Gena- og gagnas öfn (GEG1103)

1. Gena- og gagnasöfn (GEG1103) Fyrirlestrar 5 & 6 Stökkbreytingar Tíðni stökkbreytinga PAM og BLOSUM líkindafylkin

2. Lesefni • Stökkbreytingar: bls. 192 - ~200 í Hartwell et al. + um endurröðun, bls. 178-185 • Tíðni stökkbreytinga; Jukes-Cantor og Kimura módelin: Krane & Raymer: kafli 3

3. Uppruni breytileika í DNA Stökkbreytingar: • Villur við afritun DNA. • Breytingar af völdum geislunar eða utanaðkomandi efnasambanda. • Gerast að meðaltali ~510-6 sinnum per gen per kynslóð

4. Stökkbreytingar • Afleiðingar punktbreytinga (point mutations) • Ofgnótt tákna breytingar geta orðið sem hafa engin áhrif: þögul stökkbreyting (silent mutation) • Ef STOP tákni myndast er talað um markleysubreytingu (nonsense mutation) • Mislestursbreyting (missense mutation): merking (sense) tákna breytist úr einni AS í aðra • SNP (single-nucleotide polymorphism): breytileiki í ttk. kirni í stofni

5. Stökkbreytingar: áhrif á byggingu DNA • Útskipti á basa (base-pair substitution, point mutation) • Þöglar (silent), mislesturs- (missense) og markleysubreytingar (nonsense) • Eyðing/innsetning basa eða basaraðar (insertion/deletion, indel) • Lesrammahöggun? (frame shift) • Endurröðun (recombination) Dæmi um innsetningu.

6. Endurröðun • Skilyrði: einsleitt (identical, nearly identical) svæði þarf að vera til staðar á bæði gjafa og viðtaka • Sama ferli og litningavíxl (crossing over), en getur einnig gerst við t.d. innskot veirugena eða genatvöföldun • Flókið ferli - afurðir 25 gena koma við sögu í E. coli (sbr. bls. 178-185 í Hartwell et al.) • hefst á því að núkleasi opnar aðra DNA sameindina (nick) • önnur ensím rekja í sundur DNA þræðina á stuttum bút • RecA bindst við einþráðunginn og myndar komplex við viðtaka-DNA sameindina (strand invasion) • Misþáttungur (heteroduplex) myndast • DNApol fyllir upp í þar sem vantar kirni á annan þráðinn • Holliday junction myndast • Núkleasi klippir í HJ  tveir tvíþráðungar myndast • Lígasi lagfærir skörð (nicks)

7. Endurröðun

8. Stökkbreytingar: áhrif á byggingu DNA • Útskipti á basa (base-pair substitution, point mutation) • Þöglar (silent), mislesturs- (missense) og markleysubreytingar (nonsense) • Eyðing/innsetning basa eða basaraðar (insertion/deletion, indel) • Lesrammahöggun? (frame shift) • Endurröðun (recombination) • Genatvöföldun (gene duplication): gen „kópíerast“ af einum stað á annan • Brottfall (deletion): gensæti tapast úr litningi • Tap á arfblendni (loss of heterozygosity) • Tilfærsla innan eða á milli litninga. • Áhrif á tjáningu? Genatvöföldun. Mynd frá Wikipedia.

9. Stökkbreytingar: áhrif á virkni genaafurðar • Virkni tapast (loss-of-function mutation): • Genaafurðin (ensímið) hefur skerta virkni eða tapar virkni sinni alfarið • Oftast víkjandi • Ný virkni (gain-of-function mutation): • Genaafurðin fær breytta / nýja virkni • Gjarnan ríkjandi • Ríkjandi mótvirk stökkbreyting (antimorphic mutation) • Virkni genaafurðarinnar mótvirk (antagonistic) gagnvart villigerðinni • Gjarnan ríkjandi • Ólífvænleg stökkbreyting (lethal mutation) • Myndar svipgerð sem ekki getur fjölgað sér

10. Uppruni breytileika í DNA Stökkbreytingar: • Villur við afritun DNA. • Breytingar af völdum geislunar eða utanaðkomandi efnasambanda. Val: Skaðlegar breytingar hverfa fljótt úr stofninum. Skaðlausar og gagnlegar breytingar haldast – tíðni í stofni breytileg með tíma Festing (fixation): Það tekur tíma að stökkbreyting öðlist varanlegan sess (hafi stöðuga tíðni) í genasjóði (gene pool) stofns

11. Röð 2 Röð 1 AGGTATACCA TGCTTTGCGC AGGTTTTCGC Röð X (ái) Tíðni stökkbreytinga • Metum útfrá þekktum röðum (þekkjum ekki áann  vitum ekki raunverulegan fjölda stökkbreytinga á tíma T) • Berum saman tvær raðir og teljum þau stök sem ekki eru eins – köllum K

12. Tíðni stökkbreytinga • En, náttúruvalið vinsar úr skaðlegar breytingar • Skaðlegar breytingar miklu líklegri en gagnlegar (eða skaðlausar) •  Sum gen, og sum hneppi (domains) / set (sites) í sama geni, eru geymnari en önnur

13. Tíðni stökkbreytinga • Þöglar breytingar (samhljóða breytingar; synonymous substitutions) hafa engin áhrif á genaafurðina  náttúruvalinu er „alveg sama“ um þöglar breytingar • Punktbreytingar eru mis-líklegar til að hafa áhrif á genaafurðina eftir því hvar þær lenda í lesrammanum • Einbreytið set (nondegenerate site): set þar sem allar mögulegar punktbreytingar valda breytingu á amínósýruröð. Dæmi: fyrsta set í táknanum TTT ( fenýlalanín); ef breytt í CTT  leucín, ATT  ísóleucín, GTT  valín. • Tvíbreytið set (twofold degenerate site): set þar sem tvö kirni gefa sömu AS. Dæmi: þriðja set í táknanum GAT  aspartiksýra. GAC gefur líka aspartiksýru, en GAA og GAG gefa glútamiksýru. • Fjórbreytið set (fourfold degenerate site): set þar sem engin breyting skiptir máli. Dæmi: þriðja set í táknanum TTT.

14. Líkan Jukes og Cantor • G.r.f. að allar mögulegar punktbreytingar séu jafn líklegar og verði með tíðni a • Tíðni stökkbreytinga í seti n er 3a • Gefum okkur að set n innihaldi C á tíma t0 • Líkur á að set n innihaldi enn C á tíma t1 eru þá PCn(t1)=1-3a • Bakbreyting (reversion). Líkur á að í seti n breytist C í T á tíma t1 sem breytist svo aftur í C á tíma t2: • PCnt2=(1-3a)PCnt1+a(1-PTnt1) • Almennt fyrir tíma t: • PCnt=1/4+(3/4)e-4at • Raunverulegur fjöldi breytinga milli tveggja raða: K=-3/4ln[1-(4/3)(p)] þ.s. p er hluti (fraction) seta sem innihalda mismunandi kirni milli raðanna

15. Líkan Jukes og Cantor Tíðni kirna í seti n á tíma t. A G T CA 1-3aaaaGa 1-3aaaT aa 1-3aaCaaa 1-3a Líkur á að kirni X sé í seti n á tíma t. A G T CA r s s s G s r s sT s s r s C s s s r r = (1+3e-4t)/4, s = (1- e-4t)/4.

16. A G PURINES: A, G PYRIMIDINES C, T Transitions: AG; CT Transversions: AC, AT, CG, GT C T Líkan Kimura • Punktbreytingar eru ekki allar jafn líklegar • Transition: Púrín  púrín; pýrimidín  pýrimidín • Transversion: Púrín  pýrimidín • Transition ~þrefalt algengari en transversion

17. Líkan Kimura • G.r.f. að tíðni transitions sé a og tíðni transversions sé b • Gefum okkur að set n innihaldi C á tíma t0 • Líkur á að set n innihaldi enn C á tíma t1 eru þá PCn(t1)=1-a-2b • Bakbreyting (reversion). Líkur á að í seti n breytist C í T á tíma t1 sem breytist svo aftur í C á tíma t2: PCCnt2=(1-a-2b)PCCnt1+bPGCnt1+bPACnt1+aPTCnt1 • Almennt fyrir tíma t: • PCCnt=1/4+(1/4)e-4bt+(1/2)e-2(a+b)t • Raunverulegur fjöldi breytinga milli tveggja raða: K=1/2ln[1/(1-2P-Q)]+1/4ln[1/(1-2Q)] þ.s. P er hluti (fraction) seta sem innihalda sitthvort púrínið/pýrimídínið milli raðanna og Q er hluti seta þar sem önnur röðin inniheldur púrín og hin pýrimídín

18. Líkan Kimura Tíðni kirna í seti n á tíma t. A G T CA 1-a-2bbabGb 1-a-2bbaT ab 1-a-2bbCbab 1-a-2b