uard Kejnovsky l evoluční ge RNA A OSNOVA 1. Svět molekul RNA, počátky 2. Ribozymy 3. Relikty světa RNA 4. První genomy 5. Původ prokaryot Svět RNA Siiigle-srranded DNA 4 Funkční specializace dnes: ^ - uchování genetické informace - nukleové kyseliny - strukturní a katalytická funkce - bílkoviny Období, kdy oba typy funkcí zastával jeden typ sloučenin RNA - informační i katalytická molekula 1982-83: objev ribozymů DNA replication ■v1 DNA Transcript] on and replication Pioroin Důkazy RNA světa 1. Důležitá role RNA v realizaci genetické informace dnes 2. RNA viry, retroelementy, telomery a konzervativní mechanizmus jejich replikace 3. Ribozymy - enzymaticky aktivní RNA Kritéria testující zda RNA je reliktem světa RNA: 1. Katalytické vlastnosti 2. Všudypřítomnost 3. Centrální postavení v metabolismu Centrální role RNA v dnešních biologických systémech REDUPLICATION: primer RNAs, telomerase RNA TRANSCRIPTION < 6SRNA 7S K RNA, SRA RNA, Xist RNA, Air RNA PROCESSING: sno RNAs, gRNAs, snRNAs, RNase P, self-splicing introns Regulation Tranjs- . peptidation ^ ^ TRANSLATION Pozůstatky RNA světa se Protein dosud zachovaly a jsou skryty-1 ve spleti buněčných procesů siRNA, miRNA Replication? asRNAS (ntícF, CopA, OUT) OxyS, DsrA sRNA miRNAs tm RNA Degradation Regulation Degradation T/M translocation: SRP 4.5S RNA, 7S RNA Počátky světa RNA Nucleotide structure Phosphate O" i 0=P-0-C I o N S, N- ■N, Base H OH H Sugar Ribóza: formozová reakce z formaldehydu (Butlerow 1861), směs pentóz á hexóz, nestabilita ribózy, Pb-katalýza, Ca-borátová stabilizace, alkalické pH Puriny: syntéza z HCN a formamidu, adenin v chondritech Pyrimidiny: reakcemi mezi molekulami kyanoacethylenu nebo kyanoacetaldehydu, vyšší výtěžky v přítomnosti močoviny, výtěžky lze zvýšit zmrazováním nebo v podmínkách "vysoké energie (hydrotermální prameny) Nukleozid: vazba bází na cukr, beta-orientace, slabý bod hypotéz Nukleotid: fosforylace nukleozidů v roztoku CaP (hydroxylapatitu, vysoká teplota, malá účinnost), syntéza polyfosfátů, význam trifosfátů. Racemická směs nukleotidů: alfa a beta a L a D-izoformy Polymerizace: pomalá a spontánní, nespecifická, racemická směs, pouze 5-3 fosffodiesterová vazba mezi beta-D-nukleotidy byla funkční a byla prodlužována při nízkých teplotách (led) katalyzováno ionty kovů, v hydrotermálních pramenech Počátky světa RNA - tvorba cukru (formózová reakce) Ribóza: - formozová reakce z formaldehydu (Butlerow 1861), směs tetróz, pentóz a hexóz, nestabilita ribózy - Pb-katalýza, Ca-borátová stabilizace (pentóz), alkalické pH - Tautomerizace: aldehydy - ketony formaldehyd glyceraldehyd Tetrózy, pentózy, hexózy glykolaldehyd CH2OH*CHO 2 CH£OH»CHO formaldehyd CH20 CN2OH - CHOH- CHOH- C HO CH2OH*CHOH*CHO CH2OH - CHOH-C- C H2OH tetróza CH20 I CHíOH-C-CHjOH II glyce?aldehyd FIG, 1, The simplest hypothetical auloealalylic lormose reaction cycle. In each turn of the cycle, a glycolaJdehyde molecule facilitates the synthesis of a second glycoJaldehyde molecule from two formaldehyde molecules. The stereochemistry at the asymmetric carbon atoms (marked with asterisks in the diagram) is not specified. Počátky světa RNA - tvorba purinů a pyrimidinů Syntéza adeninu: z kyanovodíku Nízká efektivita a specifita syntézy nukleotidů vedla k navržení alternativních genetických systémů (a) CN-+HCN H' > BN=C-CN hí;n NH2-CH 'cwjcí/cYNHa HCN tetramer (b) HM=GH-NH2 NC ,NH5 if \ Amino-cyano-imidazol (AICN) ÍI (c) I') H2N^N ' H H20 O II H2N-C^-M, II H in H r\C\ C2NZ CNO- C2N2 HCN 1' 1 1 puriny H FIG. 2. Step? in possible prebiotic syntheses of adenine from HCN. (a; The formation of the HCN tetramer. (b) The conversion of HCN tet miner to AICN. {c) The formation of pu rines fro nt AICN or from it s hydrolysis prod uct 4-amino -imidazole- 5- carboxamide CHI J- cyanoacetylén Syntéza cytosinu: - z cyanoacetaldehydu nebo cyanoacetylenu Abiotická syntéza nukleotidu a polynukleotidu 1. Syntéza nukleozidů: vazba bází na ribózu 2. Tvorba nukleotidů: fosforylace nukleozidů (racemát) 3. Tvorba polynukleotidu - tvorba fosfodiesterové vazby Chemická kondenzace aktivovaných 5'-polyfosfát nukleotidů - Jtalyzovaná Nekatalyzovaná o=p-o "b 0 = P-0 OH ' 5'-2' OH | N, 0=P-0—i ) í+ 5'-3'« « l o=p—o tí O —P —O-P —o OH i- "N 5'-5 OH OH OH OH hr O—P-O—P—o OH | OH 0-P=0 N OH 0 = P-0 tí OH OH 0~P=0 0 = P-0 N "tí OH OH povrch montmorillonitu (katalyzuje oligomerizaci) Zn2+ 5'-3' cukrfosfátová páteř oligoribonukleotidu 5' Převaha 5'-3' až 40-mery 5'-2' cukrfosfátová páteř oligoribonukleotidu Neenzymatická replikace RNA a tvorba dvouřetězcové RNA Zrod replikace (4mld)- komplementarita - neenzymatická syntéza dle templátu Většina aktivovaných nukleotidů tak činí jen velmi neochotně Tvorba dvojvláknových i trojvláknových struktur Úloha kovových katalyzátorů, zvláště Pb2+, montmorillonitu, uranylových iontů Koevoluce RNA molekul na minerálu, později enkapsulace v membráně? Kondenzace oligoG podle polyC templátu dvou- nebo troj-vláknové komplexy Ligační reakce - zvýhodnění vazeb 5'-3' Nejlépe je-li dsRNA v A-formě Spontánní syntéza prvních RNA _přechod k DNA_ a Ribor.ucleotides Primardiil RNA nclecuie Spon tanec jí potynrenzätJcn Kopírování RNA New compkfnencary copy AlbWHKJtOCJdlI D+uJťyľhtjUrtutlwtJil** RNA -> DNA Codlnj RNA DNA Deoxyribonukleotidy vznikají redukcí ribonukleotidů, tymin z uracilu Proč je genetická informace uložena v DNA Rozdíly mezi RNA a DNA: Ribosa (2'-OH skupina) Uracil místo thyminu DNA nm Důsledky: - vyšší chemická i fyzikální stabilita DNA (UV záření) - delší molekuly (uchování komplexní informace) - dvouřetězcová (replikace) - méně reaktivní deoxyribóza - konformační flexibilita - funkční relevance Předchůdci molekul RNA •Genetické systémy bez fosfátů (.jiná páteř): •homoDNA - založená na 2,3-dideoxy-D-glukóze • pRNA - založená na pyranosylu • TNA (threose nucleic acids) - tvoří dvoušroubovici • PNA (peptide nucleic acids) - achirální, směs pravo- i levotočivých helixů, tvoří dvoušroubovici s NA - přechoc • Minerály, jíly (Cairns-Smith 1982) N- r HN X " NH X (a) (b) ANA FIG. 10. [a) The amino acids that are combined to form ANA. B designates a standard nucleotide base, (bj The proposed base-paired structure formed by alternating ANA peptides. (Redrawn with slight modifications from. Diederichsen, U. (1997). Alanyl PNA: evidence for linear band structures based on guatiitie-cytasine base pairs, Angew Chem Intl Ed Engl .16(17): 1886.) en 0=P-O 4 c ::*-*'"' 9 e ô o-ř-ů .-5 eooH PROTEIN > .... ,A ^ DNA CONH; PNA Genetické systémy předcházející Molekuly RNA: - chemicky nestabilní - strukturně složitá světu RNA Peptidová nukleová kyselina (PNA) o NH 0 OH 1 o= P O XK N NH O O DH I o= P —O [ o O" N NH O 0 I o= P — o 1 o RNA OH N O O' PNA Páteř - lysin, glycin RIBOZYMy Co dokáží RNA katalyzátory (ribozymy) (A.) A f ItiOTyrt\o that is also a. coding molecule C B J A rrbozyme That syn tries, i z « codmg molfrCulAt Adaptor RNA Ami no acids flibůzyme component ■_ Ribofiuclíoa>dei Coding CřOmrOFMrKt \ i ■ ■_■ ■ ■ ' ■ ■ Coding RNA Adaptor R IMA Amino- acids (a) Kódující RNA je součástí ilbozymU (b) Ribozym katalyzuje syntézu kódující RNA Katalyzované reakce - substrátem většinou RNA: 1. nejčastěji hydrolýza fosfodiesterových vazeb (endonukleáza) 2. obrácený směr - syntéza fosfodiesterových vazeb (ligáza, polym.) 3. transesterif ikace - editace, sestřih Substrátem není RNA ! 1. syntéza peptidové vazby RNA se dokáže sama modifikovat, vystřihovat, spojovat. 99 Hammerhead" ribozymy - tři dvoušroubovice stýkající se v konzervovaném jádře 13 nukleotidů - nejjednodušší popsaná forma katalytické RNA - popsán v ssRNA genomech rostlinných patogenů, viroidů a virusoidů, satelitní DNA čolků - replikace mechanismem valivé kružnice - štěpení konkatemerů - katalyzují i opačný směr reakce - ligaci - přirozená aktivita v cis, v umělých molekulách i v trans krystalová struktura - tvar „Y" Vlásenkové (hairpin) a VS ribozymy - vlásenková struktura, odvozené z ribozymů hammerhead - antivirové aplikace, HIV-1, ligáza při manipulacích s RNA Ribozymy: introny I. skupiny v genech pro tRNA, rRNA i mRNA mt hub, cp řas, bakterie, bakteriofágy 1982 - Thomas Cech: sestřih pre-rRNA prvoka Tetrahymena - „homing", gen kódující „homing endonukleázu (HEG)" f^f^f^ - dvoukrokova transesterif ikace, bez energie "samosestnh - guanosinový kofaktor - manipulace aktivního místa umožní trans reakci Sekundární struktura intronu a internal guide sequence (DľSS) O ■í> Uň — 5' Exon nu ö ö Životní cyklus a homing Precursor RNA No intron Precise loss Intron invasion .and fixation Intron loss Precursor RNA Intron with nonfunctional H EG J HEG -- Homing Precursor RNA Functional mobile intron or HEG Loss of HEG function TRENDS in Genetics Ribozymy: introny II. skupiny - méně rozšířené, odvozené, bakterie, organelové genomy eukaryot - adenosinový kofaktor - „retrohoming" - inserce do alel bez intronu, reverzní transkripce Sestřih Reverzní sestřih DNAzymy - enzymaticky aktivní DNA - připraveny in vitro selekčními metodami (SELEX) - „10-23" deoxyribozym, katalytické centrum (15bází) + dvě ramena vážící substrát, štěpí RNA - výhody DNA: tvorba DNAzymů rezistentních k nukleázám, sekvenční specificita - tvorba molekul DNA podobných proteinům (báze s postranními AK řetězci, OBR.) - antivirové, proti HIV-1 RNA, - cílené proti „rakovinovým" genům Osud RNA katalyzátoru po převzetí jejich funkce proteiny Přechod RNA proteiny stále probíhá 1. Vymizely: 2. Převzaly nové funkce: Ribozom: replikace translace Spliceosom: rekombinace sestřih 3. Zachovaly si vysoce konzervativní funkce: - snoRNA - úpravy rRNA - RNAza P - úpravy tRNA - snRNA - sestřih intronů v mRNA - tyto funkce vysoce konzervativní - zachovaly se u eukaryot - ztráta některých RNA reliktů u prokaryot - proteiny jsou účinnější RELIKTY SVĚTA RNA Představitelé reliktu světa RNA 1. tRNA - od replikace k proteosyntéze 2. Ribozóm 3. Sestřih a snRNA 4. Maturace rRNA a snoRNA 5. Maturace tRNA a RNázaP 6. Signální rozpoznávací částice a srpRNA 7. Editace RNA a řídící RNA (gRNA) 8. Telomeráza a telomerická RNA 9. Vault RNA (vRNA) Starobyle struktury: Ribozóm - proteosynteza, účast rRNA, tRNA a mnoha proteinů (původně replikace) Spliceozóm - sestřih pre-mRNA, účast snRNA a mnoha proteinů (původně rekombinace) Snorpozóm - sestřih pre-rRNA, účast snoRNA a mnoha proteinů 1. Role tRNA a ribozómů: od replikace k proteosyntéze Dnešní translace - složitá koordinovaná síť interakcí RNA a proteinů -vyvinula se z mnohem jednodušších systémů existujících ještě ve světě RNA (RNA-RNA interakce), důležitá schopnost replikace° Prvotní funkce ribozomů - polymerizace nukleotidů - RNA replikace Původní role ribozomu v replikaci: - Ribozomální protein S1 a translační elongační faktor Tu a Ts - jsou podstatnou složkou replikázového komplexu fága QB - Elongační faktory jsou složkami replikázových komplexů některých rostlinných RNA virů Hypotéza genomových značek: Molekuly primitivních tRNA fungovaly jako značky molekul RNA určených k replikaci Rna ribozymy, TLS (tRNA-like structures) - na 3-konci Qbeta Aniinoacylace tRNA - další značka Pozůstatky replikační role tRNA v dnešních genomech 1. Telomeráza: krátký fragment RNA funguje jako templát pro RT 2. Retroelementy: tRNA funguje jako primer syntézy cDNA při reverzní transkripci 3. RNA viry: struktury podobné tRNA na 3-koncích genomové RNA TLS (tRNA like structure) jsou aminoacylovány histidinem, valinem nebo fyrosinem a~ fungují jako primery replikace RNA, jen 3-koncové CCA nebo CCCA jsou potřebné pro replikaci 2. Ribozómy: ribozymy stabilizované Ribozómy lze proteiny považovat za relikty světa RNA O 16S rRNA (1542 b) <8> prokaryotický ribozóm malá podjednotka velká podjednotka 5S rRNA (120 b) 32 proteinů (L1-L34) 21 proteinů (S1-S21) S1 - role v replikázovém komplexu fágů Ztidyltransferázová aktivita A C2904 b) L2 - někde převzal PT roli 2. Ribozómy: ribozymy stabilizované proteiny Dnešní ribozóm: - RNA-RNA interakce: tRNA - 23S rRNA - peptidyltransferázová aktivita rRNA - u některých organizmů převzal tuto roli ribozomální protein L2 Protoribozóm: - představa ribozómu tvořeného pouze RNA, in vitro experimenty - původně odlišná funkce, replikace - velikost 7500 nukleotidů (Eigenův limit) - původně možná více ribozymů - RNA je schopna aminoacylace tRNA 3. Sestřih, spliceozóm a snRNA Spliceozóm: - posttranskripční úprava pre-mRNA (hnRNA), vystřižení intronů " I^NSa —lRlJeARí'Nt^ercíkcetUry podobné intronům 11 skupiny a hammerhead - starší neA , t^bc?- původ v rekombinaci molekul RNA - bimolekulární trans-splicing molekul ssRNA Malé jaderné RNA (snRNA) nacházejí se v jádře eukaryot účastní se sestřihu pre-mRNA a udržování telomer tvoří nukleoproteinové částice (snRNP = snurps), každá s více proteiny jsou kódovány introny U1, U2, U4, U5, U6 U4+U6 se párují spolu a U6 je katalytická Malé jaderné RNA (snRNA) 5SS bp ďSS I i -v i 4. Maturace rRNA a snoRNA snoRN/4 (malé jadérkové RNA): - účast při maturaci rRNA a ribozómů - velký funkční komplex - snorpozóm - kódovány introny některých genů - ribozomálních a heat shock genů - 8 různých snoRNA kódováno 8 introny jednoho genu - u savců nejméně 30 různých snoRNA, u kvasinky 26 snoRNA délky 5426 b (ancestrální snorpozóm) - homologie snoRNA s rRNA (18S a 28S), intra- i intermolekulární kontakty (kroslinkování) - některé snoRNA potřebují spliceosom ke své maturaci Prokaryota: absence snoRNA u prokaryot je záhadou maturace rRNA jen za účasti 'proteinů objev USsnoRNA u archebakterie Sulfolobus acidocaldarius Tvorba snoRNA I Struktura rRNA ŤITRONIC SfioKNA > EXON snoRNA folding I EXON -I EXOW I SnoRNP core protiIns p55 p50 accessory proteins snoRNP transport Nucleolus Introny jsou někdy důležitější než exony (snoRNA v intronech) - gen UHG (U22 host gene) obsahující v 8 intronech 8 různých snoRNA - sestřihem vzniká mRNA, která je však degradována - mRNA je málo konzervativní mezi člověkem a myší - hlavním funkčním produktem UHG genu jsou tedy molekuly snoRNA Tycowski et al (1996): A mamalian gene with introns instead of exons generating stable RNA products. Nature 379: 464466. 5. Maturace tRNA a RNázaP tRNA: - relikt světa RNA - konzervativní, všudypřítomná, centrální úloha v metabolismu - interakce s rRNA (CCA konec tRNA interaguje s 23SrRNA) - původní funkce v replikaci, později v proteosyntéze - některé geny pro tRNA mají introny RNázaP: - úloha v maturaci tRNA - je skutečným enzymem, štěpí opakovaně - RNA katalytická podjednotka (M1 RNA) -molekulární fosilie - jediný ribozym modifikující RNA u prokaryot RNaza MRP: RNázaP a její RNA složka -druhá podobná molekula vzniklá duplikací a divergencí u eukaryot nebo endosymbiózou - výskyt u Garda a Microsporidia - nemají mitochondrie 6. Signální rozpoznávací částice a srpRNA - RNA-proteinový komplex zajišťující vazbu ribozómu na ER a sekreci proteinů - RNA složka 7S RNA u eukaryot a archeí, asi 300 b - podobná struktura a funkce, homologie s Alu sekvencemi - stimuluje hydrolýzuGTP - původně ribozym štěpící GTP Mammalian Signal Recognition Particle proteiny □ A A A? Ľ-A I I I u ,Gu., M T M .CQauCC QiCCü^kCQüCkC C6AĽA 06 srpRNA Translation Regulation Protein Translocation Signal Recognition Schematic representation of the mammalian SRP depicting SRP9, SRP14, SRP19, SRP54, SRP68, SRP72 and SRP RNA. The part of SRP comprising SRP9/14 complexed with RNA forms a distinct structural domain known as the Alu domain due to homology of the Alu family of RNA sequences with the Alu family of repetitive DNA sequences and the small cytoplasmic Alu RNAs (scAlus). The Alu domain of SRP mediates the specific pauses(s) in the synthesis of nascent ER targeted proteins whose signal sequence has been bound by SRP54. 7. RNA editace, g-RNA, editozóm - posttrankripční úpravy - modifikace tRNA, rRNA a pre-mRNA, - substituce, inzerce, delece, kryptogeny, templátem je guide RNA (g-RNA) - eukaryota, mitochondrie trypanosorm - inzerce či delece polyU - editace je podmínkou tvorby sekundárních struktur bez nichž nemůže dojít k maturaci tRNA RNázou P Původ editace: - u mitochondrií - reakce na asexualitu (Mullerova rohatka), korekce - ve světě RNA - editace jako kontrolní mechanizmus exprese tRNA - nádorová nebo neurologická onemocnění (epilepsie) kryptogen gRNA po editaci —» jiné pořadí AK Amino acid sequence encoded Lys Val Ghi Asn Leu Val - in gene 5'...AAAGTAGAGAACCTGGTAGG...3' DNA Transcription 5J...AAAGUAGAGAACCUGGUAGG...3-' pre-edited RNA 3J...UUAUAUCUAAUAUAUGGAUAAUAU...5' CuHe RNA I I I I I I I H |+ |+ | | | | | | | | | | 5'.. .A A A G U AG A G A ACCUGGUAGG... -(pre-edited RNA spread out to show alignment) Editing 5'...AAAGUAGA C U A U A C C U Q 0 U A Q 0... 3' Edited RNA Translation of edited RNA 8. Telomeráza - problém replikace konců lineární DNA u eukaryot - RNP komplexy - RNA složka jako templát pro syntézu telomerických repeticí - RNA složka tvoří terciální strukturu, účast v katalýze nejasná - nepřítomna u prokaryot, cirkulární genomy - mutace telomerické RNA vede k prodlužování telomer - homologie s reverzní transkriptázou - starobylé RNA genomy byly lineární --> podpora hypotézy genomových značek 9. Vault RNA - přilepena na povrchu jaderné membrány a asociována s komplexem jaderných pórů - funkce neznámá, spíše funkční než strukturní (exp. odstranění RNA) - souvisí s rezistencí rakovinných buněk k léčivům - obsahuje RNA, sekvence konzervativní - tvoří značku pro transport NK z jádra a do jádra - v RNA světě existovala proto-jádro a proto-plazma, aby separovaly replikaci a transkripci, omezení šumu Provázanost ribozymů snRNA snoRNA , rRNA (spliceosom) (snorposom) (ribozóm) snRNA jsou potřeba pro sestřih snoRNA, které se nacházejí v intronech ' jiných genů snoRNA jsou potřeba pro sestřih rRNA Fylogenetický výskyt fosilních RNA Nekódující RNA: důležité regulační funkce i ii UM" ■ m á rrwT .ip% j lrmil-'ipl.:n Si/V, ^v/N/1 iiirtrr.p' r i i 1 Iňtrorri PHi 1 i-.Ua FioIí-t. Trarií-arinn- HniKodmE OH Nížinu ■fcŕldfl'hťll- ! írm*r Uihir ■fyh-rrioft* IJiriN! (UftťlPW* RNA regulace - nová genetika q 0.7E-|> D.ED-0.25- Jíl nnnnnílílíinnn"" II 1 / r //' f - podíl ncRNA vzrůstá v evoluci - vznik nového regulačního systému v době kambrické exploze Nekódující RNA 5DD0 -i 1. Transferová RNA (tRNA) 2. Ribozomální RNA (rRNA 3. Netranslatovaná oblast mRNA 4. Malé jaderné RNA (snRNA) 5. Malé jadérkové RNA (snoRNA) 6. Micro RNA (miRNA) 7. Guide RNA (gRNA) 8. Efference RNA 9. srpRNA 10. pRNA 4ČD0 -4DD0 -35D0 - 3DD0 -25D0 -2DD0 - □ Pu:ative nc^NAs with na known function □ rRHA&, sn^NAs and other nc-RNAs with known funDtion □ rniRNAs 15D0 - □ sn^'-.A^ 1DD0 - □ tRNAs 50C - n u i 1999 2004 IR EACS Gen s uts PRVNÍ GENOMY První protein: RNA-dependentní RNA polymeráza (RNA replikáza) RNA -► RNP-- protein Proteiny zvýšily účinnost ribozymů - první geneticky kódovaný protein vznikl náhodou - krátký peptid strukturně jednoduchý - interval s RNA replikonV zvyšoval jeho stabilitu či zlepšoval konformaci - syntéza potomstva musí být rychlejší než degradace rodičů - dostatečná přesnost, ale ne absolutní (možnost evoluce) RNA polymeráza -► Reverzní transkriptáza Šlechtění RNA ve zkumavce Fág Qf>: (Spiegelman 1967) -zkracování času na replikaci --> zkracování RNA genomů (po 74 přenosech eliminace 83% genomů), i jiné selekční tlaky (jedy) Tvorba nových proteinů nebo RNA nepřítomných v přírodě s požadovanými vlastnostmi Variabilita/mutace Selekce Amplifikace SELEX: „evoluce in vitro v aneb co by teroristé neměli číst viry pro genovou terapii mutace plášťového proteinu rezistence k protilátkám produkce supervirů EVOLUCE: 1. dědičnost 2. variabilita 3. selekce Hypercykly aneb cesta k buňce Původně jeden člen - duplikace a mutace - dva členy V určité fázi vývoje se objevily první parazité - zlodějské cykly. Přežily jen hypercykly schopné se bránit parazitům. Za vznikem ^ buněk tedy možná stáli parazité (hybná síla evoluce) Eigenův limit: replikační přesnost je limitujícím faktorem • Definice: Čím je vyšší frekvence chyb při replikaci, tím menší genom může projít do další generace • Omezení katastrofických dopadů chyb replikace: - více kopií (ploidie) - fragmentace genomu do chromosomů - rekombinace ^ The DarwtorEigen g První RNA organizmus kódující proteiny: Rbborgss eigensis (Jeffares 1998) První RNA genomy replikované RNA polymerázami - kódovaly 1 peptidový řetězec Množství chyb populace lišících se molekul RNA koreplikace vzájemně výhodných lineárních molekul kódujících: -replikázu - ochranný plášťový protein - konformační podjednotku. Vznik fragmentovaných interagujících genomů (podobnost struktuře eukaryontního genommu - původní, prokaryota odvozená) R. eigensis ~ 15kb genom Dnešní viry: Funkční relikty časných repl ikonu? Pohled na viry: (a) molekulární paraziti, odvození v důsledku způsobu života (b) primitivní, na hranici života podobně jako časné replikátory - funkční relikty x funkční modely RNA-proteinových replikonů RNA viry: - minimální kódující kapacita (coronaviry 30kb) - některé viry střídají fáze RNA a DNA - reminiscence RNA^DNA přechodu - primerem replikace je tRNA Mimiviry - hranice života: - velikost genomu srovnatelná s prokaryoty (1.2Mb) - metabolické geny (911 genů pro proteiny) - 10% repetitivní DNA - jen částečná závislost na hostiteli (proteosyntéza) Viroidy: nejpodobnější časným replikonům - patogeny rostlin - 200 až 10 000 kopií na buňku - malé RNA genomy (240-400 b), ssRNA, cirkulární, - nekódují proteiny - jako replikony éry před proteiny - replikovány hostitelskými RNA polymerázami - rolling-circle mechanizmus - multimery štěpené autokatalytickými ribozymovými sekvencemi - intenzivní vnitřní párování bází jejich genomické sekvence - tvorba sekundárních struktur stabilizujících genomy První DNA genomy: vznik fúzováním malých kružnic DNA - první genomy: lineární nebo cirkulární? - malé kružnicové DNA genomy, disperzní genom - fúzování, geny jako autonomní DNA - počty kopií statisticky stejné - podobné přenosům plazmidů Fáze: A. pregenomická B. rekombinační C. genomická První DNA genomy: vznik fúzováním malých kružnic DNA Důkazy: - periodicita délek proteinů - nejsnazší cirkularizace -periodicita výskytu Met - pozůstatkem extrachromosomální DNA - mobilní elementy, fágy, genomy organel - replikace satelitů prostřednictvím eccDNA Stromatolity: nejstarší stopy života - zkamenělé útvary tvořené sinicemi (?) -stáří až 3.8 miliardy let - anaerobní podmínky (archea) -> činností sinic vznikl kyslík - moderní stromatolity (hypersalinní jezera, Austrálie) Organizmy objevily fotosyntézu - fotosyntéza = schopnost tvořit těla z vody a vzduchu za pomocí slunečního záření - původní organizmy anaerobní, živily se organickými látkami v prapolévce - kyslík jedovatý (i pro dnešní anaerobní organizmy, radikály), nahrazení CO2 (skleníkový plyn) kyslíkem vedlo k ochlazení p^nety - schopnost organizmů ovlivňovat klima planety - „Gaia živoucí planeta" (James Lovelock) - Symbiogeneze (Lynn Margulis) -původně parazitismus? (J. Flegr) 6H2O + 6CO2 + záření — C6H12O6 (glukóza) + 6O2 Definice genomu - celková genetická informace organizmu - prokarylta: cirkulární chromosom + plazmidy - eukaryota: chromosomy v jádře, mitochondrie a chloroplasty původ prokaryot a hypotéza termoredukce Svět RNA podporuje představu starobylosti eukaryot 1. Mnoho reliktů světa RNA u eukaryot (snRNA, snoRNA, gRNA, telomeráza), jen některé také u prokaryot (RNázaP, tRNA), proč by úč innější proteiny byly nahrazeny molekulami RNA 2. Posttranskripční úpravy mRNA a rRNA jsou rychlé a účinné u prokaryot 3. Neexistuje selekční výhoda pro moderní vznik sestřihu a spliceosomu u eukaryot, složitější struktura, mRNA za 1hod místo za 1 minutu 4. Eukaryotické telomerázy jsou starobylé struktury, homologie s RT Původ prokaryot a hypotéza „termoredukce" - v evoluci prokaryot bylo stádium termofilních organizmů - malá stabilita RNA při teplotách nad 50oC - časové i prostorové oddělení transkripce a translace nevýhodné -degradace RNA - odstraněním intronů odpadl náročný sestřih - malé RNA vymizely nebo nahrazeny stabilnějšími proteiny f lAi or voéiá'i filtr V< mortf) ■ i- h-- - .1 ,- in-niar ■*fip 1 i imunní, iliLtduiBl MÉi)tHi p*ryarr* .....i- .\ > ■' ■_«:• k' l u'u:ini i.iJ.i 1 HxrniH^MffiiWW .'4rui. iňhti* uii P, mit 1 ■'<*** D. ľHi 4h-ir á-fľpl Éi J M* >-i- nwi y KV £1*1 ::l ■■ t-mi-il : il-í- -t .-.iŕl. ľ ; ■ r .1 i. . - Genomy prokaryot jsou mladší a odvozené Derivation of the Prokaryotes Riborgis Eukary- Prokary- eigensis LUCA otos otes DNA genome — 4- + + Diploid or polyploid 4- 4- — Telorn erase RNA + 4- 4- — Li near Genome + 4- — rRNA processing by snoRNA + 4- 4- — mRNA processing by snRNA3 4- 4- 4- — tRNA processing by RNase P 4- 4- 4- + Coupled rRNA transcription & processing — — — + Coupled transcription & translation — — — + Genome-encoded CCAtailb — — — + Genomy prokaryot jsou mladší a odvozené PŮVODNÍ GENOM - lineární - f ragmentovaný - introny obsahující - RNA molekuly potřebné pro úpravy RNA EUKARYOTA ODVOZENÝ GENOM - cirkulární - jedna molekula - operony obsahující - mnohé RNA nahrazeny proteiny PROKARYOTA