150 lat później.

1. 150 lat później. Co biologia molekularna zawdzięcza Darwinowi Paweł Golik Instytut Genetyki i Biotechnologii Uniwersytet Warszawski pgolik@igib.uw.edu.pl

2. Początki Charles Darwin 1809-1882

3. Biologia ewolucyjna? Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhansky (1900-1975)

4. Biologia ewolucyjna? “Więc ja już 40 przeszło lat mówię prozą, nie mając o tym najmniejszego pojęcia!” Molière Każdy biolog korzysta z teorii ewolucji, nawet jeżeli nie zdaje sobie z tego sprawy!

5. Pierwsza synteza • Darwinizm + genetyka klasyczna + genetyka populacji  Syntetyczna teoria ewolucji • Mutacje jako podstawa zmienności ewolucyjnej • W populacjach naturalnych występują rozmaite allele wielu genów, nowe powstają w wyniku mutacji • Ewolucja jako zmiany częstości alleli w populacji

6. Pierwsza synteza • 4 główne siły ewolucji • Mutacje • Przepływ genów • Dobór naturalny • Dryf genetyczny

7. Druga synteza • Darwinizm + genetyka molekularna  ewolucja molekularna • Molekularne mechanizmy ewolucji • Jak zachodzą zmiany sekwencji DNA (i białek), jak ewoluują genomy • Jak działa dobór naturalny na poziomie sekwencji • Genetyczna kontrola rozwoju w ewolucji (“evo-devo”) • Ewolucja molekularna jako narzędzie do poznawania funkcji genów i genomów

8. Podobieństwo i homologia • Homologia: podobieństwo wynikające ze wspólnego pochodzenia ewolucyjnego – cecha odziedziczona od wspólnego przodka

9. Homologia czy homplazja

10. Podobieństwo i homologia sekwencji • Przy dostatecznie dużym podobieństwie można założyć, że sekwencje są homologiczne • Podobne struktury przestrzenne i/lub funkcje mogą być determinowane przez różne sekwencje • Liczba możliwych sekwencji aminokwasowych o nietrywialnej długości jest gigantyczna • Na poziomie sekwencji praktycznie nie stwierdza się konwergencji, homoplazje są przypadkowe

11. Paralogi i ortologi • Paralogi – geny homologiczne w tym samym genomie, powstałe w wyniku duplikacji genu - np. α-globina i β-globina człowieka • Ortologi – geny homologiczne powstałe w wyniku specjacji, pochodzące od genu u wspólnego przodka – np. α-globina człowieka i α-globina myszy

12. Ewolucja globin

13. Nowe geny powstają dzięki duplikacji DNA • Duplikacje wewnątrz genu • Tasowanie eksonów • Duplikacje całych genów • Duplikacje fragmentów i całych chromosomów (aneuploidia) • Duplikacje genomu (poliploidia)

14. Ewolucja genów opsyn

15. Ewolucja widzenia kolorów

16. Homologia genów jako źródło informacji • Duplikacje paralogiczne są źródłem nowych genów i nowych funkcji, ale często działających na podobnej zasadzie • Np. poszukiwanie nowych enzymów o funkcji zbliżonej do już znanych • Geny ortologiczne z reguły (choć nie zawsze) zachowują funkcję • organizmy modelowe – wnioskowanie o funkcji genów na podstawie badań nad innymi organizmami • np myszy, a nawet drożdże jako modele do badania chorób człowieka

17. Białka składają się z domen

18. Tasowanie eksonów

19. Wspólne motywy w różnych genach Możemy stawiać hipotezy dotyczące funkcji nieznanych białek na podstawie motywów znajdowanych w sekwencji. Podstawa większości współczesnych badań biochemicznych!!

20. Genomika • Genomika jest dziedziną zajmującą się badaniem całych genomów (kompletu informacji genetycznej) różnych organizmów • Techniki biologii molekularnej + robotyka + informatyka • Sekwencjonowanie i charakteryzowanie genomów • Badanie funkcji zawartych w nich genów

21. Craig Venter Francis Collins (NIH)

23. Co to znaczy? TCACAATTTAGACATCTAGTCTTCCACTTAAGCATATTTAGATTGTTTCCAGTTTTCAGCTTTTATGACTAAATCTTCTAAAATTGTTTTTCCCTAAATGTATATTTTAATTTGTCTCAGGAGTAGAATTTCTGAGTCATAAAGCGGTCATATGTATAAATTTTAGGTGCCTCATAGCTCTTCAAATAGTCATCCCATTTTATACATCCAGGCAATATATGAGAGTTCTTGGTGCTCCACATCTTAGCTAGGATTTGATGTCAACCAGTCTCTTTAATTTAGATATTCTAGTACATACAAAATAATACCTCAGTGTAACCTCTGTTTGTATTTCCCTTGATTAACTGATGCTGAGCACATCTTCATGTGCTTATTGACCATTAATTAGTCTTATTTGTTAAATGTCTCAAATATTTTATACAGTTTTACATTGTGTTATTCATTTTTTAAAAAATTCATTTTAGGTTATATGTATGTGTGTGTCAAAGTGTGTGTACATCTATTTGATATATGTATGTCTATATATTCTGGATACCATCTCTGTTTCATGCATTGCATATATATTTGCCTATTTAGTGGTTTATCTTTTCATTTTCTTTTGGTATCTTTTCATTAGAAATGTTATTTATTTTGAGTAAGTAACATTTAATATATTCTGTAACATTTAATGAATCATTTTATGTTATGTTTAGTATTAAATTTCTGAAAACATTCTATGTATTCTACTAGAATTGTCATAATTTTATCTTTTATATACATTGATATTTTTATGTCAAATATGTAGGTATGTGATATTATGCACATGGTTTTAATTCAGTTAATTGTTCTTCCAGATGTTTGTACCATTCCAACATCATTTAAATCATTAAATGAAAAGCCTTTCCTTACTAGCTAGCCAGCTTTGAAAATCCATTCATAGGGTTTGTGTTAATATATTTTTGTTCTTTTTTTTCCTTTCTACTGATCTCTTTATATTAATACCTACTGTGGCTTTATATGAAGTCATGGAATAATACGTAGTAAGCCCTCTAACACTGTTCTGTTACTGTTGTTATTGTTTTCTCAGGGTACTTTGAAATATTCGAGATTTTATTATTTTTTAGTAGCCTAGATTTCAAGATTGTTTTGACGATCAATTTTTGAATCAATTGTCAATATTTTTAGTAATAAAATGATGATTTTTGATTGGAAATACATTAAATCTATAAGCCAAATTGGAGATTATTGATATATTAACAAAAATGAGTTTTCCAGTCCATGAATGTATGCACATTATAAAATTCATTCTTAAGTATGTCATTTTTTAAGTTTTAGTTTCAGCAGTATATGTTTGTTACATAGGTAAACTCCTGTCATGGGGGTTAGTTGTACAGGTTATTTTATCATCCAGGCATAAAGCCCAGTACCCAGTAGTTATCTTTTCTGCTCCTCTCCCTCCTGTCACCCTCCACTCTCAAGTAGACCCCAGTTTCTGTTGTTCTCTTCTTTGCATTAATGACTTCTCATCATTTAGATTGCACTTGTAAGTGAGAACAGGACGTATGTGGTTTTCTACTCCTGTGTTAGTTTGCTAAGGATAACCACCTCCATCTCCATCCATGTTCCCACAAAAGACATGATCTCCTTTTTTATGGCTGCATATTATTCCATGGTATATATGTACCACATTTTCTTTATCCAATCTGTCATTGATGGACATTTAGGTTGTTTCCACATCATTGCCGTTGTAAATACTGCTGCAGTGAATATTCGTGTGTATGTCTTTATGGTAGAATGATTTATATTCCTCTGGGTATATTTCCAAGTAATGGGATGGTTGGGTCAAATGGTAATTCTGCTTTTAGCTTTTTGAGGAATTGCCATATTGCCTTTCACAACGGTTGAACTAATTTATACTCCCAAGAGTGTATAAGTTGTTCCTTTTTCTCTGCAACCTCGACATCACCTGTTATTTATGACTTTTATATAATAGCCATTCTGCTGGTCTGAGATGGTATCTCATTATGATTTTGATTTGCATTTCTCTAATGCTCAGTGATATTGAGCTTGGCTGCATATATGTCTTCTTTTAAAAATATCTGTTCATGTCCTTTGCCTAATTTATAACGGGGTTGTTTGTTTTTCTCTTGTAAATTTGTTTAAGTTCCTTATAGATTCTAGGTATTAAACCTTTTTTCAGAGGCGTGGCTTGCAAATATTTTCTCCCATTCTATAGGTTGTCTGTTTATTCTGTTGATAGTTTCCCTTGCTGTGCAGAAGCTCTTAACTTTAATTAGATCCGACTTGTCAATTTTTGCTTTGGTCGCAATTGCTTTTGATGTTATTGTCGTGAAATCTTTGCTAGTTCTTAGGTCCAGGATGATATTGCCCAAGTTGTCTTCCAGGGCTTTTATAATTTTGGATTTTACATTTAAGTCTTAATATATTTATTAAATTTGTTAGGGTTTCAGGATACAAGGACAATATAGCAGCAAACAATGTAAAAGTAAAATCTGAAAAATAATAGAAAACAGTTTAATTGAACACTTTACCATTATGTAATGCCCTTCTTTGTCTTTCCTGATCTTTGTTGGTTTGAAGTTCAAAAAAGACAAACTTAATGGTACAATAGGTATTGTAGATTTCAGGACTTTCTGTATAAAATATTTTGTATATATGAATAGATCATTTTTTATTTCCAGTCTTTAAACATTTTCTTAACATTTTCTTCTATTGCTTCACTTCACTCGCTAGGACCATCAGGACAGTGTTGAACAGAAATTGTCAGACTGATCATCACAACTTTTTCTAGATTTTAGAAGGAAATTTTTCTTTATTTCAACATAAAGCAGCATGTTAATGCCAAGTTTTAATATGTGTTATCAGATTGAAATTTTTTTGTATATTTCTACATTACCAAGAATTTTTAGCAAGAGTTTTTGTTGAGTTTTAATTTAAAAATCATTTGTTAATTTCATCTGATTTTTTTATTTCTCTTTTTACCTTAAGAGATTAAACTGACTACAGATTGAATATAAACAAACAAACAAACAAACAAAAACTCTAAAATGCTGTGGATCAACACCACTTAGTAATTTGTATACTTGGATTCAATTTGCTGAAATTTTGTTAGACATTTTTGCGTCGATATTTATGAGGGATGTTGATCTGTAAAAGTATTAAAATGCCTTTGACAGATAGTGTCACCATATAAAAAACTTTGAACAAAATCAGATTATATCACTGTGGATATTTCTATTTTGAACTAACTTAGATGATAATTTTAATCTATATCCTAGATGAACT Mały fragment chromosomu 21

24. Co to znaczy? • Bez teorii ewolucji nie mielibyśmy możliwości poznania odpowiedzi na to pytanie • Odszukujemy geny podobne do genów już zbadanych • Możemy badać geny przez “odwrotną genetykę” – tworzenie mutantów u organizmów modelowych • Porównując genomy możemy wnioskować o biologii organizmu

25. Genomika porównawcza bakterii sposobem poznania ich fizjologii • Bakterie mają genomy podobnej wielkości, mieszczące 2000-6000 genów • Około połowy genomu tworzą rodziny podobnych genów powstałych przez powielenie (duplikację) – tzw. rodziny paralogów • To, które geny są powielone świadczy o kierunku specjalizacji ewolucyjnej bakterii

26. Genomika porównawcza bakterii • E. coli – heterotrof pasożytniczy – powielone geny kodujące białka rozkładające różne związki organiczne • Methanococcus janaschii – chemoautotrof – powielone geny kodujące enzymy szlaków biosyntetycznych • Pseudomonas aeruginosa – groźny patogen oporny na wiele leków i szybko dostosowujący się do zmian środowiska– powielone geny kodujące białka usuwające antybiotyki, rozkładające substancje organiczne, umożliwiające zagnieżdżanie się w powierzchniach.

27. Metagenomika • Analiza sekwencji całości DNA wyizolowanego ze zbiorowiska organizmów

28. Metagenomika • Pozwala na • badanie bioróżnorodności • odkrywanie nowych gatunków • badania ekologiczne (interakcje organizmów i środowiska) • wyszukiwanie nowych, przydatnych enzymów, białek o właściwościach leczniczych itp. • A to wszystko dzięki teorii ewolucji • identyfikacja sekwencji w metagenomach na podstawie podobieństwa do sekwencji genomów znanych gatunków • badanie pokrewieństwa

29. Co tempo zmian sekwencji mówi o funkcji?

30. Mutacje • Szkodliwe – są szybko eliminowane przez dobór negatywny (oczyszczający) • Neutralne – nie wpływają na funkcję produktu, nie podlegają selekcji • Korzystne – są szybko utrwalane w populacji przez dodatni dobór naturalny

31. Teoria neutralna (Kimury) • Większość obserwowanych różnic w sekwencjach, zarówno wewnątrzpopulacyjnych, jak i międzygatunkowych to mutacje neutralne, utrwalane przez dryf genetyczny • Mutacje niekorzystne są eliminowane i nie obserwujemy ich (modyfikacja – mutacje „prawie neutralne” nie są w pełni eliminowane i mogą się w pewnych warunkach utrwalać) • Mutacje korzystne są bardzo rzadkie, mają znaczenie ale w analizach ilościowych są pomijalne

32. Tempo zmian białka jest kształtowane przez dobór naturalny • Tzw. sekwencje “zachowawcze” (konserwowane) – zmieniają się powoli, zmiany eliminowane przez dobór – sekwencje o kluczowej i niezmiennej funkcji • Sekwencje o mniej znaczącej lub zmieniającej się w toku ewolucji funkcji zmieniają się szybciej

33. Tempo zmian

34. Tempo zmian jest różne w różnych obszarach sekwencji Obszary silnie zachowawcze odpowiadają najważniejszym dla funkcji miejscom w białku.

35. Mutacja czy polimorfizm? • Wykrywamy różnicę w DNA u chorego na jakąś chorobę • Może to być • Mutacja powodująca chorobę • Niezwiązana z chorobą cecha zmienna w populacji • Jak to sprawdzić?

36. Mutacja czy polimorfizm?

37. Ewolucjonizm w poszukiwaniu tajemnicy człowieczeństwa

38. Różnice ewolucyjne • Nowe geny • Utrata genów • Zmiany liczby kopii (paralogów) genów • Zmiany w genach (mutacje) • Zmiany w ekspresji

39. Różnice na poziomie białek • Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika • 29% białek jest identycznych

40. Różnice w genach • Około 500-600 genów – znaczące odchylenia od hipotezy zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności) • Około 200 obszarów o przyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR – Human Accelerated Regions) – przeważnie obszary niekodujące, ale w pobliżu sekwencji regulatorowych • Geny o Ka/Ks (ω) >1 – układ odpornościowy, spermatogeneza, apoptoza

41. Jak szukać śladów działania doboru • Większość sekwencji genów zmienia się jednostajnie, w tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji niekorzystnych – “zegar molekularny” • Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi – dobór specyficzny dla tej gałęzi Równomierne tempo zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

42. Zmiany genów – „gen mowy” Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy, niezdolnością do tworzenia struktur składniowych i gramatycznych. Gen FOXP2

43. FOXP2 – szybka ewolucja Enard et al. (2002) Nature 418, 869-72 Enard et al. (2002) Nature 418, 869-72

44. MYH16 • Jedna z form łańcucha ciężkiego miozyny • Mutacja ok. 2,5 mln lat temu – związek z ewolucją kształtu czaszki – osłabienie mięśni szczęki, zmniejszenie twarzoczaszki, wzrost mózgoczaszki

45. Gen mikrocefaliny Mikrocefalia Chory 13 lat Zdrowy 11 lat Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126 Szybka ewolucja genu u człowieka

46. Inne geny o przyspieszonej ewolucji • ASPM • homologia do białka Drosophila odpowiadającego za wykształcanie wrzeciona podziałowego • mutacje u człowieka powodują mikrocefalię • MGC8902 • zawiera wiele powtórzeń domeny DUF1220, • liczba powtórzeń wzrosła w linii człowieka, • ekspresja w korze mózgowej, • nieznana funkcja • Prodynorfina (prekursor przekaźników w układzie nerwowym)

47. Podsumowanie • Nie ma jednego, czy kilku “genów człowieczeństwa” • Za różnice między ludźmi a innymi gatunkami odpowiada kumulacja wielu, pozornie niewielkich, różnic • Niewielkie zmiany sekwencji mogą pociągać znaczne zmiany fenotypowe • Istotne są też różnice na poziomie regulacji – trudniejsze do zbadania

48. Triumf Darwina • Ewolucja cech specyficznie ludzkich była związana z szeregiem cząstkowych zmian dotykających różnych genów • Koncepcja Darwina wyrażona językiem genomiki porównawczej! “różnica między człowiekiem a innymi zwierzętami ma charakter ilościowy, a nie jakościowy”

49. Organizmy modelowe • “Les éléments vitaux étant de nature semblable dans tous les êtres vivants, ils sont soumis aux mêmes lois organiques...” • “Podstawowe jednostki życia, mając u wszystkich żyjących istot podobną naturę, rządzone są tymi samymi prawami organicznymi...” • Claude BERNARD (1813-1878)

50. Modele w naukach przyrodniczych • Modele analogii przyczynowej CAM • Przyczyny i skutki w układzie modelowym i docelowym są takie same. • Nie mogą zaistnieć „jakiekolwiek istotne przyczynowo braki analogii między modelem a modelowanym zjawiskiem“.* • Modele analogii hipotetycznej (HAM) • Doprowadzenie do sformułowania hipotez, które mogą mieć ogólne znaczenie tak dla układu modelowego, jak i docelowego. • Nie dostarczają danych mających bezpośrednie znaczenie dla medycyny człowieka, jednak polepszając nasze rozumienie zjawisk biologicznych mogą one sugerować możliwe mechanizmy fizjologiczne u człowieka.