Шпаргалка по "Геномике"

Вопрос  № 8. Организация генома Drosophila melanogaster.

Следующая группа БПЖ это членистоногие(РИС).

 

Из них первые геномы были выделены геномы двукрылых, в первую очередь дрозофилы. В 1999 году была расшифрована геномная последовательность, через некоторое время подтянулся геном малярийного комара, ну и  потом еще несколько членистоногих. Сейчас мы имеем достаточно хорошее представление о том, как эти геномы устроены.

Размер генома дрозофилы около 180млн н.п.(РИС)

 

Но треть  этого генома упакована в гетерохроматин. На этой схеме(та, что выше) представлен  стандартный геном дрозофилы и черным показаны гетерохроматиновые блоки, которые концентрируются у центромерных участков, а половая хромосома практически  на 100% состоит из гетерохроматина. Гетерохроматин транскрипционно неактивен и что еще хуже, что в ходе геномного проекта его не удалось клонировать. Когда определяли геном дрозофилы, вот эти участки практически начисто отсутствовали в библиотеках, поэтому информация которой мы обладаем касается 120млн н.п. эухроматинового генома.

У дрозофилы, у  любого организма, у  которого есть четко выраженный эухроматин, информация по нем практически отсутствует по техническим причинам. Вот нематоды уникальны, потому что у них практически нет эухроматиновых участков, а у многих они, им уделена значительная часть генома, у нас с вами есть, достаточно не очень большой процент, поэтому геном человека известен больше чем геном дрозофилы.

Ну может  быть и не такая большая беда (РИС)в  том, что гетерохроматин не        удалось секвенировать, потому, что  генов в нем очень мало, зато очень много различных мобильных генетических элементов и LTR повторов, и может быть и не так важно знать сто в нем содержится для понимания биологии организма.

 

 

Интересная  история секвенирования генома дрозофилы(РИС)

 

Существовал академический  проект, который опирался на достаточно давно построенные генетические карты дрозофилы, которые потом были дополнены физическими картами, но тут дело  в дело вступил Крейг Вентер. И в качестве репетиции перед секвенированием генома человека, за несколько месяцев его группа секвенировала геном дрозофилы при помощи шотган-технологии. Специально для секвенирования человека была создана программа «Celera genomics» и технологии отрабатывались на геноме дрозофилы, и вот стратегия Ветнера представлена: шотган эукариотического генома богатого повторами. Неножко в таком виде эта схема уже фигурировала в лекции о картировании и секвенировании генома. Для того, чтобы разобраться с повторами нужна критична вот эта библиотека, библиотека в ставка в которой гарантированно перекрывает самый длинный повтор генома. Тогда можно привязывать повторяющиеся последовательности к уникальным и контролировать отсутствие делеции между повторами. И третья библиотека которая критична при шотгане крупных геномов это ВАС-клоны, которые секвинируются с концов и тогда можно контиги состыкать друг с другом и тогда существенно облегчить секвенирование. вот такая модификация стандартного шотгана позволила достаточно быстро в течении полугода выполнить техническую часть секвенирования генома дрозофилы, потом достаточно долго шла аннотация  к последовательности.

 

Вопрос  № 9. Повторяющиеся последовательности в геномах про- и эукариот. Их роль в эволюции генома.

Сегодняшние геномы, в процессе который происходит, они те же самые, которые происходили в самых ранних, в самых первых клетках. Немножко разный механизм срабатывает на разных уровнях и мы будем рассматривать их по отдельности. Вот начнем мы с самых крупных изменений – геномного уровня. Очень важный уровень изменения генома, здесь в первую очередь речь идет о геномных дупликациях.

 

Два типа есть дупликаций – анеуплоидия и эуплоидия.  Дупликация - удвоение генома одного вида, либо соединение в одной геномной последовательности хромосом, набора 2 –ух разных видов при отдаленной гибридизации. Приводит фактически к удвоению генома и это очень удобный тип изменений.

Следующий уровень  изменений – это хромосомный.

Поскольку репликации могут быть исследованы не только в масштабах всего генома, могут  быть интерпретированы хромосомно. Может какой-то фрагмент хромосомный перенесен, хромосомы могут сливаться, хромосомы могут делиться на 2. Масштаб этих изменений хорошо можно рассмотреть если проанализировать геномы домашних животных. Все видно. Все геномные перестройки очевидны.

Генный уровень, интересен тем, что на этом уровне за счет дупликации последующиая дивергенция генов. Самый простой уровень.

Ну наконец  есть доменный уровень. Речь идет в основном о рекомбинации различных доменов между собой, что из имеющихся строительных блоков составляет уже какие-то белки. Очень важный этап эволюции. Возможен с возникновением прерывистых генов. Заостряю ваше внимание, что с появлением эукариотической клетки, которая корелирует с возникновением эукариотических генов эволюция резко возрастает. Вот этот уровень, нуклеотидный, одиночные нуклеотидные домены или коротенькие - все определяться в масштабе одного или нескольких нуклеотидов. Больше всего происходит именно таких изменений. Они имеют наименьшие последствия, большая часть мутаций вообще имеют нейтральные, молчащие. Меньшая часть мутаций является вредной для организма, очень маленький % вот таких изменений на нуклеотидном уровне фиксируется в эволюции и имеет какой-то эффект, и конечно он может приводить к существенным изменениям  организма.  Ну, пару слов про каждый уровень организации. Ну, дупликация геномов, понятно почему происходит. Основной механизм – не расхождение хромосом в ходе мейоза. В результате вместо стандартных гаплоидных гамет, получаем диплоидные гаметы. Не расхождение хромосом встречается достаточно часто, ну нужно чтобы оно 2 раза произошло. Дупликация происходит, но редко, потому что нужно что бы 2 раза произошло.

Давайте теперь посмотрим на хромосомные перестройки. Основные типы показаны здесь.

 

Дупликация, этот фрагмент дуплицируется 2 раза и хромосома соответствующая удвойняется, фрагмент утрачивается. Как правило вот это взаимосвязанные процессы. Большая часть делеций и дупликаций связана с рекомбинацией. Именно в ходе рекомбинации между копиями  хромосом одной утрачивается фрагмент, а с другой дуплицируется. Если происходит крупная инверсия, она затем мешает нормально спариваться хромосомам в ходе мейоза. Крупные инверсии способны обеспечивать репродуктивную изоляцию вида и обеспечить дивергенцию популяции разделению на виды. Ну и наконец транслокация, когда с одного участка хромосомы перенос происходит на другой. Механизм связан с механизмом репарации одноцепочечных разрывов. Когда происходит одноцепочечный разрыв в эукариотических клетках система репарации пытается соеденить разрывы, если их там больше одного, то нет никакой гарантии что произойдет воссоединение правильных концов. Вот эти изменения эволюционные, они видны в сегодняшних геномах, даже не надо сравнивать 2 генома между собой. Здесь представлены схематично геномы .. .Арабидобсис….- это название почему-то никогда не используется. Стандартный сорняк. Первый геном растения который был секвенирован. И для растений в целом этот процесс с дупликацией геномов и последующей перетасовкой фрагментов, они более характерны, чем для животных. Поэтому здесь хороший пример. Если попытаться найти в геноме следы эволюционных событий, возникает интересный момент. Кодирующие последовательности оказываются относительно  консервативными, они  эволюционируют очень быстро. Происходит 50 -100 млн.лет и уже нельзя выделить никакого сходства. В геноме арабидобсиса произошли 2 относительно недавних дупликации. Чтобы увидеть события дупликации нужно смотреть только на кодирующие последовательности и что здесь показано – это сендемичные участки геномов. Значит синдемичный участок – это разные фрагменты ДНК в которых кодирующие последовательности имеют одинаковую ориентацию. Стрелками обозначены кодирующие последовательности. А, не кодирующие просто линиями. Сравните участки хромосомы, которые являются потомками друг друга. Вот эти последовательности, кодирующие, они будут иметь сходство. Сохраняется порядок генов, гены идут один за одним, поэтому случайным образом быть не может. Вот интересная хромосома, тут произошла дупликация целого плеча хромосомы. Хромосомные дупликации дают много материала для эволюционных процессов.

Ну, теперь предпоследний  уровень, тут несколько типов  изменений есть.

 

Самый простой  внутренняя мутация. Новый ген никогда  не возникает на пустом месте. Всегда сначала дуплицируется исходный ген, а затем происходит дивергенция. Перетасовка сегментов ДНК, происходит рекомбинация и в результате получаем химерные гены. Каждые из них приобретают новые функции. Такая перетасовка возможна, только если в геномах есть нормальные копии этих генов. Соответственно они должны быть сначала дуплицированы, а затем между копиями может произойти рекомбинация.

Ну и то, что  характерно для копий, то что называется горизонтальный перенос генов. У  прокариот, очень часто происходят процессы, когда какой-то ген из генома одного организма, перемещается в геномы другого организма. Причем геном совершенно не родственного организма. Когда проводился анализ 2 –ух экологических ниш черных курильщиков. На глубине океана выбрасывают теплые минеральные воды. В основном археями заселена, но небольшое количество бактерий. 2 царства совершенно разных и анализ геномов организмов выделенных с экологических ниш показывают, что интенсивно идет горизонтальный перенос между бактериями и археями по обе стороны. Более того идет перенос между бактериями и эукариотами, но здесь он менее эффективен.

Если речь идет о появлении новых функций, новая  функция – это как правило  белковая последовательность. Создать  принципиально новую белковую последовательность практически не возможно. Природа  никогда не изобретают что-то заново, если можно модифицировать уже то, что имеется. Всегда идет дупликация сначала. А затем идет дивергенция дуплицированной последовательности.

Появлению новой функции всегда, в обязательном порядке, должна предшествовать дупликация предшествующей ДНК, обычно речь идет о дупликации, как минимум, гена, но иногда хватает и некоторой части гена. Но обычно речь идет о дупликации гена. Поскольку он дуплицируется, с ним может происходить целый ряд эволюционных событий, большая часть которых естественно его инактивирует. Чисто по теории вероятности, создать что-то полезное гораздо сложнее, чем испортить то полезное, что уже есть.

 

Написаны вероятности  событий для стабильного вида. Вот эти цифры, хочу заострить  ваше внимание, они правдивы для  генома стандартного млекопитающего, вида, который в своей экологической ниши и которому ничего не угрожает. Вот это стандартные частоты замен, эволюционные события, которые связаны с существенной реорганизацией.

Дупликация происходит один раз в 100 млн лет. Дивергенция дуплицированных генов – ещё реже.

Какого плана  дивергенция может происходить? Даже одиночные замены в кодирующей части может уже немножко поменять функцию белка. Например, фермент  катализирует ту же реакцию, но приобретает  уже немного другие свойства. Получается изофермент и таких примеров много. Есть целые кластеры изоферментов, что во многих случаях увеличивает приспособленность организма. Другой вероятный и частый вариант изменение регуляторных последовательностей. Ген начинает эксперессироваться по-другому, или реагирует на другие регуляторы, может экспрессироваться на другом этапе индивидуального развития или в другом типе ткани. Такие примеры весьма многочисленны и мы с вами один из них рассмотрим.

Наиболее частым событием является всё-таки инактивация. Потому что вероятность того, что замены сохранят ген и ещё поменяют немножко его функцию всё –таки гораздо меньше, чем вероятность его инактивации. И в среднем где-то за 4 млн лет дуплицированный ген инактивируется.

Картинка. Это  то, что происходит в отдельной  ситуации, но вы должны знать, что есть некоторые условия, в которых скорость может возрастать. В частности, после полной дупликации генома эти события могут происходить быстрее. Геном может быть дестабилизирован целым рядом способов, например, мобильным генетическим элементом.

Давайте посмотрим  на глобиновые кластеры млекопитающий. Это очень хороший стандартный  пример, который показывает, что  происходит с фрагментом ДНК когда  он дуплицируется и что потом  может происходить.

 

Вот это то, что  имеется у человека, то есть, это кластер альфа-глобиновых генов, это кластер бэтта-глобиновых генов, они в разных местах генома расположены. В каждом кластере есть гены, которые явно произошли от одного предка. Собственно говоря, имеют очень похожее филогенетическое древо. Если внимательно посмотреть, то часть генов обозначена синими стрелками, а часть - прозрачными. Это уже инактивированные копии гены и это объясняет, что из себя представляет теория генов.

 

Зачем так много  надо. На примере глобиновых генов  хорошо видно, что наиболее вероятное событии – это изменение времени экспрессии гена. Это обычно сопряжено ещё и с изменением свойств. Из физиологии вы знаете, что в процессе индивидуального развития меняется набор гемоглобинов, есть эмбриональные гемоглобины, есть взрослые. Копии для каждого из необходимых наборов глобиновых генов присутствуют в одном кластере, просто они включаются в разное время.

Вот здесь красным  выделены те копии, которые работают на определенном этапе развития. Мало того, что они регулируются по разному, у них разное сродство к кислороду – после рождения оно меньше всего.

Очень хороший  пример, показывающий какой хороший  эффект может давать дупликация  и как она может адаптировать организм за счет уже имеющихся генов.

 

У других видов  млекопитающих, естественно, будет другой набор глобиновых генов, но их всегда будет больше одного, потому что индивидуальное внутриутробное развитие характерно для всех. У козла больше всех глобинов, но непонятно зачем это нужно. У кролика и цыпленка значительно меньше глобиновых генов.

 

Если попробовать  проследить эволюционную историю, то вначале был четко один глобиновый ген, который появился ещё до дивергенции животных и растений, поскольку и у растений есть то что называется регемоглобин. Считается, что они ближе к предковой форме, то есть у них больше экзонов. Потом произошло слияние двух экзонов, получился ген с тремя экзонами. Вся нынешняя лекция о глобинах – результат дупликации и видоизменения первоначального гена. Сначала одиночный глобин, потом появляется альфа, бэтта, которые сцеплены изначально и это показывает, что произошла тандемная дупликация. Потом за счет рекомбинационных событий альфа и бэтта оказались в разных хромосомах, потом каждая из них копий дуплицировалась в альфа и бэтта кластеры.