Evolučniacute genetika 21 ZkZ

Radka Reifovaacute Pavel Munclinger Zuzana Musilovaacute

httpwebnaturcuniczzoologiebiodiversity

Prezentace a materiaacutely k přednaacutešce

Evolučniacute genetika

Umiacutem vysvětlit evoluci

ale jak funguje dědičnost

je mi zaacutehadou

Žaacutednyacute strach

Přišel jsem na

to

Charles Darwin Johann Gregor Mendel

bull Obor vzniklyacute propojeniacutem Darwinovy evolučniacute teorie (1859)

a Mendelovy teorie dědičnosti (1866)

bull Zabyacutevaacute se genetickou variabilitou v populaciacutech i mezi druhy a

procesy ktereacute ji ovlivňujiacute

bull Snaha vysvětlit evoluci pomociacute mechanismů měniacuteciacutech

frekvence alel v populaci

bull Vytvořen teoretickyacute aparaacutet popisujiacuteciacute změny ve frekvenciacutech alel

v populaci na kterou působiacute různeacute evolučniacute siacutely

bull Zaacuteklady populačniacute genetiky

Sir Ronald Fisher J B S Haldane Sewall Wright

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

MODERNIacute SYNTEacuteZA

(30 až 40 leacuteta 20 stoletiacute)

OBJEV DVOUJŠROUBOVICE DNA A

CENTRAacuteLNIacute DOGMA MOLEKULAacuteRNIacute BIOLOGIE

(50 leacuteta 20 stoletiacute)

James Watson a Francis Crick

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

DNA

bull Genetickaacute informace je zakoacutedovaacutena v

pořadiacute nukleotidů v molekule DNA

RNA proteinReplikace

transkripce translace

TEORIE MOLEKULAacuteRNIacute EVOLUCE

(70 leacuteta 20 stoletiacute)

Motto Kimura

bull Přiacuteliv ohromneacuteho množstviacute sekvenčniacutech dat

bull Kombinace teoretickeacuteho aparaacutetu a skutečnyacutech sekvenčniacutech dat

umožňuje studovat jak probiacutehala evoluce organismů v minulosti

OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNIacuteCH TECHNOLOGIIacute

(od 90 let 20 stoletiacute)

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

Populačniacute

genetika Fylogeografie

Speciace Fylogenetika

Komparativniacute

genomika

bull Sekvence celyacutech genomů

bull Sekvence transkriptomů

bull Restriction site associated DNA (RAD) sekvenovaacuteniacute

bull Ciacuteleneacute sekvenovaacuteniacute specifickyacutech genů atd

bull helliphelliphelliphelliphellip

Sekvenčniacute data

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Evolučniacute genetika

Umiacutem vysvětlit evoluci

ale jak funguje dědičnost

je mi zaacutehadou

Žaacutednyacute strach

Přišel jsem na

to

Charles Darwin Johann Gregor Mendel

bull Obor vzniklyacute propojeniacutem Darwinovy evolučniacute teorie (1859)

a Mendelovy teorie dědičnosti (1866)

bull Zabyacutevaacute se genetickou variabilitou v populaciacutech i mezi druhy a

procesy ktereacute ji ovlivňujiacute

bull Snaha vysvětlit evoluci pomociacute mechanismů měniacuteciacutech

frekvence alel v populaci

bull Vytvořen teoretickyacute aparaacutet popisujiacuteciacute změny ve frekvenciacutech alel

v populaci na kterou působiacute různeacute evolučniacute siacutely

bull Zaacuteklady populačniacute genetiky

Sir Ronald Fisher J B S Haldane Sewall Wright

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

MODERNIacute SYNTEacuteZA

(30 až 40 leacuteta 20 stoletiacute)

OBJEV DVOUJŠROUBOVICE DNA A

CENTRAacuteLNIacute DOGMA MOLEKULAacuteRNIacute BIOLOGIE

(50 leacuteta 20 stoletiacute)

James Watson a Francis Crick

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

DNA

bull Genetickaacute informace je zakoacutedovaacutena v

pořadiacute nukleotidů v molekule DNA

RNA proteinReplikace

transkripce translace

TEORIE MOLEKULAacuteRNIacute EVOLUCE

(70 leacuteta 20 stoletiacute)

Motto Kimura

bull Přiacuteliv ohromneacuteho množstviacute sekvenčniacutech dat

bull Kombinace teoretickeacuteho aparaacutetu a skutečnyacutech sekvenčniacutech dat

umožňuje studovat jak probiacutehala evoluce organismů v minulosti

OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNIacuteCH TECHNOLOGIIacute

(od 90 let 20 stoletiacute)

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

Populačniacute

genetika Fylogeografie

Speciace Fylogenetika

Komparativniacute

genomika

bull Sekvence celyacutech genomů

bull Sekvence transkriptomů

bull Restriction site associated DNA (RAD) sekvenovaacuteniacute

bull Ciacuteleneacute sekvenovaacuteniacute specifickyacutech genů atd

bull helliphelliphelliphelliphellip

Sekvenčniacute data

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Vytvořen teoretickyacute aparaacutet popisujiacuteciacute změny ve frekvenciacutech alel

v populaci na kterou působiacute různeacute evolučniacute siacutely

bull Zaacuteklady populačniacute genetiky

Sir Ronald Fisher J B S Haldane Sewall Wright

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

MODERNIacute SYNTEacuteZA

(30 až 40 leacuteta 20 stoletiacute)

OBJEV DVOUJŠROUBOVICE DNA A

CENTRAacuteLNIacute DOGMA MOLEKULAacuteRNIacute BIOLOGIE

(50 leacuteta 20 stoletiacute)

James Watson a Francis Crick

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

DNA

bull Genetickaacute informace je zakoacutedovaacutena v

pořadiacute nukleotidů v molekule DNA

RNA proteinReplikace

transkripce translace

TEORIE MOLEKULAacuteRNIacute EVOLUCE

(70 leacuteta 20 stoletiacute)

Motto Kimura

bull Přiacuteliv ohromneacuteho množstviacute sekvenčniacutech dat

bull Kombinace teoretickeacuteho aparaacutetu a skutečnyacutech sekvenčniacutech dat

umožňuje studovat jak probiacutehala evoluce organismů v minulosti

OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNIacuteCH TECHNOLOGIIacute

(od 90 let 20 stoletiacute)

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

Populačniacute

genetika Fylogeografie

Speciace Fylogenetika

Komparativniacute

genomika

bull Sekvence celyacutech genomů

bull Sekvence transkriptomů

bull Restriction site associated DNA (RAD) sekvenovaacuteniacute

bull Ciacuteleneacute sekvenovaacuteniacute specifickyacutech genů atd

bull helliphelliphelliphelliphellip

Sekvenčniacute data

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

OBJEV DVOUJŠROUBOVICE DNA A

CENTRAacuteLNIacute DOGMA MOLEKULAacuteRNIacute BIOLOGIE

(50 leacuteta 20 stoletiacute)

James Watson a Francis Crick

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

DNA

bull Genetickaacute informace je zakoacutedovaacutena v

pořadiacute nukleotidů v molekule DNA

RNA proteinReplikace

transkripce translace

TEORIE MOLEKULAacuteRNIacute EVOLUCE

(70 leacuteta 20 stoletiacute)

Motto Kimura

bull Přiacuteliv ohromneacuteho množstviacute sekvenčniacutech dat

bull Kombinace teoretickeacuteho aparaacutetu a skutečnyacutech sekvenčniacutech dat

umožňuje studovat jak probiacutehala evoluce organismů v minulosti

OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNIacuteCH TECHNOLOGIIacute

(od 90 let 20 stoletiacute)

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

Populačniacute

genetika Fylogeografie

Speciace Fylogenetika

Komparativniacute

genomika

bull Sekvence celyacutech genomů

bull Sekvence transkriptomů

bull Restriction site associated DNA (RAD) sekvenovaacuteniacute

bull Ciacuteleneacute sekvenovaacuteniacute specifickyacutech genů atd

bull helliphelliphelliphelliphellip

Sekvenčniacute data

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Přiacuteliv ohromneacuteho množstviacute sekvenčniacutech dat

bull Kombinace teoretickeacuteho aparaacutetu a skutečnyacutech sekvenčniacutech dat

umožňuje studovat jak probiacutehala evoluce organismů v minulosti

OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNIacuteCH TECHNOLOGIIacute

(od 90 let 20 stoletiacute)

Nejdůležitějšiacute milniacuteky evolučniacute genetiky

Populačniacute

genetika Fylogeografie

Speciace Fylogenetika

Komparativniacute

genomika

bull Sekvence celyacutech genomů

bull Sekvence transkriptomů

bull Restriction site associated DNA (RAD) sekvenovaacuteniacute

bull Ciacuteleneacute sekvenovaacuteniacute specifickyacutech genů atd

bull helliphelliphelliphelliphellip

Sekvenčniacute data

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Sekvence celyacutech genomů

bull Sekvence transkriptomů

bull Restriction site associated DNA (RAD) sekvenovaacuteniacute

bull Ciacuteleneacute sekvenovaacuteniacute specifickyacutech genů atd

bull helliphelliphelliphelliphellip

Sekvenčniacute data

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Dnes kompletniacute genomy viacutece než 80 druhů živočichů a 40 druhů

rostlin v databaacutezi Ensembl

bull 1995 Haemophilus influenze 1 osekvenovanaacute bakterie

bull 1996 Saccharomyces cerevisiae 1 osekvenovanyacute eukaryotickyacute organimus

bull 1998 Caenorhabditis elegans 1 osekvenovanyacute mnohobuněčnyacute organismus

bull 2000 Drosophila melanogaster

2001 Homo sapiens

bull 2002 Mus musculus

bull 2005 Pan troglodydes

bull 2010 Homo neanderthalensis

Sekvence genomů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Avian Phylogenomics Project

V roce 2014 osekvenovaacuteny genomy 48

druhů zahrnujiacuteciacute všechny ptačiacute řaacutedy Do

pěti let v plaacutenu osekvenovat genomy všech

zhruba 10 000 druhů ptaacuteků

Genome 10K Project (2009)Ciacutelem osekvenovat 10 000 druhů obratlovců

V roce 2015 již 277 druhů osekvenovaacuteno či

sekvenovaacuteno

5K Project (2011)Ciacutelem osekvenovat genomy 5 000 druhů členovců

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

1000 Genomes Project

bull Ciacutelem osekvenovat 1 000 genomů

v lidskeacute populaci a detekovat

genetickeacute polymorfismy

httpwww1000genomesorg

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Rozvrh přednaacutešky

Geny a genomy (RR)

Dědičnost (RR)

Referaacutety studentů (Blok I)

Uacutevod do populačniacute genetiky (PM)

Neutraacutelniacute teorie evoluce a molekulaacuterniacute hodiny (RR)

Selekce (PM)

Detekce selekce na molekulaacuterniacute uacuterovni a genetickaacute podstata adaptaciacute (RR)

Genetickeacute mapovaacuteniacute v přiacuterodniacutech populaciacutech i v laboratoři (RR)

Referaacutety studentů (Blok II)

Genealogie (PM)

Speciace (PM)

Fylogeneze (ZM)

Referaacutety studentů (Blok III)

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Doporučenaacute literatura

bull Slidy z přednaacutešek doporučeneacute člaacutenky referaacutety

bull An Introduction to Population Genetics (2013)

Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin

bull A dalšiacute knihy uvedeneacute na webu přednaacutešky

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Geny a genomy

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Genom

bull Obvykle jeden cirkulaacuterniacute chromosom

Většinou haploidniacute Neniacute v jaacutedře

bull DNA neniacute vaacutezaacutena na histony

bull Děleniacute buňky předchaacuteziacute jednoduchaacute

replikace DNA

bull Plasmidy Maleacute kružnicoveacute molekuly

DNA Nesou postradatelneacute avšak za

určityacutech podmiacutenek užitečneacute geny

bull Genom v jaacutedře rozdělen do několika

lineaacuterniacutech chromosomů Většinou

diploidniacute

bull DNA vaacutezaacutena na histony (chromatin)

bull Při děleniacute buňky probiacutehaacute mitoacuteza či

meioacuteza

bull Mimojadernaacute DNA (v mitochondriiacutech a

plastidech) prokaryotickeacuteho původu

Prokaryota Eukaryota

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Z čeho se sklaacutedaacute genom

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Protein koacutedujiacuteciacute geny - prokaryota

bull Jednoducheacute geny (nemajiacute introny)

bull Operony Několik genů přepisovanyacutech do jedneacute mRNA (poly

cistronniacute RNA) koacutedujiacuteciacute viacutece proteinů Jedna společnaacute cis-regulačniacute

oblast Obvykle geny jedneacute metabolickeacute draacutehy

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Protein koacutedujiacuteciacute geny - eukaryota

bull Složeneacute geny (exony introny)

bull Jednotliveacute geny majiacute vlastniacute cis-regulačniacute oblasti

(promotory enhancery ndash často i daleko od koacutedujiacuteciacute sekvence)

bull Alternativniacute sestřih umožňuje vytvořit z jedneacute mRNA několik různyacutech proteinů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Referaacutet Původ a evoluce intronů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Počty protein koacutedujiacuteciacutech genů v genomu

Homo sapiens

Mus musculus

20 000

Caenorhabditis elegans

14 000

Drosophila melanogaster

Danio rerio

Saccharomyces cerevisiae

7 000

Mycoplasma genitalium

470

Haemophilus influenzae

2 000

Arabidopsis thaliana

21 000

23 000 26 000 25 000

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Diacuteky tomu vznikaacute u člověka až 5 x viacutece různyacutech proteinů než u

Drosophily či C elegance kteřiacute majiacute srovnatelnyacute počet genů

Alternativniacute transkripty a post-translačniacute modifikace proteinů

mohou vyacuteznamně zvyšovat proteinovou komplexitu

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull oblasti genomu ze kteryacutech je přepisovaacutena

funkčniacute nekoacutedujiacuteciacute (nc) RNA

RNA geny

bull ncRNA majiacute velmi rozmaniteacute funkce

regulujiacute genovou expresi na uacuterovni

transkripce sestřihu translace Ovlivňujiacute

stav chromatinu atd

bull Hrajiacute důležitou roli v epigenetickeacute dědičnosti

bull Některeacute ncRNA majiacute katalytickou aktivitu

(ribozymy) např self-splicing introns

ribozomu RNA svět

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Maleacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Ribosomal RNA (rRNA)

bull Transfer RNA (tRNA)

bull Small nuclear RNA (snRNA)

bull Small nucleolar RNA (snoRNA)

Regulačniacute RNA

bull Small interfering RNA (siRNA) ndash obrana před RNA viry

bull Mikro RNA (miRNA) ndash regulace genoveacute exprese

bull Piwi interacting RNA (piRNA) ndash obrana před namnoženiacute transpozonů

bull Obvykle kratšiacute než 100 nt regulačniacute maleacute ncRNA 20-30 nt dlouheacute

Maleacute RNA Mocniacute trpasliacuteci

Petr Svoboda Radek Jankele

222015 Vesmiacuter

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Petr Svoboda a Radek Jankele Vesmiacuter 2015

siRNA miRNA

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Dlouheacute nekoacutedujiacuteciacute RNA

bull Delšiacute než 100 nt

bull Často se překryacutevajiacute s protein koacutedujiacuteciacutemi geny (antisense transkripty nekoacutedujiacuteciacute

alternativniacute transkripty RNA přepisovanaacute z intronů)

bull Jsou ale i v nekoacutedujiacuteciacutech oblastech genomu Funkce většiny z nich neznaacutemaacute

bull Pravděpodobně důležitaacute role v regulaci genoveacute exprese

bull Na rozdiacutel od transkripčniacutech faktorů

(1) Diacuteky rychleacute degradaci mohou regulovat expresi in cis (pouze alely ležiacuteciacute na

stejneacutem chromosomu)

(2) Mohou regulovat expresi jednoho či několika maacutelo konkreacutetniacutech genů kteryacute

rozpoznaacutevajiacute prostřednictviacutem sekvenčniacute homologie

Lee Science (2012)

Xist

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Transkribovaacuteno je ~80 genomu

Je většina transkriptů funkčniacutech nebo je jednaacute o transkripčniacute šum

ENCODE

(Encyclopedia of DNA Elements)

Vytvořit kompletniacute seznam funkčniacutech

elementů v lidskeacutem genomu zahrnujiacuteciacute

protein koacutedujiacuteciacute geny RNA geny a regulačniacute

oblasti

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Kellis et al 2014

Pouze pro zhruba 10 genomu maacuteme doklad že jeho

funkce je udržovanaacute selekciacute a nebo může byacutet zničena

přirozenyacutemi či v laboratoři vytvořenyacutemi mutacemi

Jak velkaacute čaacutest genomu je funkčniacute

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Probleacutemy při definici genu

bull Překryv genů Stejnyacute uacutesek DNA může koacutedovat viacutece genů - na stejneacutem

řetězci v jineacutem čteciacutem raacutemci či na opačneacutem řetězci (gt50 koacutedujiacuteciacutech

genů maacute antisense transkript) Introny genů často koacutedujiacute funkčniacute RNA

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Probleacutemy při definici genu

bull Alternativniacute sestřih V průměru 63 alternativniacutech transkriptů na gen z

toho jen 39 potenciaacutelně koacutedujiacuteciacutech

bull Existence alternativniacutech promotorů či terminaacutetorů transkripce

(různeacute počaacutetky a konce transkripce pro jeden gen)

bull Přepis sousedniacutech genů do jedneacute mRNA

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Kolik je na obraacutezku genů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bdquojunkldquo DNA

DNA kteraacute nekoacuteduje proteiny a nebo znaacutemeacute funkčniacute RNA dřiacuteve

považovaacutena za bdquogenetickeacute harampaacutediacuteldquo

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull nefunkčniacute kopie genů (zkraacuteceneacute obsahujiacute mutace často předčasneacute

stop-kodony většinou nejsou exprimovaneacute)

bull v lidskeacutem genomu ~ 14 000 pseudogenů (13 z nich transkripčně

aktivniacute)

Neprocesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute genomovou duplikaciacute Obsahujiacute exony i introny často i okolniacute

DNA sekvence genu včetně promotorů

Procesovaneacute pseudogeny

Vznikajiacute reverzniacute transkripciacute mRNA Nemajiacute introny majiacute polyA Pokud

se integrujiacute pobliacutež funkčniacuteho promotoru mohou byacutet exprimovaneacute

Transkribovaneacute pseudogeny mohou ovlivňovat transkripci genů

z nichž jsou odvozeneacute

Pseudogeny

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Tandemoveacute repeticemikrosatelity - opakovaacuteniacute 1-6 bp celkovaacute deacutelka až několik stovek bp

minisatelity - opakovaacuteniacute do 25 bp celkovaacute deacutelka až několik kb

např telomerickeacute sekvence

satelity - opakovaacuteniacute několika desiacutetek až stovek bp celkovaacute deacutelka až 1Mb

např v centromeraacutech

bull Rozptyacuteleneacute repetice (mobilniacute DNA elementy transpozony)DNA transpozony - pohybujiacute se procesem transpozice

přes molekulu DNA

retrotranspozony - pohybujiacute se procesem retrotranspozice

přes molekulu RNA

Repetitivniacute sekvence

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

DNA transpozony

bull Hojneacute předevšiacutem u prokaryot

bull Přesunujiacute se mechanismem bdquocut and pasteldquo nebo bdquocopy and pasteldquo

bull Koacutedujiacute enzym transpozaacutezu Často naviacutec takeacute geny pro rezistenci proti

antibiotikům Lemovaneacute obraacutecenyacutemi repeticemi

bull IS elementy a Tn elementy u prokaryot

P elementy u drozofily

Ac a Ds elementy u kukuřice

(Barbara McClintock)

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Referaacutet Invaze P-elementů u Drozofily

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Vznikly z retrovirů

bull Obsahujiacute dlouheacute koncoveacute repetice (LTR) nesouciacute regulačniacute sekvence a

promotory

bull Koacutedujiacute enzym reverzniacute transkriptaacutezu

bull U všech eukaryot Hojneacute předevšiacutem u rostlin U obratlovců meacuteně časteacute

U bobu seteacuteho cca 1 milion kopiiacute elementu Ty1-copia tvořiacute polovinu genomu

LTR retrotranspozony

Ty1-copia Ty3-copia

bull Velmi podobneacute jsou i endogenniacute retroviry

bull Pozůstatky daacutevnyacutech retrovirovyacutech infekciacute

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

nonLTR retrotraspozony

bull Nemajiacute LTR Poly(A) na 3rsquo konci

bull U všech eukaryot Nějčastějšiacute transpozony u člověka a savců

bull LINE (Long interspersed nuclear elements)

koacutedujiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

bull SINE (Short interspersed nuclear elements)

Nemajiacute vlastniacute reverzniacute transkriptaacutezu

Jejich šiacuteřeniacute zaacutevisleacute na přiacutetomnosti LINE elementů

bull Nejznaacutemějšiacute SINE je Alu sekvence nejhojnějšiacute transpozon u lidiacute

(15 milionů kopiiacute 13 genomu) Vznikla pravděpodobně z genu pro tRNA

7SLRNA (podobně jako geny pro tRNA nese vnitřniacute promotor přepisovanyacute

RNA polymeraacutezou III)

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Většinou v genomu pouze maleacute množstviacute celyacutech nepoškozenyacutech

transpozonů Většinu tvořiacute nefunkčniacute zkraacuteceneacute či jinak poškozeneacute

sekvence transpozonů Ale i poškozeneacute transpozony se mohou

kopiacuterovat pokud v genomu alespoň několik nepoškozenyacutech kopiiacute

ktereacute dodaacutevajiacute potřebneacute enzymy

bull V evoluci se střiacutedajiacute periody kdy jsou transpozony aktivniacute a množiacute

se s periodami klidu

bull Šiacuteřiacute se často i horizontaacutelně

Charakteristickeacute rysy transpozonů

The expansion of Alu subfamilies

(Nat Rev Genet)

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Negativniacute vliv transpozonů na hostitele

bull U živočichů 3-45 genomu U rostlin až 80 genomu (kukuřice)

bull Energenickaacute zaacutetěž pro buňku

bull Zvětšeniacute buněk

Zvětšovaacuteniacute genomu

Obřiacute genomy u mloků

bull Velikost genomu u mloků až 120 Gb

Způsobeno namnoženiacutem LTR retrotranspozonů

bull Zvětšeniacute objemu buněk

bull Zjednodušeniacute nervoveacute soustavy a zrakoveacuteho systeacutemu

bull Některeacute druhy majiacute bezjaderneacute červeneacute krvinky

bull Některeacute druhy majiacute čtyřprsteacute končetiny

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Inzerčniacute mutageneze

bull Ovlivněniacute genoveacute exprese sousedniacutech genů (zvyacutešeniacute exprese genů diacuteky

silnyacutem promotorům či naopak sniacuteženiacute exprese genů v důsledku

heterochromatinizace)

bull Ektopickaacute rekombinace mezi elementy v různyacutech čaacutestech genomu může

veacutest ke vzniku chromosomovyacutech přestaveb či rozsaacutehlyacutech deleciacute či

duplikaciacute

bull U člověka 1 mutaciacute kvůli přeskokům DNA elementů u drosofily až 50

Zvyacutešeniacute mutageneze

bull Organismy se braacuteniacute množeniacute traspozonů heterochromatinizaciacute

DNA obsahujiacuteciacutech transpozony

bull Důležitou roli v tom hrajiacute piwi RNA

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Regulace mutačniacute rychlosti v

zaacutevislosti na stresu

bull Transpozony mohou byacutet aktivovaacuteny

v odpovědi na nějakeacute vnějšiacute podmiacutenky ndash

stres UV zaacuteřeniacute teplotu radioaktivniacute

zaacuteřeniacute zraněniacute infekci patogenem

polyploidizaci mezidruhovou

hybridizaci

bull Vznik novyacutech mutaciacute mezi nimiž mohou

byacutet noveacute varianty schopneacute danyacute stres

přežiacutet

Pozitivniacute vliv transpozonů na hostitele

Tam1 Tam3 u hlediacuteku

(1000x většiacute aktivita při 15degC)

Reme1 u melounu (aktivace UV)

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Helitrony = DNA transpozony replikativniacute transpozice pomociacute

mechanizmu valiveacute kružnice (obsahujiacute různeacute fragmenty genů

ndash možnost vzniku chimeacuterickyacutech genů)

DNA mobilniacute elementy činiacute genom dynamičtějšiacutem

bull Podporujiacute duplikaci genů Diacuteky přiacutetomnosti reverzniacute transkriptaacutezy

vznikajiacute v genomu noveacute kopie genů

bull Umožňujiacute přestavby genomu (translokace inverze) diacuteky ektopickyacutem

rekombinaciacutem

bull bdquoExon shufflingldquo pomociacute Helitronů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Tvorba heterochromatinu

bull Transpozony často umlčeny a

heterochromatinizovaacuteny pomociacute DNA

metylace a RNA interference

bull Transpozony byacutevajiacute důležitou

součaacutestiacute heterochromatinu centromer

bull Inaktivace chromosomu X v

somatickyacutech buňkaacutech savců (důležiteacute

LINE)

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Naacutehrada činnosti telomeraacutezy u Drosophila melanogaster (non-LTR

retrotranspozony Het-A TART TAHRE)

bull Syncytin ndash odvozen od env z endogenniacuteho retroviru HERV ndashW

Důležityacute pro utvaacuteřeniacute placenty

bull V(D)J rekombinace (generuje variabilitu T-cell receptorů a

imunoglobulinů) Řiacutezena RAG1-RAG2 komplexem kteryacute zřejmě

pochaacuteziacute z DNA transpozonu

bull a dalšiacute helliphellip

Molekulaacuterniacute domestikace transpozonů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Referaacutet Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Vznik evolučniacutech novinek změnou genoveacute exprese mnoha

genů najednou

bull Např vznik nitroděložniacuteho vyacutevoje u savců umožnila novaacute

regulace mnoha genů exprimovanyacutech v děloze transpozony

Vznik velkyacutech evolučniacutech novinek

Cell Reports 2015

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Velikost genomu a paradox hodnoty C

Kejnovskyacute amp Hobza 2009

bull Rozdiacutelnaacute velikost genomu mezi bliacutezce přiacutebuznyacutemi taxony může byacutet

danaacute (i) rozdiacutelnyacutem namnoženiacutem transpozonů (ii) duplikacemi genomu

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Polyploidizace

bull U rostlin častějšiacute než u živočichů

(60ndash70 krytosemennyacutech rostlin jsou polyploidi u živočichů zejmeacutena u

obojživelniacuteků a u ryb)

bull Polyploidi často probleacutem s meioacutezou Často přechaacutezejiacute na nepohlavniacute

rozmnožovaacuteniacute

bull Přinaacutešiacute i vyacutehody funkčniacute redundance většiacute fenotypickaacute variabilita a schopnost

osiacutedlit extreacutemniacute podmiacutenky rychlejšiacute adaptivniacute evoluce

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Paleopolyploidie u obratlovců

Berthelot et al 2014

bull 2 u předka všech obratlovců

bull 1 u předka kostnatyacutech ryb

bull 1 u předka lososovityacutech ryb

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull K řadě paleopolyploidizačniacutech udaacutelostiacute u krytosemennyacutech rostlin došlo na přelomu

druhohor a třetihor (před 60-70 miliony let) v obdobiacute masivniacuteho vymiacuteraacuteniacute

bull Duplikace genomu by mohla organismům pomoci přežiacutet v měniacuteciacutech se podmiacutenkaacutech

Van de Peer et al 2009

Paleopolyploidie

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Referaacutet Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Osudy duplikovanyacutech genů

bull Genom se postupně opět staacutevaacute diploidniacute

bull Urychleniacute adaptivniacute evoluce

bull Ztraacuteta či subfunkcionalizace odlišnyacutech kopiiacute genů v různyacutech populaciacute

může veacutest ke vzniku reprodukčniacute izolace mezi nimi ndash urychleniacute speciace

Polyploidizace u předků dnešniacutech organismů vzaacutecneacute pokud k nim však

došlo měly pravděpodobně značnyacute vliv na rychlost speciace

diverzifikace a vznik evolučniacutech novinek v daneacute vyacutevojoveacute linii

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Jak vznikajiacute noveacute geny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull velmi častyacute u prokaryot

bull v jeho důsledku se i bliacutezce přiacutebuzneacute

druhy lišiacute svyacutem souborem genů

bull pangenom = soubor všech genů určiteacute

taxonomickeacute skupiny

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Horizontaacutelniacute genovyacute přenos

bull Dochaacuteziacute k němu i u mnohobuněčnyacutech organismů

bull Přenos genů z mtDNA do jaacutedra

bull Přenos genů z endosymbiontů do genomu hostitele

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Cordaux R Gilbert C Evolutionary Significance of Wolbachia-to-

Animal Horizontal Gene Transfer Female Sex Determination and

the f Element in the Isopod Armadillidium vulgare Genes (Basel)

2017 Jul 218(7)

Leclercq S Theacutezeacute J Chebbi MA Giraud I1 Moumen B Ernenwein L

Gregraveve P Gilbert C Cordaux R Birth of a W sex chromosome by

horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome

Proc Natl Acad Sci U S A 2016 Dec 27113(52)15036-15041

Referaacutet Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

bull Geny a jineacute genetickeacute elementy jako druhy

bull Alely jako jedinci vzaacutejemně soupeřiacute o to kteraacute alela se

nejviacutece rozmnožiacute

bull Mezi geny různeacute vztahy (parazitismus mutualismus

neutralismus) Vnitrogenomoveacute konflikty

Genom jako ekosysteacutem

Eduard Kejnovskyacute amp Roman Hobza Evolučniacute genomika 2009

httpwwwevolucnigenomikacz

Doporučeneacute čteniacute

Popularizačniacute člaacutenek (12 až 1 strana textu) ndash poslat nejpozději do

čtvrtka v tyacutednu před plaacutenovanyacutemi referaacutety

Prezentace (10 min slidy v PowerPoint)

1 Původ a evoluce intronů

2 Invaze P-elementu u Drozofily

3 Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

4 Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

5 Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Teacutemata na referaacutety

(Blok I)

Eduard Kejnovskyacute amp Roman Hobza Evolučniacute genomika 2009

httpwwwevolucnigenomikacz

Doporučeneacute čteniacute

Popularizačniacute člaacutenek (12 až 1 strana textu) ndash poslat nejpozději do

čtvrtka v tyacutednu před plaacutenovanyacutemi referaacutety

Prezentace (10 min slidy v PowerPoint)

1 Původ a evoluce intronů

2 Invaze P-elementu u Drozofily

3 Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

4 Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

5 Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Teacutemata na referaacutety

(Blok I)

Popularizačniacute člaacutenek (12 až 1 strana textu) ndash poslat nejpozději do

čtvrtka v tyacutednu před plaacutenovanyacutemi referaacutety

Prezentace (10 min slidy v PowerPoint)

1 Původ a evoluce intronů

2 Invaze P-elementu u Drozofily

3 Evolučniacute původ V(D)J rekombinace

4 Role celogenomovyacutech duplikaciacute v evoluci

5 Horizontaacutelniacute genovyacute přenos z Wolbachiiacute do živočichů

Teacutemata na referaacutety

(Blok I)