Tema 4.2 - Evolution by gene duplication II (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Genómica
Año del apunte 2016
Páginas 9
Fecha de subida 19/03/2016
Descargas 59
Subido por

Descripción

Tema 4.2 - Evolution by gene duplication II: Coloració en porcs - duplication by unequal homologous recombinatin, càncer en elefants, gene rearrangement, exon duplication, exon shuffling, speciation

Vista previa del texto

Genòmica- T4.2- Sònia Vivo TEMA 4.2: EVOLUTION BY GENE DUPLICATION II EXEMPLE: Coloració en porcs - Duplication by unequal homologous recombination: En aquest exemple dels porcs s’estudia el sistema de colaració del seu pelatge. Per mirar aquest fenomen es va observar i treballar amb el gen KIT = “Dominant White” locus = I. En aquest gen hi han 4 al·lels diferents (taula de sota). L’al·lel I és el dominant (crea una coloració blanca). A la taula següent es mostren els diferents al·lels i la coloració que provoquen: Els fenotips blancs amb taques negres (Patches) i els fenotips completament blancs (Dominant white - white) tenen una mutació, més concretament, una duplicació gènica. El fenotip blanc, a més, té un splice mutation.
L’estudi dels gens KIT es basa en fer una recombinació desigual gràcies als LINE (però no relacionada amb la transposició).
Es va dur a terme un estudi amb enzims de restricció (RFLP) per tal de conèixer quines espècies de porc tenien duplicacions en tàndem del gen KIT. El gen KIT codifica per una proteïna receptora de tirosin quinasa i participa en la determinació de la coloració del pelatge (determina el color blanc en porcs).
Aquest estudi es va realitzar mitjançant la tècnica Southern blot. Southern blot (Wikipedia → https://ca.wikipedia.org/wiki/Transfer%C3%A8ncia_Southern) és una tècnica de laboratori utilitzada sovint en biologia molecular per detectar una seqüència específica d'àcid desoxiribonucleic (DNA) en una mostra d'aquest àcid nucleic. Aquest mètode combina la transferència de fragments de DNA separats mitjançant electroforesi a una membrana (de transferència) i la detecció dels fragments amb la hibridació d'una sonda. El nom de la tècnica prové del seu inventor, el biòleg britànic Edwin Southern.
1 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo Què és una Sonda?: (Wikipèdia → https://ca.wikipedia.org/wiki/Sonda_d%27hibridaci%C3%B3) En biologia molecular, una sonda d'hibridació és un fragment d'ADN o ARN de longitud variable (generalment d'una longitud de 100-1.000 bases) que s'utilitza en les mostres que contenen ADN o ARN per detectar la presència de nucleòtids amb seqüències complementàries a la seqüència de la sonda. La sonda s'hibrida (s'uneix) a la seqüència complementària inclosa en el fragment de l'àcid nucleic de cadena simple (ADN o ARN) de la mostra per aparellament de bases entre la sonda i la diana. La sonda marcada és primer desnaturalitzada (per escalfament o sota condicions alcalines com ara l'exposició a hidròxid de sodi) en l'ADN de cadena senzilla (ssDNA) i després s'hibriden a la diana ssDNA (transferència Southern) o ARN (transferència d'RNA) immobilitzat en una membrana o in situ.
Amb enzims de restricció (RFLP) es van tallar seqüències i es varen posar al gel d’agarosa. Es varen hibridar amb una sonda d’intró KIT i es va observar que hi havia més hibridacions en els individus amb el fenotip I (blanc) → el porc blanc (Large white) i l’encreuament Hampshire Belt/Large white: Es van observar 2 punts de restricció. Per conèixer el punt més exacte, però, es va haver de fer una llibreria: així es va poder saber la longitud d’aquesta duplicació (KIT2) (450 kb): 2 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo Analitzant els punts de restricció/ruptura es van trobar moltes zones repetitives (LINES). Les 3 següències presenten LINEs.
La zona 1041 era bastant similar als anteriors i, per tant, és una restricció i duplicació recent → s’ha afegit una copia del gen al costat de l’original.
L’slicing mutation provoca que l’exó 17 s’elimini durant la maduració i no es pugui transportar als melanòcits (els melanocits tenen la funció de produir melanina).
EXEMPLE ELEFANTS: Potencial mechanisms for cancer resistance in elephants and comparative cellular resposnse to DNA damage in humans: En aquest exemple s’explica com és que els elefants poden combatre millor el càncer que els humans. Els elefants tenen més resistència al càncer i en pateixen menys que els humans En teoria, es suposa que: 3 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo 1. Quan un individu és més gran, té més massa → té més cèl·lules → és més probable que alguna d’aquestes cèl·lules pateixi una mutació i per tant que se li produeixi un càncer.
2. Quan un individu té una esperança de vida molt llarga (és més longeu) → és més probable que les cèl·lules vagin acumulant més mutacions i, per tant, acabi patint un càncer.
L’esperança de vida i la mida de l’individu està directament relacionada.
En aquest gràfic es pot apreciar que quan més massa té un organisme més és capaç de viure (més esperança de vida).
Es va fer un estudi i es va poder observar que, a diferència del que es pensava, no hi havia cap relació directa entre la mida del animal/esperança de vida i la probabilitat de patir un càncer.
Aquesta no relació es pot apreciar a la següent figura. Aquesta NO relació s’anomena paradoxa de Peto (Peto’s paradox).
En el seguent gràfic s’observa que no hi ha una relació directe entre la massa de l’organsme (eix X) i el percentatge de tumors (eix Y): Tan l’èsser humà com l’elefant tenen una esperança de vida similar. L’elefant, però, té més massa i, per tant, més cèl·lules. Així doncs, s’esperaria que l’elefant tingues més moralitat pel càncer que l’humà. Això, però, no és així: la mortalitat pel càncer en humans és del 11-25% i en elefants només del 4.81%.
4 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo Els investigadors es varen fixar en un determinat gen: el TP53. En humans només hi ha 1 al·lel per aquest gen i en elefants, en canvi, n’hi han més de 40.
El gen TP53 també és anomenat Guardian of the Genome ja que repara la cèl·lula que té un dany i li indica que pot continuar replicant-se o bé, si no la pot reparar, provoca que aquesta entri en apoptosi. El gen TP53 és un gen supressor de tumors.
La funció del gen TP53 és codificar la proteïna p53. Aquesta proteïna impedeix la divisió cel·lular si la molècula de DNA no s’ha replicat de forma correcta. A causa d’això, les mutacions que afecten la funció del gen TP53 fan que l’individu sigui més propens al desenvolupament d’un càncer: En humans existeix el síndrome de Li-Fraumeni. Les persones que pateixen aquest síndrome es caractarítzen per tenir una mutació al gen TP53. Aquest gen està situat, en humans, al cromosoma 17p13.1. El fet de tenir el en TP53 mutat fa que hi hagi un 90% de provabilitats de patir càncer en edats primerenques.
Les cèl·lules cancerígenes, doncs tenen aquest gen mutat i, per tant, la cèl·lula ni es repara ni es mor.
Com es veu a la figura anterior, els elefants tenen 40 copies del gen codificant de la proteïna p53 i els humans en canvi, en tenim 2 copies.
Observant el genoma dels elefants es va observar que hi havien 20 copies (haploide) del gen TP53.
En realitat, hi havia un gen TP53 i 19 copies. Aquestes 19 copies, però, eren diferents a TP53 ja que els hi faltaven introns vertaders → eren retrogens. Aquests retrogens es troben flanquejats per diferents elements transposables, diferents elements repetitius.
5 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo Aquestes duplicacions (aquests retrogens) es van originar per unequal crossing over. El primer retrogen, respecte el gen inicial, es va originar per retrotransposició. Els altres retrogens es varen formar per unqual crossing over mitjançant el primer retrogen format.
Quan més massa corporal té l’espècie, més copies del gen ha anat acumulant al llarg de l’evolució → el primer organisme només tenia una copia i al llarg del temps ha anat augmentant el nombre de copies.
Els elefants amb poc dany que tinguin les cèl·lules, ja les elimina directament (apoptosi), i no les reparen.
En humans quan no hi ha cap dany a la cèl·lula, la p53 està tetrameritzada (regulada per ubiquinina) i el MDM la regula negativament ja que inhibeix la seva funció. La proteïna p53 es pot unir a un lloc específic del DNA i activar la transcripció dels gens adjacents → Mdm-2 obstaculitza el lloc d’unió de la p53 al DNA i impedeix que la proteïna faci la seva funció. L’expressió de mdm-2 pot estar regulada pels nivells de wild-type p53 (Wu, X. et al).
Quan es produeix un dany, la p53 es fosforila, el MDM no obstaculitza el lloc d’unió al DNA i la proteïna pot dur a terme la seva funció (reparar o fer entrar en apoptosi la cèl·lula).
En elefants en canvi és diferent, ja que la proteïna P53 del retrogen té un domini d’unió a MDM i poden crear dímers. ¿? 6 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo ● Gene Rearrangement: Gene rearrangement, tal com el seu nom indica, és una reordenació d’alguns gens del genoma. Es pot produir per dos mecanismes: Duplicació de dominis (domain duplication) o “Barreja” de dominis (domain shuffling).
- Domain duplication: Té lloc quan es produeixen duplicacions d’alguns dominis dins d’un gen Aquest gen, doncs, acaba essent més llarg (exemple: duplicació del domini B).
- Domain shuffling: Té lloc quan dos gens diferents, és a dir, dos gens que codifiquen per diferents proteïnes, es combinen → alguns dels seus dominis es combinen i formen un gen híbrid i una nova proteïna la qual podria tenir, o no, una nova funció.
● Exon duplication: En aquest cas, cada domini és un exó. Exemple de duplicació d’exons: El gen α2 codifica per col·lagen. Es pot observar cada 2 aminoàcids es troba una glicina (Gly). Aquest fet es deu a que un 7 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo exó inicial va anar produint diferents duplicacions i posteriorment aquestes duplicacions s’han anat modificant. Pels 52 exons present el el gen α2, 42 presenten la seqüència de repeticions Gly-X-X (on X=qualsevol aminoàcid).
● Exon Shuffling: Aquest exó està format per diferents dominis de diferents gens. Cada exó provè de d’un determinat gen el qual liproporciona unes característiques determinades → proporcionen avantatges.
● Speciation: Com ja s’ha comentat anteriorment, la duplicació gènica és una de les causes de l’augment del nombre de noves especies. Existeixen varis exemples d’especiació. A continuació s’en mostren 2: ● Es parteix d’un gen ancestral (color blanc). Aquest gen pateix una duplicació (gen verd).
Mitjançant la inactivació d’al·lels (mutacions degeneratives → representat amb una creu), aïllament geogràfic i silenciament de gens divergentment, és a dir, cada raça silencia una copia diferent (blanc o verd), es poden arribar a formar dos races geogràfiques diferents. Quan dos individus d’aquestes dues races diferents s’aparellen, poden formar un híbrid.
Aquest híbrid podrà formar gàmetes 8 Genòmica- T4.2- Sònia Vivo funcionals (tindrà els gens blanc i verd) o no funcionals (tindrà els gens blanc i verd amb la creu → mutació degenerativa).
● Es parteix d’un gen inicial. Un individu pateix una duplicació d’aquest gen. Aquesta mutació és beneficiosa ja que el gen ha mutat i ha permès obtenir una nova funció (neofunctionalization). Quan aquest individu s’aparella amb un altre individu normal formen un individu híbrid. Aquest híbrid, però, tindrà problemes per reproduir-se ja que pot formar gàmetes no funcionals si aquests no contenen el gen inicial (gen essencial).
REFERÈNCIES: - Wu, X., Bayle J.H., Olson, D., Levine, A.J. (1993). The p53-mdm-2 autoregulatory feedback loop.
Genes & Developement, 7(7A):1126-32.
9 ...