Tema 4.3 - Evolution by genome duplication (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Genómica
Año del apunte 2016
Páginas 17
Fecha de subida 19/03/2016
Descargas 59
Subido por

Descripción

Tema 4.3 - Evolution by genome duplication: Hipòtesi de les 2R, mecanismes per produir una duplicació gènica, evidències a favor de la duplicació genòmica, evidències en contra de la duplicació genòmica, els gens HOX, what is an animal?, the evolutionary significance of genome duplication, proves que demostren l'existència de la duplicació genòmica, genome duplication and speciation: reciprocal gene loss i subfunctionalization, evolutionary innovations, acquiring genomes, evidències de l'existència de la HGT, evidences of endosimbiosis, organelle DNA in the nucleous, viral eucaryogenesis

Vista previa del texto

Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo TEMA 4.3: EVOLUTION BY GENOME DUPLICATION Per tal que el genoma evolucioni, és necessari que aquest pateixi mutacions, com la seleccó i la deriva, i aquestes siguin seleccionades positivament. La mutació més important són les duplicacions.
Susumo Ohno (1970) va proposar una hipòtesi: la hipòtesi de les 2R. Va proposar que l’origen dels mandibulats es va donar just desprès de dues duplicacions genòmiques (two round WGD (Whole Genome Duplication)). Aquest fet, però, no se sap si és cert del tot.
Va haver-hi un tercer round de WGD (3R) en teleostis (Bany fish) → aquesta duplicació genòmica sí és segura. En l’evolució dels mandibulats, doncs, hi han tres possibles duplicacions genòmiques.
● Hipòtesi de les 2R: Per un únic gen esperem que desprès de dues duplicacions (2 rounds of WGD) apareguin 4 gens → 4 fold rule.
Per estudiar informàticament la localització dels loci entre espècies s’utilitza l’anàlizi Quadrupled synteny: Quadrupled synteny → genetic analysis → colocation loci En la següent imatge observem un arbre on es mostra l’evolució d’un gen (gene tree). A, B, C i D són, entre ells, ancient paralogs ja que es troben situats al mateix genoma.
A, B, C i D són gens ortòlegs del gen del grup dels invertebrats. Un exemple d’aquest gene tree són els gens Hox: 1 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Podem observar que la 4 fold rule es compleix, ja que a partir d’un gen inicial i dues duplicacions obtenim 4 gens (o copies d’aquest) finals.
Com hem dit, els gens HoxA1, HoxA2, HoxA3 i HoxA4 són paralogous ja que es troben en el mateix genoma (humà) però són orthologous amb el en Hox dels invertebrats ja que no es troba en el mateix genoma (està en una espècie diferent però té el mateix origen).
Paleopolyploidy → genome duplications which occurred at least several million years ago (mya).
● Mecanismes per produir una gene duplication: - Transposició.
- Non homologous recombination - DNA replication.
Aquestes duplicacions gèniques es poden trobar en tàndem o randomly situated depenent del mecanisme utilitzat.
● Evidències a favor de la duplicació genòmica: 1. Els gens paralogous estan col·locats en segments grans de seqüència i no es troben solapats (NO overlapping).
2. Pic de la Ks. La Ks és un estadístic de mutacions sinònimes (synonymous mitations), és a dir, mutacions al DNA que no fan canviar la seqüència d’aminoàcids. Normalment no hi ha selecció ni a favor ni en contra de les mutacions sinònimes per tant, és una bona mesura per saber el moment de divergència de dues seqüències. Es pot saber el nombre de diferències de les mutacions sinònimes entre espècies.
2 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Si dues espècies han divergit en el mateix moment, ambdues compartiran el mateix número de synonymous mutations. Si hi ha un pic de mutacions sinònimes en una espècie, llavores, hi ha una evidència de que hi ha hagut una duplicació genòmica.
Els amphioxus tenen 1 clúster (clúster=agrupació de gens) de gens Hox i els mamífers, en canvi, tenim 4 clústers de gens Hox → Es compleix la 4 fold rule (2R) → Isozymes (starch electrophoresis) and analysis of orthologous genes in amphioxus and Ciona showed that many genes were single copy whereas in "jawless” had two paralogous and mammalian had four paralogous genes.
● Evidències en contra (against) de la duplicació genòmica: - Dificult phylogeny in deep time.
- Many rearrangements of genetic material confuse the analysis.
- Autopolyploidy and allele sorting.
There has been genome duplication, what is called into question is timing and the number of duplications (lineage specific) → Sí hi ha hagut duplicació genòmica.
● Els gens Hox: Si la hipòtesi de les 2R és correcte, esperem que la 1 to 4 rule es compleixi. Un exemple d’aquest fet són, com ja hem comentat, els gens Hox (gens que s’expressen en el desenvolupament ja que regulen el desenvolupament dels segments en animals). Els gens Hox estan col·locats d’una manera específica (Exemple completament inventat: Hox 1 - Hox 3 - Hox 2…). Canviant/mutant els gens Hox es poden fer créixer les ales de Drosophila melanogaster, per exemple, en un segment que no és el normal.
L’Homeobox domain està format per 180bp (són 60 aminoàcids). També s’anomena DNA binding domain.
(Wikipedia → https://ca.wikipedia.org/wiki/Homeobox) Les proteïnes que contenen homeodominis s'anomenen homeoproteïnes i juguen un paper molt important en l'expressió del genoma, ja que són factors de transcripció i per tant contribueixen a determinar el desenvolupament de les estructures dels éssers vius seguint els eixos de polaritat del cos. Els gens Hox són un subgrup de gens homeòtics.
Els insectes tenen 8 gens Hox en el mateix cromosoma i en el mateix ordre (1 clúster). Tots els insectes comparteixen una seqüència molt semblant. A la següent imatge es mostren els 8 gens Hox 3 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo (Lab, pb, Dfd, Scr, Antp, Ubx, abd-A, abd-B) de l’insecte. Són gens paralogous amb un homebox domain: En humans hi han 4 clústers d’aquests gens Hox localitzats en diferents llocs del genoma (diferents cromosomes → En humans, en els cromosomes 7, 17, 12 i 2). És a dir, hi han 4 agrupacions de gens Hox. Alguns d’aquests gens s’han duplicat. També hi han altres gens incorporats als clústers (els gens que no estan dins dels Hox_ complex → Evx, En, Dlx, Shh, Wnt).
La hipòtesi de com s’han format aquests clústers en humans és la següent: Un ancestre amb 7 gens Hox inicials (els 7 gens es trobaven en 1 clúster) ha patit una duplicació gènica (duplicació de gens, NO CONFONDRE AMB DUPLICACIÓ GENÒMICA) i ha obtingut 14 gens Hox igualment en 1 únic clúster. Aquest clúster amb 14 gens Hox es manté en invertebrats, cefalocordats i anphioxus.
En mamífers hi han 4 còpies d’aquest clúster (duplicació genòmica), hi ha 4 copies del set of Hox genes (No hi han 14 gens als clústers ja que una còpia s’ha perdut).
4 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo La funció inicial dels gens s’ha de mantenir i, per tant, s’ha de mantenir la seqüència de gens Hox inicial però, com ja hem comentat, es poden perdre copies redundants (fet que ha passat en mamífers → no tenim 14 gens, sinó que en tenim 13). Cada un dels clústers no té els 13 gens ja que es complementen entre ells.
S’ha obtingut els 4 clústers gràcies a la hipòtesi de les 2R (procés comentat anteriorment).
En teleostis hi ha hagut una duplicació genòmica de la duplicació genòmica (els 4 clústers provinents d’una duplicació s’han duplicat). No tenen 8 clústers perquè se n’ha perdut un (tenen, tal com es mostra a la imatge anterior, 7 clústers de gens Hox).
● What is an animal? La definició de què és un animal està molt lligada a tenir o no els gens Hox.
Haeckel’s (1874) va proposar una definició d’animal observant el desenvolupament embriològic d'animals. Tots aquells animals compartien la primera etapa (stage) de desenvolupament → phylotypic stage. Avui en dia es sap que no tots els animals tenen aquest phylotypic stage.
El que sí és comú en tots els animals és un patró d’expressió gènica. Els autors van anomenar aquest patró d’expressió zootype. Els gens que s’expressen són, entre d’altres, els gens Hox.
5 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo El patró d’expressió dels gens Hox és comuna en tots els animals. La localització d’aquests gens, però, NO és comuna.
El primer gen Hox és expressat a la part més anterior, el segon gen Hox és expressat just desprès del primer, i així succesivament. Ubx (un gen Hox) és sempre expressat en el mateix segment en tots els animals. Lab (Un altre gen Hox) és sempre expressat en el segon segment en tots els animals.
TOTS ELS ORGANISMES QUE TENEN ZOOTYPE SÓN ANIMALS!!! El zootype és independent del nombre de clúster de gens Hox.
Els gens Hox tenen 3 turn helixs. Quan el gen Hox es tradueix forma la proteïna Hox. Aquesta proteïna pot unir-se, per l’homeodomain, a una seqüència específica del DNA anomenada enhancer i pot activar o reprimir l’expressió d’aquell gen (la mateixa proteïna Hox pot activar un gen i reprimirne un altre). La seqüència d’aminoàcids que conforma la proteïna Hox es plega en una helix-turnhelix estabilitzada per una tercera helix.
Algunes plantes SÍ tenen gens Hox però l’expressió d’aquests NO segueix el patró de zootype.
Desprès de formació de zootype hi han hagut duplicacions genòmiques però el zootype s’ha mantingut.
En conclusió: Què és un animal? → un organisme que té zootype.
● The evolutionary significance of genome duplicatons: Hi han hagut moltes duplicacions genòmiques en plantes i aquestes duplicacions encara es mantenen en l’actualitat. Per aquest motiu es troben plantes 4n.
Han passat moltes duplicacions genòmiques durant l’evolució. En els punts on hi han hagut duplicacions es pot observar un augment de l’arbre filogenètic: desprès de duplicacions apareixen moltes espècies noves → Les duplicacions tenen significança evolutiva.
Existeixen dos mecanismes per les duplicacions genòmiques: - Allopolyploidy: la fusió de genomes de 2 espècies diferents → hibridació d’espècies.
- Autopolyploidy: duplicació del genoma dins de la mateixa espècie → endomitosi (es replica el genoma però no es divideix la cèl·lula).
6 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo La poliploïdia (ambdós mecanismes), però, com a norma general, és letal.
Normalment tots els esdeveniments de poliploïdia són letals (En humans, per exemple, si neix un triploid (3n) aquest mor al cap de poques hores). Si l’organisme sobreviu, però, aquest té uns clars avantatges selectius.
En angiospermes hi han hagut moltes duplicacions genòmiques fa uns 50 o 70 milions d’anys. Els organismes que varen sobreviure a aquestes duplicacions són els que no han tingut polipoloidies letals. Així doncs, es varen produir moltes més duplicacions les quals no veren “triunfar”.
Els poliploids estaven més ben adaptats a condicions ambientals adverses. Les poliploidies van permetre que les angiospermes estiguessin més adaptades ja que varen obtenir: carpels tancats, flors, doble fertilització, fruits i estratègies de fertilització especials.
Observant l’evolució dels humans es troben menys esdeveniments de duplicacions genòmiques.
Desprès de cada duplicació, com en les plantes, han aparegut moltes espècies noves. Les duplicacions van permetre tenir: un sistema circulatori complex, sistema nerviós i endocrí, millors òrgans sensorials, un cervell complex, paired appendices i el sistema immune adaptatiu.
7 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Així doncs, com ja hem comentat, quan la poliploïdia és exitosa (no és letal) apareixen uns clars avantatges selectius: NORMA GENERAL: Poliploidia = letal → mort de l’organisme EXCEPCIÓ: Poliploidia = avantatge selectiu → augment del nombre d’espècies ● Proves que demostren l’existència de la duplicació genòmica: Les proves Dot plot analysis permeten comparar blocs de seqüències dins un mateix genoma.
Exemple molt simplificat: Quan la seqüència (en el nostre cas un únic nucleòtid) és igual en dos punts del genoma, es simbolitza amb un punt. Quan no concorda, no s’hi posa res, queda en blanc.
En aquest exemple real (S. cerevisiae), observem com es comparen blocs de seqüències entre els cromosomes X i XI.
Les regions numerades com 40, 41 i 42 són regions on hi han moltes seqüències iguals en ambdós cromosomes. Aquest fet indica que aquests blocs de seqüències s’han duplicat → hi ha hagut una duplicació genòmica.
El bloc 42, el marcat amb un cercle vermell, per exemple, representa una regió de similitud entre els cromosomes X i XI en les posicions de 400kb i 100kb respectivament.
Una indicació o prova de que hi han hagut duplicacions genòmiques, doncs, és tenir blocs de seqüències duplicats.
8 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Dins el genoma de S.cerevisiae podem veure més de 14 duplicacions de blocs de seqüències. Cada bloc conté més de 10 gens col·locats un darrere l’altre.
El Dot plot analysis es fa servir, doncs, per la synteny analysis.
Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Synteny) → biologists usually refer to synteny as the conservation of blocks of order within two sets of chromosomes that are being compared with each other. This concept can also be referred to as shared synteny.
En Arabidopsis hi han moltes duplicacions de blocs de seqüències ja que hi han hagut moltes duplicacions genòmiques. Si fem aquest anàlisi amb altres espècies veurem que passa el mateix.
● Genomic duplication and speciation: Quan la duplicació del genoma té lloc, aporta un benefici i és seleccionada positivament, té lloc una especiació.
*Biological concept of specie: el concepte biològic d’espècies fa referència a que quan s’encreuen dos individus d’espècies diferents, no es forma F1 o aquesta F1 té problemes reproductius (és estèril).
Desprès d’una duplicació genòmica, normalment, hi ha una reducció o reorganització del genoma.
Tot i això, és important que en aquesta reorganització es mantinguin els gens essencials, ja que s’ha de mantenir la funció.
9 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo - Reciprocal gene loss: Si hi ha un aïllament geogràfic i durant el temps d’aïllament la població inicial perd una copia dels gen, quan la població 1 i la 2 es tornin a aparellar, la seva descendència tindrà problemes reproductius.
Amb l’aïllament geogràfic es van formant dues espècies diferents.
Si s’encreua la població 1 amb la 2 es formarà, a la F1, un híbrid.
Aquest híbrid podrà sobreviure perquè encara mantindrà dues copies del gen amb la funció inicial.
Si la F1 es reprodueix (F1xF1) es poden formar descendents amb diferents fenotips: Per tal que l’organisme de la F2 pugui sobreviure, és necessari que aquest tingui dues copies o dos al·lels del gen ancestral. Com s’obsereva a la taula anterior, pot ser que els individus de la F2 siguin: - Null alleles: individus els quals no tenen cap copia del gen ancestral. No poden sobreviure, doncs, perquè no tenen la funció essencial del gen (requadre blau i fons gris fosc) - Haploinsufficient: individus amb 1 copia del gen. Aquests individus tindran dificultats per sobreviure ja que tindran menys gen essencial per fer la mateixa funció. El seu fitness (la seva eficàcia biològica → capacitat per reproduir-se) serà molt baix (requadre blau i fons gris blavós).
- Negative dosage effect: individus amb 3 o més copies del gen. Aquest fet acaba provocant efectes negatius ja que hi haurà massa producció del gen. El seu fitness també és baix (requadre blau i fons gris).
- Individus amb 2 copies del gen → individus normals (fons blanc).
La reproducció de F1, doncs, té molts pocs números de ser exitosa.
10 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo - Subfunctionalization: Quan hi ha una subfuncionalització passa quelcom semblant a l’exemple anterior (pèrdua d’un gen).
Desprès de l’aïllament s’observa com els gens han canviat. Les copies, per ser funcionals i mantenir la funció ancestral, s’han de complementar.
A l’encreuament F1xF1, es individus que no tinguin les dues copies diferents del gen, no sobreviuran ja que no tindran la funció inicial.
Com en el cas anterior, es formen diferents genotips: - Haploinsufficient: individus que només tenen una sola copia d’un dels gens que es necessiten (en tindrien que tenir 2 gens per un costat i 2 del altre per complementar-se).
Tindràn dificultats a l’hora de reproduir-se (low fitness) (fons gris).
- Homozygous lacking one essential subfunction: individus que no tenen els dos tipus de copies del gen. No es poden complementar els gens → no tenen la funció ancestral → l’individu no sobreviu (requadre blau i fons gris més fosc - només n’hi han 2).
- Individus amb 2 copies de cada tipus de gen: individus normals (fons blanc).
Reciprocal gene loss i la subfunctionalization faciliten l’especiació.
● Evolutionary innovations: Genic retention: les duplicacions genòmiques permeten un increment del nombre de gens reguladors. El 90% de les seqüències reguladores d’Arabidopsis estan duplicades.
11 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Increase complexity: amb el genoma més gran i poden haver més funcions (no oblidis, però, la paradoxa del c-valor).
Pleitropi → un gen pot tenir múltiples funcions. Una d’aquestes funcions, però, ha de ser l’ancestral, ja que sinò l’organisme mor.
Existeixen diferents factors que fan que la poliploïdia no sigui letal: Transgressive segregations (extreme phenotipes), mutational robustness (redundancy in the function) and increased vigor (heterosis). → Aquestes innovacions permeten prevenir l’extinció.
The descendants of Whole Genomic Duplication events usually do NOT survive but, when they do, their evolutionary lineage can be very successful!! ● Acquiring Genomes: Acquiring genomes és una teoria sobre l’origen de les cèl·lules eucariotes. Aquest mecanisme de modificació genòmica també és anomenat transferència horitzontal de gens/genoma (horitzontal gene/genome transfer - HGT).
Teoria de l’endosimbiosis → molts orgànuls de la cèl·lula eucariota provenen de capturar procariotes dins la cèl·lula. El fet d’incorporar cèl·lules procariotes fa que la cèl·lula obtingui noves funcions (ex: fer la fotosíntesi, a partir d’un cianobacteri; obtenir energia via mitocondri…). Aquesta teoria va ser proposada per Lynn Margulis (o Lynn Sagan a que estava casada amb Carl Sagan).
12 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo ● Evidències de l’existència de la HGT: Hi han diferents mètodes per comprovar l’existència de la transferència horitzontal de gens/genoma: - Mètodes filogenètics → Problemes amb aquest mètode: alguns gens es perden durant l’evolució per culta de reorganirzació genòmica o quelcom semblant (losses of lineage-specific gene). També hi han gens que per convergència evolutiva acaben essent semblants (convergence and unequal mutation rates).
- Nucleotipe composition analysis → el percentatge de G/C i A/T en cada espècie és diferent. Així doncs, aquest percentatge ens permet crear un llinatge específic. Si en un organisme es troba una seqüència, la qual no té el percentatge de G/C igual a la resta del genoma, significa que aquesta part prové d’un altre organisme: s’ha donat HGT.
- Unusual species distributions of genes - Homology (BLAST) → BLAST és un anàlisi bioinformàtic el qual compara seqüències.
Permet trobar zones que han patit transferència horitzontal de gens.
● Evidences of Endosymbiosis: - L’estructura del mitocondri i del DNA del plasmidi és semblant al DNA procariota: tenen una mida semblant i tenen una forma circular.
13 - Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Al mitocondri encara hi han algunes estructures molt semblants als procariotes com per exemple els ribosomes 70S..
- Una anàlisi de seqüències i estimacions filogenètiques suggereixen que el DNA nuclear conté gens que serien provinents dels plasmidis.
- Els mitocondris tenen molts enzims i sistemes de transport similars a bacteris.
Un anàlisi filogenòmic utilitzat amb mitocondris de diferents espècies mostra que el genoma del mitocondri és molt similar al genoma de 2 llinatges de Rickettsiaea (un bacteri).
Els percentatges que hi ha a la dreta de l’arbre filogenòmic mostra la composició nucleotídica: indica el percentatge o contingut de G/C al genoma.
S’observa que la composició nucleotídica dels mitocondris i de Rickettsiaceae és similar (al voltant de 30%). Els mitocondris i Rickettsiaceae tenen un ancestre comú.
La composició nucleotídica del mitocondri està, més o menys, entre el seu ancestre i el genoma dels eucariotes. El mitogenoma (genoma del mitocondri) comença a assemblar-se al genoma nuclear dels eucariotes. Aquest fet confirma la teoria endosimbiòtica.
14 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo ● Organelle DNA in the nucleus: Quan el mitocondri i el cloroplast entren a la cèl·lula eucariota, hi ha algun moviment del DNA entre els 3 genomes (genoma nuclear, mitogenoma i genoma dels cloroplasts).
Els genomes es van fent cada cop més petits → part del genoma del mitocondri i del cloroplast va a nucli. Genoma dels cloroplasts, a més, també va al mitocondri però no vicebersa (el cloroplast no accepta DNA extern).
En Arabidopsis thaliana el 18% del genoma nuclear (1.700 gens) prové de cianobacteris.
● Viral eukaryogenesis: Viral eukaryogenesis és una hipòtesi (no és sap si és cert) sobre l’origen del genoma nuclear.
Aquesta hipòtesi diu que el nucli de la cèl·lula eucariota prové d’una gran DNA viral. Considera que el DNA viral és la “cosa” viva més antiga.
15 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo PROCÉS DE FORMACIÓ DEL NUCLI: a) Un DNA víric primitiu queda atrapat dins d’una cèl·lula amb RNA (RNA cell). Aquest fet forma el nucli primitiu. La cèl·lula tindrà, en aquest moment, DNA i RNA dins seu.
b) El DNA va captant gens de l’RNA ja que el DNA és més estable (hi han avantatges selectius sobre la bioquímica del DNA).
c) Es crea una situació inestable i reversible fet que permet crear nous pre-eukaryotic viruses.
Aquests virus tenen el DNA inicial + nous gens incorporats del RNA de la cèl·lula. Quan el virus surt de la cèl·lula podrà reinfectar altres cèl·lules (tant en els punts a com el b → en diferents punts del procès).
d) Pot ser que es formin diferents llinatges de virus depenent dels gens que vagin incorporant (Hypothesis of emergence of various overlapping but not monophyletic virus lineages as well as for the rapid reassortment of genes from the viral and cellular pools before they reach their 'Darwinian threshold).
e) La cèl·lula, si el DNA (el virus) no surt de la cèl·lula i aquesta sobreviu, haurà format el nucli i obtindrem la cèl·lula eucariota primitiva. (Evolution of a stable eukaryotic cell with a fully DNA nuclear genome).
Aquesta hipòtesi també engloba bacteris i arqueus (no només va passar en eucariotes). Es creu que els virus van “introduir” el nucli tres vegades com a mínim ) bacteris, arqueus i eucariotes): Després de LUCA (last unic common ancestor) es varen diferenciar els tres regnes ja anomenats. En cada una de les seves branques filogenètiques va haver-hi la inserció del nucli a través dels virus.
16 Genòmica – T4.3 - Sònia Vivo Charles Darwin va ser el primer en dibuixar un arbre filogenètic. Aquest arbre, sorprenentment, té una estructura semblant a com és l’arbre actualment (no és correcte però la idea de com evolucionaven les espècies, més o menys, sí).
Avui en dia es sap que la filogènia és molt més complicada ja que s’ha de tenir en compte la transferència horitzontal de gens/genoma. La HGT ha passat molt cops durant l’evolució complicant molt l’estudi de les espècies.
L’arbre filogenètic vertader és quelcom semblant a la figura següent: 17 ...