Vývoj (individuální vývin, ontogeneze, development) je geneticky programovaný a cyklický. Evoluce (historický vývoj, fylogeneze) není programovaná, nýbrž nahodilá. Evo-Devo Evo-Devo se zabývá dynamikou vývojových procesů ve vztahu k evoluci (na úrovni fenotypové variability) Wagner et al., Nature Reviews Genetics, 2007 Homologie – společný genetický a vývojový původ Homologie – společný genetický a vývojový původ Arabidopsis “common“ leaf function is photosynthesis Homologní struktury, odvozené od společné ancestrální formy - list Duplikace genů Mutace regulačních/strukturních oblastí genů Majorgeny/Minorgeny Epigenetické změny Moore and Purugganan,Current Opinion in Plant Biology, 2005 Duplikace genů - Fates of duplicated genes Heterotopní evoluce - změny pozice (topologie), ve které jsou znaky exprimovány v průběhu vývoje - heterotopie může vytvářet nové morfologie odlišné od drah, které vyvářejí formy předků - heterotopie je zvýrazněna prostorem, nikoli časem PAX6/Eyeless PAX6/Eyeless Homeotické geny dávají vznik sériově homologním strukturám Edward Lewis (1963) : pravidlo spacio-temporální kolinearity HOMEOBOXOVÉ GENY jeden z klíčů specifikace a diferenciace embryo dospělec moucha myš Antennapedia Bithorax komplex komplex (anterior) (posterior) BITHORAX specifikuje třetí článek hrudi a zadeček: ztráta funkce – místo kyvadélek se tvoří druhý pár křídel (více anteriorní fenotyp) ANTENNAPEDIA specifikuje mesothorax: jeho ektopická „dominantní“ exprese vyvolává tvorbu nohou na hlavě (více posteriorní fenotyp) Antennapedia wt mutant zadeček hruď hlava Bithorax Homeotické geny řídí anteriorně - posteriorní specifikaci těla WT mutace : ztráta funkce genu C, „více anteriorní“ fenotyp mutace : ektopická exprese genu B, „více posteriorní“ fenotyp Polarizační oblast pupene specifikuje končetinu podél antero-posteriorní osy exprese genu Sonic hedgehog na posteriorním konci pupene poskytuje poziční signál podél A-P osy 0,1 mm pupen kuřecí končetiny polydaktylie u člověka Mouse embryos with promoter/enhancer of Sonic hedgehog from cobra or python inserted into the genome replacing the normal gene regulator Exprese homeotických genů v pupenu křídla kuřete Hox-a geny jsou exprimovány podél proximo-distální osy : Hox-a 13 je nejdistálnější Hox-d geny jsou exprimovány podél antero-posteriorní osy : Hox-d 13 je nezadnější krajta Evoluce homeotických (selektorových) genů vysoký stupeň podobnosti mezi geny skupin Antennapedia a Bithorax, všechny obsahují homeobox, 180 bp kódují 60-amino-kyselinovou homeodoménu, která se váže k DNA příbuzné geny nalezeny i u všech jiných živočichů, člověka i rostlin Homeoboxové genové shluky u metazoí jsou staré asi 1 miliardu let, prostorová/časová kolinearita částečně zachována, poprve se vyskytují na evolučním přechodu Cnidaria/Bilateralia, souvislost se vznikem tří zárodečných listů MEGACLUSTER (ancestrální ProtoHox) se postupně amplifikoval a divergoval ve tři skupiny genů (a) Hox-shluk: Lewis 1978; 5+3 geny u drosofily, 39 genů ve 4 shlucích u savců), působí především v ektodermu (b) ParaHox-shluk: Brooke, Garcia, Holland 1998; je pouze u obratlovců, blízký Hox-shluku, řídí vývin endodermu (c) NK-shluk: Kim-Niremberg 1989; 4 geny u drosofily, též u obratlovců, řídí hlavně vývin mesodermu Rostliny mají homeotické geny dvojího typu - MADS-boxové … řídí identitu květních kruhů - homeoboxové … určují architekturu vegetativních částí složený list složený list vyššího řádu transgenní rajče wild-typu u transgenního rajčete bushy rajčete s chimérickým genem knotted1 fenotyp ( Petroselinum ) Primární orgán fotosyntézy KNOX geny (TF) udržují neukončený růst meristémů Arabidopsis thaliana Solanum lycopersicum KNOX overexpression KNOX overexpression WT WT Cronk,Nature Reviews Genetics, 2001Hay and Tsiantis, Development, 2010 Evoluce a vývoj listu Cronk,Nature Reviews Genetics, 2001 initiation (I, green) primary morphogenesis (PM, blue) secondary morphogenesis (SM, red) Evoluce a vývoj listu Blein, Science, 2008 NAM – No Apical Meristem CUC – Cup Shaped Cotyledon PDS – Phytoene Desaturase (marker gene) Evoluce a vývoj listu Blein, Science, 2008 NAM – No Apical Meristem CUC – Cup Shaped Cotyledon PDS – Phytoene Desaturase (marker gene) Evoluce a vývoj listu BOP (BLADE ON PETIOLE) expression determines leaf complexity in closely related tomato species. Ichihachi, PNAS, 2014 Evoluce a vývoj listu Evoluce a vývoj listu random developmental (epi)genetic changes (in leaf architecture) can be fixed in population by selection or drift Evoluce a vývoj listu The Evo-Devo of Flowering Diversity: Where have all the flowers come from? The evolution of flowering Albert et al., BMC Plant Biology,2005 Amborella trichopoda - the most basal lineage in the clade of angiosperms (flowering plants) Primitive traits: missing vessel elements, flowers close to gymnosperms. LEAFY LEAFY – transcription factor, specifies floral meristem identity and controls expression of MADS-box genes. Loss of function mutants flowers later with flowers generally lacking petals and stamens, and largely consist of leaf-, sepal-, and carpel-like organs. Moyroud et al., Trends in Plant Science, 2010 LEAFY – Gain of function studies 35S::LEAFY (left) – long day 35S::LEAFY (right)– short day Aspen (Populus tremula) 35S::LEAFY LEAFY is sufficient to determine floral fate in diverse plant species Weigel and Nilssen, Nature, 1995 LEAFY LEAFY – single copy in angiosperms LEAFY – double copy in gymnosperms Angiosperms lost NEEDLY (female) copy Frohlich,Nature Reviews Genetics, 2003 PRFLL – Pinus radiata FLORICAULA/LEAFY-like, highly expressed in male cones NEEDLY- highly expressed in female cones Mostly Male theory LEAFY paralog was lost in angiosperms around the same becometime as flower fossils abundant, suggesting that this event might have led to floral evolution. Loss of one of the LEAFY paralog led to flowers that were male, with the ovules more being expressed ectopically. These ovules initially the performed function of attracting pollinators, but sometime later, may have been integrated into the core flower. Frohlich,Nature Reviews Genetics, 2003 Two copies of LEAFY gene in maize Bomblies,Development , 2003 MADS-box genes Evo-Devo Mondragon-Palomino, Frontiers in Plant Science , 2013 Theissenand Saedler, Nature, 2001 Xu et al., PLOS Genetics, 2012 Polinator driven developmental changes in Orchids Schiestl and Schluter, Annual Reviews Entomology, 2009 Časování vývojových procesů, zapínání a vypínání genů v závislosti na koncentraci a čase, prahové hodnoty HETEROCHRONNÍ GENY HETEROCHRONNÍ MUTACE model řízení časového vývoje larvy hlístice C-elegans specifická stádia larválního vývoje jsou určována hladinou proteinu lin-14 koncentrace lin-14 vysoká střední nízká časový gradient lin-14 je výsledkem transkripční represe lin-14 proteinem lin-4, začínající při časném vývoji larvy standardní typ represe lin-4 lin-14 mutace, „získání“ funkce, nebo „ztráta“ lin-4 funkce lin-14 mutace, „ztráta“ funkce Heterochonie Evoluční změny v rychlosti nebo časování vývojových událostí dávají vznik novým adultním fenotypům Odlišné rychlosti růstu různých částí těla během vývoje organismu jsou podstatou allometrických vztahů Heterochonie tvoří zjevnou asociaci mezi ontogenezou a fylogenezou Heterochronická evoluce Pedomorfie: je způsobena redukcí rychlosti vývoje znaku, což vede k juvenilním charakteristikám adultního potomstva jedince (vývin nastává časně = progeneze, nebo relativní redukce rychlosti nástupu jednoho znaku relativně k jinému = neotenie) Peramorfie: je způsobena zvýšením rychlosti vývoje znaku vedoucího ke zvýrazněnému znaku adultního potomstva (prodloužení růstové fáze = hypermorfóza) Heterochronní evoluce Pedomorfie: neotenie u axolotla (Ambystoma mexicanum), kde juvenilní žábra jsou zachovány až do dospělosti Peramorfie: vzrůst velikosti paroží u irského losa (Megaloceros giganteus) PROGERIE (progeneze) předčasné stárnutí u člověka Obvykle single-genové mutace jsou odpovědné za senescentní fenotypy, které imitují normativní stárnutí - impakt na určitý (jediný) orgán či tkáň (unimodální progeroidní syndromy), př. Alzheimer - impakt na mnohé orgány a tkáně (segmentační progeroidní syndromy), př. Hutchinson-Gilford, Werner Dr. Alois Alzheimer (1864-1915, Mnichov) Hutchinson-Gilfordův progeria-syndrom je onemocnění dětí způsobené mutací proteinu významného pro architekturu jádra: aberantní morfologie. Filamenty u periferie jádra odpovídají za udržování struktury a stability jádra, ochrana před mechanickým stresem. Lamina též udržují genomové domény, regulační funkce v expresi. wt HGPS Spontánní bodová mutace v kodonu 608 genu kódujícího protein lamin A Silentní aa-mutace aktivuje kryptické místo sestřihu RNA Mutantní protein progerin postrádá 50aa na C-konci Mění se jeho post-translační modifikace Progerie u člověka i myši, scvrklá jádra, defektní reparace DNA, genomová nestabilita Wernerův syndrom – autosomální recesívní choroba, ztráta funkce DNA helikázy, onset v dospělém věku. Helikáza hraje úlohu v DNA replikaci a rekombinaci, replikační vidlička. Pacienti trpí defektní replikací DNA, problémy s reparací, restrukturalizace chromatinu. Senescence – permanentní zástava buněčného dělení, dysfunkce telomer. Kuriozní antagonismus mezi stárnutím a rakovinou: buněčná senescence – zástava dělení – je obranným mechanismem k účinnému zastavení proliferace nádorových buněk. Helikáza je důležitým činitelem bránícím stárnutí buněk: mutace DNA helikázy (wrn-1) způsobuje předčasnou smrt hlístice Caenorhabditis elegans Helikázy jsou schopny rozplétat dvoušroubovici DNA (RNA) a zpřístupnit tak jednotlivá vlákna dalším enzymům (replikace, transkripce). Inhibice RNA helikázy (HEL-1) naopak prodlužuje život. The Epigenetic effect Paun et al., Molecular Biology and Evolution, 2010 A B C 5km 300km Genetic distance: A and C closely related Epigenetic distance: A and B closely related