48d06df9d22d23fc915fe1a54957a52c Days-of-Creation Evo_large Bible … Darwin … Jak to je? … - frekvence mutací DNA je +/- stejná, ale různé proteiny jsou různě změněné – (např. 6 ze 7 změn v cytochromu C jej poškodí; kvasinkový a lidský ubikvitin se liší třemi AMK) - takto konzervované proteiny jsou lehce identifikovatelné v různých organismech a mají „homologní“ (ortologní) funkci - srovnání genomů/proteomů ukazuje (podobně jako morfologie) na změnu („evoluci“) proteinů v čase - divergence druhů koreluje do určité míry s konzervací/divergencí DNA/proteinových sekvencí - DNA je replikována s relativně vysokou přesností (1 změna na 109 nukleotidů – cca4000 TNR12 písmen na A4 stranu – 8000 TNR12 na list – 500listů/balík – cca 250 balíků) 48d06df9d22d23fc915fe1a54957a52c - velmi příbuzné sekvence DNA/proteinů mezi člověkem a šimpanzem (nejbližší člověku) díky „krátké“ době, po kterou mohlo k mutacím docházet – jsou zachovány i nukleotidy ve 3. pozici synonymních kodonů (kodony specifikující stejnou AMK) - - - - - - - - - - přesný fylogenetický vztah (strom) mezi člověkem a primáty bylo možné určit až dle sekvenací (ne podle morfologických znaků apod.) figure 4-75 - velmi příbuzné sekvence DNA/proteinů mezi člověkem a šimpanzem (nejbližší člověku) díky „krátké“ době, po kterou mohlo k mutacím docházet (jsou zachovány i nukleotidy ve 3. pozici synonymních kodonů - odhad 1/400AMK protein za 200,000 let) - - - - - - - - - - - - velkou druhovou rozdílnost nezpůsobuje mnoho mutací (nemohlo jich tolik vzniknout) Figure 4-76 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) - pro vzdálenější organismy (člověk a myš) je sekvence odlišnější (DNA je odlišnější než proteiny – pro 1AMK více kodonů; intron je odlišnější než exon – intr. nekóduje protein) - - - - - - - čím důležitější funkce proteinu pro organismus (od nejzákladnějších po specializované) tím více je konzervovaná sekvence proteinu respektive jeho domén (velká podobnost i mezi odlišnými organismy) - konzervace je důsledkem „purifikační selekce“ (eliminace jedinců s mutacemi v esenciálních/důležitých funkcích – většinou proteinech) figure 4-78 Figure 4-78 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) - nejpomaleji se mění proteiny, které jsou zapojeny do nejvíce interakcí s dalšími proteiny (limitována, jak struktura, tak povrch) - není příliš prostoru pro změny - např. ubikvitin, DNA polymerásy, histony, ribosomální proteiny, … („drží“ základní systém) - konzervované proteiny jsou stabilní, optimální pro svoji funkci (enzymatickou aktivitu, pro interakce s partnery … ko-evolvují celé komplexy) - selekční tlak na stabilitu a funkci - nutnost zachování funkce neposkytuje příliš prostoru pro evoluci/rozvoj nových vlastností (ale neznamená ani selekci na „nejstabilnější“ či „nejaktivnější“ = určitá volnost) S A V C I …RYBY, OBOJŽIVELNÍCI, PTÁCI … Nse3-Nse4 (MAGE-NSE4) O B R A T. KVASINKY … určitá volnost v obsazení AMK O B R A T. KVASINKY … určitá volnost v obsazení AMK Guerineau et al, PLoS One, 2012 - selekční tlak na strukturu, na povrch = interakce - mutace, které neruší jsou neutrální (protein je částečně modifikován) - modifikace je kompenzována (i později) mutací partnera - změní se v čase a v budoucnu může přinést novou vlastnost - selekční tlak na stabilitu a funkci - nutnost zachování funkce neposkytuje příliš prostoru pro evoluci/rozvoj nových vlastností - pro rozvoj nových vlastností, nových druhů - spíše než druhově specifické mutace proteinů lze vidět expanzi různých genových/proteinových rodin v různých živočišných druzích - - - - - - - - (příklad superrodiny jaderných hormonálních receptorů) - duplikace a divergence jsou hlavními tahouny evolučních procesů (všechny geny/proteiny jsou „potomky“ několika ancestrálních genů/proteinů (foldů), které existovaly v nejčasnějších živých formách (nyní cca 1000 foldů na >100000 struktur v PDB, odhad cca 2000 foldů) Fig. 7-114 figure 4-85 Figure 4-85 Molecular Biology of the Cell (2008) - duplikace – na počátku stejné sekvence = stejné funkce - vyšší hladina proteinu/ů může být toxická (aneuploidie – kvasinky s 1 chromosomem navíc, nádorové buňky) - - - - - - - - - - - - - nadbytek proteinů (např. transkripčních faktorů) nebo nerovnováha podjednotek komplexů znamená disregulaci některých procesů cca 30% genomu S.c. vzniklo duplikacemi => došlo k celogenomové duplikaci (WGD) => a poté došlo k přeskupování a redukci segmentů (i chromosomů) – polyploidie u kytek … Celogenomová duplikace u kvasinek Ancestrální chromosom fi7p23 dospělý plod - duplikace – reverzní transkripcí a integrací DNA (pouze individuální geny nebo pouze domény = exony) - na počátku stejné sekvence = stejné funkce (pod jinými promotory – jiný lokus tzn. jiné „okolí“ zaintegrované „mRNA“ tzn. jiná regulace exprese – „nové“ buňky) - - - - - - - - - - - následují mutace – inaktivující tj. pseudogeny (ustaví hladinu proteinu zpět na původní) nebo nefunkční (zatěžují expresní-chaperonový aparát – snaha odstranit) Příklad: Evoluce globinů Evoluce rodiny globinů (duplikace) - červy, hmyz a primitivní ryby mají jeden globin (150AMK) - - - - - - - - - - - - - - - vyšší obratlovci mají a- a b-globin (tvoří a2b2 komplex – účinnější přenos kyslíku) – vyvinul se u vyšších ryb (500Mya) figure 4-86 Figure 4-86 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) figure 4-87 homo- na heteromery fi7p23 Evoluce rodiny globinů (duplikace) - u savců se dále duplikoval b-globin (paralog) - exprimován specificky v embryu – má vyšší afinitu ke kyslíku a napomáhá přenosu kyslíku z krve matky do krve plodu - dále se duplikoval a specializoval se na časná vývojová stádia a2e2 a pozdější a2g2 - k další duplikaci došlo u primátů a2d2 dospělý plod figure 1-26 Figure 1-26 Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition (© Garland Science 2008) - následují mutace – modifikujícící původní protein na novou variantu (podobná funkce) Příklad: histony - histon fold + odlišné sekvence (odlišně PTM) odlišné funkce (stále v rámci nukleosomů/chromatinu) figure 4-41 - duplikace celého genu nebo pouze domény – většina domén v proteinech obratlovců pochází/existuje v bezobratlých – 7% lidských proteinů/domén je specifických pro obratlovce) - opakování domén (imunoglobuliny, kolageny apod.) nebo spojování různých domén - fůze domén naznačuje funkční příbuznost nebo dokonce přítomnost v komplexu (v organismu s nefůzovanými doménami - ChimeraDB) figure 4-88 - duplikace domény - domény jsou většinou kódovány introny – bez intronů by bylo obtížnější přesně vybrat pouze „doménovou“ část sekvence - duplikací a „shuffling“ domén – poskládají se nové geny/proteiny – vytváří nová funkční/fyzická provázání (interakce => „networks“) - duplikací a „shuffling“ domén – poskládají se nové geny/proteiny - nová doména (protein) není pod tlakem „funkčním“, ale zůstává pod tlakem „strukturním“ („misfold“ = degradace) - - - - - - - - - - - zůstává hydrofobní profil (hydrofobní AMK jsou uvnitř a drží strukturu domény) – mění se povrch (můžete hledat „paralogy“ i podle 3D struktury, sekvence <25% ident. – funkce ? odlišná) figure 3-13 Figure 3-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) HTH – WHD vazba DNA vs PPI Hydrofobní – struktura, bazické – vazba DNA Schleifer et al, Mol Cell, 2003 Palecek et al, JBC, 2006 Hydrofobní – struktura, hydrofobní povrch – PPI * * - „staré“ proteiny jsou konzervovány „strukturně“ a „funkčně“ – funkčně znamená většinou „konzervaci“ interakcí (většinou PPI) - nová doména (protein) je pod tlakem „strukturním“ („misfold“ = degradace) – je ale i pod tlakem „povrchovým“ tj. tendencí povrchů interagovat (zvláště hydrofobní povrchy – hydrofobní povrch je rozeznáván chaperony a bez interakčního partnera degradován) - z toho plyne tendence duplikovaných proteinů vytvářet podobné komplexy (podobné interakce) SMC6 SMC5 Condensation looping/cohesion DNA-repair Evoluce SMC komplexů - bakterie mají po jednom komplexu složeném z homodimeru SMC/MukB a 2 Nse - - - - - - - - - - - - eukaryota mají 3 SMC komplexy – SMC heterodimery + kleisin (další podjednotky nepříliš konzervované) - (příklad využití konzervovaného motivu a alterace částí systému/komplexu) SMC6 SMC5 Condensation looping/cohesion DNA-repair - konzervovaný motiv (kroužek) - SMC heterodimery + kleisin - - - - - - - - - - - - alterace – kohese x kondensace (Nse podjednotky, faktory ovlivňující loading = místo, čas …) Evoluce SMC komplexů SMC6 SMC5 Condensation looping/cohesion DNA-repair - - - - - - - - - - - - - eukaryota mají 3 SMC komplexy + - kohesin = mitotický a meiotický (liší se kleisinem = kvasinky Scc1xRec8, navíc obratlovci mají 2xScc3 = SA1 a SA2) - kondensin (komplex I a II, I = H+D2+G; II = H2+D3+G2) Thadani et al, Cur Biol, 2012 kvasinky SMC6 SMC5 Condensation looping/cohesion DNA-repair - - - - - - - - - - - - - eukaryota mají 3 SMC komplexy + - kohesin = mitotický a meiotický (liší se kleisinem = kvasinky Scc1xRec8, navíc obratlovci Scc3 2x = SA1 a SA2) - kondensin (I = H+D2+G; II = H2+D3+G2) - SMC5/6 komplex (lidský = NSE4a x NSE4b-testis/meiosa specific) File:3condensins2(en).png > Thomas et al., CRiBMB, 2006 RNA pol II a podobnosti s pol I a III TBP-všechny 3 pol RNA polymerasy Pol I = 12 + A49/34.5 Pol II = 12 podjednotek (Tabulka) Pol III = 12 + C37/53 + C82/34/31 TBP TFIIB Vannini & Cramer, Mol Cell, 2012 - TFIIB (C-konec) váže TBP a 6-7bp up- a downstream od ohybu DNA přes cukrfosfátovou kostru (kolem TATA boxu) TFIIB TFIB TFIIIB TBP TFIIB Vannini & Cramer, Mol Cell, 2012 - Zn-ribbon s dock, B-finger/reader RNA tunel, B-core/CTD1 s wall, B-linker s CC clamp - podobné natolik, že vážou TBP + ribbon a linker mohou být zaměněny pro kteroukoli polymerásu – zatímco reader je specifický pro určitou polymerásu TFIIB TFIB TFIIIB - TFIIF se váže na pol II, stabilizuje DNA v prohlubni/cleft RNA pol II a pomáhá TFIIB s nastavením startu - dimerizace a WHD (váže přímo DNA: BREdownstream) Dimerizace WHD Vanini & Cramer, Mol Cell, 2012 Pol I = 12 + A49/34.5 Pol II = 12 podjednotek (Tabulka) Pol III = 12 + C37/53 + C82/34/31 paralogy TFIIF jsou součástí pol I a III Dimerizace WHD - TFIIF se váže na pol II, stabilizuje DNA v prohlubni/cleft RNA pol II a pomáhá TFIIB s nastavením startu - dimerizace a WHD (váže přímo DNA: BREdownstream)