JGPGI IvCJľlOVSKN evoluční ge od vzn jiku ži od vzniku živ komplexním geno Evoluční genomikG 2009 - ČGsový plán 16.2. - Historie genomiky 23.2. - Vznik životG, genetický kód g svět RNA 2.3. - Malé RNA 9.3. - Relikty světG RNA 16.3. - PolyploidizGce 23.3. - Evoluce genomů I. 30.3. - Evoluce genomů II. 6.4. - Evoluce genů 13.4. - Velikonoce 20.4. - Evoluce sexuGlity I. 27.4. - Dynamika genomů 4.5. - Lidský genom g evoluce člověkG 11.5. - Evoluce sexuGlity II. 18.5. - StrGtegie g metody genomiky OSNOVA 1. Kosmologická předehra 2. Vznik života 3. První genetické systémy a vznik genetického kódu KOSMOLOGICKÁ PŘEDEHRA Mýty a náboženství ■ w ■ i— njn'i p" AlbertEínstein - teorie jelativ?tyi Alexander Frie řešení, smršť * Edwin , ■ Hubble ■■ ( ' galaxií, úměrný vzď George Gamow. ( počátku, existence p Penzias a Wilson (1 vnice pro vesmír emají statické vzdálených ná Velký třesk a rozpínání vesmíru Velký třesk (Big bang): - singularita - neplatí fyzikální zákony - vznik prostoru, času a hmoty - reliktní záření, inflace Otázka vzniku času: - Aristoteles - křesťanství - kosmologie - teorie strun Present Size <7l Big Bang Time - vesmíry propojeny - liší se konstantami a zákony, počty rozměrfi Present Time Open Universe Flat Universe inflace vr 10-ů5 10^» Temná hmota, temná energie Fáze vývoje vesmíru 1. Hadronová éra: - 10-44s až 10-4s, teplota 1033K až 1012K - inflace vesmíru - 10-35 - hadrony (složeny z kvarků) - jsou to mezony (2kv.) a baryony (3kv., např. proton) - z vakua se tvoří baryony (neutrony a protony) a antibaryony - anihilace a vznik hmoty a záření (fotony) prvotní asymetrie 2. Leptonová éra: - 10-4s až 10s, teplota 1012K až 1010K - nejvíce obsaženy ve vesmíru leptony (= elektrony, pozitrony, neutrina aj.) - netvoří silné jaderné interakce 3. Era záření: - 10s až 105 let, teplota 1010K až 3000K - anihilace pozitronů s elektrony, vznik záření - dále přítomny volné elektrony, slučují se protony a neutrony -> první jádra 4. Era látky: -105 až dodnes, teplota 3000K až 3K - elektrony se spojují s jádry za vzniku neutrálních atomů - vesmír průhledný pro fotony (300 000 let), rozpínání a doba temna - formování galaxií, hvězdy - světlo, dva scénáře - adiabatický a izotermní reliktní zaAení FOTOMV h. n* u Vývoj vesmíru Radi jí. of the /tsítlc Universe >■ Inflation Quark Soup Formovaní galaxií shora dolů—"zdola nahoru ADIABATICKY („SHQflA DOLŮ") HUSTOTA DÉLKA DÉLKA NADKUPA (LÍVANEC) 300x1 o6 swotôSnŕcTi tei HQZPAD ® ® GALAfífE ROZPAD HVĚZDOKUPY ROZPAD * * * * HVĚZDY 0,1r10DM, IZOTERMNI (..ZESPODA NAHORU") HVĚZDOKUPY U shlukovaní ■3 GALAXIE J lír svftt8lnýt*i SHLUKOVÁNÍ ® (® ® 1c1H> KUOA®®®^QALAXIi * SHLUKOVÁNÍ NADKUPA MOkIŮ6 světelných tet Reliktní záření: pozůstatek velkého třesku - předpověděl Gamow - objevili Robert Wilson a Arno Penzias (19641965) - teplota 2.7K, izotropní - rozpínáním se protáhla vlnová délka fotonů 1000x, původní teplota záření byla 3000K - poměr fotonů a baryonů 109:1 v čase 10-35s po velkém třesku - přesnější měření - neizotropní charakter - náhodné fluktuace - vznik galaxií Formovaní Země - Hvězdy - jaderné reaktory, 69% H + 29% He - nukleosyntéza (v nitru hvězd): proton -> vodík (11H) + neutron -> deuterium 02Ď) -> tritium (13D) -> tralphium (lehké helium 23He) -> helium (24He) -> lithium 36Li, 4He+4He => 8Be + 4He = 12C - Rozptýlení těžších prvků - supernovy - Sluneční soustava - z mezihvězdného oblaku plynů a prachu, rotace, zahuštění, 4.5mld let - Slunce - ideální velikost, _ Země* - optimální hmotnost a poloha - tektonika, vrásnění - Měsíc - sopečná činnost a atmosféra - po zchladnutí moře - prvních 500 mil. let sterilní - život před 3.8 mld let Antropický princip Fyzika totiž zjistila, že existence života na Zemi je téměř zázrakem. Stačilo by, aby fyzikální konstanty vesmíru byly jen nepatrně odlišné a hmota ani život, jak je známe, by nevznikly. Vlastnosti vesmíru jsou přesně a jemně vyladěné právě tak, že na Zemi mohl vzniknout život a nakonec člověk. Téměř se zdá, že vesmír vznikl proto, aby mohla inteligentní bytost vzniknout. V USA dal antropický princip podnět ke vzniku nového kreacionistického hnutí, "Intelligent Design". Zrodil se tak tzv. antropický princip, který zformuloval v r.1973 kosmolog Brandon Carter ve dvou verzích: "Slabá" verze konstatuje skutečnost, že svět je právě takový, že na něm mohl vzniknout život. "Povaha vesmíru a naše mssto vněm jsou slučitelné s naší existencí jako pozorovatelů". Prostě tu jsme, protože tu můžeme být. "Silná" verze říká, že do základů vesmíru byly vloženy takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život musil vzniknout. VZNIK ŽIVOTA Co je život? Erwin Schrodinger: What is life (1947) Definice NASA: - otevřený sytém - replikace - cyklická reprodukce - samosestavování - hierarchické struktury, fraktály - evoluce - směřování ke komplexním strukturám Atributy života: - reprodukce, metabolismus, růst, adaptace, odpověď na podněty, organizace - život a druhý zákon termodynamiky Klasická a moderní abiogeneze Aristoteles - život má původ v neživé hmotě Louis Pasteur (1862)- mikroorganizmy přítomny v organických materiálech, sterilizace Woehler (1828) - syntéza močoviny, kvantifikace energie při reakcích, není prostor pro vitální sílu, redukcionismus Moderní abiogeneze: - vznik života na Zemi sérií postupných kroků - stavební kameny (AK, báze) - polymery - buňka - různé hypotézy (svět RNA, Miller, panspermie) Oponenti - falzifikovatelnost, malá pravděpodobnost Rozdíl mezi klasickou a moderní abiogenezí: - frekvence vzniku života - složitost vznikajících organizmu Redukcionismus - odmítá rozdíl mezi anorganickou a organickou hmotou, složité věci lze vysvětlit jednoduššími, řada fyzika-chemie-biologie-sociologie, Dawkins Vitalistická filozofie -dělila přírodu na živou a neživou, vyloučila abiogenezi Moderní teorie chemické evoluce a podmínky na Zemi v době vzniku života A.I. Oparin (1924) - složité molekulární struktury vznikly z jednodušších Haldane (1928) - život vzešel z primordiální polévky, úloha UV záření H. Urey - atmosféry ostatních planet jsou redukující Více různých teorií: svět RNA, protenoidy, Millerovy experimenty, panspermie aj. Urey-Milleruv experiment vodní para4H20) amoniak (NH3) metan (C\-\A) vodík (H2)" dusík (N2) oxid uhličitý (CO2) The "ocean" is sampled and its composition analyzed Modifikace: 1. Pyrosyntéza 2. UV záření 3. tlakově vlny 4. kosmické záření 5. radioaktivita 6. sluneční vítr Výsledek: * 20 AK, 5 bází, hlavní cukry Námitky a současný pohled Modifikace Urey-Millerova experimentu 1. Pyrosyntéza (S. Fox) - pícka (sopky) 2. UV záření 3. tlakově vlny (průlety meteoritů) 4. kosmické záření 5. radioaktivita 6. sluneční vítr Výsledek: 20 AK, 5 bází, hlavní cukry Námitky a současný pohled: - atmosféra nebyla redukující - kyslík z fotolýzy vody a hornin - problém - kyslík byl jedem Vznik života v podmořských sopkách - podmořské komíny - 2000m - zvláštní ekosystém (extremofilove, fotosyntetické bakterie) v - vyvěrá přehřátá voda bohatá na minerály, krystalizuje sedimentuje, katalýza Teorie „hluboké horké biosféry" - první život se vyvinul hluboko pod povrchem Země - dnešní bakterie několik kilometrů pod povrchem - možnost života na jiných planetách nebo měsících Teorie světa sulfidu kovů (Wachtershauser, 1980) - za přítomnosti sulfidů kovů vznikají složitější uhlíkaté sloučeniny -jednoduchý metabolismus předcházel genetice - reakce vytvářející energii využitelnou pro další reakce cyklů - vzrůstá složitost cyklů - reakce neprobíhaly ve volném oceánu ale na povrchu minerálů (pyrit) - důležitá role kyseliny octové - jednoduchá kombinace C+H+O, dodnes klíčové postavení v metabolismu - 1997: smíchal CO, H2S, NH3, NiS, FeS při 100oC a získal AK a peptidy - podmínky podobné blízkosti podmořských sopek Potíže teorií vzniku života: vznik na povrchu Země - jedovatý kyslík rozkládá organické látky vznik na dně oceánů - RNA je nestabilní při vysokých teplotách > Vznik života v mělkých lagunách na povrchu Panspe rm ie („www. panspermia. com") Anaxagoras (5. stol. př.n.l.): zárodky života rozptýleny po celém vesmíru Lord Kelvin, Arrhenius (1908): Panspermie Sir Fred Hoyle, Crick - řízená panspermie Vesmír je bohatý na organické látky Komety: - mohou přenášet organické látky, Halley - 25% org., Hyakutake - methan Meteority: - denně na Zemi dopadá 30-150 tun kosmického organického materiálu, říve více - prebiotické reakce v mělkých lagunách, vypařování - objev aromatických polycyklických uhlovodíků (PAH) v okolí mrtvých hvězd, glycin v mezihvězdném prachu Chondrity - nejstarší kamenné meteority, obsahují chondruly s organickými látkami, Murchison - 64 druhů AK, jen 8 „pozemských" AK Bakterie - vesmírní kolonizátori? Streptococcus mitis: - náhodně zavlečen na Měsíc (Surveyor3) a po 31 měsících zpět (Apollo12) a byl životaschopný Deinococcus radiodurans: - 15 000 Gy/ 37% životaschopnost člověk 10 Gy, E coli60 Gy bakteriální spóry: - odolnost, konformace A-DNA - izolace bakterií z trávicího traktu hmyzu zalitého v jantaru (25-40 mil. roků) - solné vrstvy (New Mexico) - bakterie 300 mil let Extremofilove Acidophile: An organism with an optimum pH level at or below pH 3. Aerobe: requires O2 to survive. Alkaliphile: An organism with optimal growth at pH levels of 9 or above. Anaerobic: does not need O2 to survive. Endolith: An organism that lives inside rocks. Halophile: An organism requiring at least 0.2M of NaCl for growth. Hypolith: An organism that lives inside rocks in cold deserts. Mesophile: An organism that thrives in temperatures between 15-60 °C. Metalotolerant: capable of tolerating high levels of heavy metals, such as copper, cadmium, arsenic, and zinc. Microaerophilic: requires levels of O2 that are lower than atmospheric levels. Oligotrophy An organism capable of growth in nutritionally limited environments. Piezophile: An organism that lives optimally at high hydrostatic pressure. See also Barophile Psychrophile: An organism that can thrive at temperatures of 15 °C or lower. Radioresistant: resistant to high levels of ionizing radiation. Thermophile: An organism that can thrive at temperatures between 60-80 °C. Xerotolerant: requires water to survive PRVNÍ GENETICKÉ SYSTÉMY A VZNIK GENETICKÉHO KÓDU První genetické systémy ffj. <=í> which then serves as a template to reconstruct the original 1. Proteiny - koacerváty a mikrosféry 2. Nukleové kyseliny - genová teorie a ribozýmy 3. Proteiny i nukleové kyseliny - genetický kód 4. Jiný princip - PNA, polycyklické aromatické uhlovodíky, jíly Na počátku byly pouze proteiny: 1. Oparinovy koacerváty - aminokyseliny vznikají snadněji než báze NK - primitivní modely buňky - hromadění produktů, reakce, růst, dělení - vznikají v koloidních roztocích - problém ředění 2. Foxovy mikrosféry - otázka původu enzymatických molekul - vznikají z protenoidů = polymery vzniklé kondenzací aminokyselin - pořadí AK v těchto polymerech je náhodné - některé mohou vykazovat katalytickou funkci Na počátku byly pouze - genová hypotéza Co bylo dříve - DNA nebo proteiny? • RNA je genetický materiál i katalyzátor postuloval Crick 1968 • katalyticky aktivní RNA - RIBOZYM (Cech 1982) • RNA svět (W. Gilbert 1986) • vznik genetického kódu a proteosyntézy jednoduché polymery - replikátory, RNA evoluce složitá biochemie: DNA - RNA - protein nukleové kyseliny Nucleotides ^ [A] FENA forma ^1 [B] Ribozymea catalyze RNA replication S Amino V O ecld t9 | Protein [C] RN A Catalyses protein synthesis [DJ RNA encodsa both DNA and proton Na počátku byly proteiny i nukleové kyseliny (koevoluce) VZNIK GENETICKÉHO KÓDU 1. Unikátní vysoce nepravděpodobná událost („frozen accident") DNA ^^^^^^ gen 2. Postupný vývoj r R NA 3. Produkt rozumné bytosti - nesplňuje kriterium vědecké hypotézy (ověřitelnosti) t R NA Inkorporace bílkovin do RNA světa Dvoukroková syntéza bílkovin: 1. AK + ATP —* AK-AMP Z. AK-AMP + tRNA — AK-tRNA Aktivace tRNA, aminoacyl-tRNA synthetasa, mohl být ribozym, bez templátu, operační kód AK adenosin <^K^(£) (ATP) (aminoacyladenylát vázaný na aaRs) ©-adenosin (pyrofosfát) 1 aaRs >- Q tRNA ^ ( tRNA )- ■ aminoacyl->>_ J tRNA adenosin -(p) (AMP) Kondenzace aminokyselin, peptidyltransferasa, L je ribozym, podle templátu, genetický kód ^ tRNA y~ [n] Q tRNA ^) mRNA ribosom Důkazy postupné evoluce genetického kódu Minimalizace chyb Přímé interakce AK s kodony AK kódované podobnými kodony jsou syntetizované stejnými biochemickými dráhami GC model Nejstarší triplety GXC Gly, Ala, Val, Asp glycinové hodiny mutační expanze Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech U UUU Pne UUC Pne i \ f\r- c-__ UUA UUG Leu Leu UAA TER LK3A TER U AG TEH CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Leu AUU AUC AUA AUG He Met CGU Aig CGC Aig CGA Aig CG G Arg AGU Ser AGC Ser AGA Arg GUU .Z i\ I Val GUA Val GUG Val J_ GAG Asp GAA GL GAG Ghi Ac cic Alkyl Alkyl Anride Anonatic Hycrcxyl contaning Sufur contaning Base snop Odchylky od standardního kódu tRNA: nejstarší biomakromolekula - replikace RNA genomů s náhodným počátkem, fosilie - fág QP - výhodný počátek na 3' konci, mikrohelix - vazba AK stabilizuje replikázový komplex, - po replikaci odštěpení vlásenek - předchůdce tRNA - dle homologie se řadí vedle sebe kondenzace AK - ribozymové aaRs připojují AK, interakce AK-tRNA, aptamery - za CCA jsou diskriminační báze, operační kód - přesun bází do antikodonové oblasti, genetický kód, GC- AU-kód Předchůdce tRNA Snad signál pro replikasu, vlásenka na 3'-konci genomové RNA viru Qp> dodnes nese adaptér -CCA Syntéze peptidů předcházely jiné funkce aminokyselin - aminoacylace, předstupeň aktivace tRNA, vznik operačního kódu Struktury nebo vlastnosti vzniklé v ranějších evolučních etapách bývají v modifikované podobě použity později k jiným účelům Nekódovaná syntéza peptidů Adaptorové smyčky Diferenciace RNA na genotyp (komplementární vlákna) a fenotyp (adaptory) Změna terciální a kvartérní struktury adaptorů mohla vytvořit podmínky pro vznik peptidové vazby Aptamery a genetický kód - SELEX experimenty - aptamerové RNA silně se vážící na arginin obsahují argininové kodony (Schostak) - na počátku přímé interakce AK a RNA (kodonů) - složitý translační aparát (tRNA) až pozdějším výdobytkem 31 | UA 29 G G I G G 0 5-gaCA uC^ x 3-c u G C 13 40 c a c 9 aG agug a 10 Báze vážící arginin (zeleně) Argininové kodony (AGG) Přechod ke kódované syntéze -od operačního ke genetickému kódu Vznik operačního kódu předcházel vzniku genetického kódu Bioinformatické studie -přímá genetická souvislost operačního a genetického kódu Sekvence dnešních tRNA lze odvodit z opakovaných spojení, rekombinací a mutací krátkých palindromatických sekvencí Antikodony - pocházejí z první trojice spárovaných bazí v akceptorové části prvotních adaptorových RNA Expanze genetického kódu GC model První poloha Druhá poloha U C A G Tretí poloha Nejstarší triplety GXC ~ Val, Ala, Asp, Gly nejčastější AK, abiotická syntéza, Další vývoj mutační expanzí, adaptivní AU model Prakód obsahoval jen báze A,U První poloha: Mění smysl kódování (aa), nemění povahu aa Druhá poloha: Mění smysl kódování, Pur/Pur, Pyr/Pyr - nemení povahu aa, Pur/Pyr - mění i povahu aa Třetí poloha: Nemění smysl kódování, když ano, zachovává chemickou povahu aa U" Phe Ser Tyr Cys U Pne Ser Tyr Cys C Leu Ser term term A Leu Ser term Trp G C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gin Arg A Leu Pro Gin , Arg G A He Thr Asn Ser U lie Thr Asn Ser C He Thr Lys Arg A GCU model (Trifonov) &CX,SXU,XCU expanze GCT-nemoci pořadí kodonu v evoluci a stabilita obě vlákna kódující glycinové hodiny Met Thr Lys Arg G G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G Stejné AK v prebiotické syntéze, v prakódu i v meteoritech Jľl } Amino Acid Gty Aía Asp Glu Pro Val Ser I LT K X ++++ + + + + ++ - ++++++ + ? - - - - Murchison Meteorite ++ ++ + + ■- : - - - Spork Tube HCN Polymerization Nükhlci Meteorite ++ Same amino acids in prebiohc syntheses, meteorites Most common u-amlno acids present in code Some curiously absent from code — maladaptive? Code Metabolism Did prebiotic conditions influence the amino acid repertoire? Webet& Miller (1981), Wong & Btonskill (1979), Kverwolden e( a!. (1970,1971). Gbrin etat. (1999) Evoluce genetického kódu: Antagonistické nebo komplementární síly? I_5r5t Origin of Origin cf Origin cf ĽcrniD" udáni :ne Earn ťe gdeJe ances:Dr ife □ Code orign -5 be re och err i siry □ CodE expansion coeucluticn Cede adaption -Error niniriiza:io" Odchylky od univerzálního genetického kódu AK -»jiná AK AK -» nonsense Stop -» AK mt kvasinek, obratlovců, ostnokožců aj. Jiný organizační princip: Teorie jílu si o Alexander Graham Cairns-Smith (1985): „ Seven Clues to the Origins of Life" - anorganické křemičitanové látky tvořící krystaly - replikace - mutace - šíření do okolí, sedimentace - obdoba přírodního výběru Seven Ciues to the Origin of Life 4. C. CAlRNS-SMtTII Problém přechodu („takeover") od jílů k nukleovým kyselinám, teorie není široce akceptována Život na bázi křemíku? Důvody pro křemík: - vyšší stabilita, možnost života při vyšších teplotách - ve vesmíru velmi rozšířen - v periodické tabulce leží pod uhlíkem, podobná chemie - váže čtyři vodíky (SiH4, silan), tvoří polymery (silikony), kde se střídají Si-O (podobně jako C-O tvoří polyacetaly) Nevýhody: - je větší a proto hůře tvoří dvojné a trojné vazby - dlouhé řetězce méně stabilní - silany jsou velmi reaktivní s vodou DgIší prvky g rozpouštědlG Fosfor: - může tvořit dlouhé polymery - velmi reaktivní, stabilnější v kombinaci s dusíkem - P-N vazbu tvoří různé sloučeniny i cyklické SírG místo kyslíku - některé bakterie Rozpouštědla: ČpGvek: - rozpouští většinu organických látek i některé kovy - normální tlak: kapalný při -79 až -33oC - při 60 atm: kapalný při -77 až +98oC - podmínky pod povrchem měsíce Titanu