- frekvence mutací DNA je +/- stejná, ale různé proteiny jsou různě změněné – (histony … kvasinkový a lidský ubikvitin se liší třemi AMK např. 6 ze 7 změn v cytochromu C jej poškodí) - takto konzervované proteiny jsou lehce identifikovatelné v různých organismech a mají „homologní“ (ortologní) funkci - podobně jako morfologie u organismů, srovnání genomů/proteomů ukazuje na vývoj („evoluci“) genů/proteinů v čase - divergence druhů koreluje do značné 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 … Evo_large [USEMAP] -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) - - - - - - - - - - - - druhovou rozdílnost nezpůsobuje mnoho mutací v proteinech (nemohlo jich tolik vzniknout) – ale jiná regulace Figure 4-76 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) [USEMAP] - pro vzdálenější organismy (člověk a myš) je sekvence odlišnější (DNA je odlišnější než proteiny – pro 1AMK více kodonů; regulační sekvence … intron je odlišnější než kódující exon – intr. nekóduje protein) zde již působil selekční tlak - - - - - - odlišnost druhů je tedy dána spíše rozdílnou regulací (nekódujícími sekvencemi) tj. rozdílem v expresi proteinů než rozdílem v sekvenci proteinů (tj. rozdílnou funkcí proteinů) - rozdílná exprese tj. rozdílné proteomy v buňkách podmiňují odlišnost buněk v organismu (svaly, játra …) i odlišnost buněk v čase a prostoru (morfogeneze – odlišný vzhled … mozek => menší problém když se modifikuje/zmutuje program morfogeneze než když zmutuje protein => vliv na funkci) figure 4-78 Figure 4-78 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) [USEMAP] - 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) [USEMAP] O B R A T. KVASINKY … určitá volnost v obsazení AMK Valdar a Thornton, Proteins, 2001 Guerineau et al, PLoS One, 2012 - selekční tlak na strukturu, - selekční tlak na na povrch = interakce, PTM - mutace, které neruší jsou neutrální (protein je částečně modifikován) - modifikace je kompenzována (i později) mutací partnera - změní se v čase a v budoucnu může přinést novou vlastnost [USEMAP] 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 Silná konzervace v blízkých organismech Nse3 [USEMAP] 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 O B R A T k v a s [USEMAP] figure 3-39 Figure 3-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Gligoris et al, Science, 2014 -konzervovanost vazebného místa na povrchu SMC3 (vazba Scc1) - - - - -konzervovanost vazebného místa na povrchu SH2 domény (vazba fosfopeptidů) [USEMAP] 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 [USEMAP] 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) [USEMAP] 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 ko-evoluce = drift) Tori Tnew Aori [USEMAP] - 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 (různé kopie mají různé funkce - paralogy) - - - - - - - - - (příklad superrodiny jaderných hormonálních receptorů) figure 4-85 Figure 4-85 Molecular Biology of the Cell (2008) Vznik proteinových rodin [USEMAP] Musilova et al, Science, 2019 Diretmus argenteus hlubokomořská ryba – bioluminiscence [USEMAP] - duplikace a divergence (neofunkcionalizace) 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 (mutace) a vzniká heteromer - duplikace více genů/proteinů (podjednotek) … komplexů Marsh et al, ARB, 2015 prokaryota eukaryota homo hetero [USEMAP] 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 -následují mutace – inaktivující tj. pseudogeny (ustaví hladinu proteinu zpět na původní) nebo nefunkční (zatěžují expresní-chaperonový aparát – snaha odstranit) [USEMAP] fi7p23 dospělý plod - duplikace – reverzní transkripcí (u živočichů) a integrací DNA (pouze individuální geny nebo pouze domény = exony) nebo replikační chyba s následnou chybnou opravou DSB - - - - - - - - - - - na počátku stejné sekvence = stejné funkce (pod jinými promotory – jiný lokus tzn. jiné „okolí“ zaintegrované „mRNA“ tzn. jiná regulace exprese – „nové“ buňky) (např. rozdíl v genomu člověka a šimpanze je především v duplikaci 30Mbp – cca 50kbp segmenty - nikoli v jednotlivých mutacích tj. SNPs) Příklad: Evoluce globinů [USEMAP] fi7p23 Evoluce rodiny globinů (duplikace) - … u savců se dále duplikoval b-globin, který je exprimován specificky v embryu – má vyšší afinitu ke kyslíku a napomáhá přenosu kyslíku z krve matky do krve plodu - dále se duplikoval a specializoval na časná vývojová stádia a2e2 a pozdější a2g2 - k další duplikaci došlo u primátů a2d2 dospělý plod [USEMAP] - 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 => nové „prosíťování“ interaktomů) [USEMAP] Souhrn Průběh evoluce je ovlivněn mnoha faktory -Selekční tlaky udržující funkční a stabilní (dříve vytvořené) komplexy -Mutace modifikující proteiny/komplexy (drift) jsou eliminovány u esenciálních proteinů -Zatímco duplikované mohou podléhat mutacím „volněji“ -Duplikace a neofunkcionalizace (mutace) je hnací silou vzniku nových proteinů (nové kombinace domén) -komplexů – funkcí – typů buněk - organismů [USEMAP] 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) - [USEMAP]