Eduard Kejnovský + Roman Hobza EVOLUČNÍ GENOMIKA: OD VZNIKU ŽIVOTA PO GENOM ČLOVĚKA •Brno, jaro 2017 •Evoluční genomika 2017: •21.2. – Vznik života •28.2. – Svět RNA a první genomy •7.3. – Historie genomiky •14.3. – Strategie a metody genomiky •21.3. – Evoluce genomů •28.3. – Evoluce genů •4.4. – Dynamika genomů •11.4. – Lidský genom a evoluce člověka •18.4. – Velikonoce •25.4. - Evoluce sexuality I. •2.5. – Evoluce sexuality II. •9.5. – Polyploidizace •16.5. – Malé RNA •23.5. - 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 • • • • •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 •Evoluce genetického kódu: •Antagonistické nebo komplementární síly? • •vznik expanze adaptace