Eduard Kejnovský (Zdeněk Kubát) + Roman Hobza EVOLUČNÍ GENOMIKA III. EVOLUCE GENOMŮ OBSAH 1.Velikost genomu 2. Skokové změny velikosti genomu 3. Postupné změny - Nekódující DNA 4. Fenotyp a velikost genomu 5. Evoluce karyotypu VELIKOST GENOMU Viry Viry, organely Miniaturní genomy (tisíce bp = kb) Vysoká hustota genů 10-100 genů (bakteriofágové) Prokaryota Malé genomy (miliony bp = Mb) Vysoká hustota genů Cca 5000 genů (E.coli) Eukaryota Velké genomy (miliardy bp = Gb) Nízká hustota genů Cca 20000 genů (člověk) Velikost genomů Virus (bakteriofág) ~ 50 kb ~ desítky genů Genomy virů - genomy malé, kompaktní - efektivní využití - ss/ds DNA - ss RNA - kombinace DNA a RNA Viry nejsou monofyletickou skupinou entit - různé viry mají různý původ, proto i rozdílné genomy z hlediska obsahu genů a kódující molekuly Extrémní genomy: Mimivirus (APMV) Megavirus chilensis 1,26 Mb 1120 genů Extrémní genomy: Pandoravirus salinus - 2,47 Mb - 2556 genů - „parazité“ améb - Jen 6 % genů má homologie v genech jiných org. – ostatní geny metabolické procesy? nová větev života? - Životní cyklus podobný jako u ostatních virů – závislí na hostiteli v replikaci DNA a částečně v syntéze proteinů Bakterie: ~ 0.5 – 9 mil bp ~ tisíce genů Virus (bakteriofág) ~ 50 kb ~ stovky genů Genomy bakterií a virů - genomy malé, kompaktní - efektivní využití Genom = celková genetická informace buňky nebo viru V průběhu evoluce se genomy zvětšují 10 000x menší než zrnko soli Obří viry – megaviry, mimiviry Velikost genomu srovnatelná s bakteriemi - Pandoravirus salinus (genom 2.5Mbp) Velikost kapsidy srovnatelná s bakteriemi - Pithovirus sibericum (velký 1.5µm) - kódují ribozómy a kapsidu, jen částečná závislost na hostiteli - metabolické geny (~2500 genů pro proteiny), 10% repetitivní DNA Paraziti megavirů: Virofágy: např. Sputnik - 18kb/21 genů, přenáší geny mezi megaviry (jako fág) Transpovirony: ~7kb, několik genů, lin. ds. DNA, abundantní Eugene Koonin: „Giant viruses crossed the imaginary boundry between viruses and cellular organisms.“ J.-M. Claverie: „The fact that it can get sick makes it more alive.“ Co bylo dříve – buňka nebo mimivirus? Genomy eubakterií a archeí - genomy malé, kompaktní - efektivní využití, operony, polycistronní - kruhová genomová dsDNA + plazmidy - Carsonella ruddii – 3. nejmenší genom endosymbiotické bakterie (160 kb, 182 genů) - Tremblaya princeps – 2. nejmenší (139 kb, 110 genů) - Nasuia deltocephalinicola – 1. nejmenší (112 kb, 137 genů), syntéza esenciálních AK - Nanoarchaeum equitans – nejmenší parazitickoendosymbiotické archea - Ignicoccus (490 kb, 536 genů), hypertermofil, chybí geny pro syntézu lipidů, kofaktorů, aminokyselin, nukleotidů. - Mycoplasma genitalium – nejmenší genom volně žijící (parazitické) bakterie (580 kb, 470 genů) - Sorangium cellulosum – největší genom, půdní bakterie (13 Mb, 9400 genů) Procesy ovlivňující velikost bakteriálního genomu: - genová duplikace, malé delece a inzerce, transpozice, horizontální přenos, ztráta genů v parazitických liniích, atd. Velikost genomů prokaryot je zhruba úměrná počtu genů Velikosti genomů prokaryot Strategie: 1. odstranění či inaktivace genů (top-down) 2. syntéza minimálního genom (bottom-up) „Životní minimum“ bakterie Život s pouhými 382 geny Mycoplasma laboratorium - JCVI-syn1.0, Synthia, r. 2010, 985 genů JCVI-syn3.0, r. 2016, 473 genů, 100 genů má dosud neznámou funkci - nahradili genom M. capricolum uměle nasyntetizovanou DNA M. mycoides - nový software přebudoval původní hardware, vodoznaky v umělé DNA http://sp6.fotolog.com/photo/54/45/12/aida_rg/1201358749_f.jpg Související obrázek Genomy umíme nejen číst ale také psát Syntetický život: JCVI-syn3.0, 473 genů Craig Venter Transplantace genomu, 2007: E. Koonin, A. Musheigan, 1996: M. genitalium vs Haemophilus influenza -> Teoretický minimální genom 256 genů 2019, kompletní biochemické dráhy JCVI-syn3.0: Watermark 1: an HTML script which reads to a browser as text congratulating the decoder, and instructions on how to email the authors to prove the decoding. Watermark 2: a list of authors and a quote from James Joyce: "To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life". Watermark 3: more authors and a quote from Robert Oppenheimer (uncredited): "See things not as they are, but as they might be". Watermark 4: more authors and a quote from Richard Feynman: "What I cannot build, I cannot understand". Největší prokaryotické genomy Pseudomonas aeruginosa (bakterie): - 5500 genů - přes 6 Mb - přirozeně rezistentní k antibiotikům (ochranný obal) - R-faktor, žije ve společenství jiných bakterií, konjugace - lidský patogen (kožní n., močové, dýchací a trávicí cesty) - - Nostoc punctiforme (sinice): - 7432 ORF - 8.9 Mb - repetice, transpozony - fotoautotrofní, také fakultativně heterotrofní - možnost symbiózy s rostlinami i houbami Repetice N.p. Genomy eukaryot Jaderný genom chromozomy z DNA, tisíce genů, monocistronní, Mbp-Gbp Mitochondriální genom kruhová DNA, desítky genů, desítky-stovky kbp Plastidový genom kruhová DNA, desítky genů, desítky-stovky kbp Endosymbiotický vznik eukaryot Endosymbióza cca -2 miliardy let (1,5; 1,2?) → vznik eukaryotické buňky Archea (= jádro) + alfa-proteobakterie (= mitochondrie) Reakce na vzrůstající koncentraci kyslíku v atmosféře → silný selekční tlak zvýhodňoval novou eukaryotickou buňku? Primární Endosymbióza cca -1,2 (0,9?) mld let → vznik fotosyntetizujících eukaryot (červené a zelené řasy) Eukaryota + cyanobakterie (= plastidy) Sekundární Endosymbióza → vznik cryptophyta, chlorarachniophyta Eukaryota + eukaryota (červená, zelená řasa) Eukaryota: -Jaderné procesy jsou podobné archeálním -Cytoplazmatické a organelové procesy podobné eubakteriím -Genový transfer z organel do jádra, většinu kódujících funkcí časem převzalo centrální jádro -Časové zařazení vzniku eukaryotické buňky je velmi orientační kvůli nejasným fosilním záznamům, někdy se uvádí první eukaryota až před 1,5 miliardami let nebo dokonce 800 miliony lety -První mnohobuněčná eukaryota prokazatelně až před 630 miliony lety (Ediakara) Primární a Sekundární endosymbióza Extrémní genomy: sekundární endosymbióza – Guillardia theta 87 Mb 121 kb 551 kb NM = nucleomorph Eukaryotická buňka ~ 150 kb ~ 100 genů Chloroplasty Jádro Mitochondrie ? ? ? ~ 3000 kb ~ 3000 genů ~ 4000 kb ~ 4000 genů 10-2000 kb ~ 60 genů Sinice Proteobakterie Endosymbióza a promiskuitní DNA Chloroplastová DNA se hromadí na chromosomu Y u Silene latifolia •Jaká DNA se akumuluje na Y? Zjistili jsme, že promiskuitní plastidová DNA •Dovolte odbočku: organely byly původně volně žijící bakterie, po endosymbioze (vznik eukaryotické b.) přenos genů do jádra •U člověka také akumulace mitochondriální DNA na Y Genomy eukaryot Mnohobuněčná eukaryota tvoří jen malý zlomek celkové diverzity eukaryot! Vyšší organizmy: kde se nachází DNA? člověk ~ 3 000 000 000 bp 2nm x 1m 1cm -> 5000km 11/27 Genom = celková genetická informace buňky nebo viru Variabilita velikosti genomů savci ptáci plazi obojživelníci ryby kostnaté ryby chrupavčité ostnokožci korýši hmyz měkkýši červi plísně rostliny řasy houby grampozitivní bakterie gramnegativní bakterie mykoplazmata 106 107 108 109 1010 1011 Velikosti genomů Velikosti genomů a paradox hodnoty C GENOM = celková genetická informace organizmu (geny i negenové oblasti/repetice) Paradox hodnoty C = velikost genomu organizmu není v korelaci s komplexitou organizmu např. jednobuněčná měňavka (Amoeba dubia) má 200x větší genom než člověk Podisma pedestris 18,000 Mb Drosophila melanogaster 180 Mb 100x Klíčem k řešení paradoxu hodnoty C jsou opakující se úseky DNA (repetice) Genomy jsou repetitivní a dynamické drosophila_200 Frittilaria asyriaca 130Gb Amoeba dubia 670Gb Velikosti genomů a paradox hodnoty C Proč se genomy nezbaví repetitivní DNA? Jaké síly udržují repetitivní DNA? Jaká je role repetitivní DNA? člověk 3Gb •Eukaryotický genom: 8.8´106~ 6.9´1011 • (8.8Mb – 670Gb) •Nejmenší známý: Saccharomyces cerevisiae •Největší známý: Amoeba dubia Velikosti genomů eukaryot Velikosti eukaryotických genomů NEjsou úměrné počtu genů nebo komplexitě organizmu Organismy podle velikosti genomu Trichoplax adherens 0,098 Gb / 11 tis genů Drosophila melanogaster 0,14 Gb / 17 tis genů Polychaos dubium 670 Gb (67 Gb) Paris japonica 150 Gb / 17 tis genů Genlisea aurea 0,064 Gb / 17 tis genů Pšenice 17 Gb / 110 tis genů Myš 2,6 Gb / 20 tis genů Člověk 3,3 Gb / 20 tis genů Klíč k řešení paradoxu hodnoty C se nachází v negenových oblastech velikost genomu podíl genů podíl TE velikost genomu Hlavní komponenty eukaryotického genomu Kódující části genů: - u prokaryot tvoří většinu genomu - u eukaryot méně, člověk 20 000 genů – 1.5% Introny: - původně považovány za příčinu C-paradoxu, - tvoří většinu genů Pseudogeny: - klasické, retropseudogeny, - 19000 člověk, 14000 myš, 51 kur, 33 kvasinka, 176 drosophila Mobilní elementy: - LTR, nonLTR – SINE, LINE, DNA transposony- MITE Satelitní DNA: Numt, Nupt: - inzerce promiskuitní DNA Vzrůst počtu genů, potlačení šumu a biologická komplexita Prokaryota/eukaryota: Potlačení šumu - separace transkripce a translace, jaderná membrána a histony Mnohobuněčná eukarya: Potlačení šumu – metylace genů, mobilních elementů a duplikátů = rozvoj epigenetických mechanismů RNA interference (smallRNAs) prokaryota eukaryota Mnohobuněčná eukaryota “Triumphs as well as failures of nature's past experiments appear to be contained in our genome” - Susumu Ohno „The majority of the genome consisted of now-extinct genes“ - Susumu Ohno Evoluce genomů - citáty „The evolution of the large-scale features of the genome is one of the most difficult, perharps the most difficult, question in evolutionary biology“ - Maynard Smith http://www.nndb.com/people/095/000044960/jmsmith.jpg MECHANIZMY ZMĚN VE VELIKOSTI GENOMU Mechanizmy změn velikosti genomu -Polyploidizace (duplikace genomu) -Duplikace a delece chromozomů nebo jejich částí (chromozomové přestavby) -Inzerce/delece/duplikace genů -Amplifikace transponovatelných elementů -Inzerce virové DNA -Inzerce organelové DNA -Expanze mikrosatelitů Vzrůstající komplexita živých forem byla doprovázena vzrůstem velikosti genomů a počtu genů Evoluční síly ovlivňující velikost genomu Změny ve velikosti genomů: plynulé nebo skoky? Plynulost: - savci, ptáci, kostnaté ryby - postupná akumulace nebo delece, malé segmenty DNA - normální distribuce velikostí genomů v těchto skupinách - podíl jedinečných sekvencí konstantní, mění se spolu se změnou velikosti genomu, je dán velikostí intronů Skoky (kvantové změny): - bezobratlí, rostliny (50% nahosemenných je polyploidní), vyjímečně obratlovci - polyplodizace, přidatná replikace některého chromosomu, kryptopolyploidizace (koordinovaná replikace všech repeticí v genomu – Chironomus) - kvantové rozdíly mezi blízkými příbuznými, velké rozdíly ve velikostech genomů Polyploidizace Pojmy z hlediska původu: Autopolyploidie (polyploidizace v rámci druhu = jen 1 druh genomu) Allopolyploidie (polyploidizace mezidruhovou hybridizací = 2 a více druhů genomu) Allopolyploidie je zřejmě výhodnější: -Dva různé genomy = více alel a proteinových interakcí -Dochází k heteróznímu efektu, hybridi mají širší ekologický záběr než rodičovské druhy, mají vyšší rezistenci k parazitům než rodiče Kryptopolyploidie: dávná polyplodizace, organizmus se jeví jako diploidní, přestavby – delece, translokace…, kvasinka, obratlovci, obilniny, odhalení až sekvenací Podle toho, zda došlo k duplikaci genomu v rámci druhu nebo při mezidruhové hybridizaci, rozlišujeme dva typy ploidií: autopolyploidie – v rámci druhu, vzniklý polyploid obsahuje jen jeden typ genomu, a allopolyploidie – hybridizací vznikne jedinec s různými rodičovskými genomy. Allo- i autopolyploidie způsobují ihned po vzniku masivní epigenetické změny a s tím spojenou vyšší aktivitu mobilních elementů, oba typy ploidií poskytují materiál k neofunkcionalizaci, atd. Ale allopolyploidie je zdá se výhodnější než autopolyploidie, protože dva různé genomy poskytují více alel, více proteinových interakcí, dochází k heteróznímu efektu, hybridi mají širší ekologický záběr než rodičovské druhy, vykazují vyšší rezistenci k parazitům než jeden nebo oba rodičovské druhy. Co vede k polyplodizaci? Chyba v meioze vede k diploidním gametám Fúze diploidní a haploidní gamety vede k triplodnímu jádru, organizmus je však sterilní Duplikace genomu v historii eukaryot Duplikace genomu v historii obratlovců Duplikace genomu obvykle následována masovou speciací (2x na bázi obratlovců, další u Teleostei + další u některých skupin obratlovců (drápatky, lososovití,…) Susumu Ohno: Hypotéza „2R“ (2 rounds) dvě genomové duplikace u obratlovců před cca 450 mil. lety 1. 2. Duplikace Počty druhů obratlovců (celkem 62 tisíc) Savci – cca 5,5 tis Ptáci – cca 10 tis Plazi – cca 9 tis Obojživelníci – cca 6,5 tis Ryby - > 31 tis Průměrná doba přežívání genů vzniklých duplikací genomu je mnohem vyšší než u lokálních duplikací genomu (duplikace celých drah) 3. - některé genové rodiny mají 4 členy u obratlovců a jednu u bezobratlých - srovnání ježovky (bezobratlý) s obratlovci (člověkem, myší a rybou Fugu) - v genomu člověka dlouhé segmenty ve čtyřech kopiích podél všech chromosomů Polyploidizace hrály a hrají významnou roli v evoluci rostlin, u živočichů jsou její výskyty vzácnější. Skupina, v jejíž historii prokazatelně došlo k duplikaci genomu, dokonce 2x, jsou obratlovci. První kolo duplikace genomu proběhlo u společného předka všech obratlovců, druhé kolo na bázi čelistnatců. U společného předka ryb došlo k třetímu kolu duplikace genomu. Duplikace celého genomu poskytne obrovské množství nadbytečných genů, z nichž některé mutacemi získají nové funkce, což může vést až ke speciaci. Proto duplikace genomu může být jednou z příčin, proč jsou ryby druhově nejbohatší skupinou obratlovců. Obrázek z Nakatani et al. 2007 Polyploidizace v linii obratlovců •Duplikace genomu před 450 mil let napomohla vzrůstu komplexity a diverzifikaci obratlovců S. Ohno: - dvě genomové duplikace u obratlovců – hypotéza „2R“ (2 rounds) - některé genové rodiny mají 4 členy u obratlovců a jednu u bezobratlých - srovnání ježovky (bezobratlý) s obratlovci (člověkem, myší a rybou Fugu) - v genomu člověka dlouhé segmenty ve čtyřech kopiích podél všech chromosomů Polyploidizace u rostlin Arabidopsis: - duplikace před 200 a 80 mil. let - možná i více než 4 genomové duplikace - asi 60% genomu leží v duplikovaných segmentech - 50% genů v nich je konzervováno Polyploidní plodiny - tetraploidi: kukuřice, bavlna, brambor, zelí - hexaploidi: pšenice, chrysantéma - oktoploidi: jahodník Allotetraploidie brukvovité F18-11 Genom kvasinky: Polyploidizace nebo duplikace segmentů? •54 nepřekrývajících se duplikovaných oblastí •50 z nich si zachovalo stejnou orientaci vzhledem k centroméře •nebyla nalezena žádná triplikovaná oblast, přičemž 7 oblastí by bylo očekáváno dle Poissonova rozložení •příbuzné druhy bez duplikace – Kluveromyces waltii a Ashbya gossypii •457 genových párů – 17% se vyvíjí rychleji než jejich homology u K. waltii Duplikace jsou výsledkem tetraploidie spíše než postupných regionálních duplikací Diploidizace: postupné snížení počtu genů a delece částí genomu po duplikaci ABCDEFGHIJKLM NOPQRSTUVWXYZ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z ABCDEFGHIJKLM NOPQRSTUVWXYZ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z AB DEF HI KLM N PQ TUV X Z b c e g h j k m n o p r s t v w x y I KLM N PQ TUV X Z b c e g h j k m s t v w x y n o p r AB DEF H I KLM N PQ TUV X Z AB D e’ g h j k m s t v w x y n o p r bc E’F H 26 genes, 2 chomosomes 26 genes, 2 chomosomes Tetraploidizace Ztráta genů 52 genes, 4 chomosomes Translokace Crossing over 36 genes, 4 chomosomes Změna regulace genomu u polyploidů Funkčnost dimerů (homo-, hetero-) proteinů → nové fce, narušené fce Inzerce, delece, translokace, gen. Konverze → změna genové exprese Osudy genů po duplikaci Pseudogen Specializace = podobná funkce ale jinde/jindy Nová funkce Duplikované geny může potkat řada osudů. Nejpravděpodobnější je to, že jedna z kopií je vyřazena mutací a gen je změněn na pseudogen. To může být žádoucí, pokud samostatně duplikovaný gen (vs. polyplodizace) narušuje rovnováhu genových produktů, které spolu interagují, např. v metabolické dráze. Gen může být vyřazen buď mutací v kódující oblasti (záměna nukleotidů, delece, inzerce), nebo degenerací regulačních faktorů, epigenetickou inaktivací nebo fungováním MEs. Pokud jsou zachovány obě kopie, mohou existovat obě beze změny, pokud je výhodné mít dvě kopie takového genu (např. jako pojistka proti škodlivým mutacím nebo pokud je výhodné mít více genového produktu, např. geny pro histony nebo rRNA). Jedna z kopií genu může díky mutaci získat novou funkci (neofunkcionalizace). Případně může jedna nebo obě kopie ztratit některou z funkcí, které měl původní gen (subfunkcionalizace), čili dojde ke specializaci, kdy každá z kopií zastává jednu z funkcí původního genu, případně se mohou obě kopie exprimovat na různých místech nebo v jiném čase. Evans 2008 Evoluce ztrátou genů Červená = ztráta genu Duplikace genomu nebo segmentální duplikace následovaná vznikem nových funkcí duplikovaných genů je jedním z hlavních předpokladů evoluce. U mnoha organismů následně dochází ke ztrátám původních nebo duplikovaných genů, což urychlí divergenci organismů a vznik nových druhů. Obrázek z Albalat a Cañestro, 2016, Nature review genetics. Figure 1 | The wingless (Wnt) family: a paradigmatic example of the pervasiveness of gene loss during metazoan evolution. In the past decade, the accumulation of fully sequenced genome data from various species has revealed great heterogeneity in the dynamics of gene loss within different animal groups. In ecdysoazoans, for instance, not all insects show the same rate of gene loss, and European honeybees (Apis mellifera) seem to have retained more genes than other insects (for example, species of fly and mosquito in the Diptera order)206. The finding, for instance, of an active DNA CpG methylation toolkit (that is, Dnmt1, Dnm3a, Dnmt3b and Mdb) in honeybees was particularly remarkable, as it has been lost in most other insects207,208. To date, the red flour beetle (Tribolium casteneum) has preserved the largest number of patchy orthologues thatare also present in humans but that were lost in all other sequenced insects209. The genomes of crustaceans and myriapods showed less gene loss, and these groups conserved more universal bilaterian genes than insects151,210. In lophotrocozoans,gene loss propensity is also heterogeneous among species. Mollusc gastropods, such as Lottia gigantea or annelids, such as Capitella teleta or Helobdella robusta, seem to have rates of gene retention similar to those in deuterostomes8, whereas other lophotrocozoans, such as the flatworm Schmidtea mediterranea, have lost approximately 40% of the ancestral gene families8,171. Extensive gene loss (red boxes) has affected all Wnt gene subfamilies (1 to 11; 16 and A) throughout all metazoantaxa. Some gene losses seem to be ancestral (red circles) and thereby probably relevant for the evolution of entire groups (for example, ancestral loss of Wnt3 in the stem protostome). Other gene losses seem to occur recurrently in diverse lineages and show a patchy distribution (for example, Wnt11 loss in some chordates, echinoderms, arthropods, nematodes, molluscs and sponges). Controversial animal phylogenies (dashed tree branches)211,212 or uncertain gene orthologies (nd) hinder the ability to determine whether the absence of Wnt families in most basal metazoans (grey boxes) is due to gene losses or to gene gains. References for the list of Wnt genes in each species are supplied in Supplementary information S3 (box). NEKÓDUJÍCÍ DNA a VELIKOST GENOMU (postupné změny velikosti) Mechanizmy zvětšení genomů - postupně •Nerovnoměrný (unequal) crossing-over •Replikační klouzání (Replication slippage) •Duplikativní (retro)transpozice •Genová amplifikace (rolling circle replication) Segmentální duplikace - Duplikace kratších (stovky bp až desítky kb) unikátních sekvencí s i bez obsahu genů - Tandemové uspořádání nebo rozptýlené v genomu - Množství se liší mezi druhy (drosophila málo – člověk mnoho) - Segmentální duplikace zodpovídají za více než 90 % genetické variability mezi lidskými populacemi (Sudmant et al., Science, 2015) - V nedávné historii člověka se fixovaly duplikace nesoucí geny se selekční výhodou – imunitní reakce, olfaktorické rozpoznávání, odbourávání xenobiotik, reprodukce, proliferace neuronů (velikost mozku), gen pro amylázu AMY1 (3x více než šimpanz, strava bohatá na škrob). Bailey & Eichler, NRG, 2006 Lokální duplikace (segmental duplications, SDs) jsou části DNA, které se v genomu ve dvou nebo několika málo kopiích, a to buď tandemově za sebou, nebo rozptýleně na různých místech v genomu. SDs jsou běžnou součástí řady genomů a mohou i nemusejí obsahovat geny. U primátů se vyskytují mnohem hojněji než např. u drozofily nebo háďátka a patrně měly pro rozvoj primátů velký význam. Geny v SDs primátů se často účastní imunitní reakce, olfaktorického rozpoznávání, odbourávání xenobiotik a reprodukce, čili napomáhají adaptaci na nové zdroje potravy a na nové patogeny. Příkladem je expanze genu pro amylázu (AMY1) u člověka. Tento gen kóduje enzym z počátku metabolické dráhy škrobu a glykogenu. Tohoto genu má člověk 3x víc než šimpanz (a stejně tak i jeho produktu), což je pravděpodobně adaptace na množství potravy bohaté na škrob v zemědělských kulturách. Některé geny, duplikované v lidské linii, hrají roli v proliferaci neuronů a mají tak patrně vliv na velikost mozku člověka. Tandemové repetice = Satelity Jednotka (= monomer) se opakuje n-krát za sebou Satelity – objeveny při hustotní gradientové centrifugaci - tvoří satelitní proužek kvůli jinému složení bazí. - Přítomny ve všech genomech (prokaryota i eukaryota) - Klasifikace: • Satelity – významná složka genomu (i > 50%), tvoří bloky heterochromatinu, délka monomerů i >2 kbp) • Minisatelity – 0,5-30 kbp, délka monomeru 10-100 bp • Mikrosatelity – krátké úseky, délka monomeru ≤6 bp Strukturní a regulační funkce, expanze mikrosatelitů u některých chorob Typické rozložení tandemových repetic na chromosomech šťovíku Tandemové repetice, neboli satelity, byly objeveny při hustotní gradientové centrifugaci (density gradient centrifugation), kdy díky jinému složení bází tvořily tzv. satelitní proužky, lišící se od hlavního proužku se zbytkem genomu. Jak název napovídá, jejich jednotky (tzv. monomery) jsou uspořádány tandemově za sebou, na rozdíl od mobilních elementů, které jsou rozptýleny po genomu. Často, ale ne vždy, se od dalších částí genomu liší složením bazí (AT- nebo GCbohaté). Podle jejich množství v genomu se dělí na klasické satelity, mini- a mikrosatelity (Sumner 2003). Klasické satelity zabírají významnou část genomu (i více než 50%) a tvoří viditelné bloky heterochromatinu, ve kterých se ale mohou vyskytovat i různé typy satelitů spolu s dalšími sekvencemi. Délka jejich monomeru může být i několik kbp. Často se vyskytují v centromerách, kde jsou klíčové pro jejich fungovaní (Sumner 2003). Minisatelity zabírají 0,5-10 kbp úseky a délka monomerů je 10-100 bp. Mikrosatelity zabírají krátké úseky genomu a jejich monomery jsou maximálně 6 bp dlouhé. Byly nalezeny ve všech zkoumaných genomech, nacházejí se i v kódujících sekvencích a jejich expanze může způsobit různá onemocnění (např. Huntingtonova chorea). Délka a množství mini- a mikrosatelitů je mezi jedinci a druhy poměrně variabilní, ale dostatečně stálá pro fylogenetické a populační studie, variabilita mikrosatelitů v lidském genomu se používá jako tzv. DNA fingerprinting pro identifikaci jedince (kriminalistické účely) a pro paternitní testy. Hustotní gradientová centifugace – metoda k separaci různých molekul DNA (např. virové partikule, DNA fragmenty o různém složení bazí. Ultracentrifugace se provádí za vysokých otáček několik hodin v hustotním gradientu sacharózy nebo chloridu cesného (CsCl). Stejně dlouhé fragmenty DNA lišící se složením bazí jsou centrifugací rozděleny. Fragment s vyšším podílem lehkých AT párů je blíž ose než fragment s více těžkých GC párů. Mobilní elementy (transposable elements = TEs) TEs na chromosomech šťovíku - Schopné samostatného pohybu v genomu - Typy mobilních elementů: - Třída I – retrotransposony (copy-and-paste, replikace přes RNA) - Třída II – DNA transposony (cut-and-paste) - Pro jedince spíše negativní – inzercemi TE může být narušena funkce genů - Klíčoví hráči v evoluci genomu (vznik nových genů, přestavby chromosomů, …) - Často součást heterochromatinu Mobilní elementy (ME) jsou úseky DNA schopné samostatného pohybu po genomu. Enzymy, které jsou k tomu potřeba, si ME z velké části kódují vlastními geny. Dělí se na dva základní podtypy: Třída I - retrotransposony, které se nejprve přepíší do RNA, které je potom zpětně přeložena do cDNA (complementary DNA) enzymem reverzní transkriptázou a ta Druto cDNA je následně vložena na jiné místo v genomu (tzv. mechanismus copy-and-paste). Třída II – DNA transposony – vyštěpí se z původního místa a skočí na jiné (tzv. mechanismus cut-and-paste). Pokud se toto děje během replikace DNA, dojde k duplikaci transposonu. Mobilní elementy jsou někdy označovány jako tzv. sobecká DNA, protože ke svému množení využívají zdroje buňky, ale nic jí nepřinášejí. Pro jedince je pohyb ME po genomu spíše negativní, protože může vyřadit geny (posun čtecího rámce) nebo měnit jejich expresi (vložení do promotoru, poskytnutím vlastního promotoru, ...). Z dlouhodobého hlediska jsou ale ME důležité pro evoluci genomu (vznik nových genů, ektopická rekombinace mezi ME v různých částech genomu, ...). Teorie úlohy nekódující DNA: adaptivní role vs. sobecká DNA - Jaké evoluční síly produkují „zbytečnou“DNA? - Jaká je role „zbytečné“DNA? - Proč selekce toleruje „zbytečnou“ DNA? Adaptivní role: - vliv nadbytečné DNA na fenotyp - vliv na velikost jádra a buňky - ochrana kódujících sekvencí před mutacemi - pufrování koncentrace regulačních proteinů Sobecká DNA (junk DNA): - jsou to jen parazitické sekvence, mobilní elementy, fixace genetickým driftem, velikost genomu je tolerovatelné maximum závisející na ekologických a vývojových potřebách organizmu Genomová obezita u rostlin – jednosměrný proces? Teorie sobecké DNA (Dawkins, 1976) -jediným cílem DNA je se replikovat Dva modely: - pouze růst genomů - růst i zmenšování genomů Limity růstu genomů: - fitness hostitele - mechanizmy potlačující amplifikaci – metylace - mechanizmy odstraňování repeticí – rekombinace - BARE – 42x více soloLTR než vnitřních částí (dávná aktivita) - rekombinace uvnitř elementů i mezi elementy - selekce na kratší LTR, solo LTR nejdelší - genomy <10 Gbp, korelace velikosti genomu a podílu repeticí (max 90 %) - genomy >10 Gbp, 55 % repeticí, nízké tempo odstranění rekombinací Big Bang v genomu kukuřice •- polyploidizace •- amplifikace TE (6 mil let) •- inzerce do mezigenových oblastí PNAS 98, 8163-8164 (2001) VELIKOST GENOMU a FENOTYP? Závislost velikosti genomu na zaměpisné šířce a nadmořské výšce - korelace mezi velikostí genomu a teplotním režimem - větší genomy nebo polyploidi: - arktické lososovité ryby - zooplankton arktických jezer (Daphnia, Bosmina) - rostliny v polárních oblastech - populace v teplých oblastech jsou diploidní http://www.clubcientificobezmiliana.org/blog/wp-content/uploads/2012/10/Pulga.jpg Velikost genomu ovlivňuje komplexitu mozku Ocasatí obojživelníci mají jednodušší mozek než většina žab a ostatní obratlovci - U obojživelníků byla testována korelace mezi velikostí genomu a komplexitou mozku - Druhy s velkým genomem -> velké buňky - > jednodušší mozek - - Obojživelníci mají ancestrálně malé genomy – genom nezávisle mnohokrát zvětšen -> sekundární zjednodušení mozku Bombina orientalis (velké buňky – jednoducý mozek) vs. Xenopus laevis (malé buňky – komplexní mozek) Thorius narisovalis Salamandra salamandra Nejjednodušší mozky mají malé druhy mloků Je známo, že ocasatí obojživelníci mají jednoduší mozek než např. žáby a ostatní obratlovci. Roth et al. porovnávali komplexitu mozku a velikost genomu u žab a ocasatých, a zjistili, že velikost buněk u žab negativně koreluje s komplexitu mozku, neboli čím větší genom (a tedy i buňka), tím jednodušší je mozek. Důvodem zřejmě je, že z velkých buňek při zachování velikosti těla nelze poskládat komplexní mozek. U ocasatých obojživelníků mají nejjednodušší mozky nejmenší druhy salamandrů. Roth et al. 1994 Miniaturizace těla a velikost jádra Megaphragma mymaripenne (Blanokřídlí) Jeden z nejmenších létajících druhů hmyzu (0,2 mm) -Larva se vyvíjí ve vajíčkách třásněnek (maličká ->miniaturizace) -Během metamorfózy zmenšení objemu těla -asi 100x méně neuronů než včela, 95 % neuronů bezjaderných Velikost mozku je při miniaturizaci těla limitujícím faktorem, protože počet buněk musí být dostatečný, aby umožnil příjem a zpracování smyslových vjemů, řídil komplexní chování, atd., takže počet buněk lze redukovat jen do určité míry. Zároveň je velikost buněk ovlivněna velikostí genomu a tím jádra, které u některých druhů hmyzu zabírá až 90% neuronu. Megaphragma mymaripenne je parazitická vosička (Hymenoptera), třetí nejmenší druh létajícího hmyzu (0,2 mm) srovnatelný svou velikostí s jednobuněčnými organismy (na obrázku s trepkou velkou, Paramecium caudatum, a měňavku velkou, Amoeba proteus ve stejném měřítku). Larva se vyvíjí ve vajíčkách třásněnek, imago žije cca 5 dní. Během přeměny na imago dochází k výraznému zmenšení objemu těla včetně nervové soustavy, která je tvořena o dva řády menším počtem neuronů než např. u včely. Navíc je 95% zbaveno jádra, což umožňuje další zmenšení. Polilov 2012 Malý genom -> rychlejší metabolismus Ptáci mají menší genom než savci – vliv metabolismu? Ptáci -> dobří letci -> malý genom -> špatní letci -> variabilní velikost Savci -> netopýři -> malý genom -> ostatní savci -> větší a variabilní velikost Pravděpodobné vysvětlení: Malý genom -> malá buňka -> velký poměr povrch/objem buňky -> lepší výměna plynů -> rychlejší metabolismus výhodný při aktivním způsobu života Mechanismus: redukce délky intronů, množství transpozonů… Měřením genomů se ukázalo, že v rámci amniot mají ptáci a plazi průměrně menší genomy než savci. Společný předek skupiny Sauropsida (plazi a ptáci) měl menší genom než společný předek savců, čili malý genom byl přítomen ještě před vznikem letu, ale u létajících druhů došlo k další redukci. Důvodem je patrně potřeba rychlého metabolismu, spojeného s aktivním letem, pro který jsou výhodné malé buňky. U těch je totiž větší povrch vůči objemu výhodnější poměr povrch/objem, což umožňuje rychlejší výměnu plynů. Teorii o vlivu aktivního letu na redukci genomu podporuje i fakt, že v rámci savců mají malý genom netopýři. Wright et at. 2014 Zhang a Edwards 2012 Extrémní genomy: miniaturní genom eukaryotických parazitů - Encephalitozoon E. cuniculi 2,9Mb 1999 genů Parazitická spájivá houba (mikrosporidie) Encefalitozoonóza králíků E. intestinalis 2,3Mb 1833 genů Vznik redukcí genomu E. cuniculi -Některé parazitické organismy jsou jednodušší než jejich neparazitičtí předkové -Zjednodušování je spojeno se ztrátou genů Fenotyp vs. velikost genomu Velikost genomu ovlivňuje: 1)Velikost buňky (pozitivně) 2) 2)Komplexitu organismu (negativně při zachování velikosti těla) 3) 3)Rychlost metabolismu (negativně) 4) 4)Rychlost buněčného dělení (negativně) 5) 5)Rychlost diferenciace buněk (negativně) Vliv velikosti genomu na fenotyp - shrnutí Velikost genomu koreluje s: + - velikostí jádra - velikostí buňky (nucleotypic effect) - dobou mitózy a meiózy - minimální generační dobou - velikostí semen - odpovědí letniček vůči CO2 - dobou vývoje embrya u mloků - - - rychlostí bazálního metabolismu u obratlovců (negativní korelace) (malý genom ptáků a netopýrů - rychlý metabolismus při letu, velký genom ryb - estivace za hypoxických podmínek) - morfologickou komplexitou mozků u žab a mloků (negativní korelace) http://blisty.cz/img.php?id=-8228&size=350&mc=ffffff&mg=0&cp=0 http://g.cz/sites/default/files/g/2014/10/abstract-bird-vs-aeroplane-600x800.jpg Obsah DNA je proměnlivý i v tkáních jedince (změny během ontogeneze) Zvýšení obsahu DNA - endopolyploidie a polytenie: - drosophila - polytenní chromosomy ve slinných žlázách - Daphnia - tkáňově-specifické rozdíly v ploidii, 2-2048C, vliv na morfologii hlavy indukovanou predátorem - Bombyx mori – 1 000 000 ploidní buňky žláz - hedvábí - korelace ploidie a velikosti buňky - - - Snížení obsahu DNA v somatických buňkách: - nematoda, bičíkovci, dvoukřídlí, - např. Cyclops strenuus – somatické b. mají 5% obsahu DNA oproti oplozenému vajíčku - vysvětlení z hlediska sobecké DNA – delece DNA ze slepé somatické linie a ne ze zárodečné linie - změna obsahu DNA během života jako odpověď na stimuly – Lamarckismus Daphnia pulex Bombyx mori Cyclops strenuus TOPOGRAFIE GENOMU Uspořádání genů v genomech Syntenie - konzervativita pořadí genů A B C1 C2 D E A B C E druhy I. II. III. • konzervativita genů • rozdílné mezigenové sekvence Makro- vs. mikro- kolinearita - konzervativita v dlouhých úsecích - mikrostruktura více dynamická, mix s jinými geny - polyploidie urychlí evoluci mikrostruktury - změny již u prvních generací syntetického alotetraploida u Brassica (Bancroft, 2001) Nedávná divergence: A. thaliana vs. Capsella rubella: divergence před 6.2-9.8 mil. let Dávná divergence: A. thaliana vs. tomato: divergence před 150mil. let Rychlá evoluce oblasti rezistence k patogenu - gen „RPP5“ – rezistence k Perenospora parasitica - - rozdíly mezi A.t. ekotypy Lansberg erecta a Columbia - - většinou pseudogeny - tandemové duplikace a nerovnoměrný crossing-over je mechanizmem rychlé evoluce Lansberg erecta Columbia (Bancroft, 2001) Arabidopsis thaliana Chromosomové přestavby fig4 fig3 rekombinace mezi repeticemi zlom a znovuspojení (del., dupl., inv.) Srovnání lidských a myších chromosomů člověk myš Od evoluční divergence došlo k četným přestavbám, které umístily bloky genů do různých kombinací. Inverze chromozomů -> speciace Inverze jsou typem chromosomálních aberací, které mohou být důležité pro evoluci druhu. U jedinců, kteří jsou heterozygotní pro inverzi, se homologní chromosomy nemohou párovat a rekombinovat, takže alely genů v inverzi zůstávají pohromadě. U řady druhů platí, že jejich hybridi mají sníženou fitness, jsou sterilní nebo nejsou životaschopní, takže příslušníci těchto druhů mají vyvinuté mechanismy, jak poznat správného partnera. Pokud se druhy odlišují určitými znaky, je výhodné, aby tyto znaky byly ve vazbě s geny, které umožňují rozpoznávání těchto znaků. Inverze je způsob, jak příslušné geny do vazby dostat. Příkladem tohoto jsou dva druhy drozofil, Drosophila pseudoobscura a D. persimilis , které v přírodě tvoří hybridy (málo), ale hybridní samci jsou sterilní. Oba druhy se liší 4 chromosomálními inverzemi. Byla zkoumána genetická podstata sterility hybridních samců, samčí úspěch v páření, hybridní inviabilita, dysfunkce v dvoření se samicím (druhy se liší např. vibrací křídel při námluvách) a samičí preference samců vlastního druhu. Všechny znaky byly zamapovány do invertovaných oblastí na chromosomech X a 2. Noor et al. 2001 Inverze chromozomů u drosophil Teorii o roli inverzí ve speciaci podporuje i fakt, že sympatricky se vyskytující druhy drozofil (čili druhy vyskytující se na stejném území) se často liší inverzemi, (hodí se jim mít ve vazbě geny pro odlišující znaky a geny pro rozpoznávání těchto znaků, viz předchozí snímek), zatímco alopatrické druhy, tedy druhy, které jsou odděleny překážkou, takže se nemohou fyzicky potkávat, se inverzemi téměř neliší (nepotřebují si vyvíjet mechanismy, kterými se příslušníci různých druhů rozpoznávají). Noor et al. 2001 Evoluce pohlavních chromosomů A A alela determinující pohlaví proto X proto Y potlačení rekombinace a akumulace repetitivní DNA X Y X Y X 0 S. latifolia savci hmyz ztráta chromosomu Y degenerace chromosomu Y Lidský chromosom Y: „Sál plný zrcadel“ PAR1 PAR2 Palindromy: • 3 000 000 bází dlouhé • 99.9% identita Homologní oblasti mezi X a Y Duplikativní přenos z X Palindromy •Objev palindromu je zajímavý ve světle objevů na lidském chromosomu Y •Osekvenován euchromatin Y, nejzajímavějšími sekvencemi obří palindromy o vysoké identitě svědčí o genové konverzi (Y nemá partnera tak se páruje sám se sebou) •My jsme našli opdobné struktury v mladých sex chromosomech •Popiseujeme v popularním článku ve Vesmíru Evoluce karyotypu (počet, tvar, velikost chromozomů) Velikost chromozomů má své limity - Obvyklá délka mezi 1 a 10 µm - Horní limit – raménko delší než ½ osy dělícího vřeténka – sesterské chromatidy se nemohou rozejít -> přetrženy dělící se buňkou - Spodní limit – velmi malé špatný rozchod v meióze – nedostatek crossing-overů a chiasmat? Velikost chromosomů se pohybuje mezi 1 um do více než 10 um. U jedno- a dvouděložných rostlin se ukázalo, že pokud je raménko chromosomu delší než polovina osy dělícího vřeténka, způsobuje to problémy v telofázi. Důvodem je to, že se sesterské chromatidy zcela nerozejdou a formující se přepážka je roztrhne. Krátké chromosomy se často špatně rozcházejí v meióze. Důvod není jasný, ale může to být nedostatek/absence crossing-overů a následně chiasmat, které normálně napomáhají udržet u sebe homology do anafáze I. Schubert 2007, 1997 Počet chromozomů - minimální - Jednobuněčná eukaryota – obvykle 1 chromozom - Mnohobuněčná eukaryota: Myrmecia pilosula „Jack jumper ant“, Austrálie: n=1 Haplopappus gracilis, Asteraceae, Severní Amerika: n=2 Počet chromozomů - maximální Polyommatus atlanticus: n = cca 220 Hadilka neboli hadí jazyk Ophioglossum reticulatum: n= cca 530 Horní limit počtu chromozomů je závislý na kapacitě dělicího vřeténka – dostatečný počet mikrotubulů omezen objemem buňky Příklady počtu chromosomů Počty chromosomů se mohou lišit i u blízce příbuzných druhů Počty chromosomů u různých druhů Ch1Ct1 Extrémisté: mravenec Myrmecia pilosula – 1 pár, samec 1 chromosom kapradina Ophioglossum reticulatum – 630 párů Muntžak – případ rozdílu v počtu chromosomů u příbuzných druhů Fenotypově podobné druhy s velkým rozdílem v počtu chromosomů - Muntiacus reevesi: 2n=46 - M. feae: samice 2n=13, samec 2n=14 - M. crinifrons, M. gongshanensis: samice 2n=8, samec 2n=9 - Muntiacus muntjak vaginalis: samice 2n=6, samec 2n=7 Chromosomy muntžaka malého (Muntiacus reevesi, 2n=46) Chromosomy muntžaka červeného (Muntiacus muntjak vaginalis, samice 2n=6, samec 2n=7). Mnohočetné fúze chromosomů Případ karyotypové variability u muntžaků jasně ukazuje, že znalost karyotypu u jednoho druhu nic nevypovídá o karyotypech jiných druhů, ani těch nejbližších. Screening karyotypů dalších druhů ukázal, že společný předek muntžaků měl mnoho malých chromosomů a karyotyp s malým počtem velkých chromosomů je odvozený. Pozdější práce, které využívaly molekulární techniky (FISH s telomerickou sondou), lokalizovaly u muntžaka červeného telomerické sekvence uvnitř chromosomů a tím dokázaly, že velké chromosomy vznikly mnohočetnými fúzemi chromosomů. Pohlavní chromosomy Pohlavní chromosomy - přítomné jen u jednoho pohlaví (XX/XY; ZZ/ZW) nebo u obou v různém počtu (X/Z) - rychlá evoluce (adaptace, speciace) - běžné u živočichů, vzácné u rostlin Silenka širolistá (Silene latifolia) XY Šťovík (Rumex acetosa) XY1Y2 Pohlavní chromosomy v různých fázích degenerace najdeme u různých skupin (nejen) obratlovců. Např. obojživelníci mají často kryptické (= homomorfní) pohlavní chromosomy, podobně jako hroznýšovití hadi. Málo odlišné chromosomy mají běžci, čili bazální větev ptáků a některé ryby. Savci, letci a zmije mají vysoce odvozené pohlavní chromosomy a vrcholem jsou hlodavci slepuška (2 druhy rod Ellobius) a krysa japonská (Tokudaia osimensis), kteří ztratili chromosom Y a s ním i gen Sry, zatímco skupina genů důležitých pro spermatogenezi byla přenesena na X. Pohlavní chromosomy se vyvíjely z autosomů nezávisle u různých skupin, takže není divné, že co je pohlavní chromosom u jedné skupiny, je jinde autosomem, např. Z kura odpovídá lidským chromosomům 9 a 5, savčí X je homologický kuřecím chromosomům 4p a 1. Chromosomy Z a W hadů a ptáků taky nejsou homologické, ptačí ZW je hadí 2, hadí ZW je ptačí 2. Zatímco u živočichů jsou diferencované pohlavní chromosomy běžné, u rostlin se vyskytují málo. Druhy, na kterých se pohlavní chromosomy zkoumají, jsou např. jahodník, silenka, papája nebo šťovík. Typ a tvar chromozomů Monocentrické x Holocentrické Obratlovci, většina bezobratlých a rostlin Více crossing-overů -> vyšší variabilita potomků Citlivé na zlomy chromozomů -> zastavení v G2 -> letální Asi ¼ bezobratlých, 3% rostlinných druhů Málo crossing-overů -> pomalejší adaptace Vysoká odolnost proti UV, gama, kosmickému záření Monocentrické V karyotypu druhu obvykle převažují buď metacentrici nebo akrocentrici – Proč? Tvar chromozomů zřejmě nepřináší evoluční výhody/nevýhody Evoluce karyotypu a meiotický tah Evoluce karyotypu a meiotický tah Asymetrické dělicí vřeténko hraje roli jen v samičí meióze Asymetrické vřeténko -> přednostně kratší/delší chromozomy do vajíčka -> Karyotyp savců je převážně tvořen z meta- nebo akrocentriků Možnost změny orientace vřeténka Prokázána u myši, dvě subpopulace, cca 500 let Vznik nového druhu je často provázen změnami v karyotypu. Studium karyotypů 1170 savčích druhů ukázalo, že většina z nich se skládá buď převážně z akrocentrických nebo převážně z metacentrických chromosomů, zatímco jen málo druhů má karyotyp složený z podobného počtu meta- a akrocentriků. Mechanismem, kterým vzniká karyotyp složený převážně z jednoho druhu chromosomů, je zřejmě meiotický drive v samičí meióze. Základem pro něj je fakt, že samičí meióza je asymetrická (jen jedna buňka ze čtyř produktů se stane gametou). Dalším předpokladem je asymetrické dělící vřeténko, jehož jeden pól je schopnější v chytání centromer. Pokud dojde k Robertsonovské translokaci (která je poměrně častá, např. u člověka k ní dochází u 0,1% meióz), tak zfúzovaný chromosom má větší šanci dostat se k pólu, který je méně efektivní v chytání centromer než jeho dva homology (samozřejmě vznikají i nebalancované gamety, ale to je většinou fatální). Pokud je tento pól na straně, ze které vznikne vajíčko, bude mít karyotyp tohoto (budoucího) druhu tendenci shromažďovat metacentrické chromosomy (vzniklé Robertsonovskou translokací), pokud na straně, ze které vznikne pólová buňka, budou se do vajíčka přednostně dostávat akrocentrici. U člověka, myši a kura byla v samičí meióze skutečně pozorována tendence shromažďovat buď akrocentriky (myš) nebo metacentriky (člověk, kur) ve vajíčkách, zatímco v samčí meióze se chromosomy rozcházely náhodně. Na obrázku jsou uvedeny počty balancovaných gamet vyprodukovaných samčími a samičími nositeli balancované Robertsonovské translokace. Horní řádek uvádí počty gamet, dolní výsledek X2 s P testující hypotézu, že distribuce chromosomů je náhodná. Orientace vřeténka se občas změní, což vysvětluje dramaticky odlišné karyotypy u některých příbuzných druhů (myš, munžak). U myši (Mus musculus) byla změna pozorována u populací, které byly izolovány teprve před 500 lety! Molekulární podstata drivu není známa. De Villena a Sapienza (2001) Genetics Evoluce karyotypu a meiotický tah + Robertsonovské translokace Myš domácí – 2 poddruhy, 500 let izolace Mus musculus musculus – původní karyotyp 2n=40 akrocentrických chromozomů Mus musculus domesticus – fúze chromozomů -> 2n=22-38 Různé počty chromosomů u blízce příbuzných druhů jelínků Muntiacus různé druhy: Silenka širolistá: model pro studium mladých pohlavních chromosomů člověk (Homo sapiens): 300 mil let silenka širolistá (Silene latifolia): 10 mil let Degenerace chromosomu Y již v časných fázích jeho evoluce Akumulace repeticí na mladém chromosomu Y (CAA)n •Jaká DNA se akumuluje na Y? Zjistili jsme, že promiskuitní plastidová DNA •Dovolte odbočku: organely byly původně volně žijící bakterie, po endosymbioze (vznik eukaryotické b.) přenos genů do jádra •U člověka také akumulace mitochondriální DNA na Y Degenerace genů na chromosomu Y: Více repetitivní DNA v genech na chromosomu Y • Co bylo dříve? Akumulace repeticí nebo degenerace genů? Konec • • • •Isochory: bloky genomové DNA (stovky kb-Mb) s charakteristickým GC-obsahem, ostrý přechod (G. Bernardi) •- shlukování do skupin s diskrétními GC-obsahy, u člověka typy L1, L2, H1, H2 a H3 (GC nejbohatší, tvoří jen 3% ale obsahuje 25% genů) -Mozaiková struktura genomu obratovců a rostlin Izochorový model organizace genomu Původ izochor: 1. Výsledek mutací? 2. Výsledek selekce? 3. Genová konverze? http://www.istitutoveneto.it/flex/FixedPages/Common/exampleTemplates/img_soci/237.jpg http://image.slidesharecdn.com/2014-03-07delivery-140518080754-phpapp02/95/comparative-genomics-and -visualisation-part-1-79-638.jpg?cb=1400402528 GENOMOVÉ PROJEKTY První genomové projekty - začátek éry genomiky 1977: první kompletní genom (virus) - bakteriofág phiX174 (5 386 bp) Sanger et al., Nature 265, 687-695. 1995: první kompletní genom autonomního organizmu - bakterie Haemophilus infuenzae (1.38 Mb) Fleischmann et al., Science 269, 496-512. 1996: první eukaryotický organizmus - kvasinka Saccharomyces cerevisiae Goffeau et al., Science 274, 563-567. Genomové projekty 2000: Drosophila melanogaster (137 Mb/13 500 genů) 1996: Saccharomyces cerevisiae (12 Mb/ 6548 genes) 1998: Caenorhabditis elegans (97 Mb/19 099 genů) Mus musculus (3 300 Mb) 2000: Arabidopsis thaliana (125 Mb/25 500 genů) Sekvenování lidského genomu Genomes OnLine Database (GOLD): https://gold.jgi.doe.gov/ Jak zjistit stav genomových projektů Genbank - sekvence DNA, veřejně přístupná SRA –sequence read archive – NGS data SWISS-PROT - sekvence proteinů, popis funkce, struktury domén dbEST - sekvence cDNA z různých organizmů REBASE - restriktázy a metylázy PEDANT - kompletní nebo parciální sekvence genomů PDB - 3D koordináty makromolekulárních struktur REPBASE – repetitivní sekvence 7.3.2019 Objem dat v databázích roste exponenciálně Počet bází 1014bp The International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC; http://www.insdc.org) Genomové sekvenační projekty (počet genomů) Sekvenační centra http://previews.figshare.com/1090780/preview_1090780.jpg Související obrázek Prudký pokles ceny sekvenování genomu (člověk) http://www.genome.gov/images/content/costpergenome2015_4.jpg Které jiné zboží zlevnilo téměř 100 000x ???