HROMATĪNA ULTRASTRUKTŪRA

1. HROMATĪNA ULTRASTRUKTŪRA

2. HROMOSOMĀM IR SAVA VIETA INTERFĀZES KODOLĀ Curr.Opin.Genet. & Develop. 14 (2004)

3. HROMOSOMU TERITORIJU MOBILITĀTE Nature Reviews Genetics 8, 104 (2007)

4. HROMOSOMU TERITORIJAS UN SPLAISINGS specles:

5. TRANSCRIPTION FACTORIES β-globin genes α-globin stabilizing gene RNA polymerase Science 312, 1304 (2006)

6. Regulatory elements (splicing factors) Nature 447,413(2007)

7. HROMOSOMU SADARBĪBAS RAJONU LOKALIZĀCIJA ChromosomeConformationCapture (3C metode) Hi-C variants with formaldehyde Science 326,289(2009)

8. TETHERED CONFORMATION CAPTURE (Hi-C metodes TTC variants) (with formaldehyde) Nature Biotechnology 30,90(2012)

9. HROMATĪNĀ SATUVINĀTIEM DNS REJONIEM VAR BŪT ATŠĶIRĪGA IZCELSME Šī iemesla dēļ var būt grūtības molekulāri interpretēt hromatīna ultrastruktūras elementus un atsevišķu lokusu telpiskās pārbīdes interfāzes hromatīnā. Nature Rev.Genetics 14,390(2013)

10. HROMOSOMU SADARBĪBĀ DOMINĒ TUVIE REĢIONI ChromosomeConformationCapture (3C metode) – Hi-C variants with formaldehyde B,C,D: Hi-C chromosome interaction maps Science 326,289(2009)

11. HROMOSOMU FRAKTĀLĀS GLOBULAS MODELIS Lineāri tuvie rajoni var būt telpiski attālināti Lineāri tuvie rajoni ir arī telpiski pietuvināti Science 326,289(2009)

12. STARPHROMOSOMU KONTAKTU PIEMĒRS INTERFĀZES HROMATĪNĀ Hi-C tehnoloģija FISH metode Nature Biotchnology 30,90(2012)

13. HROMATĪNA STRUKTŪRA INTERFĀZĒ Katrā individuālās hromosomas teritorijā jāatšķir cieši satuvināto hromosomas kodolu no relaksētās starphromosomu telpas (savstarpējās sadarbības sfēras), kur iespējami kontakti un funkcionālā aktivitāte – transkripcija, gēnu aktivācija vai represija utt. Katrai vienas un tās pašas izcelsmes šūnai ir hromatīna ultrastruktūras atšķirības šūnu populācijā. Tādēļ jāņem vērā struktūras nenoteiktība un populācijas princips, fiksējot kontaktus starp atsevišķiem hromatīna rajoniem. Nature Biotechnology 30,90(2012)

14. INDIVIDUĀLAS ŠŪNAS Hi-C ANALĪZE Izmanto peles T-šūnas, visas operācijas veicot permeabilizētas šūnas kodolā Nature 502, 59(2013)

15. HROMOSOMU TERITORIJU NOVIETOJUMS INDIVIDUĀLĀS ŠŪNĀS ATŠĶIRAS, BET TO STRUKTŪRAS ELEMENTIEM (ATVĒRTIE UN SLĒGTIE DOMĒNI) IR TENDENCE LOKALIZĒTIES VIENKOPUS Atsevišķu šūnu dati Randomizēti atsevišķu šūnu dati Nature 502,45(2013)

16. XistTRANSKRIPTA IZRAISĪTĀ TOTĀLĀ ChrXINAKTIVĀCIJA Xist gēns telpiski atrodas tuvu sākotnējām saistības vietām, tad ar hRNP U proteīna palīdzību sāk bloķēt virkni aktīvu gēnu. Piesaista arī PRC2 proteīnu, kas kondensē apkārtējo X hromosomas rajonu. Tas savukārt kopā ar dažiem citiem proteīniem iesaista procesā pārējos hromosomas rajonus līdz praktiski visi ChrX gēni ir ietverti kompaktā heterohromatīna struktūrā un kļūst neaktīvi. Science 341,(6147) 1237973(2013)

17. PELES ChrXULTRASTRUKTŪRAS MODELIS Takashi Nagano etal. Nature 502, 59(2013) Video 3

19. HROMOSOMU KOMPAKTIZĀCIJAS MODELIS METAFĀZĒ Interfāzes hromosomas kompaktizācija norit divās stadijās. Pirmajā – veidojas lineāra fibrilāra struktūra ar cilpām, gluži kā meijotisko hromosomu gadījumā. Otrajā stadijā notiek aksiāla kompresija un izveidojas katrai hromosomai raksturīgā kondensētā mitotiskā struktūra. Science 342,948(2013)

20. GĒNU EVOLŪCIJA

21. GĒNU EVOLŪCIJAS DIVI CEĻI Jaunu gēnu veidošanās notiek galvenokārt pa diviem ceļiem: • atsevišķu genoma rajonu duplikācijas (segmentu duplikācijas vai transponējamo elementu izraisītās duplikācijas genomā), ar tām sekojošu radušos kopiju diverģenci; • gēnu veidošanās no atsevišķiem strukturāliem domēniem, tai skaitā pievienojot jaunus eksonus jau esošajiem gēniem ar alternatīvā splaisinga palīdzību. Cilvēka un peles genomu (proteomu) salīdzinājums atklāj ortologu gēnu lielu pārākumu (80%) par paralogiem gēniem, kas liecina par otro ceļu kā galveno gēnu evolūcijā. Taču gēnu duplikāciju – paralogu veidošanās rezultātā rodas gēnu saimes, un to evolūcijā dominē pirmais mehānisms.

22. GĒNU EVOLŪCIJA NOTIEK ARĪ MŪSDIENĀS Evolūcijā novērojama arī kontrolēta gēnu izslēgšanu (gene death): Cilvēka genomā ir tādi neprocesēti pseidogēni, kuri radušie visai nesen un tikai ar dažām mutācijām atšķiras no aktīviem gēniem. Tas liecina par joprojām notiekošiem gēnu izslēgšanas procesiem evolūcijas gaitā. Starp 32 šādiem nesenas izcelsmes pseidogēniem (katram no tiem vidēji ir – 0.8 stop-kodons un 1.6 rāmja nobīde) 10 atvasināti no ožas receptoru klases gēniem. Ožas receptoru gēnu izslēgšana un reizē arī jaunu variantu rašanās liecina par šajā lielajā gēnu saimē notiekošām izmaiņām.

23. DUPLIKĀCIJAS KĀ GĒNU EVOLŪCIJA MEHĀNISMS Citohroma P450 gēnu supersaime cilvēkam, pelei un zivij: Cilvēka genomā ir 63 šīs saimes gēnu, bet pelei to skaits ir daudz lielāks - 84 gēni. Lielas atšķirības starp cilvēka un peles gēniem ir pie Cyp2b, 2c, 2d un 4a. Nature 420, 520 (2002)

24. GĒNU DUPLIKĀCIJAS KĀ JAUNA GĒNA AVOTS Gēna A kopijas pēc amplifikācijas atbrīvojas no selekcijas spiediena un var brīvi uzkrāt mutācijas un jebkurus pārveidojumus, lielākā daļa no tām ir vai nu nevēlamas vai neitrālas, kas var novest pie gēna kopiju iznīcināšanas pirms tajos varētu rasties kādas pozitīvas izmaiņas jauna gēna radīšanas procesā un nostiprināšanās populācijā. Tādēļ šāds process ticamāk var notikt, ja amplificējamajam gēnam A bez pamatfunkcijas ir vēl kāda minorā papildfunkcija – b, kura noteiktos fizioloģiskos apstākļos būtu palielināma. Tad gēna A+b amplifikācijai parādās jau pozitīvas selekcijas apstākļi un šādi pasargātā gēna kopija A+b turpmākos pārveidojumos (diverģējot) var iegūt jaunu funkciju B, kas nostiprinās genomā. Šādas ģenētiskas segregācijas apstākļos papildus gēnam A ir radies jauns gēns B. Science 338,384(2012)

25. JAUNU GĒNU VEIDOŠANĀS Visas minētās shēmas gēnu evolūcijā atvieglo jaunu gēnu veidošanos, jo samazina negatīvās selekcijas spiedienu uz jau funkcionējošu gēnu, radot jaunas ģenētiskas struktūras, neiznīcinot vecās. Transponējamie elementi var palīdzēt izveidoties jauniem eksoniem. Daudzu gēnu tuvumā atrod Alu elementus, kas satur vairākus potenciālus splaisinga saitus abos virzienos. Tiem integrējot intronā vai citā gēna netranslējamā daļā var izveidoties jauns eksons, kas var tikt izmantots jauna proteīna varianta sintēzē ar alternatīva splaisinga palīdzību. Piemērs šādai Alu inducēta eksona izveidošanai ir tumora nekrozes faktora receptora (p75TNFR) gēns, kas evolūcijas gaitā pievienojis 1. eksonu. Nature Rev. Genetics 7,499(2006)

26. ALTERNATĪVS EKSONS IEGŪTS NO Alu ELEMENTA (a) ( ) Exon1a struktūras pārvērtības: A→G (inic. AUG kodons); 7bp del (transl. rāmis); C→T (splaissaits) Nature Rev.Genetics 7,499(2006); J.Mol.Biol. 341,883(2004)

27. ALTERNATĪVS EKSONS IEGŪTS NO Alu ELEMENTA (c) Nature Rev.Genetics 7,499(2006); J.Mol.Biol. 341,883(2004)

28. GĒNU RADĪŠANA denovo CC C CLLU1 Pierādītā proteīna daļa – Kritiskā delēcija Genome Res.19,1752(2009) Jauns cilvēka gēns – CLLU1 (chronic lymphocytic leukemia up-regulated gene 1) radies no nekodējošā šimpanzes genoma rajona

29. ALTERNAT\IVAIS SPLAISINGS UN GĒNU EVOLŪCIJA Alternatīvais splaisings ir būtisks mehānisms jaunu gēnu radīšanā. Ievadot jaunu alternatīvu eksonu un izmantojot to minorā spalsisinga procesā, sākotnējais gēna splaisings nav traucēts un negatīvās selekcijas spiediens tiek novērsts. Līdz ar to var panākt būtiskas genoma pārmaiņas, saglabājot gandrīz neitrālu evolūcijas gaitu. Gēnu duplikācijas un alternatīvais splaisings ir savstarpēji papildinoši procesi gēnu evolūcijā. Multigēnu saimēs alternatīvais splaisings ir maz izteikts, kamēr unikāliem gēniem novēro aktīvu alternatīvo splaisingu. Nature Rev.Genetics 7,499(2006) Ne katrai splaisformai var piedēvēt kādu lomu organismā, vairums to varētu būt nevēlamas. Bez konkrētas funkcijas tās var pastāvēt tikai kā mazākuma forma līdz optimālāka varianta radīšanai. Proc.Natl.Acad.Sci. 104,5495(2007)

30. IZMAIŅAS CILVĒKA GENOMĀ IR SELEKTĪVAS

31. CITIEM DZĪVNIEKIEM KONSERVATĪVU SEKVENČU DELĒCIJAS (hCONDELs) CILVĒKA GENOMĀ Vairāk kā 500 tikai cilvēka genomam raksturīgas dažāda garuma delēcijas pārsvarā ir notikušas nekodējošos rajonos Nature 471,216(2011)

32. HUMAN ACELERATED REGIONS – HAR Genoma evolūcijā lielākā daļa izmaiņu ir neitrālas mutācijas un brīvi tiek pārmantotas, daļa genoma paliek nemainīga vai mainās ļoti nedaudz, jo negatīvās selekcijas rezultātā mutācijas tiek izslēgtas. Taču ir rajoni, kas raksturojas ar paaugstinātu mainību – pozitīvā selekcija. Tieši šie genoma rajoni piesaista paaugstinātu pētnieku uzmanību, īpaši cilvēka smadzeņu evolūcijas aspektā. Cilvēka genomā atrasti rajoni, kuri būtiski atšķiras no primātu un citu zīdītāju genomiem: HAR1 – HAR49 (Human acelerated regions). Citos dzīvniekos HAR atbilstošie rajoni ir evolucionāri konservatīvi, bet strauji izmainījušies cilvēka genomā. Tie galvenokārt saistīti ar gēniem, kas regulē transkripciju un neironu attīstību. • Atšķirības gēnu aktivitātē smadzenēs starp cilvēku un primātiem varētu liecināt par notikušām būtiskām genoma ekspresijas izmaiņām evolūcijā, cilvēka līnijai atšķeļoties no šimpanzes. Tādēļ tieši tur notiek intensīvi pētījumi.

33. HUMAN ACELERATED REGION – HAR1 Viens no tādiem HAR rajoniem cilvēka genomā ir HAR1, kas ir daļa no īpaša RNS kodējoša gēna – HAR1R un HAR1F transkriptiem, un ir iesaistīts smadzeņu korteksa agrīnajā attīstībā – Nature 443,167(2006). Šajā tikai 118 bp garajā HAR1 rajonā notikuši 18 aizvietojumi kopš cilvēka–šimpanzes līniju nodalīšanās (pretēji tikai 0,27 sagaidāmiem aizvietojumiem), jo šis rajons praktiski maz mainījies pēdējo 300–400 mlj. gadu laikā. HAR1 rajons eksons introns eksons Nature 443,167(2006)

34. HUMAN ACELERATED REGION – HAR1 Cilvēka HAR1 rajona struktūras homoloģija ar citu dzīvnieku ortologām sekvencēm (a) un transkripta iespējamā otrējā struktūra (b) Ar [......] ierobežotas homoloģiskā rajona robežas HAR1 otrējā struktūras modelī Nature 443,167(2006) Autori uzskata, ka tādi rajoni kā HAR veic selektīvu proteīnu kodējošo gēnu regulāciju, kas ir daudz nozīmīgāka cilvēka evolūcijā nekā šo gēnu struktūras–funkcijas izmaiņas.

35. HUMAN-ACCELERATED CONSERVED NONCODING SEQUENCE (HACNS1) Cilvēka Chr2 šaurā nekodējošā rajonā (81 bp) konstatēti 13 aizvietojumi, kuru nav citiem dzīvniekiem. Tas liecina par straujām evolucionārām izmaiņām šajā genoma konservatīvajā rajonā pēc cilvēka un šimpanzes līnijas nodalīšanās Science 321,1346(2008)

36. HUMAN-ACCELERATED CONSERVED NONCODING SEQUENCE (HACNS1) Aktīvi evolucionējušam cilvēka HACNS1 rajonam (13 aizvietojumi) pierādīta enhansera aktivitāte. Pārnes enhansera variantus kopā ar lacz gēnu kā transgēnu peļu embrijos. Science 321,1346(2008)

37. ŠĶIETAMĀ POZITĪVĀ SELEKCIJA SMG6 GĒNA PIEMĒRS No kopējā apmaiņu biežuma – 0.185 tikai 0.003 konstatētas cilvēka līnijā, kas liecina, ka kopš cilvēka un šimpanzes līniju nodalīšanās proteīnos notikušas apmēram 1.6% sekvences izmaiņas, pretēji novērotajiem 15% SMG6 gēnā. Skaitliski dots aminoskābju apmaiņas biežums (vidēji pret saitu) 1000 salīdzinātos proteīnos 25 no 29 ir AT→GC Atsevišķu genoma rajonu paaugstinātais mainīgums (t.s. HAR – human accelerated regions) var būt saistīts ne tikai ar adaptīvo selekciju, bet arī ar paaugstināta rekombināciju biežuma rajoniem genomā. Homoloģisko, bet ne identisko rajonu sapārošanas vietās notiek reparācija ar izteiktu AT→GC pārsvaru (BGC – Biased gene conversion). Tas liecina, ka nav spēkā pozitīvā selekcija proteīnu līmenī. Šādas izmaiņas var būt neizdevīgas organismam un jākompensē ar papildus mutācijām. Nature 457,543(2009)

38. ANDROGĒNĀ RECEPTORA GĒNA (AR) ENHANSERA DELĒCIJA Cilvēka ChrX ir deletēts plašs rajons, kas satur citiem dzīvniekiem konservatīvu AR gēna enhansera sekvenci. Testedforenhanceractivitywithlacz Delēcijas rezultātā cilvēka AR gēna ekspresijas regulācija ir mainījusies. Nature 471,216(2011)

39. GĒNU AMPLIFIKĀCIJA CILVĒKA GENOMĀ Genoma evolūcija ietekmē ne tikai gēnu ekspresiju, bet arī jaunu gēnu vai to domēnu rašanos. Atšķirībā no citiem primātiem, cilvēka genomā novērota specifiska (HLS – human lineage–specific) gēnu vai domēnu amplifikācija. Viens no tādiem gēniem ir MGC8902, kura funkcija nav skaidra, bet tas saistīts ar neironālo ekspresiju smadzenēs (korteksā) un kognitīvo funkciju. MGC8902 Ribosomal protein gene (not analysed) Science 313,1304(2006)

40. SRGAP2 GĒNA AMPLIFIKĀCIJA CILVĒKA GENOMĀ SRGAP2C gēna kopijai ir svarīga loma cilvēka smadzeņu attīstībā (valoda, komunikācija uc.) Iespējamie pseidogēni Cell 149,912(2012)

41. MIKROCEFALĪNA GĒNA POZITĪVĀ SELEKCIJA Mikrocefalīna gēns (MCPH1) regulē smadzeņu lielumu. Mutācijas šajā gēnā noved pie garīgas attīstības traucējumiem, taču neietekmē citus cilvēka fizioloģiskos procesus. MCPH1 gēna 14 eksoni aizņem 236 kB lielu rajonu chr8p23. Īpaša nozīme ir MCPH1 gēna 8. eksonam, jo sekvencējot 29 kb rajonu 86 indivīdiem un salīdzinot haplotipus, identificēja funkcionāli svarīgu alēli 37995. pozīcijā. Cilvēka populācijā dominē viens mikrocefalīna haplotips – Nr.49 (33%), kas atšķiras no daudziem citiem haplotipiem ar transversiju gēna 37995. pozīcijā (C alēle) ar G→C; Asp→His mikrocefalīna 314. aminoskābē. Pārējo 85 haplotipu biežums ir niecīgs (0.6 – 6.2%). Tātad, te spilgti izteikta pozitīvā selekcija. Science 309, 1717 (2005)

42. CILVĒKA EVOLŪCIJA TURPINĀS ŠODIEN Ja summē visus C alēli saturošos MCPH1 haplotipus, iegūst D haplogrupuar biežumu 70%, kurā dominē haplotips Nr.49. D haplogrupa izveidojusies, Nr.49 haplotipam kolonizējot plašu populāciju pozitīvās selekcijas apstākļos. To pavadīja atsevišķas mutācijas un radīja nelielu lokusa polimorfismu. Science 309, 1717 (2005)

43. CILVĒKA EVOLŪCIJA TURPINĀS ŠODIEN Uzskata, ka D haplogrupas vecums ir ap 37 000 gadu, tad sākās strauja cilvēka attīstība (simboliskā domāšana un komunikācija, ko apliecina arheoloģiskie izrakumi). Iespējams, ka šim cilvēka attīstību veicinātājam D haplotipam un mutācijai G→C ir Eirāzijas izcelsme un adaptācija. Science 309, 1717 (2005) Līdzīga aina novērojama cita smadzeņu attīstību stimulējošā gēna – ASPM evolūcijā, kur pozitīvais D haplotips ar alēli A→G radies, iespējams tikai pirms ~5800 gadiem. Science 309, 1722 (2005)

44. CILVĒKA EVOLŪCIJA TURPINĀS ŠODIEN Mikrocefalīna gēna variants – D haplogrupa, kas itkā nesen radusies un pozitīvās selekcijas rezultātā strauji izplatījusies cilvēku populācijā, faktiski nav jauna. No diviem scenārijiem ticamāka ir B shēma. B A D haplogrupa, iespējams, varētu būt cēlusies no kādas cilvēka priekšteču Homo līnijas, kura nodalījusies no modernā cilvēka līnijas pirms ~ 1.1 mlj. gadiem. Šajā laikā cilvēka līnijā nebija D alēles, taču cilvēka genoms to ieguva pirms ~37 000 gadu, krustojoties ar kādiem D alēli nesošiem citiem Homo līnijas pārstāvjiem, varbūt – neandertāliešiem. Šāds rets interbrīdings, iegūstot reto D alēli, varēja dot būtiskas priekšrocības un šī D alēle strauji izplatījās cilvēka populācijā. Tajā pat laika periodā D alēles donora populācija izmira. D allele D allele Modern humans lineage Archaic Homo lineage PNAS 103,18178(2006)

45. CILVĒKS NO DZĪVNIEKIEM MAZ ATŠĶIRAS AR: • GĒNU SKAITU • GĒNU STRUKTŪRU • GĒNU EKSPRESIJAS MEHĀNISMU ... bet kāpēc tad mēs, šķiet, esam tik gudri ?