Tema 4.1 - Evolution by gene duplication I (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Genómica
Año del apunte 2016
Páginas 7
Fecha de subida 19/03/2016
Descargas 61
Subido por

Descripción

Tema 4.1 - Evolution by gene duplication I: Pseudogenization/nonfunctionalization, Conservation of gene function, neofunctionalization, subfunctionalization, com es mantenen les dues copies al genoma?, mecanismes de duplicació gèniques

Vista previa del texto

Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo TEMA 4.1: EVOLUTION BY GENE DUPLICATION I La diversitat es basa en la variabilitat. El model de generació de variació genètica es basa en que es produeix una determinada mutació en un individu d’una espècie. La mutació pot ser positiva (aporta un benefici respecte els salvatges), negativa (aporta un perjudici respecte els salvatges) o neutre (no afecta la funcionabilitat del gen, per exemple, un canvi en un nucleòtid el qual no modifica l’aminoàcid que s’unirà al codó). Mitjançant la selecció, la deriva i la migració, pot ser que aquesta mutació es fixi o no. Si es van produint diferents mutacions i aquestes es van fixant i heretant, s’originarà una gran variabilitat de fenotips dins d’una mateixa espècie i, fins i tot, es podran originar noves espècies.
Durant el Càmbric va haver-hi una gran explosió de diversitat d’espècies però també un gran augment de la disparitat (més fílums → més formes diferents → més funcions noves…). La disparitat fa referència a fíliums divergents que han adquirit nous gens o té la necessitat d’adquirir nous gens. Aquest fet no es pot explicar amb el model anterior (model de generació de variació genètica). Per explicar aquest gran augment de la diversitat falta, per exemple, la generació de duplicacions gèniques entre d’altres coses: Es necessita incorporar un gran nombre de gens, gràcies a la duplicació gènica, per poder explicar l’aparició de tantes noves formes i funcions.
1 Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo Estudiant el gen Bar (un gen de l’ull) de Drosophila melanogaster es varen coneixer els efectes de les duplicacions gèniques: Com s’observa a la imatge, (A) quan només hi ha una regió del gen Bar a cada cadena (B+B+), el fenotip de l’ull és normal. (B) Si en una cadena hi ha una copia de més (dos regions Bar en una mateixa cadena) (B+B), l’ull és més petit. (C) Si hi ha una copia de més en les dues cadenes (2 regions Bar a cada cadena), l’ull encara és més petit i (D) si hi han tres copies en una cadena i només una regió Bar a l’altra cadena, l’ull és casi casi inexistent.
En els regnes de Bacteria, Archae i Eucarya s’observa un percentatge molt elevat de duplicacions, que al llarg dels anys ha anat augmentant (gran part del genoma ve determinat per duplicacions).
Gran part del genoma d’Eucarya està determinat per duplicacions.
Quan un gen es duplica, poden passar 4 coses: 1. Pseudogenization/Nonfunctionalization → La nova copia perd la funció. Ex: Els humans han perdut la família de gens receptors l’olfacte.
2. Conservation of gene function → La nova copia manté la mateixa funció. Ex: rRNA necessari desenvolupament individus: en pel dels Mycoplasma genitalium hi han 2 gens de rRNA i, en canvi, en Xenopus laevis n’hi han més de 500.
Són copies del mateix gen amb les mateixes funcions (Concerted evolution by gene conversion → Tots els gens d’una família evolucionen junts i igual). Ex: gen de l’amilasa AMY1 (enzim el qual degrada el midó): Es va observar que individus que tenien una dieta més alta en midó (High starch) tenien més copies del gen AMY1 que els que menjaven menys midó (low starch). Aixó és una selecció positiva.
2 Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo 3. Neofunctionalization → La nova copia adquireix una nova funció. Ex: gen ECP. EDN es duplica i una copia pateix una mutació seleccionada positivament (produeix un benefici). Es seguirà necessitant la copia original per poder tenir, a part de la nova funció, la funció del principi. Un altre exemple són els gens ENF (Acció antibacteriana).
4. Subfunctionalization → Les dues copies (el gen original i la nova copia) són necessaris per tenir la funció que abans s’obtenia amb el gen original. Aquest fet passa perquè es produeixen canvis en la copia i l’original, però en diferents punts. Així doncs, les copies es complementen.
A la imatge anterior observem 3 processos diferents: nonfunctionalization o pseudogenization, neofunctionalization i subfunctionalitzation.
3 Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo En el primer cas (1 ← a la llista anterior), s’observa com la copia pateix diverses mutacions que la fan tornar-se no funcional (representat com un rectangle en blanc) → es forma un pseudogen. Per aquest motiu és essencial mantenir la còpia original, ja que sinó, es perdria la funció.
En el segon cas (3) s’observa com hi ha una mutació la qual produeix una nova funció. Cal que es conservi la copia ancestral ja que, si no fos així, es perdria la funció original. Per aquest motiu es diu que les copies es complementen.
En el tercer cas (4) s’observa com hi han diverses mutacions en ambdues copies però que les mutacions mai són al mateix lloc. Així doncs, si les copies treballen conjuntament, no es perdrà la funció original. En aquest cas, doncs, les copies també es complementen.
● Com es mantenen les dues copies al genoma? DCD MODEL (Duplication - Degeneration - Complementation Model): És tant important la duplicació del gen com la duplicació de la seqüència que el regula. Aquest model es basa en mutacions deletereas i degeneratives. Complementation significa, com ja hem comentat, que es necessiten les dues copies per tenir la funció ancestral/original.
Els gens HOX es varen originar per duplicació, i per exemple en la Drosophilaels gens es troben amb el mateix ordre pel qual s’expressen. Aquests gens solen codificar per factors de trascripció. També és molt important saber que quan s’hna comparat aquest gens entre organismes diferents i tots presentaven un HOX domain.
Exemple en ratolins: El gen Hoxb1 està format per dos elements, l’element RARE (rodona blava) i l’element autorregulador (rodona verda). L’element RARE té early expression. Així doncs, primer s’expressa aquest element el qual forma una proteïna (proteïna 1). Aquesta proteïna farà expresar l’element autorregulador el qual formarà la proteïna dos.
4 Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo En ratolins, el gen Hoxb1 es duplica i, per tant, es formen dues copies diferents, ja que s’han patit mutacions: a hoxb1b li falta l’element Autoregulador (rodona verda) i a hoxb1a li falta l’element RARE (rodona blava). Així doncs, aquestes dues copies s’hauran de complementar: primer hi haurà early expression a hoxb1b i, quan ja s’hagi format la proteïna 1, hi haurà late expressiona al hoxb1a.
Les duplicacions gèniques tenen lloc a traves de dos mecanismes principals diferents: - Duplicació de tot el genoma.
- Duplicació d’una part del genoma.
● Mecanismes de duplicació gèniques (1 gen): Aquestes duplicacions tenen lloc en forma de tàndem, és a dir, la copia del gen es localitza just al costat del gen original.
a) Unequal crossing over (unequal homologous recombination): L’encreuament de cromosomes homòlegs provoca duplicacions i delecions. Com s’observa a la imatge, els dos cromosomes homòlegs no es col·loquen completament iguals, no es troben ben aparellats. Hi ha un cromosoma que es troba més desplaçat que l’altre.Aquest fa que la seqüència repetitiva (downstream → a la regió 3’ del gen) del gen vermell es trobi amb la seqüència repetitiva (upstream → a la regió 5’ del gen) del gen blau. Gràcies a mecanismes de recombinació homòloga s’aconsegueix inserir el gen blau a la cromàtide inicialment vermella (la qual ara té un fragment blau). Així doncs, al final del procés obtenim que en una cromàtide hi han dues copies del gen (tandem repeat) i en una altra no n’hi ha cap (deletion). Quan més seqüències repetitives hi han, més unequal crossing over.
5 Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo b) Unequal sister chromatid exchange.
Aquest mecanisme de duplicació és semblant a l’anterior. En comptes de recombinar-se cromosomes homòlegs, però, es recombinen les cromàtides germanes. En aquest cas, les cromàtides no s’ajunten en els mateixos punts, una es troba més desplaçada que l’altra. La recombinació es torna a donar per les seqüències repetitives (la seqüència upstream del en de la cromàtide de dalt s’ajunta amb la seqüència downstream del gen de baix). Aquesta recombinació, provoca que en una cromàtide hi hagin els dos gens i en l’altra cromàtide no n’hi hagi cap.
c) Replication errors.
Es produeix un error durant la replicació del DNA el qual provoca duplicacions de seqüències genètiques curtes.
Durant la replicació, la polimerassa salta del punt de replicació i, quan torna a unir-se, es posa en una posició incorrecta i copia la seqüència ja replicada un altre cops.
d) Retronsposo traduction 3’.
Quan els transposó es transcriu a mRNA per transposar-se, és possible que s’endugui part de DNA (situat a 3’ del transposó) que en teoria forma part del transposó. Així doncs, aquest fragment de DNA s’inserirà a un altre punt del genoma i, per tant, s’haurà duplicat el fragment de DNA (podria ser un exó, un gen complet…). Això passa si el mecanisme és copy ans paste (RNA transposons), si es dona per cut and paste (DNA transposons) no es duplicaria.
e) Retronsposo génic.
Un gen X es transcriu a mRNA pel procés normal de transcripció. Un cop ja és mRNA capta les proteïnes que ha format un transposó (ex: transposases). Al captar aquestes proteïnes, el gen X, sense ser un transposó, podrà adquirir la funció de transposó → copiar-se a una altra zona del genoma. Un cop s’hagi transportat es tornara DNA (transcripció inversa) i s’implantarà al genoma.
6 Genòmica – T4.1 - Sònia Vivo Aquest gen X’ no presentarà introns ja que aquests hauran desaparegut durant la maduració del mRNA inicial (el mRNA del gen X).
Aquest gen X’ podrà formar un pseudogen si no s’expressa o un retrogen si es col·loca (per atzar) aprop d’un promotor (s’expressarà).
7 ...