3ULURGQR PDWHPDWL þNL IDNXOWHW XQLYHU ...nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2388/...6$7(/,76.$ '1. L...
Transcript of 3ULURGQR PDWHPDWL þNL IDNXOWHW XQLYHU ...nasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2388/...6$7(/,76.$ '1. L...
EVOLUCIJA DNK SEKVENCI, GENA I PROTEINA
Uticaj molekularne biologije na evolucionu biologiju izazvao je značajne konceptualne i
metodološke promene. Mapiranje kompletnog genoma vrsta je postalo rutina. Između ostalih,
do sada su u potpunosti mapirani genomi preko 700 vrsta mikroorganizama, pirinča, morskog
ježa, riba, vodozemaca, ptica i nekoliko vrsta sisara,. To je omogućilo istovremeno
analiziranje populacione dinamike nekoliko stotina gena, njihovih međusobnih interakcija i
mehanizma uticaja tih interakcija na njihovu evolucionu sudbinu.
Potpuno sekvencioniranje genoma počelo je sredinom 80-tih godina XX veka. Tehnologija
DNK sekvencioniranja na velikoj skali je jedna od oblasti koje najbrže napreduju i nije više
toliko skupa.
Otkriće ogromne raznovrsnosti genskih struktura, obrazaca duplikacije, spajanja gena i
regulatornih interakcija dovelo je do promene definicije gena. Umesto obrasca na osnovu
koga se vrši sinteza aminokiselinskog lanca, neki naučnici gen predstavljaju kao računarski
modul. Sukobi interpretacija svejedno dovode do zajedničkog stanovišta da je genom veoma
dinamičan i da se dosadašnje kategorije kao gen, egzon, protein i RNK transkript sve više
prepliću.
Molekularna biologija pre svega proučava strukturu DNK, RNK i proteina, kao i procese
replikacije, transkripcije, translacije i regulacije nivoa genskih proizvoda. Evoluciona
biologija koristi informacije o molekulskoj strukturi i procesima, kao i o procesima i
tehnikama koje se koriste za molekularna istraživanja.
Uporedna genomika predstavlja uporedno proučavanje čitavih genoma i počela je da se
primenjuje prvo na jednostavnijim, a onda i na kompleksnijim, eukariotskim, genomima.
Smatralo se da razlike u vremenu “otključavanja” i “zaključavanja” i poziciji genske
ekspresije više doprinose morfološkoj različitosti vrsta nego pojedinačne substitucije unutar
gena koji kodiraju proteine, naročito među bliskim vrstama kao što su ljudi i šimpanze. Ova
hipoteza nastala je na temelju činjenice da se proteini čoveka i šimpanze razlikuju samo u 1%
nukleotidnih sekvenci, dok su fenotipske razlike na nivou morfoloških osobina i ponašanja
Prirodno matematički fakultet univerziteta u Nišu Departman za biologiju sa ekologijom dr Jelka Crnobrnja Isailović, redovni profesor Teorija evolucije - autorizovana skripta
velike. Proučavanje evolucije genske ekspresije omogućilo je otkriće, na primer, procesa
RNK editovanja, putem koga sekvenca transkripta mitohondrijske RNK može da se izmeni i
na taj način nadoknadi različite genske defekte.
RAZNOVRSNOST I EVOLUCIJA GENOMA
Majkl Linč i Džon Koneri su 2003 godine ukazali da su mnoge karakteristike genoma
u početku imale veoma malo povoljnih efekata po adaptivnu vrednost organizma. Introni,
transpozonski elementi, veliki nizovi nekodirajuće DNK verovatno su preovladavali kod vrsta
koje su imale male efektivne veličine populacija. Virusi i bakterije odlikuju se veoma velikim
populacijama što ubrzava favorizovanje povoljnih mutacija i omogućava unapređenje genoma
u smislu postizanja veće adaptivne vrednosti. Nasuprot tome, eukariotske vrste odlikuju se
manjim populacijama što omogućava fiksiranje neadaptivnih mutacija. Po ovoj teoriji, introni
su verovatno isprva bili neadaptivni, ali su zatim kooptirani u vršenje različitih funkcija
genske regulacije, pošto introni imaju regulatorne sekvence kao mikro RN kiseline. Linčova
hipoteza suštinski naglašava da veličina populacije može veoma uticati na fiksiranje
neadaptivnih karakteristika u genomima.
Mnogi eukariotski genomi su isprekidani takozvanim splajsozomnim intronima. To su
introni kojima je neophodna kompleksna grupa proteina zvanih splajsozomi da bi bili
uklonjeni sa informacione RNK. Genomi bakterija i arhea imaju samo nekoliko introna koji
mogu sami da se „spletu“ pa im nisu potrebni splajsozomi.
Hipoteza „ranih introna“ Voltera Džilberta sugeriše da su introni postojali i kod najstarijeg
zajedničkog pretka svih živih bića, a da su se tokom evolucije „gubili“ u genomima onih
vrsta koje ih danas ne poseduju. Na ovakvo sagledavanje porekla introna navela ga je izvesna
sličnost između prokariotskih i eukariotskih introna. Međutim, mnogi introni ne postoje ni
kod drevnih grupa organizama, pa je realnija hipoteza koja smatra da su oni nastali relativno
kasno u evolucionoj istoriji i da nisu bili prisutni kod zajedničkog pretka eukariota, niti kod
zajedničkog pretka eukariota i bakterija (hipoteza „kasnih introna“). Savremene analize su
pokazale da je zajednički predak svih eukariota verovatno imao mnogo introna – preko 2
introna po kilobazi. Takođe, Linčova hipoteza o neadaptivnom poreklu introna putem
genetičkog drifta u malim populacijama izgleda prilično realna. U malim populacijama,
introni će se mnogo više održavati nego gubiti, zbog povećane stope fiksiranja štetnih
mutacija u malim populacijama, dok će u velikim populacijama introni mnogo češće nestajati
nego nastajati jer će ih prirodna selekcija veoma efikasno odstranjivati.
Eukariotski genomi sadrže mnogo više nekodirajuće DNK nego prokariotski. Samo
oko 1.5% ljudskog genoma sastoji se od sekvenci koje kodiraju proteine. Oko 95% tipičnog
ljudskog genoma sastoji se od introna. Većina nekodirajuće DNK nosi naziv „sebična DNK“
jer se pretežno sastoji od transpozonskih elemenata (TE). Naučnici su otkrili 2001 godine da
je više od 10% nekodirajuće DNK veoma očuvano između vrsta koje su veoma davno
divergirale od zajedničkog pretka, kao na primer ljudi i miševi. Mnogi eukariotski geni,
nasuprot prokariotskim, podležu takozvanom alternativnom splajsovanju (AS), dok je mnogo
informacionih RNK kodirano od strane pojedinačnih gena.
Veliki deo genoma sastoji se od ponovljenih DNK sekvenci. Njihov drugi naziv je
SATELITSKA DNK i glavni izvor ovih sekvenci su transpozonski elementi. Relativno skoro
je otkrivena klasa kratkih rasutih nuklearnih elemenata (short interspersed nuclear elements -
SINE) koji su kao aktivni postojali kod drevnih riba coelocanth-a. Kopije te klase SINE
opstale su tokom evolucije kičmenjaka i kooptirane su kao funkcionalni multiplikator koji
kontroliše ekspresiju transkripcionog faktora ISL1 kod sisara, koji opet kontroliše
diferencijaciju motornih neurona. Ova klasa SINE je takođe konzervirana u grupi egzona u
ljudskom genomu, poznatih kao PCB2. Ovaj primer pokazuje kako neki TE koji su se veoma
davno multiplicirali i postojali kao neaktivni u genomu, naknadno mogu biti kooptirani za
izvođenje značajnih funkcija u genomu.
Eukarioti imaju široku paletu transpozonskih elemenata, pri čemu mnogi od njih nisu
zajednički za velike klade. Kako su nastali TE, još uvek nije jasno. Uglavnom, u kopijama
retro elemenata koje bivaju prenešene na nova mesta u genomu dešavaju se tačkaste mutacije,
kao i u genima domaćinima. Transpozonski elementi nastavljaju da proizvode kćerke
elemente ili, mnogo češće, degenerišu putem mutacija i postaju neaktivni elementi koji se više
ne prenose. Mutacije u takvim elementima mogu biti upotrebljene za određivanje odnosa
između kopija u genomu, tako da starost TE familije može biti procenjena na isti način kao i
vreme divergencije vrste. Efekat novog transpozonskog događaja na adaptivnu vrednost
organizma uveliko zavisi od mesta na genomu gde se događaj odigrao. Mnogi transpozonski
događaji su štetni jer utiču na funkciju gena pored kojih ili u koje se insertuju. TE pretežno
postoje u regionima između gena i u intronima, verovatno zbog toga što oni koji se dese u
kodirajućim regionima gena izazivaju štetne efekte i ubrzo bivaju eliminisani
pročišćavajućom selekcijom. Transpozicije imaju najmanje dva tipa genetičkih efekata: prvo,
izazivanje mutacija. Drugo, ponovljene kopije TE u različitim delovima genoma mogu
predstavljati obrasce za nelegitimnu rekombinaciju, što rezultira rearanžmanima hromozoma
ili gena koje često sadrže deleciju nekog dela genetičkog materijala. Oko 0.3% svih humanih
genetičkih poremećaja, uključujući mnoge nasledne tipove leukemije, smatra se da je nastalo
na ovaj način. Predpostavlja se da je smanjenje adaptivne vrednosti domaćina zbog štetnih
mutacija i hromozomskih rearanžmana bio glavni razlog što TE nisu mnogobrojnije u
genomima domaćina.
EVOLUCIJA I ROBUSTNOST PROTEINA
Geni koji kodiraju proteine evoluirali su pretežno putem stabilizirajuće ili
pročišćavajuće selekcije, prilikom čega broj sinonimnih tačkastih mutacija prevazilazi broj
nesinonimnih substitucija. Drugi način evolucije ovih gena je putem GREŠKE KODONA.
Greška kodona je mera odstupanja učestalosti sinonimnih kodona određene amino-kiseline od
jednakih učestalosti. Nulta hipoteza podrazumeva će svi kodoni koji determinišu istu amino-
kiselinu biti podjednako zastupljeni, ali to obično nije tako. Jedan sinonimni kodon je uvek
dominantan.
Korelacija između sposobnosti organizma da preživi bez određenog gena i stope
evolucije tog gena je relativno slaba u poređenju sa analognim korelacijama sa nivoom
ekspresije gena ili učestalošću proteina. Stopa evolucije određenog proteina može u velikoj
meri biti objašnjena delovanjem selekcije za sprečavanje besmislenih grešaka tokom
translacije, što treba da nametne najjači selektivni pritisak na visoko ekspresivne gene koji
kodiraju proteine zastupljene sa visokom učestalošću u organizmu.
Amino kiselinske sekvence se mogu suočiti sa sopstvenim selektivnim pritiskom.
Sposobnost amino kiselinske sekvence da podržava pakovanje proteina u funkcionalnu
trodimenzionalnu strukturu bez obzira na pojavljivanje mutacija naziva se translaciona
robustnost. Na primer, molekul hemoglobina bez odgovarajuće trodimenzionalne strukture ne
može da veže molekul kiseonika. Ovde i jedna besmislena greška prilikom translacije može
da dovede do formiranja neaktivnog proteina i ako bi se to dešavalo proteinima koji se
proizvode u velikom broju kopija po jedinici vremena u organizmu, ubrzo bi u organizmu
postojala ogromna količina proteinskog „otpada“ što bi mnogo koštalo i ćeliju i organizam.
Translaciona robustnost je plastičan mehanizam koji omogućava posttranslacionu korekciju
grešaka.
CILJEVI I METODE U PROUČAVANJU MOLEKULARNE EVOLUCIJE
Za proučavanje molekularne evolucije koriste se metode kao PCR (reakcija
polimeraznog lanca), DNK sekvencioniranje i različite tehnike za izolaciju ili lokalizovanje
genskih produkata kao što su RNK transkripti i proteini. Informacije koje se dobijaju
upotrebom ove tri metode koriste se u evolucionim istraživanjima u tri pravca:
1. Molekularni markeri kao oruđe
Molekularni markeri se mogu koristiti za analizu tradicionalnih problema u
evolucionoj biologiji. Identitet gena (ili njihovih primarnih produkata) nije sam po sebi od
prvenstvenog značaja; istraživače interesuje da li su ti geni pogodni markeri za rešavanje
određenog problema. Na primer, elektroforeza enzima i analiza DNK haplotipova koriste se
za izračunavanje nivoa genetičke varijabilnosti unutar i između populacija, zatim za
upoznavanje populacione strukture, protoka gena i sistema ukrštanja, za opisivanje genetičkih
razlika između vrsta; analize rodoslova haplotipova (genska stabla) koriste se za izvođenje
zaključaka o istoriji veličine populacije, protoka gena i selekcije; DNK sekvencioniranje
koristi se za dobijanje informacije o filogenetskim odnosima između vrsta ili između viših
taksona.
2. Molekularni dokazi evolucije fenotipova
Da bi se detaljnije shvatili procesi koji izazivaju fenotipsku evoluciju, određena
istraživanja usmerena su u pravcu prepoznajvanja gena koji utiču na određene biohemijske,
fiziološke ili morfološke karakteristike. Ovi programi istraživanja su mnogo kompleksniji od
onih koji koriste molekule samo kao markere. Primeri za ovakva istraživanja su identifikacija
gena koji se nalaze u osnovi poligenske varijabilnosti i komparativna istraživanja gena koji
upravljaju procesom razvića.
3. Proučavanje evolucije gena i genoma
DNK sekvence i struktura genoma su osobine koje su predmet istraživanja same po
sebi, kao i ponašanje, morfologija ili druge fenotipske karakteristike. Kakve opšte zaključke
možemo izvesti o mehanizmima i evolucionim procesima koji kontrolišu brzine, obrasce
varijabilnosti i promene gena i genoma?
Neka istraživanja procesa koji kontrolišu molekularnu evoluciju koriste
eksperimentalne tehnike kao transformacija (inkorporiranje DNK jednog organizma u genom
drugog). Do sada su se, uglavnom, većina istraživanja evolucije gena i genoma oslanjala na
analize obrazaca variranja unutar i između populacija i vrsta. U nekim proučavanjima,
istraživač sam nabavlja sve ili skoro sve podatke putem eksperimentalnih procedura, dok u
drugim analizira baze podataka kao što je GenBank, u kojima su pohranjeni podaci o
sekvencama iz publikovanih naučnih radova.
Filogenetički uvid
Rekonstrukcija izumrlih gena:
Retropozoni (retrotranspozoni) su transpozonski elementi koji kodiraju enzim
reverznu transkriptazu. RNK transkripti retropozona se obrnutim redom prepisuju u DNK
kopije koje nakon toga bivaju ubačene u različite delove genoma. Transkripcija retropozonske
DNK pokreće se u jednom "uzvodnom" promotorskom regionu. Genomi sisara sadrže
različite kopije transpozona poznate kao L1. Kod roda Mus, neke kopije L1 imaju aktivan
promotor označen kao A, a druge imaju neaktivan promotor, označen kao F (kod ovih drugih
kopija, transkripcija biva aktivirana promotorima susednih gena). Sekvenca F promotora od
200-bp varira između kopija tog elementa kao i između selekcionisanih linija miševa i
pretpostavlja se da je inaktivirana putem različitih mutacija tokom oko 6 miliona godina.
Molekularni biolog Nils Edi i saradnici (1994) pokušali su da rekonstruišu predački
funkcionalni promotor iz koga su evoluirale neaktivne F sekvence. Koristeći filogenetsku
analizu 30 različitih sekvenci F promotora, koristili su princip parsimonije da dobiju najbolji
proračun predačke sekvence (na primer, na nukleotidnom mestu 213, neke sekvence imaju G,
a neke C, i filogenetsko stablo ukazuje da je verovatno C bilo predačko stanje tog
nukleotidnog mesta; slični proračuni su izvršeni za sva varijabilna mesta u okviru F
sekvence). Istraživači su potom sintetisali pretpostavljenu predačku F sekvencu i zakačili je za
Reporter gen, gen čiji proteinski produkt može biti detektovan ako promotor omogući da se
izvrši genska transkripcija. Ovi konstrukti su ubačeni u ćelije kulture tkiva miša. Eksperiment
je bio uspešan: nivoi proteina proizvedeni od gena sa sintetičkim promotorom bili su jednaki
nivoima proteina proizvedenim od strane kontrolnih gena za koje je prirodno aktivan A
promotor bio prikačen. Ovaj eksperiment podržava hipotezu da su inaktivne kopije nastale od
funkcionalne sekvence.
Zaključivanje o rekombinaciji i transferu gena:
U odsustvu rekombinacije, svi geni jednog genoma imaće istu istoriju prenosa i
identične genealogije (rodoslove). Danijel Dikhjuizen i saradnici utvrdili su da se prikazi
filogenetskih stabala linija bakterije E. coli razlikuju u zavisnosti od toga koja od tri genske
sekvence je analizirana. Zaključili su da se, protivno prethodnim zaključcima da je E. coli
skoro u potpunosti aseksualan organizam, razmena genetičkog materijala veoma često dešava.
Slično, virogen (gen nastao reverznom transkripcijom gena virusa) u genomima nekoliko
blisko srodnih vrsta mačaka je veoma sličan po sekvenci istom genu kod babuna. Ovo je
jedan od potvrđenih slučajeva horizontalnog prenosa gena među različitim vrstama eukariota,
tj kretanja gena među organizmima na drugi način nego putem prenosa sa roditelja na
potomstvo. Mada neki istraživači sugerišu da je horizontalni prenos gena u evolucionoj istoriji
biljaka i nekih drugih grupa bio dovoljno čest da doprinese rasprostranjenju osobina koje je
obično pripisano konvergentnoj evoluciji, nema dokaza koji podržava suštinsku ulogu
horizontalnog prenosa gena u evoluciji eukariota.
Horizontalni prenos gena izgleda da je prilično uobičajen između nekih vrsta bakterija.
Ovaj fenomen može imati važne medicinske posledice; na primer, bakterija Neisseria
gonorrheae, uzročnik gonoreje, izgleda da je postala rezistentna na penicilin putem
horizontalnog prenosa gena sa nepatogenih vrsta bakterija.
EVOLUCIJA DNK SEKVENCI
Podaci o varijabilnosti DNK sekvenci postaju dostupni od kraja sedamdesetih godina
XX veka. Isprva su površno i nepotpuno tumačeni na osnovu variranja restrikcionih mesta
(RFLPs), a kasnije je tumačenje postalo znatno preciznije, na osnovu prepoznavanja
kompletnih nukleotidnih sekvenci. Ovi podaci postaju glavni predmet interesovanja
populacionih genetičara u pokušaju otkrivanja koji evolucioni procesi su igrali važnu ulogu u
evoluciji DNK sekvenci. Sukob tumačenja selekcionisti/ neutralisti koji je bio usmeren na
varijabilnost alozima, preusmerio se na variranje DNK sekvenci. Ova debata se odnosi na to
da li je unutarpopulaciona varijabilnost i međupopulaciona divergencija kao i divergencija
između vrsta proizvedena putem genetičkog drifta ili prirodne selekcije. Sve više i više ima
dokaza da postoji i adaptivna molekularna evolucija, kao, na primer, studija na Drosophila
simulans koja je pokazala da je oko 45% svih aminokiselinskih zamena fiksirano putem
prirodne selekcije. Ali, bez obzira na to, neutralna teorija je još uvek polazna tačka svake
analize evolucije DNK sekvenci.
Obrasci variranja DNA sekvenci
Prvi podaci o intraspecijskoj varijabilnosti kompletne sekvence gena dobijeni su iz
studije Martina Krejtmena o lokusu za alkoholnu dehidrogenazu kod D. melanogaster. Od 11
genskih kopija, samo 1 od 2721 mesta imalo je substituciju koja rezultira promenom amino-
kiseline (nesinonimna tj substitucija zamenom), ali 42 mesta pokazala su sinonimne
substitucije (treba razlikovati pojam MUTACIJA -promena unutar jedne genske kopije- od
pojma SUBSTITUCIJA - delimična ili potpuna zamena jednog nukleotida ili duže sekvence
drugom u okviru jedne populacije ili vrste). Mnogo više mesta variralo je u okviru intronskih
u odnosu na egzonska mesta. Rodoslov (filogenija) sekvenci pružila je uvid da je upravo
rekombinacija unutar tog regiona proizvela neke od varijanti genskih kopija. Noviji podaci o
genima koji kodiraju različite proteine ukazali su na postojanje sličnih obrazaca.
Neka od najranijih istraživanja interspecijske divergencije DNK od strane Vilsona,
Brauna i saradnika, rađena su na mitohondrijalnoj (mt) DNK korišćenjem varijabilnosti
restrikcionih mesta i sekvencioniranjem DNK. Mitohondrijalni geni, koji nemaju introne,
nalaze se na jednolančanom, prstenastom hromozomu i nasleđuju se kod većine vrsta samo
preko jajne ćelije (materinsko nasleđivanje), te se rekombinacija ne dešava. Nekoliko
obrazaca utvrđenih u tim ranim radovima pokazali su se opštim, ne samo za mitohondrijalne
već i za nuklearne gene. Kada se proporcija baznih parova koji se razlikuju između parova
vrsta vremenski rasporedi, od zajedničkog pretka (proračunato na osnovu fosilnih nalaza),
kriva prvo raste, a onda dostiže horizontalni nivo. To se dešava zato što se tokom dovoljno
dugog vremenskog perioda na istim mestima dešavaju multiple substitucije, tako da
prvobitne substitucije bivaju "izbrisane" novijim. Tako dobijeni broj razlika između dve
filogenetski prilično udaljene vrste izgleda manji od broja substitucija koje su se zaista
dogodile. Za mt DNK sisara, odnos između divergencije sekvenci i vremena proteklog od
odvajanja od zajedničkog pretka je linearan samo tokom prvih 5 – 10 miliona godina; to je
samo onaj deo krive gde broj nukleotidnih razlika daje direktan proračun brzine evolucije
sekvence. Ova brzina, za sisarsku mtDNK, je 5 do 10 puta veća od prosečne brzine evolucije
sekvenci u nuklearnom genomu, verovatno zbog toga što DNK polimeraza koja pravi kopiju
(repliku) mt DNK nema sposobnost ispravljanja (korekcije) koju ima polimeraza koja kopira
nuklearnu DNK, tako da mt DNK ima veću stopu mutacija. Kako bilo, mt DNK i nuklearna
DNK evoluiraju skoro podjednakom brzinom u nekim grupama beskičmenjaka.
Kada su Braun i saradnici uporedili mt DNK sekvence nekoliko vrsta Primata, poređenjem
vrsta koje su relativno skoro divergirale od zajedničkog pretka uočili su da tranzicije
(substitucije jednog purina drugim ili jednog pirimidina drugim) uveliko nadmašuju
transverzije (substitucije purina pirimidinom i obrnuto), mada su ova dva tipa substitucija bila
skoro podjednako zastupljena ako se posmatra duže vreme divergencije. Tokom vremena
opažamo da transverzije postaju mnogo manje zastupljene i treba im više vremena da bi se
akumulirale. Ovo opažanje, koje se pokazalo opštim i za mitohondrijalnu i za nuklearnu
DNK, bilo je iznenađujuće, jer, među mogućim nukleotidnim substitucijama, transverzija
može biti više nego dvostruko u odnosu na tranzicije.
Drugo posmatranje mitohondrijalne DNK koje se pokazalo opšte važećim je da se, između
vrsta, neme (sinonimne) nukleotidne substitucije akumuliraju brže nego nesinonimne
(substitucije zamene amino kiselina). Promene druge baze u okviru kodona, koje najčešće
dovode do promene amino kiseline u proteinskom lancu, manje se razlikuju između vrsta
nego promene treće baze.
Brzine evolucije sekvenci su najniže za gene koji kodiraju proteine kao histoni, za koje se
smatra da imaju tačna funkcionalna ograničenja; nasuprot tome, brzine evolucije sekvenci su
najveće kod nefunkcionalnih pseudogena. Pseudogeni, introni i druge sekvence za koje se
pretpostavlja da se ne "prevode" u proteinske produkte, pokazuju veće brzine evolucije
sekvenci od kodirajućih regiona.
Interpretiranje varijabilnosti DNK sekvenci: Teorija
Neutralna teorija molekularne evolucije Moto Kimure, kasnije razrađena od strane
nekoliko drugih populacionih genetičara, predstavlja "nultu hipotezu" sa kojom se porede
podaci o molekulskoj varijabilnosti. Obrasci molekulske varijabilnosti mogu se objasniti
putem genetičkog drifta selektivno neutralnih mutacija sve dok ne odstupaju značajno od
obrazaca koje predviđa neutralna teorija.
Ako je u0 stopa selektivno neutralne mutacije po genu po generaciji, tada je brzina
substitucije (brzina zamene u populaciji) nezavisna od veličine populacije i predstavlja se
jednačinom k= u0 po generaciji (brzina substitucije po jedinici vremena je k/g , gde je g
dužina trajanja generacije). Očekuje se da će se dve populacije iste ili različitih vrsta koje su
bile izolovane međusobno u razmaku od t generacija, razlikovati za 2u0t substitucija.
Varijabilnost unutar populacije koja se nalazi u Hardi-Vajnbergovoj ravnoteži, merena
učestalošću heterozigota po nukleotidnom mestu, jednaka je 4Neu0, gde je Ne efektivna
veličina populacije (4Neu0=θ).
Za neutralne mutacije, θ može biti izračunato putem S (broj segregirajućih odnosno
varijabilnih nukleotidnih mesta u uzorku genskih kopija (sekvenci)), ili putem d, prosečnog
broja nukleotidnih razlika između parova sekvenci u uzorku. Ako se dve klase sekvenci
(različiti geni, ili introni u odnosu na egzone ili različita kodonska mesta) razlikuju u uo, mesta
sa većom u0 će pokazati i veću intraspecijsku varijabilnost i veću interspecijsku divergenciju.
Prirodna selekcija može modifikovati ove obrasce na tri načina. Pročišćavajuća
selekcija odstranjuje ili smanjuje učestalost štetnih mutacija u populaciji; pozitivna ili
direkciona selekcija fiksira sekvencu (gen) koji sadrži korisnu mutaciju; balansna selekcija,
zahvaljujući faktorima kao preimućstvo heterozigota, selekcija zavisna od učestalosti fenotipa
ili varirajuća selekcija, održava različite varijante sekvenci u populaciji. Ako je ukupna stopa
mutacija ut, ali su neke od njih štetne i stoga odstranjene putem pročišćavajuće selekcije, tada
je frakcija f0 tih mutacija neutralna, te je u0=utf0 u stvari stopa neutralnih mutacija. Smanjenje
f0 smanjuje u0 i time brzinu substitucije (k) i nivo polimorfizma (θ). Što su funkcionalna
ograničenja genskog produkta veća, to će smanjenje polimorfizma biti veće. Po neutralnoj
teoriji, možemo očekivati da će k i θ biti manje za funkcionalne gene nego za pseudogene, za
egzone u odnosu na introne, za mesta druge baze u odnosu na mesta treće baze na kodonima –
kao što to stvarno i jeste. Ako je mutacija neznatno štetna i ima opterećenje s, njena sudbina je
prevashodno određena delovanjem genetičkog drifta ako je s << 1/(2Ne), ali je u suprotnom
slučaju prevashodno određena delovanjem selekcije. Ako je Ne malo, veći broj mutacija je
selektivno neutralno i tako raste stopa substitucije putem genetičkog drifta (k). Pošto genetički
drift deluje brže u malim populacijama, smanjenje Ne smanjuje nivo unutarpopulacione
varijabilnosti.
Razmotrimo efekte selekcije na neutralnu varijabilnost na mestima koja su blisko
vezana za mesta koja su pod delovanjem selekcije. Pozitivna direkciona selekcija smanjuje
varijabilnost na blisko vezanim mestima. Ako se pojavi korisna mutacija na genu koji je do
tada bio selektivno neutralan u populaciji, ako ima veoma malo ili nema uopšte rekombinacije
u blizini korisne mutacije, ako je ta mutacija fiksirana od strane selekcije, onda će sve kopije
tog gena u populaciji poticati od te jedne kopije u kojoj se pojavila mutacija. Selekciono
neutralna mesta vezana za tu mutaciju biće takođe fiksirana efektom "autostopiranja".Tako je
sva neutralna varijabilnost u genu eliminisana, odstranjena selekcijom i varijabilnost je samo
malo rekonstituisana kao nove neutralne mutacije koje postoje među kopijama korisnog gena.
Selekcija će eliminisati varijabilnost na dugom segmentu DNA u onim regionima genoma
koji imaju niže stope rekombinacije. Efekti selekcije vidljivi su u genskim rodoslovima. Ako
poredimo dva nevezana lokusa, jedan koji je evoluirao isključivo putem delovanja genetičkog
drifta na neutralne mutacije i drugi koji je iskusio selektivno "čišćenje", u poređenju sa
kopijama neutralno evoluirajućeg gena, kopije gena koje su fiksirane selekcijom nastale su
od mnogo skorijeg zajedničkog pretka (onog kod koga se pojavila korisna mutacija). Te
kopije su imale manje vremena da akumuliraju različite neutralne mutacije i zato su im
sekvence sličnije. Selektivno čišćenje slično je delovanju efekta uskog grla na veličinu
populacije po tome što smanjuje varijabilnost genskih kopija, ali efekat uskog grla obuhvata
čitavu populaciju, a ne samo onaj njen deo obuhvaćen korisnom mutacijom.
Efekti balansne selekcije su suprotni efektima pozitivne direkcione selekcije. Ponovo
zamislimo da je rekombinacija niska u blizini nukleotidnog mesta na kome se dve varijante
održavaju u polimorfnom stanju putem selekcije. Sve genske kopije u populaciji su nastale od
dve predačke kopije (koje su nosile originalno selektivno korisne alternativne nukleotide), a
svaka od njih je osnivač genske linije gena koji su akumulirali neutralne mutacije u blizini
odabranog mesta. U poređenju sa genom koji je selektivno neutralan, DNK sekvenca koja je
pod uticajem balansne selekcije pokazuje povećanu varijabilnost u blizini selekcionisanog
mesta. U rodoslovu sekvenci prikupljenih iz populacije, zajednički predak svih sekvenci
verovatno je stariji ako su one evoluirale samo putem genetičkog drifta, zato što je selekcija
duže održavala te dve linije gena. Polimorfizam može biti održavan selekcijom tako dugo da
se u međuvremenu može desiti specijacija. U tom slučaju, obe genske linije mogu biti
nasleđene od strane dve ili više vrsta i neke genske kopije u svakoj vrsti mogu biti srodnije
genima drugih vrsta nego drugim genima iste vrste.
Pročišćavajuća selekcija protiv štetnih mutacija smanjuje polimorfizam blisko vezanih
neutralnih mutacija. To je takozvana pozadinska selekcija. Za region DNK unutar koga je
niska stopa rekombinacije, Ne je smanjena na proporciju gameta koji nisu vezani za štetne
mutacije. Kao posledica, nivo heterozigotnosti neutralnih mutacija je smanjen. Smanjenje je
najveće ako je stopa mutacije visoka, ako su mutacije sa veoma štetnim efektom i ako je
stopa rekombinacije veoma niska.
GENSKE FAMILIJE I NOVE FUNKCIJE GENA
GENSKE FAMILIJE predstavljaju skupove dva ili više gena sa sličnim DNK sekvencama.
Članovi genske familije često nastaju nejednakim crossing – over-om.
Divergencijom dupliciranih gena nastaju ORTOLOGNI GENI, te su to homologi geni u
genomima različitih vrsta. Nasuprot njima, različiti geni u okviru iste genske familije unutar
iste vrste su PARALOGNI GENI.
GENSKE FAMILIJE -Globini kičmenjaka:
Predak Gnathostoma = predački globinski gen
duplikacija
mioglobin hemoglobin 500Mya
(jednolančani globin
u mišićima) duplikacija
a-globin b-globin
duplikacije
Nekoliko članova a i b subfamilija eksprimiraju se u različito vreme tokom razvića.
Mnoge genske familije, kao one koje kodiraju histone i nekoliko ribozomalnih RNK, imaju
skoro homogene DNK sekvence i kolektivno proizvode ogromne količine istog genskog
“proizvoda”.
Pseudogeni su nefunkcionalni članovi genskih familija koji su nastali od funkcionalnih. Na
primer, čovečija hemoglobinska familija sadrži 3 pseudogena i to su TRADICIONALNI
PSEUDOGENI. Oni su homologi nekim sekvencama aktivnih globinskih gena.
PROCESOVANI PSEUDOGENI nastaju reverznom transkripcijom mRNK transkripta u
DNA i čine oko 9% ukupne DNK eukariota.
EVOLUCIJA NOVIH FUNKCIJA
Tradicionalna hipoteza podrazumeva da je novoduplicirani gen suvišan, da je njegovo
prisustvo/odsustvo selektivno neutralno i da nesmetano nakupljanje mutacija dovodi do a)
prelaska u pseudogene, b) nove funkcije koja ima selektivnu prednost i da je c) sudbina novog
lokusa nastalog duplikacijom određena “trkom” između fiksacije nultih mutacija koje ga
“utišavaju” i pozitivnih mutacija koje vode novoj funkciji.
Fiksacija pozitivnih mutacija i evolucija novih funkcionalnih gena nasuprot preovladavanju
pseudogena moguća je kada
4Nesr >>1
gde je s=selektivna prednost nove mutacije, a r=odnos pozitivnih prema nultim mutacijama.
Druga hipoteza smatra da duplicirani geni nastaju od predačkog koji ima dve funkcije, te da
se duplicirani gen specijalizira za ekspresiju jedne od funkcija. Ovakvo stanovište upućuje na
USKLAĐENU EVOLUCIJU GENSKIH FAMILIJA, a na to ukazuje i homogenost sekvenci
među multiplim lokusima unutar organizma. Na primer, u humanom genomu, sekvenca za
18S r RNK i 28S r RNK ima 400 kopija. Skoro svaka jedinica ima prepoznavajuće mesto za
restrikcioni enzim HpaI koje ne postoji kod čovekolikih majmuna.
UZROCI duplikacije bili bi 1.Nejednaki crossing-over, nakon čega kopije hromozoma imaju
samo jednu od varirajućih genskih sekvenci ili 2. Genska konverzija, gde, zbog mehanizama
popravke DNK, enzimi kopiraju DNK sekvencu sa jednog homologog hromozoma na drugi.
Postoje dve vrste genske konverzije: NEOPTEREĆENA, gde se svaka od dve varijante
heterozigotne genske sekvence sa podjednakom verovatnoćom konvertuje u drugu i
OPTEREĆENA, gde se jedna varijanta heterozigotne genske sekvence sa većom
verovatnoćom konvertuje u drugu.
Razlika između nejednakog crossing-over-a i genske konverzije je u tome što genska
konverzija ne menja broj kopija ili ponovaka nukleotidne sekvence i kada se dešava među
ponovljenim sekvencama, svaki takav događaj ima efekat ujednačavanja.
ZNAČAJ USKLAĐENE EVOLUCIJE
Ogleda se u tome što nastaju genske familije koje proizvode ogromne količine istovetnog
genskog produkta (histoni, rRNK), što povećava funkcionalnost organizma.
Prirodna selekcija može snažno uticati na postojanje usklađene evolucije.
Uniformnost/raznovrsnost unutar genske familije zavisi od toga da li su adaptivniji raznovrsni
ili istovetni, ali mnogobrojni genski proizvodi.
TRANSPOZONSKI ELEMENTI
Barbara Mc Clintock je 1948 godine otkrila mobilne genetičke elemente u genomu kukuruza.
Načini kretanja ovih partikula su:
1. kretanje putem direktne DNK replikacije i 2. reverzna transkripcija sa RNK kopije na
DNK kopiju, koja se potom inkorporira u genom. Transkripcija se vrši putem
retrotranspozona koji kodiraju enzim reverznu transkriptazu. Efekti su slični efektu mutacije.
Na primer, kod bakterija, neki mobilni genetički elementi sadrže gene koji su korisni za
domaćina, kao geni za otpornost na antibiotike i geni za metabolizam novih substrata.
Međutim, u većini slučajeva, mobilni genetički elementi MGE sadrže samo informaciju za
svoju sopstvenu replikaciju, pa se mogu smatrati genomskim parazitima.
GLAVNA POSLEDICA DELOVANJA MOBILNIH GENETIČKIH ELEMENATA JE
MUTACIJA. Mobilni genetički elementi se insertuju u kodirajući region gena i utiču (obično
spreče) na funkciju gena. Do sada u prirodnim populacijama nije utvrđena adaptivna mutacija
kao rezultat njihove insercije. Oni mogu imati glavnu ulogu u evoluciji arhitekture genoma,
jer se kopije mobilnih genetičkih elemenata na različitim delovima hromozoma mogu
rekombinovati, prouzrokujući strukturne izmene kao inverzije, translokacije i delecije.
Evoluciona dinamika mobilnih genetičkih elemenata bila bi povećanje njihove učestalosti u
populaciji tokom vremena, ako mutacija u okviru njih samih ubrzava stopu transpozicije i to
bi bio primer SELEKCIJE NA NIVOU GENA, A NE GENOTIPA, tj priča o takozvanoj
„SEBIČNOJ DNK“
Imuni sistem kičmenjaka mogao je nastati putem inkorporiranja mobilnog genetičkog
elementa koji je sadržao predačke forme RACI i RAC2 gena. Ovaj mobilni genetički element
razdvojio je predački imunoglobulinski gen na nekoliko komponenti: V, O i J sekvence.
Nastanak imunog sistema bio je bitan jer je to jedna od osobina koje su omogućile predačkim
formama kičmenjaka osvajanje novih niša i potencijal za preživljavanje novih parazita.
VISOKOREPETITIVNA DNK I VELIČINA GENOMA
Veličina genoma se često meri u pikogramima (pg) DNK; 1 pikogram otprilike je
ekvivalentan 1 Gb (gigabaza, ili 1 bilion baznih parova) genske sekvence. Na primer,
haploidni genom jedne vrste ribe iznosi oko 0.3 Gb, a genomi čoveka i miša su oko 3 Gb
svaki, dok daždevnjaci imaju ogromnu veličinu haploidnog genoma, čak do 50 Gb.
Varijabilnost C-vrednosti uglavnom potiče od razlika u količini visokorepetitivne DNK.
Visokorepretitivna DNK iznosi više od 90% eukariotskog genoma, a ponovljene sekvence
imaju 2 – više od 2000 baznih parova. Deli se na 1.mikrosatelitnu, 2.minisatelitnu i 3.satelitnu
DNK. Visoko repetitivna DNK se uglavnom nalazi u regionima hromozoma gde je stopa
rekombinacije niska (telomere, okolina centromera, Y hromozomi). Nije poznato da li
nukleotidne sekvence satelitne DNK utiču na adaptivnu vrednost.
C-vrednost = ukupna količina DNK /jedru
RNA virusi 103-104 nukleotida
Bakterije 106-108
Gljive 107-109
Alge 107-1012
Mahovine 109-1011
Golosemenjače 1010-1011
Skrivenosemenjače 109-1012
Sunđeri 108
Zglavkari 108-1010
Košljoribe 109-1010
Vodozemci 109-1012
Gmizavci 109-1010
Ptice 109
Placentalni sisari 109-1010
Ukupna količina DNK ima sledeće biološke efekte:
1.utiče na veličinu ćelije i 2.utiče na stopu ćelijske deobe
Brzina razvića je važna komponenta adaptivne vrednosti i životne istorije
Broj ćelija može veoma uticati na funkcionisanje nervnog sistema i drugih organa.
Relativna veličina i oblik mnogih osobina organizma pod uticajem su brzine razvića.
Ako veličina genoma ne bi evoluirala, što je uglavnom uslovljeno količinom satelitne DNK,
to bi ograničilo i evoluciju životnih istorija i morfološku evoluciju.
EVOLUCIJA NOVIH GENA I PROTEINA
Smatra se da su prvi živi organizmi sadržali samo nekoliko organizovanih sekvenci
nukleinskih kiselina. Evolucioni biolozi opisali su nekoliko mehanizama putem kojih su geni
u okviru genoma vrste mogli nastajati - bilo od već postojećih gena u istom genomu ili u
genomu drugih vrsta. Ovi mehanizmi obuhvataju horiznontalni transfer gena, mešanje egzona,
himerizam gena, retrotranspoziciju, multiplikaciju motiva i duplikaciju gena.
Duplikacija gena
Nakon nastanka genskih familija, dolazi do divergencije sekvenci i funkcija u okviru tih
familija. Pretpostavljeno je da je celokupan kičmenjački genom bio dupliciran prvi put u
okviru zajedničkog pretka kičmenjaka sa čeljustima, a onda opet u okviru predaka riba.
Smatra se, takođe, da su velike strukture sisarskih genoma nastajale kako velikim, tako i
putem mnogo malih duplikacija.
Nastanak novih gena putem duplikacije domena:
DOMENI su kompaktni, kontinuirani regioni molekula proteina, prostorno odvojeni, i
različitih funkcija. Na primer, ovomukoid – protein belanceta koji inhibira tripsin – ima tri
domena. Svaki domen ima tripsin-vezujuće mesto. Kodirajući regioni domena su sličnih
sekvenci i razdvojeni intronima. Svaki proteinski domen sadrži dva egzona (postoji delimična
korespondencija između domena i egzona).Pretpostavlja se da se evolucija ovomukoida
odigrala kroz 2 uzastopne duplikacije predačkog gena sa 2 egzona.
Ako jedan gen ima dve ili više funkcija, njegov primarni transkript – informaciona RNK –
razlaže se na nekoliko informacionih RNK, koji aktiviraju sintezu nekoliko različitih
polipeptida .
Druga varijanta bila bi da sa gena, preko informacione RNK, bude aktivirana sinteza
primarnog proteinskog proizvoda, koji se onda razlaže na nekoliko različitih polipeptida:
kortikotropin, melanotropin i endorfin
Nastanak novih gena putem mešanja egzona:
Ova hipoteza posmatra egzone kao predačke gene koji su se mešali i slagali u puno različitih
kombinacija i tako obrazovali savremene gene. Dokazi za realnost ove hipoteze ogledaju se u
tome što egzoni gena odgovaraju različitim domenima proteinskog proizvoda, a srodni
proteini imaju različite kombinacije istih domena ili modula. Po ovoj teoriji, pretpostavlja se
da je današnja raznovrsnost gena u svim organizmima proistekla od oko najviše 1000
predačkih sekvenci.
Geni eukariota sastoje se od egzona i introna. Proteinski domen (ili “modul”) je mali (oko 100
aminokiselina) segment koji se može inkorporirati u specifičnu trodimenzionalnu strukturu
nezavisno od drugih domena. Proteinski domeni često imaju specifične funkcije, mada ih ne
mogu u potpunosti obavljati u odsustvu drugih domena sa kojima mogu da fomiraju
funkcionalni protein.
POSTANAK I EVOLUCIJA VIRUSA
Mnogi genomi virusa kodiraju proteine za samo tri funkcije: replikacija sopstvenog genoma,
formiranje spoljašnjeg omotača i integracija u genom domaćina.
Postanak virusa objašnjava se dvema hipotezama:
Hipoteza I.
Hauard Temin smatra da su virusi potomci “pobeglih” ćelijskih gena koji su stekli proteinski
omotač i sposobnost da se repliciraju nezavisno od genetičkog materijala ćelija.
Retroni su najjednostavniji entiteti koji imaju reverznu transkriptazu.
Retropozoni su retroni koji imaju sposobnost promene mesta.
Retrotranspozoni predstavljaju retropozone sa dugim ponovcima.
Retrovirusi su retrotranspozoni sa strukturnim genima.
Retroni, sticanjem sposobnosti premeštanja, formiraju retropozone, koji, kada steknu duge
ponovke, postanu Retrotranspozoni. Sticanjem strukturnih gena, oni postaju Retrovirusi,
koji, ako izgube sposobnost premeštanja, postaju Pararetrovirusi. Gubitak reverzne
transkriptaze dovodi do formiranja DNK virusa (sa prstenastim genomom) od
pararetrovirusa.
Hipoteza II.
Savremeni virusi predstavljaju potomke pre-ćelijskih oblika života i oduvek su bili nezavisni
od genetičkog materijala koji se nalazi u ćelijama. Viroidi i satelitske RNK su ostaci
najstarijih tipova RNK molekula. DNK virusi su živi predstavnici najstarijih oblika života
zasnovanih na aktivnosti DNK, a retrovirusi predstavljaju potomke prvih reverznih
transkriptaza
Ove dve hipoteze ne isključuju jedna drugu. Novi oblici virusa nastaju i danas: SARS
=Severe Acute Respiratory Sindrome, detektovan je u novembru 2002 u Kini. Do maja 2003.
inficirao je 7000 ljudi, od kojih je 500 umrlo. Uzročnik ove viremije je nov virus SARS-CoV
iz familije korona virusa (Coronoviridae) – koji kodira 23 gena i nije nastao rekombinacijama
poznatih korona virusa.