologických
znaků apod.)
- přesný fylogenetický vztah (strom) mezi člověkem a primáty
bylo možné určit až dle sekvenací - velmi příbuzné sekvence
DNA/proteinů mezi člověkem a primáty díky „krátké“ době, po
kterou mohlo k mutacím docházet (jsou zachovány i
nukleotidy ve 3. pozici synonymních kodonů - odhad 1/400AMK
protein za 200,000 let)
- velkou druhovou rozdílnost nezpůsobuje mnoho mutací v
proteinech (nemohlo jich tolik vzniknout) – jiná regulace
Figure 4-76 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
- pro vzdálenější organismy (člověk a myš) je sekvence
odlišnější (DNA je odlišnější než proteiny – pro 1AMK více
kodonů; intron je odlišnější než exon – intr. nekóduje protein,
proto menší selekční tlak)
- čím důležitější funkce proteinu pro organismus (od
nejzákladnějších po specializované) tím více je konzervovaná
sekvence proteinu respektive jeho domén (velká podobnost i
mezi odlišnými organismy)
- konzervace je důsledkem „purifikační selekce“ (eliminace
jedinců s mutacemi v esenciálních/důležitých funkcích –
většinou proteinech)
Figure 4-78 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Odlišnosti druhů spíše díky rozdílné
regulaci (nekódujícím sekvencím)
- nejpomaleji se mění proteiny, které
jsou zapojeny do nejvíce interakcí s
dalšími proteiny (limitována, jak
struktura, tak povrch)
- není příliš prostoru pro změny např.
ubikvitin, DNA polymerásy,
histony, ribosomální proteiny, …
(„drží“ základní systém)
- konzervované proteiny jsou stabilní,
optimální pro svoji funkci (enzymatickou
aktivitu, pro interakce s partnery …
ko-evolvují celé komplexy)
- selekční tlak na stabilitu a funkci - nutnost zachování funkce
neposkytuje příliš prostoru pro evoluci/rozvoj nových vlastností
(ale neznamená ani selekci na „nejstabilnější“ či „nejaktivnější“ =
určitá volnost)
S
A
V
C
I
…RYBY, OBOJŽIVELNÍCI, PTÁCI …
- mutace specifické AMK na Ala zruší
Nse3-Nse4 interakci
- „mutace“/změny těchto AMK na
podobné (hydrofobní) AMK tyto
interakce neruší
Hudsonetal,PLoSOne,2011
Silná konzervace v
blízkých organismech
Nse3
O
B
R
A
T.
KVASINKY … určitá volnost v obsazení AMK
Guerineau et al, PLoS One, 2012
- „mutace“/změny těchto AMK na
odlišné (polární Thr nebo posun
motivu o 1AMK na konci)
- interakční partner se ovšem také
„mění“
- „mutace“/změny zřejmě koevolvují
Slabší konzervace ve
vzdálených organismech
O
B
R
A
T
k
v
a
s
O
B
R
A
T.
KVASINKY … určitá volnost v obsazení AMK
Guerineau et al, PLoS One, 2012
- „mutace“/změny těchto AMK na
odlišné (polární Thr nebo posun
motivu o 1AMK na konci)
- interakční partner se ovšem také
„mění“
- „mutace“/změny zřejmě koevolvují
- teorie kompenzačních mutací …
Slabší konzervace ve
vzdálených organismech
Vazební partneři ko-evolvují
Madaoui et al, PNAS, 2007 Aakre et al, Cell, 2016
- nutnost zachování funkce nesvědčí o „compensatory mutation“
(mutace v jednom z proteinů přímo kompenzována mutací v
partnerském proteinu) – „kompenzace“ přichází postupně přes
„promiscuous intermediate“ mutace
Vazební partneři ko-evolvují
Aakre et al, Cell, 2016; Akiva a Babbit, Cell, 2015
- „promiscuous intermediate“
mutace jednoho proteinu
mohou být doprovázeny
„promiscuous“ mutacemi
druhého proteinu
(nedochází ke ztrátě PPI)
Vazební partneři ko-evolvují
Aakre et al, Cell, 2016; Akiva a Babbit, Cell, 2015
- u „promiscuous intermediate“ mutací nedochází ke ztrátě PPI
- „promiscuous intermediate“ může interagovat i s duplikovaným
proteinem (např. tkáňově specifickým – specifický komplex)
- později se může „oddělit“ a vytvořit nový komplex (paralelní koevoluce
= drift)
ToriTnew
Aori
- selekční tlak na stabilitu a funkci - nutnost zachování funkce
neposkytuje příliš prostoru pro evoluci/rozvoj nových vlastností
- pro rozvoj nových vlastností, nových druhů - spíše než
druhově specifické mutace proteinů lze vidět expanzi různých
genových/proteinových rodin v různých živočišných druzích
(příklad superrodiny jaderných hormonálních receptorů)
Figure 4-85 Molecular Biology of the Cell (2008)
Vznik proteinových rodin
- duplikace a divergence jsou hlavními tahouny evolučních
procesů (všechny geny/proteiny jsou „potomky“ několika
ancestrálních genů/proteinů (foldů), které existovaly v
nejčasnějších živých formách (nyní cca 1000 foldů na >100000
struktur v PDB, odhad je cca 2000 foldů))
- po duplikaci jsou oba proteiny stejné
a vytváří stejný homomerní komplex –
později jeden protein diverguje a vzniká
heteromer
Marsh et al, ARB, 2015
prokaryota eukaryota
homo
hetero
cca 30% genomu S.c. vzniklo duplikacemi => došlo k
celogenomové duplikaci (WGD) => a poté došlo k
přeskupování a redukci segmentů (i chromosomů) – polyploidie
u kytek …
Celogenomová duplikace u kvasinek
Ancestrální
chromosom
-duplikace ALE … – na počátku stejné sekvence = stejné
funkce - vyšší hladina proteinu/ů může být toxická
(aneuploidie – kvasinky s 1 chromosomem navíc, nádorové buňky)
- nadbytek proteinů (např. transkripčních faktorů) nebo
nerovnováha podjednotek komplexů znamená disregulaci
některých procesů
Shelzeretal,Science(2011)
dospělýplod
- duplikace – reverzní transkripcí a integrací DNA (pouze
individuální geny nebo pouze domény = exony)
- na počátku stejné sekvence = stejné funkce (pod jinými
promotory – jiný lokus tzn. jiné „okolí“ zaintegrované „mRNA“
tzn. jiná regulace exprese – „nové“ buňky)
- následují mutace – inaktivující tj. pseudogeny (ustaví
hladinu proteinu zpět na původní) nebo nefunkční (zatěžují
expresní-chaperonový aparát – snaha odstranit)
Příklad: Evoluce globinů
Evoluce rodiny globinů (duplikace)
- červy, hmyz a primitivní ryby mají jeden globin (150AMK)
- vyšší obratlovci mají a- a b-globin (tvoří a2b2 komplex –
účinnější přenos kyslíku) – vyvinul se u vyšších ryb (500Mya)
Figure 4-86 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
homo- na heteromery
Evoluce rodiny globinů (duplikace)
- u savců se dále duplikoval b-globin (paralog) - exprimován
specificky v embryu – má vyšší afinitu ke kyslíku a napomáhá
přenosu kyslíku z krve matky do krve plodu
- dále se duplikoval a specializoval se na časná vývojová
stádia a2e2 a pozdější a2g2 - k další duplikaci došlo u primátů
a2d2
dospělýplod
- následují mutace – modifikujícící původní protein na novou
variantu (podobná funkce)
Příklad: histony - histon fold + odlišné sekvence (odlišně PTM) odlišné
funkce (stále v rámci nukleosomů/chromatinu)
Figure4-41MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)
- histony > NF-Y trankripce (ohyb) > TAF (strukturni TFIID)
- duplikace celého genu nebo pouze domény – většina
domén v proteinech obratlovců pochází/existuje v
bezobratlých – 7% lidských proteinů/domén je specifických
pro obratlovce)
- opakování domén (imunoglobuliny apod.) nebo spojování
různých domén
- fůze domén naznačuje funkční příbuznost nebo dokonce
přítomnost v komplexu (v organismu s nefůzovanými
doménami - ChimeraDB)
- duplikace domény (většinou koreluje s exonem)
- hranice domény jsou většinou kódovány introny – bez
intronů by bylo obtížnější přesně vybrat pouze „doménovou“
část sekvence
- duplikací a „shuffling“ domén – poskládají se nové
geny/proteiny – vytváří nová funkční/fyzická provázání
(interakce => „networks“)
- duplikací a „shuffling“ domén – poskládají se nové
geny/proteiny
- nová doména (protein) není pod tlakem „funkčním“, ale
zůstává pod tlakem „strukturním“ a „interakčním“
- zůstává hydrofobní profil (hydrofobní AMK jsou uvnitř a drží
strukturu domény) – mění se povrch (můžete hledat „paralogy“ i
podle 3D struktury, sekvence <25% ident. – funkce ? odlišná)
Figure 3-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
HTH – WHD
vazba DNA
vs PPI
přibyla smyčka
Hydrofobní – struktura, bazické – vazba DNAbazické – vazba DNA
- „staré“ proteiny jsou konzervovány „strukturně“ a „funkčně“ –
funkčně znamená většinou „konzervaci“ interakcí (většinou
PPI)
- nová doména (protein) je pod tlakem „strukturním“ („misfold“
= degradace) – je ale i pod tlakem „povrchovým“ tj. tendencí
povrchů interagovat (zvláště hydrofobní povrchy – hydrofobní
povrch je rozeznáván chaperony a bez interakčního partnera
degradován)
- z toho plyne tendence duplikovaných proteinů vytvářet
podobné komplexy
(podobné interakce)
SMC6 SMC5
Condensation looping/cohesion DNA-repair
Evoluce SMC komplexů
- bakterie mají po jednom komplexu složeném z homodimeru
SMC/MukB a 2 Nse
- eukaryota mají 3 SMC komplexy – SMC heterodimery + kleisin
(další podjednotky nepříliš konzervované) - (příklad využití
konzervovaného motivu a alterace částí systému/komplexu)
Palecek a Gruber, Structure, 2015
SMC6 SMC5
Condensation looping/cohesion DNA-repair
- konzervovaný motiv (kroužek)
- SMC heterodimery + kleisin
- alterace – kohese x kondensace
(Nse podjednotky, faktory ovlivňující loading = místo, čas …)
Evoluce SMC komplexů
SMC6 SMC5
Condensation looping/cohesion DNA-repair
- eukaryota mají 3 SMC komplexy +
- kohesin = mitotický a meiotický (liší se kleisinem = kvasinky
Scc1xRec8, navíc obratlovci Scc3 2x = SA1 a SA2)
- kondensin (I = H+D2+G; II = H2+D3+G2)
- SMC5/6 komplex (lidský = NSE4a x NSE4b-testis/meiosa specific)
Thomas et al., CRiBMB, 2006
RNA pol II a podobnosti s pol I a III
TBP-všechny 3 pol
RNA polymerasy
Pol I = 12 + A49/34.5
Pol II = 12 podjednotek (Tabulka)
Pol III = 12 + C37/53 + C82/34/31
TBP
TFIIB
Vannini & Cramer, Mol Cell, 2012
Hoffmann et al, Nature, 2015
- TFIIB (C-konec) váže TBP a 6-7bp up- a downstream od
ohybu DNA přes cukrfosfátovou kostru (kolem TATA boxu)1VOL
Nikolovetal,Nature,1995
TFIIB
TFIB
TFIIIB
Vannini&Cramer,MolCell,2012
TBP
TFIIB
Vannini & Cramer, Mol Cell, 2012
- Zn-ribbon s dock, Bfinger/reader
RNA tunel, Bcore/CTD1
s wall, B-linker
s CC clamp
- podobné natolik, že vážou
TBP + ribbon a linker
mohou být zaměněny pro
kteroukoli polymerásu –
zatímco reader je
specifický pro určitou
polymerásu
TFIIB
TFIB
TFIIIB
- TFIIF se váže na pol II, stabilizuje DNA v prohlubni/cleft RNA
pol II a pomáhá TFIIB s nastavením startu
- dimerizace a WHD (váže přímo DNA: BREdownstream)
Dimerizace WHD
Vanini & Cramer, Mol Cell, 2012
Pol I = 12 + A49/34.5
Pol II = 12 podjednotek (Tabulka)
Pol III = 12 + C37/53 + C82/34/31
paralogy TFIIF jsou součástí pol I a III
Dimerizace WHD
- TFIIF se váže na pol II, stabilizuje DNA v prohlubni/cleft RNA
pol II a pomáhá TFIIB s nastavením startu
- dimerizace a WHD (váže přímo DNA: BREdownstream)
„ATP syntasa je jedním z divů molekulárního světa“. Je to dvojitý molekulární motor
– „nanostroj“ – vyrábějící většinu ATP (energie).
Molekula měsíce v prosinci 2005
Rastogi & Girvin, Nature, 1999
F0 je protonový motor (uložen v
membráně) poháněný tokem vodíkových
iontů (z dýchacího řetězce) přes
membránu. Tento rotor je spojen s
druhým F1 chemickým motorem
poháněným ATP (nebo vyrábějícím ATP).
Oba motory jsou spojeny statorem.
?
?
Mulkidjanian et al, NRM, 2007
Souhrn
Průběh evoluce je ovlivněn mnoha faktory
- Selekční tlaky udržující funkční a stabilní (dříve
vytvořené) komplexy
- Mutace modifikující proteiny/komplexy (drift)
- Duplikace a neofunkcionalizace (mutace) je hnací silou
vzniku nových komplexů – funkcí – buněk - organismů
Praktické implikace (pro zkoušku)
- analýza sekvenční podobnosti (stupeň konzervace)
- napoví o přítomnosti domén (alignment – podobné AMK,
doplnit analýzou sek. a terc. struktury)
- projekce podobnosti do 3D modelu (ConSurf, PatchFinder) konzervovaná
struktura tj. vnitřní AMK držící fold (u
ortologů i paralogů)
- konzervované PPI kontaktní zóny na povrchu proteinu
(povrchové AMK jsou konzervované pouze u ortologů – ne u
paralogů - pokud jsou v alignmentu i paralogy, pak podobnost
neuvidíte)
!většinaalgoritmů„nechápe“podobnosthydrofobníchAMK!
projekce podobnosti do 3D modelu (ConSurf) konzervovaná
struktura tj. vnitřní AMK držící
fold (ortology i paralogy)
projekce podobnosti do 3D modelu (ConSurf) konzervovaná
struktura i povrch - fold i
interakce (pouze ortology)
GREMLIN – hledání PPI
kontaktních zón
Juan et al, NRG, 2013