drugi deo mol i fenot evolucija (1)
Post on 12-Oct-2015
141 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
-
PRINCIPI MOLEKULARNE I FENOTIPSKE EVOLUCIJE
Izvodi iz predavanja
BILJANA STOJKOVI I NIKOLA TUCI
2. DEO
EVOLUCIJA GENOMA
2.1. Uloga genetikog drifta i prirodne selekcije u oblikovanju genoma 2.2. Mobilni genetiki elementi kod eukariota 2.2.1. Domestikacija mobilnih genetikih elemenata 2.2.2. Mobilni genetiki elementi i retrogeni 2.2.3. Mobilni genetiki elementi i specijacija 2.3. Duplikacije genoma i gena 2.3.1. Poliploidija 2.3.2. Duplikacije pojedinanih gena 2.3.3. Mehanizmi nastanka novih gena 2.3.4. Duplikacije unutar gena 2.3.5. Postanak gena iz ncDNK 2.2.6. Postanak novih gena putem horizontalnog prenoenja 2.3.7. Gubitak gena 2.3.8. Stope sticanja i gubljenja gena 2.4. Evolucija genske regulacije kod eukariota 2.4.1. Evolucija transkripcione regulacije 2.4.2. Evolucija posttranskripcione regulacije 2.4.2.1. Alternativno iskrajanje 2.4.2.2. Mikro RNK 2.4.3. Evolucija drugih oblika genske regulacije 2.4.3.1. Poliadenilacija 2.4.3.2. Prerada RNK 2.4.3.3. Remodelovanje hromatina 2.4.4. Nasleivanje genske ekspresije - epigenetika 2.4.4.1. Genomsko utiskivanje 2.4.4.2. Epigenetike promene izazvane sredinskim iniocima
1
-
2. DEO
EVOLUCIJA GENOMA
Kada se uporede veliine genoma virusa, bakterija i eukariota, uoie se da
postoji korelacija izmeu veliine genoma i sloenosti organizma. Po pravilu, virusni
genomi su manji od bakterijskih, a ovi su, opet, manji od genoma ak i
najjednostavnijih, jednoelijskih eukariota. Analize veeg broja do danas prouenih
prokariota pokazale su da njihovi genomi variraju od 0,5 do oko 9 Mb, dok se broj
gena, koji kodiraju proteine, kod njih kree izmeu 350 i oko 8000. Vieelijske
ivotinje (Metazoa) i biljke (Metaphita) sadre obino vie od 13000 gena koji
kodiraju proteine, u genomima veim od 100 Mb. Pokazalo se takoe da kod DNK
virusa i prokariota izmeu 80% i 95% nukleotidnih nizova ine kodirajui nizovi, dok
vieelijski eukarioti, iji su genome vei i do 10 000 puta, imaju samo oko 100 puta
vie kodirajuih nizova nukleotida.
Pored (funkcionalnih) gena, u genomima postoje DNK nizovi koji se po
genomu mogu iriti zarad sopstvenog interesa. To su razliite klase mobilnih
genetikih elemenata (ME) koji svoje ime duguju sposobnosti da skau kroz genom
(na engl. se esto nazivaju jumping genes, to bi se moglo prevesti kao skoi geni) i
da na taj nain poveavaju broj svojih kopija. Smatra se da ME predstavljaju glavnu
determinantu poveanja genoma kod eukariota. Na primer, oko 45% genoma oveka
sainjavaju raspreni (nelokalizovani) ME, iji broj kopija moe varirati od nekoliko
stotina do nekoliko stotina hiljada. Kod nekih biljnih vrsta, i do 80% ukupne koliine
DNK pripada mobilnim elementima, dok kod vieelijskih ivotinja njihova
zastupljenost u genomu varira od oko 3% do 53%.
2
-
Slika 2.1. Uee kodirajue DNK, intronske i meugenske DNK u veliini genoma razliitih taksona (prema: Lynch, 2007).
Introni i intergenska DNK predstavljaju dve osnovne klase nekodirajue DNK
(ncDNK). Kod prokariota, geni sa intronima su jako retki; na njih odlazi samo oko
0,2% ukupne DNK, i pripadaju iskljuivo klasi samoiskrajajuih introna. Kod
eukariota sa malim genomima, relativno su mali i intronski delovi gena. Veliine
genoma od oko 100 Mb uglavnom su praene priblino jednakim ueem egzona i
introna u strukturi gena koji kodiraju proteine. Kada genomi dostignu veliinu od
preko 25000 Mb, kao to je sluaj sa sisarima, 95% ukupne DNK koja se nalazi u
okvirima gena ine intronski delovi! Slino je i sa nizovima nukleotida koji se nalaze
izmeu gena koji kodiraju proteine (intergenska DNK); genomi manji od 1 Mb imaju
oko 20% intergenske DNK, dok je kod genoma od preko 10 Mb proseno uee ove
klase DNK preko 80%!
Na osnovu navedenih podataka mogli bismo rei da je tokom evolucije
postojala tendencija prema poveanju sledeih komponenti genoma:
1. veliine samog genoma,
2. broja gena koji kodiraju proteine,
3. broja mobilnih genetikih elemenata,
3
-
4. broja i veliine introna,
5. veliine intergenske DNK.
2.1. Uloga genetikog drifta i prirodne selekcije u oblikovanju genoma
Kako savremena teorija evolucije objanjava ove trendove u evoluciji
genoma? Mada su jo uvek brojni evolucioni biolozi koji smataju da se prirodnom
selekcijom mogu objasniti svi aspekti organizacije genoma, sve je vei broj onih koji
ukazuju da je to veliko pojednostavljenje evolucionih procesa i da su mnoge
karakteristike genoma i gena nastajale delovanjem semi-neutralnih procesa i vrlo
malim, ako ga je uopte i bilo, direktnim ueem pozitivne selekcije (Lynch, 2005,
str. 450). Obilje podataka, koje nam je o genomima prokariota i eukariota dala
molekularna biologija, pokazuje da nain kako e se odvijati evolucija genoma nekog
taksona ne zavisi samo od razliitih aspekata organizacije i funkcionisanja njegovih
elija, ve i od ogranienja koje nameu procesi na nivou populacija. Prema
populaciono-genetikoj teoriji, kljuna determinanta ovih ogranienja jeste efektivna
veliina polulacije (Ne), jer od nje zavisi verovatnoa fiksacije ili eliminacije novih
genetikih entiteta. Podsetimo se da, pored stvarnog broja jedinki neke populacije (N),
na efektivnu veliinu utie mnotvo faktora od odnosa polova kod organizama sa
polnim razmnoavanjem, preko nesluajnih variranja u veliine porodice, do promena
brojnosti populacija tokom generacija. Takoe, dobro nam je poznato da je efikasnost
prirodne selekcije daleko vea u velikim nego u malim populacijama, jer sluajne
fluktuacije u uestalostima genskih alela (zbog genetikog drifta) smanjuju uticaj
prirodne selekcije na dinamiku mutacija sa malim efektima na adaptivnu vrednost.
Matematiki opis odnosa efekata prirodne selekcije i genetikog drifta na
promene uestalosti genskih alela u populaciji kroz generacije, dala je genetiarka
Ohta (1972, 1977):
Nes
21
gde je s koeficijent selekcije (kvantifikuje veliinu efekta prirodne selekcije na
promene uestalosti alela nekog gena u populaciji), i Ne je efektivna veliina
populacije (kvantifikuje efekat genetikog drifta sluajne promene uestalosti alela
nekog gena u populaciji). Ova formula na najbolji nain opisuje meuzavisnost
efekata dva evoluciona mehanizma u populacijama razliitih veliina. Pretpostavimo
4
-
da je varijabilnost na nekom genu selektivno prepoznatljiva, tj. da nosioci razliitih
alela u svojim genotipovima imaju razliite adaptivne vrednosti (stepen smanjenja
adaptivne vrednosti kod nosioca odreene genske varijante iznosi s). Oekujemo da
e selekcija, na osnovu razlika u adaptivnim vrednostima, oblikovati
transgeneracijske promene uestalosti alela tog gena u populaciji. Meutim, ukoliko
je populacija mala, tj. ako su efekti drifta veliki, promene uestalosti alela mogu u
veoj meri zavisiti od stohastikih procesa nego od pravaca delovanja prirodne
selekcije. Drugim reima, po nainu promena, ovaj gen e se ponaati kao da je
selektivno neutralan. Kako ukazuje kriterijum koji navodi Ohta, to su vei
koeficijenti selekcije, efektivna veliina populacije mora biti sve manja da bi
stohastike promene prevladale one selektivne. Uzimajui u obzir da koeficijenti
selekcije za razliite genetike varijante najee nisu veliki, moemo oekivati da e
u malim populacijama veliki broj mutacija biti efektivno neutralan.
Relativan doprinos stohastikih procesa (mutacija i genetikog drifta) i
prirodne selekcije u oblikovanju arhitekture gena i genoma nee biti isti kod
prokariota i eukariota. Stvarne (N) i efektivne (Ne) veliine populacija prokariota su
drastino vee u odnosu na eukariote. Samim tim, moe se oekivati da se efikasnost
prirodne selekcije dramatino smanjuje od prokariota, preko jednoelijskih eukariota
do vieelijskih eukariota. Ova pravilnost pokazana je u analizi velikog broja
empirijskih podataka koji se odnose na arhitekturu gena i genoma (Lynch, 2007).
Osnovni argument kojim se moe objasniti gore navedena tendencija, Lin je
ilustrovao na sledeem primeru. Pretpostavimo da prirodna selekcija u nekoj
evolucionoj liniji favorizuje poveanje telesnih dimenzija. Iz ekologije nam je dobro
poznato da svako znaajnije poveanje telesnih dimenzija dovodi do smanjenja broja
jedinki po jedinici povrine. Svako smanjenje veliine populacije poveava ansu da
e se mutacije sa blagim tetnim efektima akumulirati u genomima, ali i smanjuje
sposobnost prirodne selekcije da promovie neki proces koji e onemoguavati
akumulaciju tih mutacija. Drugim reima, u takvoj situaciji moe se oekivati da e
doi do poveanja veliine genoma i to ne zato to dati takson moe da tolerie
poveanje koliine DNK, ili zato to mu je iz nekog razloga potreban viak DNK, ve
jednostavno zato to je prirodna selekcija manje efikasna u eliminaciji takvog
genetikog materijala. Smanjenje veliine genoma, sa druge strane, moe se oekivati
kod organizama kod kojih selekcija ide u smeru smanjenja telesnih dimenzija, i to ne
zato to bi postojala direktna selekcija prema broj replikaciji, ve zato to bi
5
-
(purifikujua) selekcija efikasnije odstranjivala mutacije sa blagim tetnim efektima
u veim populacijama. Imajui u vidu procenu da prosena veliina savremenih
populacija prokariota iznosi oko 1023, uopte nije neoekivano da su prokariotski
genomi relativno mali i da su kod njih relativno male razlike izmeu najmanjih i
najveih genoma1.
Prirodna selekcija je zaista osnovni evolucioni mehanizam koji odreuje
veliinu i organizaciju genoma prokariota. Na primer, danas imamo niz
eksperimentalnih podataka o adaptivnom poveanju broja gena u genskim familijama
bakterija. Kod bakterija, tzv. genska amplifikacija, ili brza akumulacija dupliranih
gena (obino je posredovana sa aktivnou mobilnih genetikih elemenata), esto je
indukovana razliitim stresorima, kao to su toksine supstance, izloenost
antibioticima, ili sredinama sa malo hranljivih materija. Genskom amplifikacijom se
objanjava, na primer, fenomen tzv. adaptivne mutageneze. Naime, empirijske
studije su pokazale da se neke mutacije pojavljuju ee nego to se to oekuje na
bazi sluajnosti, kada se bakterije odgajaju sredini u kojoj bi te mutacije bile korisne2.
U eksperimentima sa bakterijom E coli, koja je u laktoznom operonu imala mutirani
alel LacZ, ali je ipak uspevala da raste na minimalnom medijumu sa laktozom
(bakterijski genetiari ovakve mutacije zovu leaky), pojavljivalo se vie revertanata
(LacZ+) nego to se to oekuje po principu sluajnosti, tj. procenjenoj stopi mutacija.
Hendrickson i sar. (2002) pokazali su da se veina tih revertanata pojavljivala nakon
dueg usporenog rasta i da je prvi korak u njihovom pojavljivanju bila znaajna
amplifikacija LacZ alela. To je omoguavalo bakterijama uspeno preivljavanje i
reprodukciju na laktozi zbog toga to je koliina enzima, iako oteenog, bila
poveana. Dakle, ekspanzija gena pruala je selektivnu prednost budui da je
amplificirana minimalna aktivnost LacZ alela poveavala adaptivnu vrednost
bakterijama. Povean broj kopija ovog alela, meutim, multiplicirao je verovatnou
pojave mutacija koje su restarurirale punu aktivnost ovog gena, tj. pojavu LacZ+ alela.
Vano je takoe rei da je, nakon pojave LacZ+ alela u samo jednoj od kopija, dolo 1 Do ove procene se dolo podelom broja prokariota koji naseljavaju Zemlju (oko 1030) i procenjenog broja vrsta savremenih prokariota (107). 2 Adaptivna mutageneza zapravo je drugo ime za ono to su Lamark i Darvin nazivali usmereni efekti ivotne sredine ili adaptivna reakcija organizama (mada se ovaj fenomen vezuje za Lamarka, on ga je eksplicitno odbacivao, a Darvin je na njemu posebno insistirao). Poto je savremena genetika nedvosmisleno pokazala da su mutacije sluajne u odnosu na potrebe organizama, problem adaptivne mutageneze dugo je bila nereiva zagonetka za molekularne biologe.
6
-
do brze eliminacije svih kopija LacZ alela iz populacije bakterija. Iz ovog podatka
moemo izvui zakljuak da je amplifikacija gena kod bakterija reverzibilan proces,
to, opet, ukazuje da je prirodna selekcija kod taksona sa velikim populacijama, kao
to su bakterije, mehanizam koji moe fino oblikovati veliinu genoma preko kontrole
broja kopija gena. Zanimljivo je da se kod bakterija ee amplifikuju horizontalno
preneeni geni u odnosu na one koji se prenose uobiajenim vertikalnim putem.
Pretpostavlja se da razlog lei u tome to je prirodna selekcija mogla testirati ove
gene za obavljanje specifinih adaptivnih zahteva pre nego to su oni dospeli u
nove elije domaina.
Adaptivna amplifikacija gena se veoma retko sree kod eukariota.
Najverovatniji razlog nisu razlike u stopama stvaranja i eliminacije dupliranih gena u
odnosu na prokariote, ve manje efikasna selekcija u znatno manjim eukariotskim
populacijama. Na to upuuju i podaci da je, kod eukariota, uestalost adaptivne
amplifikacije gena u negativnoj korelaciji sa dimenzijama organizama, odnosno
pozitivno je korelisana sa veliinama njihovih populacija - daleko najee se javlja
kod jednoelijskog kvasca, znatno ree kod nekih insekata, a vrlo je retka ili potpuno
odsutna kod kimenjaka.
2.2. Mobilni genetiki elementi kod eukariota
Mobilni genetiki elementi (ME) klasifikuju se u dve glavne grupe na osnovu
naina transpozicije. Prva grupa oznaava se kao klasa I (ili tip 2), ili
retrotransponzoni (retro-ME). Ovi ME se premetaju u genomima posredstvom RNK
intermedijera. U okviru ove klase postoje autonomni elementi, koji poseduju gene za
reverznu transkriptazu (RT), kao to su endogeni retrovirusi (ERV), transpozoni sa
dugim terminalnim ponovcima (LTR-retrotranspozoni) i LINE nizovi (od eng. long
interspersed nuclear elements). Neautonomni retro-ME, kao to su SINE nizovi (od
eng. short interspersed nuclear elements), nemaju gene za RT, ali su ipak u stanju da
menjaju svoje u mesto uz pomo LINE elemenata (slika 2.2)
Klasa II (ili tip 1) ili DNK transpozoni (DNK-ME) se premetaju direktno i to
uz pomo enzima transposaze ili korienjem nekog alternativnog mehanizma kao to
je tzv. kruna replikacija (engl. rolling-circle replication; unidirekcionalna replikacija
u kojoj se istovremeno sintetiu novi molekuli DNK ili RNK; prisutna je kod
plazmida, bakteriofaga i viroida).
7
-
Slika 2.2. Struktura klase I i klase II mobilnih genetikih elemenata (prema: Zeh i sar. 2009)
ME se mogu nai u genomima svih tipova elija, od bakterija do sisara.
Njihova iroka prisutnost posledica je njihove sposobnosti diseminacije kako unutar
genoma tako i irenja na druge genome. Neki ME mogu nastati spontano iz
nepremetajuih nizova DNK u genomima (npr. SINE), dok se drugi mogu prenositi
horozontalno izmeu razliitih vrsta. Mnogi ME eukariota vuku poreklo od
prokariota; DNK transpozoni srodni su bakterijskim insercionim nizovima, a retro-
ME srodni su intronima grupe II bakterija. Neki ME su izgleda prisutni kod eukariota
od samog njihovog nastanka, tako da se moe rei da su eukarioti koevoluirali sa
njima.
ME su vrlo mutageni zbog sposobnosti da se ugrade u egzone, promotore i
pojaavae i na taj nain dovode do naruavanje normalnog okvira itanja tokom
translacije, menjaju nivo ekspresije gena ili obrazac alternativnog iskrajanja. Osim
ovog aktivnog uticaja na ekspresiju gena, ME mogu i pasivno uticati na poveanje
stopa mutacija gena jer deluju kao homologni nizovi koji omoguavaju hromozomske
rearanmane i duplikacije/delecije gena. Naime, ME se mogu ugraditi u nehomologne
delove genoma i omoguiti da se izmeu tih delova odigra krosing-over uprkos
injenici da su nehomologni. Ove nehomologne rekombinacije dovode, ponekad, do
stvaranja dupliranih gena ili drugih genomskih rearanmana koji poveavaju
adaptivnu vrednost svojim nosiocima. Izgleda da se to desilo sa duplikacijom
8
-
kompletnog gena za hormon rasta u ranim fazama evolucije oveka (preko Alu-Alu
rekombinacije), ili sa duplikacijom (uz pomo L1 elemenata) koja je dovela do pojave
nekih globinskih gena. Najee, mobilni elementi, ipak, uslovljavaju pojavu tetnih
mutacija. Procenjuje se da je kod vonih muica oko 50% tetnih mutacija posledica
delovanja ME, kod mieva taj procenat je oko 10%, dok je kod oveka manje od 0,2%
poznatih naslednih oboljenja uzrokovano inaktivacijama gena u koji su ugraeni ME,
a oko 0,3% poremeaja posledica su delecija gena ili rearanmana hromozoma zbog
pasivnih efekata ME.
Nesumnjivo je da ME znaajno doprinose plastinosti genoma. Na tu
injenicu ukazuju nam i podaci da ME selektivno operiu u delovima genoma u
kojima se nalaze geni ija je varijabilnost esto kljuna za opstanak jedinki.
Poveanje brojnosti ME zapaa se, recimo, unutar ili oko gena za koje se zna da su
relativno brzo evoluirali i ije su uloge u metabolizmu takve da zahtevaju
fleksibilnost. U takvu grupu spadaju geni koji omoguavaju organizmima adekvatne
reakcije na promene u ivotnoj sredini (npr. geni koji uestvuju u imunskim
odgovorima ili signalnim putevima). Naravno, velika brojnost ME oko takvih gena
poveava i verovatnou nehomolognih rekombinacija. Postoje ak i tvrdnje da su
regioni genoma bogati ME neka vrsta genskih fabrika, jer je uoeno da se ovde
ostvaruje relativno visok nivo nejednakog krosing-overa i, posledino, sadre vei
broj multigenskih familija nego regioni koji su siromani mobilnim elementima.
Suprotno, regioni genoma oko visoko konzervisanih gena, koji imaju kljune uloge u
oblikovanju struktura elija ili kontroli razvia, imaju veoma mali broj ME.
Najdrastiniji primer su kimenjaki Hox geni (deo 3.2) oko ijih jata praktino nema
ME (izutetak su, izgleda, neke grupe gmizavaca, videti deo 3.2.1). Znaajno je
primetiti da beskimenjaci, sa oko 30 filuma, pokazuju daleko vei diverzitet telesnih
sklopova nego kimenjaci. Mogue je da je i ova razlika izmeu beskimenjaka i
kimenjaka posledica injenice da se u mnogim jatima Hox gena beskimenjaka
mogu nai ME.
Veina insercija ME, ipak, ne izaziva tetne efekte u genomima domaina; u
suprotnom, oni ne bi bili toliko zastupljeni kod eukariota. Tokom evolucije eukariota
nastao je vei broj mehanizama kontrole mutagenih efekata ME. Ovi zatitni
mehanizmi posebno su efikasni u telesnim elijama, a znatno manje tokom stvaranja
gameta i, kod nekih organizama kao to su placentalni sisari, tokom ranih faza
embrionskog razvia. Filogenetske analize su pokazale da je primarna funkcija veine
9
-
osnovnih mehanizama tzv. epigenetike regulacije genske aktivnosti (DNK metilacija,
modifikacije histona hromatinskih vlakana i RNK interferencija, videti deo 2.4.3.3)
odbrana genoma od mobilnih elemenata. Kod savremenih eukariota, ova odbrana se
odigrava kroz tri faze u kojima uestvuju male RNK (siRNK kod biljaka i kvasaca, i
piRNK, kod insekata i kimenjaka). U ovim fazama male RNK se: 1) proizvode kao
odgovor na prisustvo ME, 2) selektivno amplificiraju na osnovu nizova nukleotida
koje imaju ME, i 3) inkorporiraju u komplekse sa Argonaut ili Pivi proteinima koji
inaktiviraju ME putem post-transkripcione degradacije ili izlau mobilne elemente
DNK metilaciji (citozina u CpG dinukleotidima) i/ili modifikaciji histona
hromatinskih vlakana, to onemoguava transkripciju datog dela genoma. Takoe,
prema jednoj hipotezi (tzv. odbrane domaina) genomsko utiskivanje kod
viviparnih sisara nastalo je kao nusproizvod mehanizama zatite genoma od mobilnih
genetikih elementa.
Poto su ME primarni cilj metilacije citozina u CpG parovima, oni mogu
podvri epigenetikoj kontroli oblinje gene domaina, doprineti inaktivaciji itavih
hromozoma (kao u sluaju X hromozoma sisara) ili, pak, dovesti do genomskog
utiskivanja pojedinih gena. Dakle, ME ne samo da dovode do poveanja genetike
varijabilnosti populacija na osnovu kojih moe doi do stvaranja novih adaptacija, ve
su uslovili i pojavu epigenetike kontrole regulacije aktivnosti gena kod eukariota.
Poto aktivni ME poseduju brojne regulatorne signale koji su, inae, komponente
kontrole ekspresije gena elija domaina, kao to su POL II ili POL III promotori,
pojaavai, mesta za vezivanje transkripcionih faktora, signali za poliadenilaciju, itd.,
oni mogu znaajno promeniti obrasce ekspresije gena u genomima domaina. Na
primer, na osnovu prisustva ME nizova (preteno SINE familije) u promotorima gena
ljudi, procenjuje se da vie od 1000 naih gena ima cis elemente nastale od ME. Osim
uea u regulaciji aktivnosti gena na nivou transkripcije, ME su bili prisutni i u
postanku i evoluciji nekih posttranskripcionih mehanizama regulacije aktivnosti gena.
Ta njihova uloga posebno je vidljiva u sluaju miRNK, kratkih nekodirajuih
molekula RNK, koji reguliu ekspresiju gena tako to degradiraju iRNK ili im
onemoguavaju translaciju, vezujui se za 3 krajeve obraene iRNK (videti deo
2.4.2.2). Procenjuje se, na primer, da oko 12% miRNK kod ljudi potie od ME.
Imajui u vidu da pojedinani miRNK gen moe izvriti represiju brojnih iRNK,
procenjuje se da miRNK izvedene iz ME reguliu aktivnost hiljade gena u genomima
ljudi. Takoe, pokazalo se da SINE RNK mogu da uestvuju u regulaciji transkripcije
10
-
vezujui se za kompleks RNK polimeraze II. Dodatno, mogu stupiti u interakciju sa
proteinskom kinazom R (PKR; enzim koji fosforilie jedan od eukariotskih
inicijacionih faktora dovodei do prekida translacije) i tako uestvovati u regulaciji
translacije. Vezivanjem jedne SINE RNK kod oveka (pod oznakom BC200, sintetie
se samo u mozgu) za protein koji dovodi do sindroma lomljivog X hromozoma
(FMRP), ona moe da posreduje izmeu FMRP i informacionih RNK koje su mete
ovih proteina. Postoje podaci koji ukazuju da SINE RNK iz mozga mogu dovesti do
supresije translacije i drugih proteina.
Nekontrolisana transpozicija ME u telesnim elijama Metazoa uglavnom je
tetna za jedinke (kao to je pokazano u sluaju pojave kancera posle ugraivanja ME
u blizini onkogena) i ne doprinosi genetikoj varijabilnosti populacije. Tek
ostvarivanje mutagenih efekata ME tokom gametogeneze vieelijskih organizama
moe doprineti evolucionoj plastinosti populacije (tj. njenoj evolvabilnosti).
Pokazalo se da je kod sisara upravo to sluaj. Do globalne demetilacije DNK kod
sisara dolazi tokom ranih stupnjeva razvia polnih elija, kada se resetuju
metilacioni markeri neophodni za genomsko utiskivanje. To otvara mogunost za
transpoziciju retro-ME i, posledino, stvaranje novih mutacija u gametima koje mogu
obogatiti populacije novim varijantama gena. Kod placentalnih sisara postoji jo jedna
faza razvia u kojoj se mutageni efekti ME mogu ispoljiti zbog drastinog smanjenja
metilacije DNK. To je faza preimplantacione embriogeneze, kada, ponovo, dolazi do
velike demetilacije DNK i kada su retro-ME transkripciono vrlo aktivni. Kako su
pokazali eksperimenti na oocitama i preimplantacionim embrionima mieva,
demetilacija u ovoj fazi ima za posledicu izuzetno visoku aktivnost enzima reverzne
transkriptaze. Osim transpozicije samih ME elemenata, poveava se i reverzna
transkripcija RNK onih gena koji su aktivni u germinativnoj liniji i preimplantacionoj
embriogenezi, pri emu nastaju retro-kopije gena ugraene u genome (videti deo
2.2.2). Na primer, za neke LINE mobilne elemente placentalnih sisara (kao to je L1
potfamilija) pokazano je da mogu stvarati reverzne transkriptaze sa endonukleaznom
aktivnou koje prepoznaju bilo koju RNK sa poli(A) repiima (retro-ME sa slinim
karakteristikama naene su kod vonih muica i nekih biljaka). Imajui u vidu da
tokom ovih ranih faza razvia tek otpoinje odvajanje elija koje e uestvovati u
formiranju reproduktivnih organa i buduih gameta (germinativna elijska linija),
navedene promene mogu biti prenete u narednu generaciju i postati deo polimorfizma
populacije. Veoma malo prisustvo retrokopija kod drugih kimenjaka (npr. kod ptica,
11
-
koje inae imaju vrlo male genome), objanjava se odsustvom retrotranspozona, kao
to je L1 potfamilija.
Daleko najvei broj eukariota vri supresiju, a ne eliminaciju ME. Da bi se
razumeli razlozi za ovakvu evolucionu strategiju, moramo prouiti primer gljive
Neurospora crassa. Ona je u stanju da potpuno zatiti sebe od ME pomou jednog
mehanizma, poznatog pod skraenicom RIP (od engl. repeat-induced point mutation),
koji ne samo da elimine ME, ve i svaku novoformiranu gensku kopiju. Dakle, N.
crassa, titei genom od ME uz pomo RIPa, smanjila je evolucioni potencijal svojih
populacija na dva naina odsustvom eventualno korisnih mutacija do kojih mogu
dovesti ME, i odsustvom dupliranih gena, koji, kako emo kasnije videti,
predstavljaju jedan od osnovnih naina nastanka novih gena. Ovaj primer pokazuje da
bi delovanje prirodne selekcije u smeru evolucije mehanizama za potpunu eliminaciju
ME, najverovatnije, dovodilo do drastinog smanjenja varijabilnosti populacija, to
bi, opet, uzrokovalo odsustvo fenotipskih promena u vrlo dugim intervalima vremena3
i, konano, u nestabilnim ivotnim sredinama do izumiranja taksona sa takvim
mehanizmima zatite. Dakle, stavljanje pod kontrolu mobilnih elemenata putem
razliitih mehanizama supresije njihovog irenja, umesto njihove potpune eliminacije
iz genoma, predstavljalo bi adaptivnu evolucionu strategiju na due staze.
Za veinu evolucionih biologa, relativno stabilne ivotne sredine u veoma
dugim vremenskim periodima predstavlju razlog za pojavu vrsta koje je Darvin
nazivao ivim fosilima - savremene vrste koje se morfoloki uopte ne razlikuju, ili
se razlikuju veoma malo, od svojih predaka koji su iveli milionima godina ranije.
Analize SINE nizova kod dve vrste ivih fosila, ribe Latimeria (L. menadoensis i L.
chalumnae), pokazale su veoma malu promenu tokom 400 miliona godina, tj. od
vremena kada su otkriveni najstariji fosili ovih ivotinja. Slina situacija je i kod
tuatara (Sphenodon punctata i S. guntheri) sa Novog Zelanda, koje su ostale relativno
nepromenjene tokom 220 miliona godina. U genomima savremenih tuatara postoji
svega 0,11% SINE nizova i 2,59% LINE nizova (setimo se da u ljudskom genomu
postoji oko 13% SINE i oko 21% LINE nizova). Dakle, izgleda da se evolucione
staze mogu povezati sa malom aktivnou mobilnih elemenata.
3 Fenomen odsustva znaajnijih evolucionih promena nekog taksona tokom dugog perioda vremena oznaava se kao evoluciona staza.
12
-
2.2.1. Domestikacija mobilnih genetikih elemenata
Osim to preko svojih regulatornih signala uestvuju u regulaciji aktivnosti
gena, ME se mogu ugraivati u kodirajue delove gena i na taj nain doprinositi
pojavi novih gena domaina. Ovaj proces esto se oznaava kao molekularna
domestikacija. Kod ljudi, kako je procenjeno, u oko 4% gena koji kodiraju proteine,
nalaze se neki od mobilnih elemenata. Ovaj podatak, meutim, ne znai da se u
funkcionalnim proteinima, koje kodiraju ti geni, nalaze fragmenti (kasete) poreklom
od mobilnih elemenata (eukariotske elije poseduju vie mehanizama kontrole
kvaliteta proteina od degradacije promenjenih iRNK do degradacije polipeptida
posle translacije). Savremene procene ukazuju da svega 0,1 % funkcionalnih proteina
oveka ima fragmente poreklom od mobilnih elemenata. Jedan od njih je PTPN1 (ili
PTP1B) protein koji pripada velikoj familiji proteinskih tirozinskih fosfataza
(katalizuju defosforilizaciju proteina). U ovom proteinu nalazi se fragment koji je
poreklom od evoluciono vrlo starog LINE elementa (L3).
Smatra se da su ME imali vrlo vanu ulogu i u organizaciji eukariotskih
hromozoma. Na primer, telomere, koje su kod veine vrsta sastavljene od tandemskih
ponovaka, dodaju se na krajeve hromozoma uz pomo enzima telomeraze - jedne
reverzne transkriptaze koja, koristei RNK matricu, deluje na nain koji podsea na
integraciju retrotransponzona bez LTR u genome domaina. Zanimljivo je da razliite
vrste vonih muica nemaju telomerazu pa njenu funkciju preuzimaju dva specifina
retrotranspozona koji se smetaju na krajeve hromozoma. S obzirom na ulogu
telomera u procesu elijske deobe, izgleda da su mobilni elementi imali veliki znaaj
za evoluciju specifinih mehanizama kontrole deobe elija.
Razliite analize su pokazale da je domestikacija kodirajuih delova ME bila
kljuna u evoluciji placente kod obe grupe viviparnih sisara (Theria), koja ukljuuje
Eutheria (placentalne sisare) i Methateria (torbare). Theria su se odvojili od
evolucione linije koja je vodila prema savremenim monotrematama (grupi sisara koja
polae jaja), pre oko 210 miliona godina. Kod torbara, placenta je strukturno vrlo
jednostavan organ kratkog trajanja, ija pojava zavisi od aktivnosti gena Peg10, koji
je izveden od gag gena jednog retrotransposona (kod retrovirusa ovaj gen kodira
proteine viriona). Kako se pokazalo, kod obe grupe viviparnih sisara ispoljavaju se
samo aleli oeva usled genomskog utiskivanja Peg10 gena. Evolucija znatno sloenije
placente, koja se javlja samo kod euterija, zavisi od aktivnosti jo jednog gena, Peg11
(oznaava se i kao Rtl1), koji je takoe izveden iz gag gena jedne druge familije
13
-
retrotranspozona. I kod ovog gena, za kog se smatra da uslovljava odravanje
embrionskih kapilara tokom kasnijih stupnjeva embrionskog razvia, postoji
genomsko utiskivanje sa ispoljavanjem samo oevih alela4.
Pored ovih gena, euterija imaju jo dva znaajna gena za formiranje placente i
oba su, takoe, izvedena od retroelemenata. Kod primata oni se oznaavaju kao
sincicin-1 i sincicin-2, a kod glodara kao sincicin A i B. Ovi geni su nezavisno nastali
od env gena endogenih retrovirusa (ERV)5. Retrovirusni donor sincicijskih gena
euterija kontrolie sintezu glukoproteina pomou koga retrovirus ostvaruje tri
funkcije: 1) prepoznaje receptore elija koje inficira, 2) ostvaruje fuziju virusnog
omotaa sa membranom elije domaina, 3) preko jedne transmembranske oblasti
ovog glukoproteina stie imunosupresorske sposobnosti. Sve te tri funkcije
(prepoznavanje elija, fuzija elija i imunosupresija) zadravaju i sincicijski proteini
placente euterija. Placentalni sincicijum, nastao fuzijom elija, ograniava razmenu
migratornih elija izmeu embriona i tela majke, a preko imunosupresivnih svojstava
ovog proteina obezbeuje se zatita embriona od imunskog sistema majke. Dakle,
evolucija sloene placente kod Eutheria zavisila je od domestikacije gag i env gena
retrotranspozona, a poto u ovu grupu spada oko 94% svih danas ivih sisara, mogli
bismo rei da su ME klju za adaptivnu radijaciju sisara.
V(D)J rekombinacija u imunskom sistemu kimenjaka sa vilicom, verovatno
predstavlja najbolji primer uloge koju su ME imali u procesima adaptivne evolucije.
Tokom V(D)J rekombinacija u B i T elijama imunskog sistema, tri grupe
razdvojenih genskih segmenata (egzona) V (varijabilni), D (diversifikujui) i J
(vezujui) se spajaju gradei gene koji sintetiu ogroman broj povrinskih receptora
T elija i imunoglobulina neohodnih za prepoznavanje razliitih patogena. Ove
rekombinacije zavise od prisustva tzv. rekombinacionih signalnih nizovi (RSS, engl.
recombination signal sequences), koji opkoljavaju svaki genski segment, i dva
proteina kodirana genima RAG1 i RAG2 (Slika 2.3). RSS se sastoje od kratkih
4U genomima sisara je otkriveno ak 85 gena koji su izvedeni iz gag gena razliitih familija retrotransopozona. 5 Smatra se da su ERV varijante nekada bili autonomni egzovirusi, koji su se, infekcijom germinativnih elija, permanentno integrisani u genome elija domaina. Tokom trudnoe kod nekih viviparnih sisara (npr. glodara), ERV se aktiviraju i proizvode u velikom broju. Humani endogeni retrovirusi (HERV) ine oko 8% genoma savremenih ljudi. Smatra se da je u naoj evolucionoj liniji, posle razdvajanja od zajednikog pretka sa impanzama, bila aktivna samo jedna familija, HERV-K (HML2) - na koju otpada oko 1% HERVa, dok su sve ostale familije inaktivirane.
14
-
invertovanih ponovaka dugih 12 ili 23 nukleotida (oni su analogni terminalnim
invertovanim ponovcima DNK transpozona (slika 2.3a). RAG geni (engl.,
recombination activating genes), koji su odgovorni za formiranje jedinstvenog gena
(po principu iseci i zalepi; engl. cut-and-paste) nemaju introne i predstavljaju
imobilizirane autonomne verzije Transcib familije DNK transpozona (u osnovi, ovi
proteini su enzimi transpozaze). Mesto gde e se odigrati rekombinacija odreuje se
vezivanjem RAG1 za RSS. Kompleksi koje formiraju RAG1 i RAG2, vezuju se za
razliite kombinacije RSS nizova u svakoj od prekursorskih B i T elija i isecaju
unutranji region, to se moe smatrati analognim sa izbacivanjem neautonomnih
transpozona (Slika 2.3b). Posle isecanja uz pomo RAG proteina, stvoren je
imunoglobulinski gen sa kodirajuim regionima koji predstavljaju razliite
kombinacije elemenata (egzona) koji su postojali pre procesa V(D)J rekombinacije
(Slika 2.3c).
Slika 2.3. Postanak V(D)J rekombinacije uz pomo mobilnih genetikih elemenata (prema: Slotkin i Martienssen 2007).
Nove funkcije gena mogu nastati i putem fuzije gena, tj. spajanjem dva
prethodno odvojena gena u jednu transkripcionu jedinicu (videti deo 2.3.4). Fuzija
retrokopija nekih gena u postojee gene domaina moe dovesti do pojave vrlo
znaajnih funkcija. Jedan od najzanimljivijih takvih primera odnosi se na ubacivanje
retrokopije CypA gena (kodira protein koji se moe vezivati za kapside retrovirusa) u
TRIM5 gen, koji je deo odbramenih mehanizama nekih eukariota od virusa.
Zanimljivo je da je do ove fuzije dolo nezavisno kod majmuna tzv. novog i starog
sveta. U oba sluaja, retrokopija CypA zamenila je originalne egzone TRIM5 gena koji
su kontrolisali domene proteina odgovorne za vezivanje za kapside virusa. Protein
15
-
nastao posle TRIM5-CypA fuzije daleko je efikasnije eliminisao HIV-1 i druge
retroviruse u poreenju sa proteinom koji je stvarao samo TRIM5 gen. Ovaj primer
konvergentne evolucije, najverovatnije je rezultat izuzetno visoke stope
retrotranspozicije CypA gena tokom gametogeneze majmuna. Fiksacija TRIM5-CypA
fuzije u populacijama ovih majmuna posledica je, opet, daleko vee otpornosti prema
retrovirusima kod jedinki koje imaju ovu fuziju.
2.2.2. Mobilni genetiki elementi i retrogeni
Osnovni mehanizam nastanka novih kopija gena jeste nejednak krosing-over
izmeu homolognih hromozoma (videti deo 2.3.2). Meutim, nove kopije gena mogu
nastati i reverznom transkripcijom iRNK postojeih gena. Kao to smo ranije istakli,
retrotranspozicija znaajna za evoluciju mora se odigrati u germinativnoj liniji, tj. u
procesima stvaranja gameta. Pored enzima koji obezbeuju reverznu transkripciju, u
ovom procesu moraju biti aktivni i geni sa ijih se iRNK vri formiranje cDNK
kopija. Smatra se, kako smo ve rekli, da, kod svih viviparnih sisara i oveka, L1
element iz LINE familije obezbeuje enzime neophodne za retrotranspoziciju. Kljuni
enzim je reverzna transkriptaza sa endonukleaznom aktivnou, koja je u stanju da
prepozna svaku iRNK sa 3poli(A) repiem. Poto se reverzna transkripcija obavlja na
obraenim iRNK (iz kojih su uklonjeni introni), u tako nastalim kopijama gena, tj.
retrokopijama, nee biti prisutni introni, iako ih originalni gen ima. Dugo se smatralo
da su sve kopije gena nastale na ovaj nain nefunkcionalne (tj. da predstavljaju
retropseudogene), i to kako zbog velikog broja mutacija koje se pojavljuju tokom
aktivnosti enzima reverzne transkriptaze, tako i zbog odsustva cis-regulatora u
obraenim iRNK. Meutim, poslednjih godina, kod razliitih vrsta sisara (i drozofile),
otkriven je veliki broj funkcionalnih retrogena, koji su pozajmili cis-regulatore od
susednih gena. Kod sisara, retrogeni se esto mogu nai u intronima drugih gena, a
transkribuju se samo sa egzonima najbliim 5 kraju tih gena, kao jedna od iskrojenih
varijanti iRNK.
Retrogen kod paradajza (Solanum lycopersicum) koji je uslovio pojavu novog
oblika ploda (vretenastog od predakog okruglog), nastao je uz pomo specifinog
retrotranspozona u dva koraka. U prvom koraku, retrotranspozon slian copia
elementima, grekom je prepisao fragment genoma domaina duine oko 25 kb, u
kome se nalazila i kodirajua oblast IQD12 gena; ovaj gen inae uestvuje u
oblikovanju ploda kod paradajza. U drugom koraku, retrotranspozon je ovaj gen, bez
16
-
regulatornih elemenata, ugradio u drugi hromozom stvarajui novu kopiju (SUN).
Ovako stvorena kopija sintetisala je potpuno identian protein, jer je bila ugraena uz
5 regulatorne elemente drugog gena. Nova pozicija i novi cis-regulatorni elementi
uslovili su, meutim, da se SUN gen sintetie u znatno veoj koliini tokom ranih faza
razvia ploda, a to je rezultovalo vretenastim umesto okruglim oblikom.
Za razliku od konvencionalne duplikacije gena, prilikom retrotranspozicije
kopije gena se obino ubacuju na neki drugi hromozom u odnosu na roditeljski gen.
Od svih hromozoma u kariotipovima sisara, na X hromozomu se nalazi najvei broj
retrogena poreklom od autozomnih gena. Genomsko utiskivanje kroz koje prolaze
kopije ili originali, smatra se nainom za smanjenje potencijalne tete do koje
mogu dovesti poveane koliine proteina dupliranih gena.
Poto retrogeni obino nemaju introne, to je jedan od naina za uklanjanje
introna iz gena. Uporedne analize genoma razliitih vrsta eukariota pokazale su da
tokom evolucije ee dolazi do gubitaka nego dobitaka introna. Kod sisara, na
primer, nije zabeleen nijedan sluaj gena u koga su ugraeni novi introni, dok je kod
vie od 100 gena zabeleen gubitak introna, verovatno kao rezultat reverzne
transkripcije. Potrebno je takoe istai da ak i retropseudogeni, koji se daleko ee
javljaju nego retrogeni, ne moraju predstavljati nefunkcionalne delove genoma.
Postoje podaci da neki retropseudogeni kod sisara esto stvaraju siRNK, koje reguliu
aktivnost gena od kojih potiu.
Pokazalo se da retrogeni imaju vane funkcije u mukoj germinativnoj liniji,
ali i da su neki od njih vrlo znaajni u zatiti od virusnih infekcija, metabolizmu
hormona i feromona, kao i funkcionisanju mozga. Procenjuje se da je prosena stopa
nastanka retrogena kod primata 1 retrogen na milion godina, a da u ljudskom genomu
najmanje 120 retrokopija predstavljaju funkcionalne gene. Najpoznatiji primer
retrogena kod oveka kontrolie sintezu enzima glutamat dehidrogenza 2 (GLUD2),
koji u mozgu degradira neurotransmiter glutamat (enzim je aktivan iskljuivo u
mitohondrijama). Ovaj gen se nalazi na 10. hromozomu (region 10q23), a nastao je
pre oko 18 do 25 miliona godina reverznom transkripcijom od obraene iRNK gena
GLUD1 gena sa X hromozoma (Xq24, aktivnost je vezana kako za mitohondrije tako
i citoplazmu). GLUD2 retrogen je u naoj evolucionoj liniji stekao dve znaajne
mutacije koje su poveale njegovu enzimsku aktivnost, to je, izgleda, imalo za
posledicu i veu aktivnost neurona.
17
-
Fosfogliceratna kinaza (PGK) je metaboliki enzim koji konvertuje glukozu u
piruvat. Kod sisara postoje dva funkcionalna gena koji kontroliu sintezu PGK: PGK-
1 se nalazi na X hromozomu i ispoljava se u svim telesnim elijama, PGK-2 je
autozomni gen i ispoljava se samo u testisima tokom poslednjih stupnjeva
spermatogeneze. Kod ljudi, PGK-1 se sastoji od 11 egzona i 10 introna. Autozomni
homolog (PKG-2) tog gena je neobian po tome to nema introne i na 3 kraju ima
ostatke poli(A) repia, to sve ukazuje da je nastao procesom reverzne transkripcije.
Zadravanje iste funkcije i ispoljavanje retrogena PGK-2 u specifinom tkivu
objanjava se kao kompenzatorni odgovor na inaktivaciju PGK-1 gena na X
hromozomima u spermatogenim elijama pre mejoze. Prisustvo autozomnog PGK-2
omoguuje zrelim spermatozoidima da koriste fruktozu iz semene tenosti. Dakle,
ekspresija ovog retrogena u specifinim tkivima je, oigledno, razlog njegovog
opstanka sa nepromenjenom funkcijom.
Slino PGK-2, postoji jo primera autozomnih retrogena kod sisara (i kod
vonih muica) koji predstavljaju retrokopije roditeljskih gena na X-hromozomu, a
ispoljavaju se iskljuivo u testisima mujaka. Smatra se da je najverovatniji razlog za
ovu pojavu inaktivacija polnih hromozoma tokom i posle mejotikog stupnja
spermatogeneze (MSCI, od engl. meiotic sex chromosome inactivation). Prema ovoj
hipotezi, ekspresija autozomnih retrogena, koji potiu sa X hromozoma, je tokom
evolucije usmeravana prema germinativnoj liniji mujaka, jer na taj nain dolazi do
nadometanja proizvoda roditeljskih gena koje je inaktivirao MSCI. Zanimljivo je da
su skoranja prouavanja mladih retrogena primata pokazala da prirodna selekcija i
dalje favorizuje izvoz gena sa X hromozoma. Takoe, analize predstavnika tri
glavne grupe sisara ukazuju da je do selektivnog usmeravanja retrogena sa X
hromozoma na autozome dolo tek posle razdvajanja viviparnih sisara od
monotremata (pre oko 210 miliona godina). Ovaj podatak je znaajan i zbog toga to
upuuje na mogunost da su nai polni hromozomi nastali od autozoma znatno kasnije
nego to smo to do skoro mislili (prema prethodnim procenama, proces nastanka X i
Y hromozoma poklapa se sa vremenom nastanka sisara, tj. pre 310 do 240 miliona
godina). Naime, poto MSCI pojaava rekombinacionu barijeru izmeu X i Y
hromozoma tokom evolucije, neki autori su zakljuili da su se polni hromozomi
pojavili tek kod zajednikih predaka marsupialnih i euternih sisara. Ovu hipotezu
podrava i skoranja analiza genoma kljunara, koja je otkrila da su polni hromozomi
18
-
monotremata homologni sa onim kod ptica, a ne sa X i Y hromozomima torbara i
placentalnih sisara.
2.2.3. Mobilni genetiki elementi i specijacija
Barbara McClintock, dobitnica Nobelove nagrade za otkrie mobilnih
genetikih elemenata, sugerisala je, jo 1984. godine, da ME mogu igrati znaajnu
ulogu u procesima nastanka novih vrsta. Ova ideja nije naila na iru podrku
evolucionih biologa, pre svega zbog odsustva empirijskih podataka o prisustvu ME
kod veeg broja taksona. Poto danas raspolaemo mnotvom informacija o ME kod
veeg broja prokariotskih i eukariotskih organizama, vie se ne moe zanemarivati
njihova uloga u specijaciji. Uporedne analize su, na primer, pokazale da evolucione
linije kimenjaka sa velikim brojem vrsta, poseduju i mobilne elemente sa viom
aktivnou. Ovi podaci ukazuju da bi poveana plastinost genoma, zbog vie
aktivnosti ME, mogla biti jedan od inilaca intenzivnije specijacije (adaptivne
radijacije) takvih grupa. Aktivno ili pasivno, mutagene aktivnosti mobilnih
elemenata obogaivale su populacije neophodnom genetikom varijabilnou.
Sisarski red Chiroptera (ljiljci), posebno podred Michrochiroptera, ija je
specijacija poela pre 55 do 44 miliona godina, dobar je primer adaptivne radijacije
koja je mogla biti povezana sa aktivnou ME. Ljiljci danas ine vie od 22% svih
sisarskih vrsta, a najvie vrsta ima rod Myotis sa ak 103 vrste. Analize genoma
predstavnika ovog roda otkrile su izuzetno bogatstvo i visoku aktivnost ME, i to kako
retro-ME tako i DNK-ME. Posebno je interesantna aktivnost DNK-ME, jer se do
ovog otkria smatralo da su oni kod sisara inaktivirani poslednjih 37 miliona godina
(veruje se da ova klasa ME ima posebno znaajnu ulogu u duplikaciji gena i
kombinovanju egzona u genomima domaina). Slini nalazi postoje i kod drugog
velikog reda sisara - glodara (Rodentia), koji je danas zastupljen sa oko 1814 vrsta.
Kod glodara su vrlo prisutni i aktivni razliiti tipovi retro-ME ukljuujui i endogene
retroviruse (ERV), koji su, recimo, kod oveka potpuno neaktivni.
Brojni mobilni genetiki elementi bili su aktivni i tokom evolucije Primata. Na
osnovu procene starosti razliitih tipova ME u genomima savremenih primata, moglo
se zakljuiti da su tokom evolucione istorije ove grupe postojali periodi vrlo
intenzivnog stvaranja ME i da su se ovi periodi poklapali sa pojavom veeg broja
novih vrsta. Na primer, DNK transpozoni bili su veoma aktivni u vreme nastanka
primata u periodu od pre 80 do 65 miliona godina. Procenjuje se da izmeu 74000 i
19
-
98300 DNK transpozona primata, koji su fiksirani i u genomu oveka, potie iz tog
perioda. Aktivnost DNK transpozona prestaje pre oko 40 miliona godina, ali ne i
drugih familija ME, posebno tzv. Alu familije SINE elemenata, koja je specifina za
primate6. Smatra se da su se prvi Alu nizovi (tzv. AluJ elementi) pojavili pre oko 65
miliona godina, u periodu razdvajanja polumajmuna (Prosimii) i majmuna. Posle tog
razdvajanja, pre oko 45 miliona godina, dolo je do ekspanzije AluS elemenata, to
koincidira sa pojavom tzv. majmuna novog sveta (Ceboidea ili Plathyrrhini). Pre oko
30 miliona godina, pojavljuju se AluY elementi, to se poklapa s vremenom
razdvajanja tzv. majmuna starog sveta (Cercopethecoidea ili Catarrhini) i
Hominoidea.
Moda najbolji primer uloge koju ME mogu imati u procesima nastanka novih
vrsta, odnosi se ribe iz familije Cichlidae iz velikih jezera u Africi. Cihlide su jedna
od najveih familija kimenjaka, sa oko 3000 vrsta. Interesantno je da su prvi
predstavnici ove familije nastali pre 121 do 165 miliona godina, ali je pre samo pet
miliona godina, u jezerima Taganjika, Malavi i Viktorija, nastalo izmeu 1000 i 2000
novih vrsta. Oko 2000 vrsta koje danas naseljavaju ta jezera, pokazuje veliki
diverzitet u morfologiji, nainu ishrane i ponaanju, ali vrlo mali genetiki diverzitet.
Recimo, u analizi vie od 32000 takastih polimorfizama (SNP, single nucleotide
polimorphism) kod pet vrsta iz jezera Malavi, nije naena nijedna fiksirana razlika
izmeu vrsta. Pokazalo se, meutim, da je sklonost ka diverzifikaciji bila najizraenija
kod linije cihlida koja je evoluirala u jezeru Tanganjika, a zatim kolonizirala jezera
Malavi i Viktorija. Analiza 75 SINE elemenata kod ovih riba ukazala je na viestruke
cikluse insercija specifinih SINE elemenata za kojima su sledile pojave veeg broja
vrsta. Dodatno, geoloki podaci pokazuju da je taj deo Afrike, poslednjih 2,5 do 3
miliona godina, prolazio kroz drastine periode sue i, u poslednjih 1,1 milion godina,
kroz ekstremne fluktuacije nivoa vode od nekoliko stotina metara.
Podaci o drastinim promenama ivotne sredine, pri kojima je dolo do
pojaavanja aktivnosti ME kod cihlida, potvruju da stresni uslovi mogu predstavljati
okida za poveanu aktivnost ME. Ovo, kako smo u vie navrata isticali, moe
dovesti do poveanja genetike varijabilnosti populacija i, naravno, poveati
6U genomu oveka najzastupljeniji i jedini aktivan tip SINE niza je Alu familija koja ini oko 10% genoma (ime potie otuda to ovi nizovi sadre i mesta za restrikcioni enzim pod nazivom AluI). lanovi ove familije, Alu elementi, su nizovi duine oko 300 bp zastupljeni sa oko milion kopija u genomima ljudi.
20
-
verovatnou pojave novih vrsta. Odgovor ME na stres odigrava se na dva naina: 1)
stres direktno aktivira ME i njihovu mutagenost, ili 2) stres inhibira mehanizme
zatite genoma od ME. Da stres stvarno moe poveati aktivnost ME pokazali su
brojni eksperimenti kod niza taksona, kao to su gljive, biljke, insekti, rakovi i sisari.
Razliiti stresori (npr. temperaturni ekstremi, oksidativni stres, ili virusne infekcije),
dovodili su do aktivacije razliitih ME posebno SINE elemenata. Takvim stresorima
moe biti izloena svaka vrsta koja migrira u neko novo stanite, ili u ijem se stanitu
odigraju velike klimatske ili geoloke promene.
2.3. Duplikacije genoma i gena
Poveanje broja gena u genomima tokom evolucije odvijalo se na vie naina -
od duplikacije jednog ili manjih grupa gena, koja esto nastaje tokom replikacije i
rekombinacije DNK, do duplikacija itavih genoma (poliploidije). Za evolucione
genetiare, jedan od najznaajnih rezultata sekvenciranja genoma velikog broja vrsta
jeste mogunost identifikacije dupliranih gena i analize karakteristika gena koje
omoguavaju njihovim kopijama da budu fiksirane ili eliminisane iz populacija. Na
primer, funkcionalne klase dupliranih gena, koje su zadrane u genomima savremenih
organizama nakon poliploidije, pokazivale su neobino veliku slinost izmeu vrlo
razliitih taksona. U genomima kvasca Sacharomyces cerevisiae, biljke Arabidopsis
thaliana i Paramecium sp., posle poliploidije koja se odigrala kod njihovih drevnih
predaka (paleopoliploidija), najuestalije zadrane kopije gena su one koje kodiraju za
sintezu ribozomskih proteina, proteinskih kinaza i razliitih transkripcionih faktora.
Kod A. thaliana i kvasca uoene su razliite evolucione tendencije razliitih
funkcionalnih klasa gena u nekim klasama postoji tendencija da se zadre kopije
nastale duplikacijama pojedinanih gena, ali ne i kopije nastale poliploidijom, dok
druge funkcionalne klase imaju obrnutu tendenciju. Takoe, proteini dupliranih gena
posle poliploidije izgleda da stupaju u vie interakcija sa drugim proteinima nego
proteini gena nastalih duplikacijama pojedinanih gena. Postoje i podaci koji ukazuju
da je nivo ekspresije dupliranih gena posle poliploidije znatno vii nego kod gena
nastalih pojedinanim duplikacijama.
Veliki broj savremenih evolucionih biologa smatra da poliploidija ima veoma
znaajnu ulogu u specijaciji i nastanku evolucionih novina (videti deo 3.5). U
poreenju sa duplikacijama pojedinanih gena, pokazalo se da se vei broj kopija
21
-
gena nastalih poliploidijom ne transformie u pseudogene. Ovaj podatak u velikoj
meri podrava hipotezu po kojoj su potpune duplikacije genoma imale vrlo znaajnu
ulogu u evoluciji eukariota. Naravno, namee se i pitanje: zato bi se razlikovale
sudbine pojedinano dupliranih gena i kopija gena nastalih duplikacijama itavog
genoma?
Naime, u sluaju pojedinano dupliranih gena, proizvodi oba duplikona
interaguju sa istim (nedupliranim) genskim partnerima; to moe umanjiti ansu
sticanja novih funkcija i poveati verovatnou transformacije, jednog od njih, u
pseudogen. S druge strane, prilikom duplikacije itavih genoma, odigrava se
simultana duplikacija svih gena koji meusobno interaguju, ime se znaajno
poveava verovatnoa da itavo duplirano partnerstvo proe kroz zajednike
evolucione promene (koevoluira) i da, eventualno, neki od njih steknu nove funkcije.
Dakle, na ovaj nain bi se stekli uslovi za nastanak i evoluciju potpuno novih osobina.
Ovakvi evolucioni dogaaji mogu se ilustrovati na primeru hormona i njihovih
receptora, gde se funkcionalnost proteina koji ine taj sistem stie njihovim
meusobnim vezivanjem. Ako bi se duplirali samo geni koji kontroliu sintezu
hormona, dolo bi do kompeticije proizvoda tih gena za isti receptor. Verovatnoa
sticanja nove funkcije (pa, prema tome, i ansa da neki od njih nee postati
pseudogen) poveava se ako su duplirani i geni za hormonski receptor. Navedeni
primer pokazuje da poliploidija moe biti mehanizam evolucione diverzifikacije.
Meutim, treba imati u vidu da mnogi drugi inioci, kao to je, na primer, prisustvo
diferenciranih polnih hromozoma, odreuju da li do poliploidije uopte moe doi.
2.3.1. Poliploidija
Do potpune duplikacije genoma moe doi putem autopoliploidije, kada se
dupliraju skoro identini genomi, ili putem alopoliploidije, kada se genomi razliitih
vrsta nau u istim elijama. Ako ne bi bilo tetnih efekata koji esto prate
polipoloidiju, to bi mogao biti najplodotvorniji nain poveanja genoma tokom
evolucije, budui da se na taj nain odmah udvostruuje veliina genoma. Na primer,
ako bi poliploidija bila jedini nain poveanja genoma, tada bi bilo potrebno svega 10
ciklusa duplikacija da se od organizama slinih savremenim bakterijama postigne
1000 puta vea koliina DNK u elijama sisara (210 1.000). Poreenjem veliina genoma savremenih organizama, od bakterija do sisara, i uzimajui u obzir da se
22
-
bakterijska elijska organizacija pojavila pre oko 3 109 godina, procenjeno je da su se poliploidije mogle pojavljivati, u proseku, svakih 300 miliona godina. Naravno,
ova procena bi mogla biti validna kada potpune duplikacije genoma ne bi esto
dovodile do velikih smanjenja adaptivne vrednosti organizama. Otuda je pravo pitanje
koliko je poliploidija stvarno doprinela poveanju genoma tokom evolucije? Delimian odgovor na ovo pitanje dale su analize kariotipskih promena tokom
procesa specijacije. Kod nekih biljnih taksona, poliploidija se esto odigravala, dok je
kod ivotinja ovaj nain poveanja genoma relativno redak dogaaj. Na osnovu
injenice da je veina biljnih familija gena vrlo stara i visoko konzervisana, zakljuuje
se da je veina genoma suvozemnih biljaka izgraena na ostacima vrlo starih
udvostruenja genoma (Soltis i sar., 2009). U analizama fosilnih angiospermi,
korienjem podatka da je veliina elije u korelaciji sa brojem hromozomskih
garnitura, dobijena je procena da je predaki haploidni broj hromozoma bio 7 ili 9, i
da bar 70% cvetnica ima poliploidnu specijaciju u svojoj evolucionoj prolosti. Kod
mahovina i paprati ovi procenti se kreu i do 95%. Kod novijih specijacija, procenjuje
se da je izmeu 2% i 4% novih vrsta cvetnica nastalo poliploidijom (uglavnom
alopoliploidijom)7.
Na osnovu analize paranoma, tj. kolekcije dupliranih gena, u oko 7000
multigenskih familija kod biljke Arabidopsis thaliana (danas spada u diploidne vrste)
izveden je zakljuak da je kod njenih predaka dolo do potpune duplikacije genoma u
tri navrata (ovi dogaaji se oznaavaju kao 1R, 2R i 3R; R potie od engl. round)
tokom poslednjih 250 miliona godina. Takoe, nainjen je evolucioni model pomou
kog je simulirana populaciona dinamika dupliranih gena u razliitim funkcionalnim
klasama. Model se zasniva na raspodeli sinonimnih zamena po mestu u genomu
(Maere i sar., 2005)8. Ova analaza je pokazala da su se posle tri poliploidna dogaaja
7 Alopoliploidna specijacija je ea od autopoliploidne. Naime, kod hibrida dve vrste, tj. jedinki u kojima su prisutni genomi dve vrste, empirijski podaci su pokazali da je verovatnoa nerazdvajanja hromozoma u gametogenezi 50 puta vea nego kod pripadnika svake od vrsta. Autopoliploidija nastaje kada tokom gametogeneze kod jedinki jedne vrste ne doe do razdvajanja hromozoma usled ega se formiraju diploidni gameti, a spajanjem takvih gameta dobija se tetraploidno potomstvo. 8 Poto sinonimne zamene nukleotida ne dovode do aminokiselinskih zamena u proteinima, oekuje se da njihove stope budu relativno konstantne kod razliitih proteina i da zavise samo od stopa mutacija. U tom sluaju moe se primeniti molekulski sat i proceniti vreme (T) potrebno za divergenciju dva nukleotna niza u kojima su se javljale sinonimne mutacije (KS), T = KS/2, gde je prosena stopa sinonimnih zamena (Maere sar., 2005 su uzimali dve vrednosti: 1,5 10-8 zamena po mestu po godini, i 6,1 10-9 zamena po mestu po godini). Na osnovu KS paranoma arabidopsisa, procene starosti vremena kada su se odigrale tri poliploidije u evoluciji angiospermi bile su sledee: 1R = 101-168 miliona godina, 2R = 66-109 mil. god., 3R = 24-40 mil. god.
23
-
kod predaka, u genomu arabidopsisa preferencijalno zadravali geni odgovorni za
transkripcione faktore, transdukciju signala i razvie; preko 90% tih gena stvoreno je
tokom 250000 godina, posebno u periodima koji su sledili dve najstarije polipolidije
(1R i 2R).
Analiza paranoma kod aradopsisa je takoe pokazala da se geni ukljueni u
sekundarni metabolizam ili odgovore angiospermi na napade patogena ili herbivora
(biotiki stresori) zadravaju u genomima bez obzira na to kako su nastali
poliploidijom ili duplikacijama pojedinanih gena. Zanimljivo je, meutim, da su se
geni ukljueni u odbranu biljaka od abiotikih stresora, kao to su sua, niske
temperature ili slanost zemljita, preteno zadravali posle poliploidija. Ovi podaci se
mogu povezati sa velikim fizikim promenama abiotike sredine u vreme velikih
duplikacija genoma - procenjeno vreme za 1R i 2R poklapa se sa velikim tektonskim
poremeajima i porastom CO2 u atmosferi (npr. u periodu pre 120 i 80 miliona godina
dolo je do raspada superkontinenta Pangee).
Studije na genomima drugih angiospermi, koje su uraene nakon analize
paranoma A. thaliana, nisu potvrdile sve gore navedene nalaze. Pored A. thaliana,
poznati su kompletni genomi sledeih cvetnica (Soltis i sar., 2009): Oryza sativa
(pirina), Populus trichocarpa (kalifornijska topola), Vitis vingifera (vinova loza),
Carica papaya (papaja). Analize genoma ovih vrsta ukazale su da je tokom evolucije
angiospermi stvarno dolazilo do poliploidija, ali je njihov broj varirao od vrste do
vrste tako da se ne moe sa sigurnou rei koliko je tano bilo paleopoliploidija kod
biljaka cvetnica. Kod drugih biljaka sa semenom, izuzev Gnatales, postoji veoma
malo podataka o drevnim poliploidijama.
Duplikacije nekoliko gena sa MADS blokovima (to su razliite klase
transkripcionih faktora), koji imaju znaajnu ulogu u razviu cveta, takoe ukazuju na
polipolidiju tokom rane evolucione istorije angiospermi9. Na primer, gimnosperme
imaju aktivnu samo jednu B-funkciju, dok angiosperme imaju dve, koje su se, 9 Obrazac ekspresije gena sa MADS blokovima poznat je pod nazivom ABC model determinacije organa cveta. Prema ovom modelu, odgovarajua diferencijacija etiri cvetna organa (krunice, aice, pranika i karpela) tipinog biseksualnog (hermafroditnog) cveta, predstavlja rezultat delovanja tri transkripciona faktora (A, B, i C), ije se aktivnosti delimino preklapaju, a koje su zasnovane na razliitim brojevima MADS gena. Aktivnost iskljuivo faktora A, odreuje aine listie; A plus B faktori daju krunine listie; A plus C faktori odreuju pranike, a aktivnost samo C faktora dae karpele. Zanimljivo je, takoe, da naruavanje normalne funkcije ABC proizvoda dovodi do pojave cvetova, koji zadravaju svoj osnovni oblik, ali imaju niz karakteristika lista biljnog organa ijom su transformacijom tokom evolucije i nastali. Dodatna zanimljost je da je poznati nemaki pesnik Gete prvi govorio o cvetu kao metaformoziranom listu.
24
-
najverovatnije, pojavile pre njihovog nastanka (starost tih duplikacija se procenjuje na
oko 260 miliona godina). Slino je i sa C-funkcijom. Kod angiospermi, za razliku od
gimnospermi, postoje dve grupe tih gena, jedna koja ima ulogu u razviu pranika i
karpele i druga sa kljunom ulogom u formiranju ovula. Poto su duplikacije nekih od
gena sa MADS blokovima vrlo stare, dok su druge znatno mlae, ti podaci, opet,
ukazuju da je tokom evolucije angiospermi bilo nekoliko poliploidija.
Najubedljiviji pokazatelji potpunih duplikacija genoma tokom filogenije
kimenjaka odnose se na skupove (jata) tzv. Hox gena (deo 3.2.2). Amphioxus
(Cephalochordata) ima jedan skup Hox gena, kolouste imaju dva do tri, a kimenjaci
sa vilicom, od riba do oveka, imaju najmanje etiri odvojene grupe Hox gena, koji se
nalaze na razliitim hromozomima. Na osnovu uporedne analize Hox gena
postavljena je hipoteza prema kojoj su se, tokom filogenije kimenjaka, odigrale dve
velike duplikacije gena (1R i 2R). Ranije se pretpostavljalo da se prva duplikacija
desila u liniji koja se odvojila od cefalohordata, a druga nakon divergencije predaka
savremenih kimenjaka sa vilicom (pre 395 do 345 miliona godina). Prema toj
hipotezi, prva duplikacija obuhvatala je itav genom, dok bi se druga odnosila na
viestruke tandemske duplikacije gena. Nedavno obavljena analiza na 55 genskih
familija (sa ukupno 150 gena koji su se nalazili na 22 autozoma i X hromozomu), gde
su, pored gena sa homeo domenima, ukljuene i druge familije iji se bar jedan lan
(gen) nalazi i kod kolousta, potvrdile su da su svi kimenjaci, ukljuujui i ribe
kolouste, doiveli dve runde (1R i 2R) potpune duplikaciju genoma (Kuraku i sar.,
2009). Prisustvo primitivnih morfolokih osobina kod kolousta (Agnatha)
objanjava se sekundarnim modifikacijama njihovih genetikih arhitektura. U
evolucionoj liniji koljoriba (Teleostei) pojavila se jo jedna runda potpune
duplikacije genoma (3R), koja se odigrala pre 236 do 350 mil. godina, priblino u
vreme masovnog izumiranja na granici Perma i Trijasa (250 mil. god.). Savremene
procene 2R potpune duplikacije genoma vertebrata kreu se od 520 do 550 mil.
godina, to je poetak tzv. kambrijske eksplozije (videti i deo 3.5.2). Mnogi
istraivai smatraju da je poslednja potpuna duplikacija genoma razlog za vrlo
intenzivnu specijaciju koljoriba; u ovu grupu se svrstava preko 20000 danas ivih
vrsta. Samo u okviru roda Barbus, filogenetska analiza pokazuje da je poliploidija
inicirala specijaciju najmanje 3 puta. Jedan od moguih razloga za poveanje
diverziteta vrsta koljoriba mogao je biti gubitak razliitih kopija gena u odvojenim
populacijama (to se esto naziva recipronim gubitkom gena, RGL, engl. reciprocal
25
-
gene loss). Naime, u izolovanim populacijama poveava se verovatnoa da e meu
hiljadama dupliranih gena i regulatornih RNK doi do diferencijalnog gubitka
njihovih kopija. U tom sluaju, ako se jedinke razliitih populacija eventualno ukrste,
postoji velika verovatnoa da, zbog genetike inkompatibilnosti, iz takvog ukrtanja
nee nastati vijabilno i fertilno potomstvo. Drugim reima, dolazi do uspostavljanja
post-zigotske reproduktivne izolacije. Da je RGL stvarno mogao biti uzrok
specijacije, pokazuje i poreenje genoma dve vrste koljoriba Tetraodon nigroviridis i
Danio rerio (zebrica), kod kojih je oko 1700 (ili 8%) predakih gena doivelo
reciproni gubitak (Semon i Wolfe, 2007).
Takoe, poliploidne klade biljaka cvetnica znatno su bogatije vrstama u
poreenju sa kladama kod kojih se ne javlja poliploidija. Kod trava (Poacaee), koje
danas imaju 658 rodova sa oko 10000 vrsta, procenjuje se da je do potpune
duplikacija genoma dolo u periodu od pre 70 do 50 miliona godina, to je blizu
vremena kada su, najverovatnije, trave i nastale (najstariji fosili ove grupe datiraju se
na oko 55 miliona godina). Pretpostavlja se da je kod leguminoza (Fabaceae) do
poliploidije dolo neposredno pre adaptivne radijacije koja je dovela do pojave oko
19000 vrsta. Takoe, kod Solanaceae (koje su nastale pre 49 do 68 mil. god.)
poliploidija se datira na vreme od pre 50 do 52 miliona godina.
Prouavanje ostrvske flore, posebno one koju nalazimo na vulkanskim
ostvima, moe nam pomoi u razumevanju razloga koji su doveli do poliploidije za
kojom je sledila adaptivna radijacija niza cvetnica. Disperzija na vulkanske arhipelage
podrazumeva naseljavanje novih stanita koja su drastino drugaija i dinamino se
menjaju u relativno kratkom vremenu. Ciklusi velike nestabilnosti u ovakvim
ivotnim sredinama mogu se ponavljati s pojavom svakog novog ostrva u arhipelagu.
Smatra se da su i preci savremenih angiospermi naseljavali takve ivotne sredine na
prelazu iz Krede u Tercijar (pre oko 65 mil. god.).
Jedna od najbolje prouenih flora smetena je u havajskom aripelagu,
udaljenom od June Amerike oko 3500 km. Ostrva ovog arhipelaga pokazuju
gradijent starosti od zapada prema istoku (najstarije ostvo je Kauai 5 mil. god., a
najmlae je Havaji 500000 god.). Cvetnice koje naseljavaju Havajska ostrva imaju
najveu uestalost poliploidije, pri emu najvei broj havajskih vrsta predstavlja
paleopoliploide pre naseljavanja ovih ostrva njihovi preci su ve bili poliploidni. Na
primer, endemine metlice sa ovih ostrva (svrstavaju se u tri roda i 60 vrsta) su
poliploidne (2n = 64, 66), i sve vode poreklo od roda Stachus sa pacifike obale
26
-
Severne Amerike. Ovaj rod je alopoliploid nastao ukrtanjem dve vrste jedne sa
cvetovima koje su opraivale ptice i druge koje su opraivali insekti. Morfoloka i
ekoloka diverzifikacija metlica na Havajima je izuzetno velika nalaze se na velikim
visinama, ali i u kinim umama, sa cvetovima koje oprauju ptice ili insekti.
Molekularno bioloka istraivanja su pokazala da ovako velikoj evolucionoj
plastinosti jesu doprinosili veliki intergenomski rearanmani, promene naina
regulacije aktivnosti gena i, kod alopoliploida, veliki broj fiksirani heterozigota.
Heteroza i brze genetike i epigenetike promene predstavljaju osnovu
prilagoavanja poliploida na ekstremne uslove ivotne sredine. Kod poliploida,
posebno alopoliploida, poveanje heterozigotnosti gena moe dovesti do porasta
varijabilnosti u ekspresiji gena i regulatornim vezama, to, kao posledicu, moe imati
poveanje vijabilnosti i brih adaptacija na nove uslove. Nekoliko studija na
cvetnicama je pokazalo da su poliploidne forme tolerantnije na iri spektar sredinskih
uslova nego diploidne forme, kao i da su poliploidi znantno invazivniji i mogu
kolonizovati ivotne sredine u kojima diplodi uopte ne uspevaju. Poliploidni insekti
takoe imaju iru geografsku raspodelu nego njihovi diploidni preci. Relativno novo
nastala tetraploidna aba, Xenopus laevis, je vrlo invazivna vrsta i esto naseljava
stanita koje je ovek naruio. Ova vrsta aba je daleko otpornija na slanost stanita,
suu, hladnou, izgladnjivanje i niz patogena i parazita od svog diploidnog srodnika,
abe Silurana tropicalis.
Biljka Arabidopsis thaliana ne samo da je paleopoliploid ve je, zajedno sa
vrstom A. arenosa, ukljuena u stvaranje relativno novog prirodnog aloploida
Arabidopsis suecica (Ni i sar., 2009). Poto se ovaj prirodni aloploid moe iznova
napraviti u laboratoriji, mogue je analizirati genetike i fenotipske promene koje se
javljaju u prvim generacijama posle formiranja alopoliploida. Jedna od osobenosti
ovog aloploida, kao i mnogih drugih do sada analiziranih, jeste njegova vea biomasa
u odnosu na obe roditeljske vrste. Istraivanje uzroka poveanja biomase pokazalo je
da je od 128 gena sa poveanom ekspresijom kod aloploida, 67% je pokazivalo
povezanost sa dva gena (CCA1 i LHY) koji reguliu cirkadijalni ritam (oba gena su
odgovorna za supresiju fiksacije ugljen dioksida preko noi). Zanimljivo je takoe da
su oba gena kod alopoliploida bili epigenetiki suprimirani i da je ta supresija bila u
korelaciji sa poveanom sintezom skroba i sadraja hlorofila. Ovaj eksperiment je
znaajan jer pokazuje da bitna fenotipska promena, koja sledi posle alopolipolidije,
nije posledica genetikih ve epigenetikih promena, koje se odigravaju u
27
-
vremenskom pomaku u ekspresiji regulatornih gena. Eksperiment sa neopoliploidijom
kod arabidopsisa u skladu je i sa jednim principom koji je uoen kada su analizirane
genetike promene nakon potpune duplikacije genoma. Prema tom principu, duplirani
geni najee divergiraju u mehanizmima genske regulacije, a najree u svojim
biohemijskim funkcijama.
2.3.2. Duplikacije pojedinanih gena
Osnovni mehanizam dupliranja pojedinanih gena jeste nejednak krosing-
over. Nejednak krosing-over nastaje kao posledica pogrenog postavljanja delova
homolognih hromozoma i njihove rekombinacije. Rekombinacija izmeu pogreno
sparenih regiona dovodi, s jedne strane, do delecije, a s druge strane, do duplikacije
odreenih delova homolognih hromozoma. Ako duplirani nizovi DNK zadre isti
smer (to se naziva glava-rep vezivanjem), dobijaju se tandemski ponovci. Na
osnovu analize paralognih gena veeg broja eukariota, procenjena stopa pojave novih
kopija gena iznosi od 0,001 do 0,017 po genu na milion godina (Lynch i Conery,
2003).
Prva znaajna posledica tandemskih duplikacija jeste dodatno poveanje
verovatnoe nejednakog krosing-overa sa porastom broja tandemskih kopija budui
da se kopija gena jednog lanca moe sparivati sa bilo kojom kopijom na drugom lancu
DNK. Na ovaj nain moe doi do brze ekspanzije tandemskih ponovaka, odnosno do
formiranja velikih familija gena. Druga znaajna posledica je homogenizacija lanova
multigenske familije i usporavanje njihove divergencije usled estog odigravanja
krosing-overa. Ova tendencija gena unutar multigenskih familija da evoluiraju na
slian nain naziva se zajednikom evolucijom (sin. horizontalna ili koincidentna
evolucija; engl. concerted evolution). Pored nejednakog krosing-overa, drugi
mehanizam koji obezbeuje horizontalno premetanje mutacija izmeu lanova jedne
multigenske familije jeste konverzija gena - proces jednosmernog transfera DNK
informacije sa jednog gena na drugi. Konverzija gena se najee odigrava tako to
neki alel, ili njegov deo, dobije niz nukleotida od drugog alela istog gena (intraalelska
ili intralokusna konverzija). Taj proces se najee odvija tokom rekombinacije i
reparacije pogreno vezanih baza (engl. DNA mismatch repair). U klasinom primeru,
u procesu rekombinacije, nastali heterodupleks moe sadrati jednu ili vie pogreno
vezanih baza. Mehanizmi reparacije popravljaju pogreno sparene baze, pri emu kao
28
-
matricu za popravku mogu koristiti lanac sa drugog DNK molekula to dovodi do
zamene jedne sekvence drugom (slika 2.4).
Slika 2.4. Poreklo genske konverzije. a) Shematski prikaz razmenjenih delova u heterodupleksu. b) Genska konverzija: niz oznaen sa e koristi se kao matrica za reparaciju pogreno vezanih baza (e je niz suprotnog pravca). Posledica ovog procesa je odstupanje od oekivanih mendelovskih proporcija u potomstvu. c) Popravka bez genske konverzije: obe DNK koriste svoje sekvence kao matricu za popravku pogreno vezanih baza.
Interlokusna genska konverzija (konverzija izmeu lokusa na istom ili
razliitim hromozomima) odvija se izmeu nizova sa visokim stepenom slinosti, kao
to su paralogni nizovi (npr. lanovi MGF) ili pseudogeni. I u ovom sluaju, pogreno
sparivanje slinih nizova i korienje jedne matrice rezultuje nerecipronim
transferom izmeu donorske i primajue sekvence (slika 2.5). Takoe, kako se
pokazalo, do ovog fenomena moe doi i u procesu popravke prekida duplog heliksa;
pokazano je da postoji vei stepen genske konverzije nakon izlaganja organizama
nekim mutagenim agensima koji izazivaju prekid DNK npr. radijacija. U irem
smislu, i ugradnja retrotranskipata na druga mesta u genomu, moe se smatrati
genskom konverzijom.
Slika 2.5. Genska konverzija izmeu lanova multigenske familije. Donorski niz, koji se prepisuje u familiji gena, obeleen je crvenom bojom.
29
-
Vano je jo jednom naglasiti da navedeni mehanizmi ne dovode do
usporavanja evolucionih promena paralognih nizova, ve poveavaju verovatnou da
e se oni menjati na slian nain. Ovaj fenomen pokazan je u uporednim analizama
multigenskih familija kod pripadnika iste vrste i izmeu razliitih vrsta. Ustanovljeno
je da su paralogni lanovi mnogih multigenskih familija meusobno vrlo slini unutar
vrste, ali da se izmeu vrsta, ak i srodnih, ortologni lanovi iste familije gena esto
bitno razlikuju. Ako je genetiki drift bio populacioni mehanizam fiksacija slinih
promena lanova multigenskih familija, onda se to naziva molekulskim voenjem
(engl. molecular drive).
Dakle, sve dok su duplirani geni blisko vezani jedan uz drugi i sve dok su
njihovi nizovi dovoljno slini, oni e evoluirati na slian nain. U tom, obino ranom,
periodu postojanja multigenskih familija, divergencija njenih lanova je usporena to,
opet, smanjuje verovatnou da se kopije gena transformiu u pseudogene. Savremeni
podaci opovrgli su ranija oekivanja molekularnih biologa da preko 99% dupliranih
gena evoluira u pseudogene. Na primer, procenjuje se da je oko 8% dupliranih gena
kod kvasca, ostalo funkcionalno u periodu od preko 100 miliona godina; kod
kukuruza, aba iz roda Xenopus i salamandri, taj procenat prevazilazi 70% za vreme
koje varira od oko 11 do 100 miliona godina.
Osim gore opisanih mehanizama zajednike evolucije, slinim evolucionim
promenama paralognih gena mogu doprineti i neki oblici prirodne selekcije. Na
primer, ukoliko duplirani geni zajedniki kodiraju proteine sa veim brojem domena,
tetna mutacija u jednoj kopiji gena (koja kodira za jedan domen) moe dovesti do
sinteze nefunkcionalnog proteina u interakcijama sa domenima drugih gena. U takvoj
situaciji, selekcija e eliminisati tetne mutacije i odravati multidomenski protein
(odnosno multigensku familiju) u funkcionalnom stanju. Takoe, duplirani geni mogu
zadravati svoju funkcionalnost ukoliko postoji selektivna prednost visokog nivoa
njihove ekspresije. Takva situacija uoena je, na primer, kod niza enzima koji
uestvuju u zatiti insekata od razliitih insekticida. U sluaju pojave mutacija u
promotorskim regionima gena, koje dovode do divergencije lanova multigenske
familije u odnosu na vreme i/ili tkivo u kome se oni ispoljavaju, a ukoliko su takve
promene ekspresije povoljne, selekcija moe dovesti do njihovog odravanja u
funkcionalnom stanju.
30
-
Od 9990 analiziranih genskih familija sisara (ovek, impanza, mi, pacov i
pas), 164 (tj. 1, 6%) familije su pokazivale bre promene u broju lanova nego to se
oekuje u neutralnoj evoluciji (Demuth i Hahn, 2009). Drugim reima, kod ovih
familija, promene u broju lanova najverovatnije se nalaze pod kontrolom prirodne
selekcije. U ovu grupu spadaju familije gena koji uestvuju u imunim odgovorima,
transkripciji, translaciji, razviu neurona i mozga, meuelijskoj komunikaciji i
transportu, reprodukciji i hemorecepciji. Kod velikog broja eukariotskih genoma
postoje velike multigenske familije za rRNK, tRNK i histone, sa desetinama
identinih kopija gena (npr. kod oveka postoji po 50 do 70 kopija gena za razliite
rRNK na 5 hromozoma: 13, 14, 15, 21, 22). Ovim masivnim duplikacijama gena
obezbeuje se sinteza ogromnih koliina proizvoda koji su neophodni prilikom
intenzivnih deoba elija (npr. tokom ranih faza razvia embriona). Smatra se da
ovakve duplikacije gena predstavljaju evoluciono stariji nain poveanja koliine
vanih proteina u poreenju sa regulacijom ekspresije pojedinanih kopija gena koja,
takoe, moe obezbediti visoku produkciju odreenih proteina u specijalizovanim
elijama. Analize nekih genskih familija pokazale su da ekspanzije njihovog broja
mogu biti specifine za evolucionu liniju kod sisara, od ukupnog broja familija gena
koje pokazuju promene u veliini, u oko 56% promene se uoavaju u samo jednoj
evolucionoj liniji.
2.3.3. Mehanizmi nastanka novih gena
Do divergencije nizova nukleotida u sastavu gena koji kodiraju proteine,
odnosno do pojave novih funkcija, moe doi i bez duplikacije gena. Tokom
evolucije, ortologni geni u razliitim taksonima akumuliraju razliite mutacije. Ovaj
proces moe uzrokovati promenu funkcije gena, tj. pojavu da geni sa zajednikim
poreklom kodiraju za proteine sa razliitom aktivnou kod razliitih organizama. To
se posebno odnosi na gene ije funkcije nisu deo osnovnih metabolikih procesa.
Ukoliko prirodna selekcija favorizuje neke od tih mutacija, fiksirae se divergentne
varijante ortolognih gena kod razliitih vrsta.
Meu brojnim primerima ovog procesa, naveemo nekoliko koji se odnose na
globinske gene i ilustruju kako odreene mutacije u ovim genima mogu dovesti do
adaptacija ivotinja na specifine uslove ivotne sredine. Kod nekih ivotinja koje
mogu iveti pod hipoksinim uslovima (na visokim nadmorskim visinama), kao to su
lame (Lama glama), alpake (L. pacos), guanake (L. guannacoe) i vikunje (L.
31
-
vicugna), na drugom mestu lanca hemoglobina nalazi se asparaginska kiselina umesto histidina. Histidin se inae nalazi kod kamila, najbliih srodnika lama.
Potpuno ista zamena aminokiselina postoji i kod indijskih i afrikih slonova, koji
mogu da se penju i do 4500 m nadmorske visine. Ovakva iroka prisutnost iste
mutacije kod razliitih vrsta, a koja je u svakoj od ovih evolucionih linija
favorizovana prirodnom selekcijom zbog delovanja istih selekcionih reima (tj.
ivota pod hipoksinim uslovima) predstavlja primer konvergentne evolucije. Kod
dve vrste gusaka, takoe je utvreno da samo jedna zamena aminokiselina u
hemoglobinskim lancima moe promeniti njihov afinitet prema kiseoniku. Kod guske
Anser indicus, koja leto provodi na Tibetanskim jezerima (4 000 do 6 000 m
nadmorske visine) i koja tokom svojih zimskih migracija prelee Mont Everest (9200
m n.v.), zamena alanina prolinom na 119 mestu lanca odgovorna je za visok afinitet hemoglobina prema kiseoniku. Kod andske guske (Chloephaga melanoptera), koja
stalno ivi na nadmorskim visinama od 5.000 do 6.000 m, adaptacija hemoglobina na
hipoksine uslove postignuta je zamenom leucina serinom na 55 mestu lanca. Stariji modeli koji su se bavili nastankom novih funkcija gena, uglavnom su
pretpostavljali da se nove funkcije u okviru jedne evolucione linije mogu pojaviti
nakon nastanka nove kopije, tj. posle potpune duplikacije pojedinanih gena. Prema
tzv. klasinom modelu, koji je dat jo sedamdesetih godina XX veka (Ohno, 1970;
Kimura i Ota, 1974), duplikacija gena je neutralan dogaaj tako da kopija nekog gena
akumulira mutacije bez nadzora prirodne selekcije. Sluajno nastale mutacije mogu
pod odreenim okolnostima (promenom ivotne sredine ili novim interakcijama sa
proizvodima drugih gena) dovesti do nove funkcije, koju, naravno, poinje da
prepoznaje prirodna selekcija. Ovaj model, meutim, nije danas iroko prihvaen
budui da su empirijska istraivanja pokazala da geni koji evoluiraju samo putem
genetikog drifta, najee akumuliraju tzv. destabilizujue mutacije, koje dovode do
agregacije proteina, to, opet, smanjuje adaptivnu vrednost organizama (tj. nisu
neutralne). Takoe, esto su obe kopije gena izloene delovanju tzv. purifikujue
selekcije selekcije koja eliminie mutacije koje destabilizuju biohemijske puteve u
kojima dati geni uestvuju. Najvei problem sa klasinim modelom nastanka novih
gena jeste to to se model zasniva na ideji jedan gen (jedna struktura) jedna
funkcija. Ova koncepcija o genima (tj. njihovim proteinima) kao specijalistima, je u
savremenoj biologiji potpuno odbaena. Danas postoje razliiti modeli nastanka novih
32
-
funkcija gena, koji se zasnivaju na tzv. zajednikim genima (engl. gene sharing),
odnosno na ideji da geni i njihovi proteini uglavnom obavljaju vie od jedne funkcije.
Ideja da se geni mogu tretirati kao generalisti inspirisana je otkriima prvih
zajednikih gena kod nekih proteina (kristalina) iz soiva oka kimenjaka. Ovi
proteini imaju identinu, ili skoro identinu, strukturu nekim metabolikim
enzimima10. Posle kristalina otkriveni su brojni primeri vrbovanja gena da obavljaju
vie funkcija, bez promena aminokiselinskog sastava proteina ili duplikacije samog
gena. Dakle, pokazano je da se isti polipeptid moe koristiti i kao enzim i kao
strukturni protein, naravno u razliitim tkivima. Mnogi proteini obavljaju funkcije za
koje nisu tokom evolucije bili pripremani. Ta tzv. funkcionalna plejotropija zasniva
se, izmeu ostalog, na postojanju razliitih proteinskih konformacija na osnovu istog
niza aminokiselina. Ova plastinost proteina moe biti polazite za evoluciju novih
funkcija, odnosno novih gena koji e ih kontrolisati. Do pojave kooptiranja gena za
nove funkcije, moe doi kada mutacije u regulatornim elementima dovode gen pod
kontrolu transkripcionih faktora specifinih za odreena tkiva (fenomen poznat pod
nazivom genetika piraterija). Na primer, BMP familije gena kod kimenjaka imaju
mnotvo funkcija u procesu razvia razliitih organa (npr. BMP4 uestvuje u
formiranju onog soiva, razviu skeleta i dorzalnog CNSa, apoptozi vorita zubne
glei, itd). Zanimljiv je primer BMP2 gena koji se, zajedno sa Shh genom, u novom
kontekstu razvia u evolucionoj liniji ptica eksprimira u distalnom epitelu pupoljka
pera. Ovi geni, koji imaju svoje ortologe i kod beskimenjaka, i uestvuju u razviu
brojnih tkiva kimenjaka, kooptirani su za funkciju razvia pera kod ptica.
Postoji mogunost da tokom evolucije doe do sukoba interesa dve funkcije
istog gena. Takav scenario se moe oekivati kada odreeni alel nekog gena daje
svojim nosiocima viu adaptivnu vrednost zbog njegove efikasnije, na primer,
strukturne uloge, ali istovremeno uslovljava manju aktivnost enzima. U takvoj
situaciji, duplikacija gena za kojom sledi funkcionalna specijalizacija nastalih kopija
predstavlja jedno od moguih reenja. Ovaj proces je poznat pod imenom
izbegavanje adaptivnog sukoba (EAC; engl. escape from adaptive conflict). Da je
tokom evolucije dolazilo do izbegavanja adaptivnog sukoba pokazuju geni za enzim
10 Na primer, kristalin (nalazi se kod nekih ptica i gmizavaca) i enzim argininosukcinat lijaza (ASL, katalizuje konverziju argininosukcinata u aminokiselinu arginin) imaju identine nizove aminokiselina i kodirani su istim genom! Inae, kod razliitih vrsta kimenjaka naeno je desetak gena koji istovremeno kodiraju razliite kristaline i enzime.
33
-
argininosukcinat lijazu (ASL) i kristaline. Jedan od dva blisko locirana ASL/ gena za kristalin kod kokoaka, 1, specijalizovan je za soivo oka (proizvodi vie od 95% kristalinske iRNK) a drugi, 2 gen, kodira preteno enzimski aktivan ASL u drugim tkivima. Interesantan primer je i duplikacija gena za alkoholnu dehidrogenazu (ADH)
kod kvasca S. cerevisiae. Ovde, jedna kopija gena je ukljuena u konverziju
acetaldehida u etanol, a druga u obrnutu reakciju. Rekonstrukcijom predake funkcije
Adh gena pokazano je da je prva funkcija predaka (Thomson i sar., 2005). Takoe je
pokazano da je proizvodnja etanola prvobitno bila koriena za regeneraciju
enzimskih kofaktora kada se kvasac nalazio u sredinama sa malo kiseonika, a da je
duplikacija Adh gena omoguila pojavu novog fenotipa unoenje umesto
izbacivanja etanola.
Slika 2.6. Razliiti modeli nastanka gena, tj. nove funkcije (prema: Soskine i Tawfik, 2010).
Nastanak gena procesom izbegavanja adaptivnog sukoba teko se moe
razlikovati od nastanka gena putem neofunkcionalizacije. U sluaju
neofunkcionalizacije, nova funkcija se stie delovanjem direkcione selekcije na jednu
kopiju, dok se originalna funkcija zadrava u drugoj kopiji gena. Poto je jo uvek
teko u eksperimentima jasno razdvojiti efekte prirodne selekcije i genetikog drifta
na fiksaciju novog oblika gena, ne postoje adekvatne procene relativnog znaaja
adaptivnih i neutralnih procesa u nastanku novih gena posle potpune duplikacije (Des
Marais i Rausher, 2006). Primer funkcionalnih promena i direkcione selekcije na
jednu od kopija gena nalazimo kod himernog jingwei gena vonih muica, koji kodira
za enzim alkoholnu dehidrogenazu. Ovaj enzim pokazuje preferenciju prema
dugolananim alkoholima, a smanjenu sposobnost katalize etanola to je sasvim
34
-
suprotno od roditeljskog Adh gena (Zhang i sar., 2004)11. Smatra se da je familija
gena terpenske sintaze, koja je kod smre (Picea abies) ukljuena je u modifikaciju
sekundarnih metabolita, prola nekoliko rundi neofunkcionalizacije. Kod te familije,
mali broj kljunih aminokiselinskih zamena kod dupliranih gena dovodio je do
radikalno promenjene supstratne specifinosti i terpenoidnog profila.
Neofunkcionalizacije putem ovakvih malih promena, veruje se takoe, dovele su kod
konifera do pojave irokog spektra sekundarnih metabolita, koji imaju kljunu
funkciju u zatiti od patogena i herbivora.
U procesima koji se opisuju kao duplikacijadegeneracijakomplementacija
(DDC, engl. duplication, degradation, comlementation) dolazi do podele dve ili vie
funkcija predakog gena na novonastale kopije. U sluaju subfunkcionalizacije, kako
se jo naziva ovaj fenomen, duplirani geni opstaju u genomu zbog mutacija koje u
svakoj kopiji inaktiviraju drugu originalnu funkciju. Svaka od tih mutacija je
neutralna, a ne tetna, jer nedostajuu funkciju jedne kopije nadoknauje druga
kopija. Mnogi evolucioni genetiari smatraju da subfunkcionalizacija najbolje
objanjava veliko prisustvo dupliranih gena kod eukariota, jer se ovde pretpostavlja
najmanji broj evolucionih dogaaja, tj. samo postojanje roditeljskog gena sa vie od
jedne funkcije i malog broja degenerativnih mutacija.
2.3.4. Duplikacije unutar gena
Proizvodi mnogih gena su proteini sa veim brojem domena ili oblasti.
Proteinski domen ili oblast (engl. domain, oblast, podruje, domen) predstavlja dobro
definisan region unutar proteina, koji ili obavlja specifinu funkciju, kao to je
vezivanje liganda, ili konstituie kompaktnu strukturnu jedinicu koja se moe jasno
razlikovati od drugih delova proteina. Ako oblast obavlja specifinu funkciju, tada se
naziva funkcionalni domen, a u drugom sluaju naziva se strukturni domen ili modul.
Odreivanje granica funkcionalne oblasti esto je veoma teko jer se funkcionalnost u
mn
top related