Геномы и эволюция

Из записной книжки Дарвина, 1837

Испорченный телефон

Испорченный телефон

Испорченный телефон

Испорченный телефон

Эволюция белков / генов

Эволюция белков / генов

Эволюция белков / генов

Эволюция белков / генов

Эволюция белков / генов

Эволюция белков / генов

Филогенетические деревья
Идея, по-видимому, Крика
Эмануэль Марголиаш (1963)
цитохром с (104 аминокислоты). Число замен:
лошадь–свинья (3), -тунец (19), -дрожжи (44)
первая реализация – Полинг и Цукеркандль
Кимура (1977): большинство замен нейтральны

Примерно первое дерево белков

Типичное дерево (родопсины)

Молекулярная палеонтология
Реконструированный белок и его свойства

Эпидемиология (вирусов)

Устойчивость бактерий к антибиотикам
мутации в гене бета-лактамазы, устойчивость к цефотаксиму (цефалоспорин 3-го поколения)

Эволюция белков за счет перестановок доменов

Еще об эволюции белков
Источники новых последовательностей («строительного материала»):
доменные перестановки
дупликации
захват некодирующих последовательностей
Изменение функции (+ изменение регуляции)
кристаллины
дельта-кристаллин (прицы и рептилии) – аргининосукцинат лиаза
зета-кристаллин (нек. группы млекопитающих) – хинон-редуктаза
альфа-кристаллин – белок теплового шока
эпсилон-кристаллин (птицы) – лактат-дегидрогеназа
тау-кристаллин (птицы) – альфа-энолаза
s-кристаллин (головоногие) – глутатион-S-трансфераза
эта-кристаллин (слоновые землеройки) – альдегид-дегидрогеназа
ро-кристаллин (лягушки) – альдо-кето редуктаза
антифризы
регулярные повторы, источник не важен

От генов к видам
Деревья для разных семейств генов похожи.
Эти деревья согласуются со здравым смыслом и с деревьями, которые строят систематики и палеонтологи.
Стало быть, используемые эволюционные модели адекватны и их можно использовать для заполнения лакун в палеонтологической летописи и уточнения таксономии.
неоднократное возникновение многоклеточности и т.п.
переоценка роли морфологических признаков
Полеонтологичевская летопись дает калибровку по времени.

«Принцип Пирсона»
консервативно => важно
гены
регуляторные участки

Один и тот же ген
в нескольких геномах
Sty TCGCTCG--CAGCGGAAAGAGGATTACGCCCTTCGCCTGGAGGCTGTGCAGGGGC---GCCGGAGATGGGATGCATAATT
Stm TCGCTCG--CAGCGGAAAGAGGATTACGCCCTTCGCCTGGAGGCTGTGCAGGGGC---GCCGGAGATGGGATGCATAATT
Sen TCGCTCG--CAGCGGAAAGAGGATTACGCCCTTCGCCTGGAGGCTGTGCAGGGGC---GCCGGAGATGGGATGCATAATT
Eco TTGCCCG--TGCCAGACGGCAGATTATCTCCCTGACCTGGTGGTTGCCCAGGAGGAGGGCCGGAAATAGGTTGTATCATT
Kpn ----CGG--TGGCGCAGTGCCTGATGGG-CCTCGCCCTGGAGGACGGTCTGGCAT---ATCAGCAAGGGGGTGCGTCATG
Ype TTGTTAGAACAGGGGAAAACGGTAAACAGTGTGGCATTAGATGTCGGTTATAGCT-----CCGCCTCTGCTTTTATCGCC
* * * * * * * * * * *
Sty AATTATCCTTTAAC----------CATAAATCTGAGCAATA-TATGCTTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Stm AATTATCCTTTAAC----------CATAAATCTGAGCAATA-TATGCCTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Sen AATTATCCTTTAAC----------CATAAATCTGAGCAATA-TATGCCTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Eco ACGTATCCTTATAC----------CTGAAATCTTCGCAAG--TATGCCTGGCCGCGAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Kpn ATTCATCCTTTCGATATCGCGGTGCTGGAACCAGGTGATGAGTATGCCTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTCCCCAG
Ype ATGTTTCAGCAAATAT--------CGGGTACCA-CGCCTGAGCGTTTCCGGCGGGGCAATAGTGGCTTATACTAAGCCCC
* ** * * * * *** * ** **** * *** **
Sty TTAACTCTCGTT-CTCAAACAG------GTACGACAGTC--GTGAAAATTCTCGTTGATGAAAATATGCCTTACGCCCGC
Stm TTAACTCTCGTT-CTCAAACAG------GTACGACAGTC--GTGAAAATTCTCGTTGATGAAAATATGCCTTACGCCCGC
Sen TTAACTCTCGTT-CTCAAACAG------GTACGACAGTC--GTGAAAATTCTCGTTGATGAAAATATGCCTTACGCCCGC
Eco TTAACTCTCGT--CTCATACAG------GTAACACAAAC--GTGAAAATCCTTGTTGATGAAAATATGCCTTATGCCCGC
Kpn TTAACTCTCGTT-CTCAGACAG------GTACTGAACT---GTGAAAATCCTCGTTGATGAAAATATGCCCTATGCCCGT
Ype CTGTTTTTCATCTGTATGGCAGTTCGCTGTCGGAGAGTAAAGTGAAAATTCTGGTTGATGAAAATATGCCGTACGCTGAG
* * ** * * *** ** * ******** ** ***************** ** **
123123123123123123123123123123123123123
Гены консервативнее, чем межгенные области
(точнее, особенности эволюции другие)

rbsD в энтеробактериях
Sty AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Sen AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Stm GGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Eco AGGATTAAACTGTGGGTCAGCGAAACGTTTCGCTGATGGAGAA-AAAAATGAAAAAAGGC
Ype TTTTCTAAACTCCTTGTTAGCGAAACGTTTCGCTCTTGGAGTA-GATCATGAAAAAAGGT
** *** **************** ***** * * ***** *****
Sty ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Sen ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Stm ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Eco ACCGTTCTTAATTCTGATATTTCATCGGTGATCTCCCGTCTGGGACATACCGATACGCTG
Ype GTATTACTGAACGCTGATATTTCCGCGGTTATCTCCCGTCTGGGCCATACCGATCAGATT
* ** ** **** ** ** **** ** *********** ***** *** *

rbsD в энтеробактериях
Sty AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Sen AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Stm GGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Eco AGGATTAAACTGTGGGTCAGCGAAACGTTTCGCTGATGGAGAA-AAAAATGAAAAAAGGC
Ype TTTTCTAAACTCCTTGTTAGCGAAACGTTTCGCTCTTGGAGTA-GATCATGAAAAAAGGT
** *** **************** ***** * * ***** *****
Sty ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Sen ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Stm ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Eco ACCGTTCTTAATTCTGATATTTCATCGGTGATCTCCCGTCTGGGACATACCGATACGCTG
Ype GTATTACTGAACGCTGATATTTCCGCGGTTATCTCCCGTCTGGGCCATACCGATCAGATT
* ** ** **** ** ** **** ** *********** ***** *** *

FNR, DnaA, NrdR регулируют nrdD

Эволюция за счет изменений регуляции
Лактаза
Эксперимент: пересадка регуляторной области гена Prx1 летучей мыши в геном мыши => удлинение передних конечностей на 15%

Следы эволюционных событий
ретровирусы и т.п.
(полно)геномные дупликации
горизонтальный перенос генов
синонимичные замены
псевдогены
Mycobacterium leprae
RbsR в Yersinia pestis
слабовредные мутации

Сайт есть – регулятора нет
потеря RbsR у Y. pestis (ABC-транспортер тоже потерялся)
Start codon of rbsD
RbsR binding site

Неоднократные потери и возвращения крыльев в ходе эволюции палочников

Скорость эволюции.
Положительный и отрицательный отбор
Разные гены эволюционируют с разной скоростью
имеющие наибольшее число связей, самые важные (рибосомные белки, гистоны) – медленно
это следствие отрицательного отбора (против нового)
Положительный отбор: новое – хорошо
поверхностные антигены патогенов и иммунная система
рецепторы сперматозоидов и яйцеклеток
репродуктивная изоляция за счет дрейфа
видообразование

Обезьяна -> человек
Изменения регуляции и уровней экспрессии генов
Дупликации генов
Быстрая эволюция генов (под влиянием положительного отбора)