Poziomy transfer genów w ewolucji
Ruchome elementy genetyczne i wirusy w ewolucji genomów
Poziomy transfer genów (HGT, LGT)
• Przepływ informacji z jednego genomu do innego
• Międzygatunkowy – pominięcie bariery rozrodczej • Wewnątrzgatunkowy • W obrębie komórki (np. między genomem organellum a jądra)
Poziomy transfer genów (HGT)
• Wyspecjalizowane ruchome elementy genetyczne • sekwencje insercyjne, transpozony • mobilne introny i inteiny • plazmidy • wirusy
• Dowolne sekwencje genomowe
Ruchome elementy genetyczne• W obrębie genomu tego samego lub bliskich gatunków
• transpozony i sekwencje insercyjne • plazmidy • mobilne introny
• Elementy genetyczne wyspecjalizowane w kierunku mobilności • “samolubne geny”, “pasożyty genomowe”
• Niekiedy o istotnej wartości adaptacyjnej dla gospodarza • przenoszenie korzystnych cech (np. oporność, infekcyjność) • dynamika genomu
Ruchome elementy genetyczne
• Pomiędzy genomami różnych linii ewolucyjnych • poziomy transfer genów (HGT) • endosymbioza
• Może dotyczyć dowolnych sekwencji, nie tylko wyspecjalizowanych elementów mobilnych
Ruchome elementy genetyczne
• Infekcyjne – wirusy • Posiadają wyspecjalizowane białka, które umożliwiają opuszczenie
komórki i infekcję kolejnych
Ruchome elementy genetyczne
• Granice kategorii są nieustalone • transpozony itp. mogą przenosić się między gatunkami • płynna granica między niektórymi typami wirusów i transpozonów • plazmidy i wirusy mogą mieć szeroką specyficzność gospodarza • wirusy po integracji do genomu mogą dziedziczyć się pionowo, jak
inne geny (lizogenia, ERV)
Znaczenie ewolucyjne • Ewolucyjna dynamika genomu
• rearanżacje • zmiany ekspresji innych genów • przenoszenie cech fenotypowych
• Transfer informacji z innych linii ewolucyjnych • wspólne pule genetyczne
Oznaki międzygatunkowego HGT
• Drzewo danego genu nie pasuje do drzewa filogenetycznego
• Inna zawartość par GC
• Inne wykorzystanie kodonów
Co jest potrzebne do HGT?
• Pobranie DNA
• Rekombinacja
Genomy bakterii są dynamiczne
• Szczepy bakterii zaliczane do tego samego gatunku znacząco różnią się zawartością (repertuarem) genów
• Genom rdzeniowy (core genome) – wspólny dla wszystkich szczepów
• Pangenom – zbiór wszystkich genów (nie występują jednocześnie)
Genom, pangenom…
Genom i pangenom
Co to jest Escherichia coli?Dla 61 zsekwencjonowanych szczepów:
• W sumie 4157 do 5315 genów w genomie szczepu • Genom rdzeniowy – 933 geny • Reszta – geny “pomocnicze” wybrane spośród ~15 000 genów • Cały pangenom: ~ 16 000 genów
Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246
Poziomy przepływ genów - bakterie
• U Bacteria i Archaea poziomy przepływ informacji genetycznej jest powszechny • plazmidy i ruchome elementy genetyczne • dowolne fragmenty DNA
• Równowaga pomiędzy naturalnymi barierami (np. system restrykcji-modyfikacji) a systemami ułatwiającymi wymianę DNA
Mechanizmy HGT u bakterii• Transformacja
• poprzez DNA • elektroporacja przez wyładowania atmosferyczne?
• Koniugacja • z udziałem pili płciowych
• Transdukcja • z udziałem fagów
• GTA • Gene Transfer Agents – wirusopodobne cząstki wytwarzane przez α-
proteobakterie
• Nanorurki
Mechanizmy u bakterii
Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte
2010. Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for eukaryotic evolution.
Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.
Mechanizmy u bakterii
Source: Sarah Schaack, Clément Gilbert, and Cédric Feschotte
2010. Promiscuous DNA: horizontal transfer of transposable elements and why it matters for
eukaryotic evolution. Trends in Ecology & Evolution 25: p. 537.
Nanorurki u bakterii
Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600.
Nanorurki – pomiędzy gatunkami
Dubey & Ben-Yehuda (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144(4):590-600.
Transfer genów oporności
Nie tylko plazmidy – wyspy genomowe
Juhas et al. FEMS Microbiol Rev. 2009 March; 33(2): 376–393.
Transfer genów w środowisku
• Wiele przykładów intensywnie zachodzącego HGT w środowisku • Szczególnie wyraźne w środowisku morskim (ok 47% bakterii
morskich może być biorcami, GTA jako jeden z głównych mechanizmów)
Znaczenie ewolucyjne HGT• W krótkiej skali czasowej ruchome elementy genetyczne mają duże
znaczenie dla wielu procesów • oporność – większość przypadków rozprzestrzeniania się oporności na
antybiotyki w szpitalach • wirulencja i dostosowanie do gospodarza • repertuar zdolności metabolicznych • przystosowanie do warunków ekstremalnych
• Thermotogales – geny przystosowujące do ekstremalnych temperatur pochodzą od Archaea (~10%) i termofilnych Clostridia
Adaptacje dzięki HGT
• Salinibacter (Bacteria) – geny umożliwiające przeżycie w warunkach wysokiego stężenia soli: • wyspa genomowa: transpozazy + geny
transporterów jonów i aminokwasów • rodopsyny – wykorzystanie światła do
transportu protonów i jonów • Uzyskane w HGT od Archaea i innych
BacteriaZhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology
21(7): R242-R246
Adaptacje dzięki HGT• Bacteroides plebeius – bakteria w przewodzie
pokarmowym człowieka • Niektóre szczepy zdolne do rozkładania
polisacharydów pochodzących z krasnorostów • B. plebeius uzyskał geny umożliwiające rozkład
tych polisacharydów w HGT od bakterii morskich • głównie szczepy izolowane od mieszkańców
Japonii, brak w szczepach od mieszkańców USAZhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology
21(7): R242-R246
Znaczenie ewolucyjne HGT
• Długofalowe znaczenie w ewolucji genomów • Znaczna (do 20-25%) część genomu może pochodzić z odległych linii
ewolucyjnych • U E. coli ~16 kb/milion lat
Udział HGT w ewolucji genomów bakterii
Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299-304
Przykład HGT
Gen reduktazy HMGCoA A. fulgidus nabyty od przedstawiciela Bacteria
Przepis na patogenność
Ochman et al. (2000) Lateral Gene Transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299-304
Udział HGT w ewolucji genomów bakterii
• Drzewo zbudowane za pomocą sekwencji białek rdzeniowych (pomarańczowe)
• Duża część genów MRCA utracona (szare) i zastąpiona przez pochodzące z HGT (zółte – zielone)
• Nowe nabytki w danych liniach - niebieskie
HGT a LUCA
• Czy LUCA był wspólnotą prakomórek swobodnie wymieniających geny?
• Pojawienie się trzech linii drzewa życia – indywidualizacja, redukcja HGT
A u Eukaryota?• W HGT do wielokomórkowych Eukaryota barierą jest odrębność linii
płciowej • Dane bardziej fragmentaryczne (mniej znanych genomów) • Mimo to liczne znane przypadki • Endosymbioza i tranfer genów symbionta = HGT
• Eukaryota powstały przez HGT
• Ale nie tak powszechne jak u bakterii
HGT do genomów Eukaryota
• Historycznie masowe z genomów organellarnych • Częste u Protista, zwłaszcza fagocytujących • Częste u roślin dla genomu mitochondrialnego • Częste od bakterii endosymbiotycznych/endopasożytniczych
• Sporadyczne HGT Eukaryota – Eukaryota
Czy mamy w genomie geny bakterii??
Czy mamy w genomie geny bakterii?
• W oryginalnym artykule posługiwano się wyłącznie analizą BLAST, bez rekonstrukcji filogenetycznej.
• Analiza filogenetyczna sfalsyfikowała hipotezę.
Protista• Większość genomów zawiera geny pochodzenia bakteryjnego
• 4% genomu orzęsków zamieszkujących żwacz u przeżuwaczy pochodzi od bakterii • Źródło – fagotrofia
• U Giardia, Trichomonas i Entamoeba >90 genów pochodzenia bakteryjnego • odpowiadają za przystosowanie do metabolizmu beztlenowego
Dictyostelium
• 18 genów pochodzenia bakteryjnego
• Związane z życiem w glebie, np. • siderofor (transport żelaza) • dipeptydazy (trawienie ścian
bakteryjnych) • oporność na toksyny glebowe
HGT od bakterii endosymbiotycznych
• Wollbachia i Drosophila
• Kopie całego genomu Wollbachia w chromosomach owadów
Hotopp et al. 2007, Science 317:1753-55
Guzak (Meloidogyne incognita)
• Nicień pasożytujący na korzeniach roślin • W genomie 60 aktywnych transkrypcyjnie
genów pochodzenia bakteryjnego • Opdowiadają za degradowanie i
zmiękczanie ścian komórek roślinnych • Z pasożytniczych bakterii glebowych • Późniejsze duplikacje Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7):
R242-R246
Pomiędzy różnymi Eukaryota
• Geny mitochondrialne u roślin • liczne przypadki niedawnych transferów • niekiedy na masową skalę • dlaczego nie w genomach plastydowych?
• kilka przypadków
• dlaczego nie w mitochondriach zwierząt? • opisany tylko 1 przypadek
Mitochondria roślin
OczekiwanaObserwowana
Flickr Gerard's World
rps2
Mitochondria roślin
Bergthorsson, et al. 2003. Widespread horizontal transfer of mitochondrial genes in
flowering plants. Nature 424: p. 197.
Funkcjonalny HGT u zwierząt
• Mszyce grochowe (Acyrthrosiphon pisum)
• Morfy czerwone – barwniki karotenoidowe • zwierzęta nie wytwarzają takich
barwników
Moran & Jarvik 2010. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science 328:624-627
Barwniki mszyc grochowych
• HGT genów odpowiadających za syntezę barwnika od grzybów
• Morfa zielona – mutacja utraty funkcji jednego z tych genów
• Możliwe znaczenie selekcyjne • osy pasożytnicze preferują zielone
mszyceMoran & Jarvik 2010. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in
aphids. Science 328:624-627
Wrotki• U wrotków Bdelloidea ~10% transkryptomu z genów pochodzących
z HGT (bakterie, grzyby i glony) • 80% z nich koduje enzymy, istotny wkład w metabolizm • czy to właśnie równoważy brak procesow płciowych w tej grupie?
Boschetti et al. (2012) Biochemical Diversification through Foreign Gene Expression in Bdelloid Rotifers. PLoS Genet 8(11): e1003035
Endosymbiozy i HGT
• Powstanie komórki eukariotycznej w wyniku endosymbiozy • W dalszej ewolucji istotna rola HGT symbionta do jądra
Oddziaływania jądrowo-mitochondrialne
• Proteom mitochondriów drożdży ~500-800 białek
• 8-9 kodowanych w mtDNA • Ponad 150 genów w jądrze,
których produkty są niezbędne do utrzymania i ekspresji mtDNA
Transfer i adaptacja genów
jądro mitochondrium
Utrata genów na skutek redundancji
Ewolucja nowych funkcji
Jak mitochondria traciły swój genomWolno żyjące bakterie - 1800-4500
genów
Endopasożytnicze bakterie (Rickettsia) - 850 genów
Pierwotne mitochondria (Reclinomonas) - 100 genów
Mitochondria „współczesne” - 30-40 genów
Dlaczego mitochondria traciły geny?• Zapadka Müllera
• W populacjach aseksualnych gromadzą się mutacje o niewielkiej szkodliwości
• Może dojść do sytuacji, kiedy dryf będzie szybszy od doboru oczyszczającego i haplotyp o niższym dostosowaniu opanuje populację
• Dojdzie do stopniowej akumulacji mutacji szkodliwych i degeneracji informacji genetycznej
• Rekombinacja odtworzy oryginalny genotyp z obciążonych różnymi mutacjami
I jak się to odbywało
• Ucieczka DNA do jądra • Przeniesienie genów do jądra za pośrednictwem RNA • Zastąpienie funkcji przez gen pochodzący z genomu gospodarza
(redundancja) • Nowe funkcje gospodarza – udomowienie symbionta • Zastąpienie funkcji przez gen pochodzący z innej linii
• polimeraza RNA, polimeraza DNA – pochodzenie fagowe
Skąd się bierze proteom mitochondriów?
• Proteom mitochondrium to ok. 600 (drożdże)-1500 (ssaki) białek • Geny kodowane w mtDNA: 2-67, większość 12-20 białek • Geny kodowane w genomie jądrowym
• Pochodzenia eubakteryjnego (symbiont) • Pochodzenia archaebakteryjnego (gospodarz) • Pochodzenia wirusowego (fagowego) – polimeraza RNA i DNA • Nieustalonego pochodzenia
Po co ciągle utrzymywać genom mitochondrialny?
• “Zamrożenie” przez niestandardowy kod genetyczny • Wyjaśnienie mechanistyczne • Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne • Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne
Wyjaśnienie mechanistyczne• Istnieją geny, które są kodowane w mtDNA u wszystkich znanych
organizmów • CYTB, COX1, rRNA
• I takie, które są kodowane w mtDNA u ogromnej większości organizmów • ATP6,8,9; tRNA; ND1-6; COX2,3
• Kodowane białka lokalizują się w wewnętrznej błonie • Próby rekodowania genu w jądrze niekiedy skuteczne (ATP8,
maturaza bI4), niekiedy nie (CYTB, ND4)
Wyjaśnienie mechanistyczne
• W mtDNA są kodowane te białka, których import do mitochondrium byłby niemożliwy, mało wydajny lub kosztowny • wykazane doświadczalnie dla CYTB
• W mtDNA kodowane są te białka, których obecność poza wewnętrzną błoną mitochondrium byłaby niebezpieczna dla komórki
Wyjaśnienie regulacyjno-koordynacyjne
• W mtDNA kodowane są te geny, których ekspresja powinna być bezpośrednio koordynowana w organellum • Np. regulacja transkrypcji w mtDNA drożdży przez poziom ATP
• Koordynacja syntezy białek i składania kompleksów w wewnętrznej błonie mitochondrium – zapewnienie stechiometrii i organizacji kompleksów • fizyczny związek translacji z błoną wewnętrzną
Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne
• Większość organizmów wyższych utrzymuje w mtDNA podstawowy zestaw genów, kodujących białka wewnętrznej błony uczestniczące w oddychaniu
• U jednokomórkowców skład mtDNA jest bardziej zmienny, ale utrata z mtDNA całych kompleksów (np. cV u Apicomplexa) zachodzi głównie u organizmów pasożytniczych
• U wielokomórkowców wyewoluowały mechanizmy zapewniające dziedziczenie jednorodzicielskie • nie są homologiczne – powstawały w ewolucji wiele razy
Wyjaśnienie regulacyjno-ewolucyjne
• Utrzymywanie genów kodujących podstawowe białka kompleksów łańcucha oddechowego w wysoce zmiennym mtDNA ułatwia adaptację do zmiennych wymagań energetycznych środowiska
• Utrzymywanie sprzężenia tych wariantów poprzez dziedziczenie jednorodzicielskie umożliwia koewolucję i koordynację zmienności adaptacyjnej
Genetyczne pasożyty• Transpozony • Mobilne introny
• wiele intronów typu I i II w genomach organellarnych i prokariotycznych • kodują białka
• maturazy – wspomagają wycinanie • endonukleazy i odwrotne transkryptazy – mobilność
• Wirusy • Czy tylko pasożyty?
Transpozony itp. w genomach
Innowacje ewolucyjne od transpozonów
• Metylacja DNA i regulatorowe małe RNA jako obrona przed powielaniem się transpozonów
• Rekombinacja między elementami powtórzonymi – zwiększa dynamikę genomu • tasowanie eksonów indukowane przez transpozony LINE
• Promotory transpozonów i endogennych retrowirusów mogą dawać nowe wzory ekspresji • np. “odżywiać” pseudogeny powstałe przez odwrotną transkrypcję
Geny przeciwciał?
• rekombinazy RAG1 i RAG2 mogą katalizować transpozycję
• czy pochodzą od transpozonów?
Endogenne wirusy• ERV (Endogenous RetroVirus) • około 8% genomu człowieka to sekwencje pochodzenia
retrowirusowego (HERV) • wszystkie niezdolne do replikacji
• powstawały na różnych etapach ewolucji, w tym w niedawnej ewolucji naczelnych
• czy przyczyniły się do przebiegu ewolucji? • HERV–K – były aktywne po oddzieleniu linii człowieka od linii
szympansa, infekowały człowieka 800-150 tys. lat temu
Śmierć i zmartwychwstanie genu IRGM
Bekpen et al. Death and Resurrection of the Human IRGM Gene. PLoS Genet.
2009; 5(3): e1000403.
IRGM = Immunity-related GTPase
Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego
• Łożysko ssaków
• Jądro komórkowe?
ERV i łożysko• Endogenny retrowirus u ssaków • Ekspresja w układzie rozrodczym
• powstają cząstki retrowirusowe • Gen env wyrażany w łożysku
• glikoproteina błonowa • promuje fuzję komórek – • tworzenie syncytium (syncytiotrofoblast) • immunosupresja
• Geny syncytyn pochodzą od env
Harris. Placental endogenous retrovirus
(ERV): structural, functional, and
evolutionary significance. (1998) BioEssays
20:307-316
Syncytyny i env ERV
Black et al. Endogenous Retroviruses in Trophoblast Differentiation and Placental Development. (2010) American Journal of Reproductive Immunology 64:255-264
Innowacje ewolucyjne pochodzenia wirusowego
• Łożysko ssaków
• Jądro komórkowe?
Eukariogeneza wirusowa• 3 przodków w endosymbiozie
• archeon – cytoplazma • wirus – jądro • bakteria – mitochondria (i chloroplasty)
• W genomie są geny pochodzące od wszystkich 3 przodków, ale struktura jądra (otoczka) to pozostałość wirusa • Poxviridae • Mimiviridae
Wikimedia commons
expasy.org
Eukariogeneza wirusowa a płeć• “Udomowiony” wirus nie może
wejść w cykl lityczny: • Fuzja komórek jako sposób
rozprzestrzeniania się • Współczesne wirusy (np.
Poxviridae) mają w otoczce receptory dla adhezji
• Mechanizm rozdziału kopii potomnych analogiczny do mechanizmów partycji plazmidów
Eukariogeneza wirusowa a płeć
• Fuzja dwóch komórek z niekompatybilnymi wirusami – pochodzenie mejozy