![Page 1: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/1.jpg)
LUCA sajátságaiaz RNS-világtól a 3 domén
kialakulásáig
Tóth András - ELTE TTK Biológia
Thursday, June 21, 12
![Page 2: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/2.jpg)
AbiogenezisAz élet szervetlen anyagokból való létrejöttének módja utáni kutatás. Darwin óta rengeteg lehetséges modell született leírására. Megközelítések: genetikai vagy metabolikus
Stanly L. Miller, 1953, Science: Miller-Urey kisérlet, a Föld feltételezett ősi körülményei közt (H2O, CH4, NH3, H2, elektromos szikra) L- és D- aminosavak előállítása (glicin és alanin egyértelmű detektálása) - “primordial soup”
Y-J Kuan et al., 2003, Astrophysical Journal: Glicin detektálása egy csillagközi molekula felhőben - szerves anyagok jelenléte a naprendszerek keletkezésénél (utána transzferjük: pl. üstökös)
ÉletCarl Sagan: “Darwini evolúcióra képes önfenntartó kémiai rendszer”
Molecular Biology of the Cell: “...energia által hajtott, öröklött információ által megszabott kémiai folyamatok komplex rendszere”
Thursday, June 21, 12
![Page 3: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/3.jpg)
LUCALast Universal Common Ancestor
Az a legrecensebb organizmus, melytől minden mai Bacteria, Archaea, Eukarya leszármaztatható. 3.8-3.5 milliárd évvel ezelőtt élhetett a Paleoarchaikumban.Darwin feltételezte először, ma: fenti közös sajátságok + filogenetikai modellek Carl Woese, 1998, PNAS: LUCA inkább élőlények csoportja, HGT fontosságaTheobald et al., 2010, Nature: LUCA elmélet formális tesztje konzervált fehérjékkel: tisztán statisztikailag is helyes. Egyetlen élőlény genetikai öröksége maradt fent, LUCA indivídum.
• Genetikai kód: kétszálú DNS (A,G,C,T nukleotidokkal), 64 kodon (mely 20 aminosavat kódolt), DNS-repair enzimek
• Genetikai kód kifejezése: egyszálú RNS intermedier (mRNS) lefordítása fehérjékké a riboszómán (rRNS + riboszómális fehérjék), aminosavakból összeszerelve (tRNS).
• Fehérjék - metabolikus folyamatok katalízise és irányítása, szintézis, repair• Kétrétegű lipid membrán, cytoplasma-ban vizes oldat, ionpumpák• ATP & d-glükóz• Kezdetleges sejtosztódás
Thursday, June 21, 12
![Page 4: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/4.jpg)
RNS - ribóz + foszfát csoport + bázis (AUGC)
DNS - dezoxiribóz + foszfát csoport + bázis (ATGC)
Nukleotidok által alkotott, bázisok sorrendje segítségével információt tároló és annak örökítésre képes hosszú polimerek
Thursday, June 21, 12
![Page 5: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/5.jpg)
A genetikai információ áramlásaA génexpresszió
A genetikai kód majdnem teljesen univerzális (pl. a mitokondriumok a transzláció során a stop kodonok
olvasásában térhetnek el)
1958, Francis Crick: A molekuláris biológia centrális elmélete
DNS-replikáció
DNS RNS transzkripció
RNS Fehérje transzláció (nukleotid sorrend aminosav sorrendá alakítása)
RNS DNS reverz-transzkripció (retrovírusok)
Thursday, June 21, 12
![Page 6: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/6.jpg)
Transzkripció
RNS-polimerázok katalizálják a DNS RNS-é való átírását
A DNS templátról 5‘ 3’ irányba formálódik az RNS lánc de novo
Thursday, June 21, 12
![Page 7: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/7.jpg)
Transzláció
Riboszóma - komplex molekuláris masinéria, fehérjeszintézis színhelye (2/3 RNS, 1/3
asszociált fehérjék
mRNS: szintézishez szükséges információ, tRNS: szekvencia-komplementer aminosavak becsatolása, rRNS: katalitikus szerep, peptid-
kötések kialakítása
Thursday, June 21, 12
![Page 8: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/8.jpg)
DNS-replikáció
DNS replikációs villa
A DNS két szála templátként szolgál a szemikonzervatív replikációhoz miután
Helicase-ok szétválasztják őket
DNS-polimeráz 5‘ 3’ irányúkomplementer szál szintézis, vezető szálon folytonos átírás, elmaradó szálon okazaki fragmentumokkal szakaszosan látszólag
3‘ 5’ irányú növekedésThursday, June 21, 12
![Page 9: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/9.jpg)
A három domén rendszer• Woese, C.R. & Fox, G.E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain:
the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 74, 5088-90 (1977)
• “living systems represent one of three aboriginal lines of descent: (i) the eubacteria, comprising all typical bacteria; (ii) the archaebacteria, containing methanogenic bacteria; and (iii) the urkaryotes, now represented in the cytoplasmic component of eukaryotic cells”
• Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1–4 (1990)
rRNS törzsfaalapján
Thursday, June 21, 12
![Page 10: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/10.jpg)
Domain Bacteria
• Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1–4 (1990)
• Sejtstruktúra: lipid PM, nincs sejtorganellum, peptidoglikán alapú sejtfal, cirkuláris DNS
• Metabolizmus: kemoszintézis, fotoszintézis, heterotrófia
• Legkorábbi létformák egyike: 3.45 milliárd éves sztromatolit telepek (cianobacteria)
Thursday, June 21, 12
![Page 11: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/11.jpg)
Domain Archaea• 1977 - Woese et al.: rRNS törzsfák alapján a korábbi
prokaryota csoportosítás két alapvetően különböző élőlény csoportot tartalmaz, Archaea biokémiailag jelentősen eltér Bacteria-tól
• Eukarya legközelebbi rokonai
• Nem peptidoglikán alapú sejtfal, DNS hiszton fehérjékkel asszociálódik, cirkuláris genom, transzláció Met-el keződik, gének operonokba csoportosulnak, nincs RNS splicing, sejt és genom mérete az Eukaryota-kénál 100x kisebb.
• Első felfedezésük: extrém élőhelyen, de általánosabb élőhelyeken is tömegesen előfordulnak. A globális ökoszisztéma egy jelentős részét teszik ki.
Thursday, June 21, 12
![Page 12: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/12.jpg)
Domain Eukarya• Modern endoszimbiótikus elmélet: Sagan, L. On the origin of mitosing cells.
Journal of Theoretical Biology 14, 255-274 (1967).
• Az eukaryota sejt kb. 2.1 milliárd éve jelent meg egy archaea és egy α-proteobacteria szimbiozisának eredményeképpen, utóbbiból mitochondria létrejötte
• Archaea eredetű gének: információ feldolgozás, gén expresszió, repair Bacteria eredetű gének: operációs feladatok, metabolizmus, membránok
• Eukaryota sejt tulajdonságaihoz a genetikai komplexitás növekedése szükséges. Az ehhez szükséges energiát a mitokondrium biztosította - Lane, N. & Martin, W. The energetics of genome complexity. Nature 467, 929–934 (2010)
• Nucleus, sejtorganellumok (ER, GC, mt, pt, lys, etc), citoszkeletális rendszer
• Többsejtűség kialakulásához szükséges: Fejlett genetikai reguláció, CAM-ek (Cell Adhesion Molecules), ECM (Extracellular Matrix), intra és intercelluláris jelátviteli útvonalak
Thursday, June 21, 12
![Page 13: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/13.jpg)
Tree of Life (2012 közepe)
Thursday, June 21, 12
![Page 14: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/14.jpg)
LUCA nem az első élőlény
Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította.
A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?
Thursday, June 21, 12
![Page 15: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/15.jpg)
LUCA nem az első élőlény
Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította.
A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?
Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.
Thursday, June 21, 12
![Page 16: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/16.jpg)
LUCA nem az első élőlény
Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül komplex rendszer irányította.
A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?
Hanem elkezdünk a tudományos módszertan segítségével lehetséges válaszokat keresni. Thomas Cech, 1982: RNS enzimatikus funkciójának felfedezéseWalter Gilbert, 1986, Nature: RNS-világ a modern sejtek megjelenése előtt
Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.
Thursday, June 21, 12
![Page 17: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/17.jpg)
RNS-világpre-RNS világ: molekulák, melyek alkalmasak voltak saját maguk szintézisét katalizálni, és nyersanyagokért versengeni. darwini evolúció kezdete. Első kémiai reakciókat irányító variábilis örökítőanyag kialakulása.
RNS-világ: az információ átörökítéséért és reakciók katalizálásáért felelős molekula a bonyolultabb RNS lett.
• Ribozimok: fontos kémiai reakciók katalízise (peptid-kötés formálódás), RNS-ek feltekeredési képessége
• Információ tárolás, limitációkkal
Szintézishez kooperatív rendszer kell - Kompartmentalizáció, amfipatikus molekulákból vesicula kialakulása.
Fehérjék és DNS megjelenése: változatosabb reakciók, több funkció, az örökítőanyag sokkal biztonságosabb tárolása.
Thursday, June 21, 12
![Page 18: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/18.jpg)
In vitro molekuláris evolúció
Thursday, June 21, 12
![Page 19: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/19.jpg)
In vitro ribozim evolúcióMivel a kezdeti RNS replikátor elveszett, csak kisérleti úton lehetséges az RNS-katalizált RNS replikáció vizsgálata.Wochner et al., Science, 2011: R18 RNS-polimeráz ribozim in vitro szelekciója. Cél: minél hosszabb RNS szakaszt, minél jobban szintetizáló ribozim, lehető legkisebb minta dependenciával.
0
25.00
50.00
75.00
100.00
R18 C19 tC19 tC19Z
Szintetizált RNS hossza
• in vitro evolúció, 50 millió random mutációval, templát dependencia sikeres csökkentés, szintetizált szakasz hosszának komoly növelése R18-tól
• egyetlen gyorsítási beavatkozás: új 5’-domén feltétele a ribozimra
Thursday, June 21, 12
![Page 20: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/20.jpg)
Pinheiro, V. B. & Holliger, P. The XNA world: progress towards replication and evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology (2012)
Genetikai rendszerek de novo előállításaPotenciális alkalmazás: szintetikus biológia (biztonságosság fokozása)
Thursday, June 21, 12
![Page 21: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/21.jpg)
Bibliográfia
• Bruce Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell • Berg Biochemistry• Wochner et al., Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active
Ribozyme, Science, 2011; 10.1126/science.1200752• Douglas L. Theobald, A formal test of the theory of universal
common ancestry, Nature, 2010; 10.1038/nature09014• Szostak et al., The Origins of Cellular Life, Cold Spring Harbor
Prespectives in Biology, 2010; 10.1101/cshperspect.a002212• Steven A. Benner, Defining Life, Astrobiology, 2010; 10.1089/
ast.2010.0524
Thursday, June 21, 12
![Page 22: Tóth András: LUCA sajátságai: az RNS-világtól a három domén kialakulásáig - Budapest Science Meetup Június](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022060119/558e64da1a28abcd128b4591/html5/thumbnails/22.jpg)
Köszönöm a figyelmet!
Thursday, June 21, 12