Molekulárna evolúcia Sylabus Prof. RNDr. Juraj Krajčovič, CSc. RNDr. Roman Dušinský, CSc. Katedra genetiky PriF UK (G-418)

Transcription

1 Molekulárna evolúcia Sylabus Prof. RNDr. Juraj Krajčovič, CSc. RNDr. Roman Dušinský, CSc. Katedra genetiky PriF UK (G-418)

2 1. Molekulárna evolúcia štúdium evolúcie organizmov na molekulárnej úrovni: (i) štúdium evolúcie makromolekúl rýchlosť a charakter zmien, typy procesov (ii) rekonštrukcia evolučnej histórie génov a organizmov; východiská populačná genetika (teoretický základ) a molekulárna biológia (empirické údaje); stručná história pre-dna éry; Sarich/Wilson-ov medzník; informačné makromolekuly (nukleové kyseliny a bielkoviny) ako východisko pre analýzu príbuzenských vzťahov medzi organizmami a podklad pre evolučnú časomieru (molekulové chronometre); morfológia verzus molekuly; bunka ako historický dokument; využitie molekulárno-biologických markerov v populačnej genetike (v molekulárnej ekológii a konzervačnej biológii) a pri fylogenetických analýzach (molekulárna systematika).

3 2. Molekulové (evolučné, fylogenetické) hodiny a neutrálna teória molekulárnej evolúcie testovanie molekulových hodín, test relatívnej rýchlosti; efekt línie na chod molekulových hodín: (i) generačný čas (ii) rýchlosť metabolizmu (iii) efektívnosť reparačných mechanizmov; teória takmer neutrálnej molekulárnej evolúcie; rozdiely v chode hodín na úrovni nukleotidov a aminokyselín; molekulárna evolúcia živých fosílií - dokladový materiál o vzájomnej nezávislosti medzi molekulárnou a morfologickou evolúciou; paleontologické kalibrovanie molekulových hodín.

4 3. Evolučné stromy terminológia (uzly, vetvy, korene zakorenené a nezakorenené stromy); kladogramy, aditívne a ultrametrické stromy; rekonštrukcia histórie zmeny znaku apomorfia, pleziomorfia, homoplázia (konvergencia, paralelizmus, reverzia); klady a klasifikácia monofyletický, polyfyletický, parafyletický; génové stromy a druhové stromy; duplikácie génov (ortológia, paralógia) evolúcia génovou duplikáciou a preskupovanie funkčných domén.

5 4. DNA identifikácia (molekulárna identifikácia) využitie individuálne špecifických rozdielov v zložení určitých úsekov DNA na identifikovanie organizmov a analýzu príbuzenských vzťahov. Metódy ťažisko, techniky na báze PCR (náhodné verzus špecifické primery). RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism), PCR-RFLP, AFLP (Amplification Fragment Lenght Polymorphism), RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA); špeciálne separačné techniky: SSCP (Single-Stranded Conformational Polymorphism), DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis), CDGE (Constant Denaturating Gel Electrophoresis), TGGE (Temperature Gradient Gel Electrophoresis); satelitná DNA mikro a minisatelity, VNTR a ich využitie v humánnej a veterinárnej medicíne, forenznej antropológii, kriminalistike, poľnohospodárstve, potravinárstve. DNA barcoding (identifikácia druhov organizmov na základe sekvenčnej diverzity v krátkych štandardizovaných oblastí génov) ako doplnok taxonómie, molekulárnej fylogenetiky a populačnej genetiky.

6 5. Evolúcia zápisu genetickej informácie variabilita veľkosti genómov a paradox C hodnoty (konštantná veľkosť haploidného genómu); zosúlaďovanie sekvencií homológie medzi sekvenciami, génmi, genómami; problémy s variabilitou dĺžky sekvencií a s nasýtením nukleotidových miest mutáciami (mnohonásobné substitúcie na jednom mieste); frekvencia mutácií v závislosti od funkcie danej sekvencie (gény verzus pseudogény); pôvod intrónov. relatívne frekvencie rôznych typov mutácií (synonymné verzus nesynonymné {missense, nonsense}) v jednotlivých pozíciách kodónov (1., 2., 3.) v génoch pre bielkoviny; rýchlosť a charakter zmien, typy procesov; odlišnosti v zastúpení jednotlivých nukleotidov, resp. kodónov medzi genómami a v rámci genómov, štruktúra izochor genómu stavovcov; zosúladená evolúcia molekulárny drift a draft; syntetické genómy

7 6. Molekulárna fylogenetika základné princípy a metódy pre výber a spracovanie údajov a konštrukciu dendrogramov; klasifikácia metód podľa: (i) prístupu k typom údajov: (I) vzdialenosti verzus (II) diskrétne znaky (sekvencie), (ii) podľa spôsobu výstavby stromov (zhlukovanie verzus hľadanie optimálnosti); (I) metódy vzdialeností: a) minimálna evolúcia (kritérium optimálnosti), b) zhlukovacie algoritmy metóda UPGMA (Unweighted pair method with aritmetic means), metóda spájania susedov (Neighbour joining), (II) diskrétne metódy (maximálna úspornosť - maximum parsimony, maximálna pravdepodobnosť - maximum likelihood); testy vierohodnosti bootstrap.

8 7. Evolúcia genetického kódu Genetický kód dve roviny: (i) pravidlá kódovania, resp. prekladu poradia nukleotidov do poradia aminokyselín univerzálny genetický kód, (ii) konkrétny molekulový aparát zabezpečujúci preklad operačný RNA kód akú aminokyselinu bude niesť príslušná transferová RNA kauzalita vzťahu aminokyselina antikodón, hypotézy: zmrazená náhoda verzus zámka a kľúč; selenocysteín; zvláštnosti genetického kódu v mitochondriách, chloroplastoch, u niektorých baktérií a prvokov editovanie RNA - pôvod, evolúcia, dôsledky; irna (RNA interference)

9 8. Starodávna DNA molekulárno-biologická analýza historického biologického materiálu (muzeálne exponáty, fosílie, múmie), princípy, metódy, limity, príklady (DNA neandertálcov, ľadový muž Ötzi...).

10 9. Univerzálny fylogenetický strom identifikácia, klasifikácia a fylogenéza organizmov na molekulárnej úrovni tri línie života: Archaea, Bacteria, Eukarya východiská, metodické princípy; ribozómové RNA v úlohe molekulárneho chronometra; porovnávacie štúdie jednotlivých génov verzus komparatívna genomika; unikátnosť genómov archeónov, baktérií a eukaryontov; koncepcia druhu u prokaryontov a plasticita ich genómov; horizontálny transfer génov (informačné verzus operačné gény); využitie molekulárno-biologických metód pri identifikácii a fylogenetickej klasifikácii nekultivovateľných mikroorganizmov.

11 10. Eukaryotizmus; celulárna kohabitácia eukaryotická bunka ako chiméra endosymbióza verzus pohltenie, fúzia, resp. súžitie viacerých pôvodne samostatne žijúcich prokaryotických organizmov; argumenty v prospech monofyletického pôvodu mitochondrií a chloroplastov; primárna a sekundárna (terciárna) endosymbióza; komplexné plastidy, nukleomorfa; pôvod jadra, charakter hostiteľskej bunky; najnovšie hypotézy o pôvode prvotnej eukaryotickej bunky: vodíková hypotéza, hypotéza syntrofie; kľúčová úloha horizontálneho transferu génov pri formovaní prvotnej eukaryotickej bunky darvinovský prah (Darwinian threshold) a nástup vertikálnej dedičnosti; nadobúdanie genómov symbiózou a jej uplatnenie v speciácii.

12 11. Mitochondriové a plastidové gény a genómy v úlohe fylogenetických markerov základná charakteristika, princípy využitia, príklady; strácanie organel v evolúcii a v ontogenéze reverzná symbiogenéza; redukcia genómu intracelulárnych parazitov a organel evolučné paralely (pseudogény; zvýšená mutačná rýchlosť, % nárast AT, Müllerova rohatka); archezoa primitívne eukaryonty, ktoré stratili mitochondrie; hydrogenozómy modifikované mitochondrie bez genómu, kryptická endosymbióza; presun DNA z organel do jadra v priebehu evolúcie; limity interkompartmentového presunu génov; fenomén promiskuitnej DNA; experimentálne indukovaná degradácia organel; plastidy ako chemoterapeutické ciele; rudimentárne plastómy nefotosyntetizújúcich organizmov

13 12. Využitie molekulárno-evolučných metód pri štúdiu mikrobiálnych ekosystémov rozšírenie života v priestore a v čase; panspermia?; extrémofilné organizmy; život limitujúce faktory; extrémne prostredie ako životná nevyhnutnosťou; členenie extrémofilov (podľa určujúceho faktora): teplota: vysoká termofily ( C), hypertermofily ( C), nízka (0-20 C) psychrofily; hodnoty ph: kyslé (ph <2) acidofily, zásadité (ph >9) alkalofily; vysoký tlak barofily (piezofily); vysoké koncentrácie solí (3-20%) halofily; nízke koncentrácie organických substrátov oligotrofy; nedostupnosť vody osmofily (xerofily); rast pri vysokých koncentráciách toxických látok, vysokej úrovni radiácie; nanobaktérie; adaptačné mechanizmy; praktické uplatnenie extrémofilov.

14 X. Operatívne začlenenie prednášok expertov z oblasti molekulárnej identifikácie, evolúcie, fylogenézy, resp. ekológie vybraných taxónov: J. Doškař (MU Brno) Štruktúra a evolúcia genómov prokaryotických organizmov. Š. Janeček (ÚMB SAV) Rekonštrukcia fylogenetických vzťahov medzi taxonomicky vzdialenými druhmi organizmov na základe analýzy sekvencií vybraných enzýmov.

15 Literatúra: Flégr, J.: Evoluční biologie. Academia, Praha 2005, 559s. Flégr, J.: Úvod do evoluční biologie. Academia, Praha 2007, 544s. Page, R.D.M., Holmes, E.C.: Molecular Evolution. A Phylogenetic Approach, Blackwell Science, Oxford, 1998, 346s. Beebee, T.J.C., Rowe, G.: An Introduction to Molecular Ecology, Oxford Univ. Press., Oxford 2004, 346s. Cvrčková, F.: Úvod do praktické bioinformatiky. Academia, Praha 2006, 148s. Drahovská H. et al.: Genomika a bioinformatika. Veda, Bratislava 2007, 141s. Krajčovič J., Vesteg M.: Bunka základ života kde sa vzala? In: D. Magdolen et al. Vznik, Veda, Bratislava

16 Most helpful positive review, ByHoward Schneideron November 26, 2000 Although molecular phylogenetic analysis can be extremely complex, this reference provides an introduction to the subject that is straightforward to read. The reference begins with consideration of trees, which are structures used to model actual evolutionary relationships between genes or entire lifeforms. It then provides an introduction to molecular and population genetics. Coding as well as noncoding DNA (tandem repeats, transposable elements, retroviruses, spacer DNA) is considered. The reference then considers how genetic change can be measured, followed by how we can deduce molecular phylogenies. The validity of the molecular clock is then considered, along with a discussion of the neutralistselectionist debate. The reference finally considers how different phylogenies can be combined to determine actual phylogeny, reconciled trees, and rates of diversification.

17 Molekulárna evolúcia informácia o skúške 1. Skúška sa koná formou písomného testu. Na vypracovanie testu je k dispozícii čas 60 minút. 2. Test sa skladá zo 40 výrokov pokrývajúcich všetku odprednášanú problematiku. Úlohou študenta je zaujať stanovisko, či výrok, tak ako je sformulovaný v teste, je pravdivý (správny) alebo nepravdivý (chybný). Ak si myslí, že je pravdivý (správny), do odpoveďového hárku zakrúžkuje S. Ak si myslí, že je nepravdivý (chybný), zakrúžkuje Ch. Za každé správne rozhodnutie získava dva body. Pozor, za chybnú odpoveď sú mínus 2 body, za žiadnu odpoveď 0 bodov. Získané body sa transformujú do hodnotenia A-FX úmerne počtu získaných bodov. 3.Test sa vyhodnocuje hneď po skúške a v závislosti od počtu študentov sa v čo najkratšomčase oznámia aj výsledky. Študent, ktorý v teste neuspel sa musí prihlásiť na ďalši z vypísaných termínov (na ich počte a dátume sa možno dohodnúť); obdobne aj študent, ktorý si chce zlepšiť hodnotenie, tu je však možnosť aj ústneho doskúšania. 4. Pri teste nie je prípustné používať literatúru, písomné záznamy a iné pomôcky.

18 18 Evolučná biológia literatúra Podrobná učebnice evoluční biologie určená zejména posluchačům magisterských a doktorandských kurzů evoluční biologie, molekulární fylogenetiky a evoluční parazitologie. Může však sloužit i jako referenční příručka příslušných oborů (obsahuje citace primárních pramenů) a do značné míry i jako popularizačnídílo, neboť nevyžaduje předchozí hlubší znalosti jiných biologických disciplín. Učebnice pokrývá ve 28 kapitolách veškerou problematiku oboru. Věnuje se mikroevolučním dějům (kapitoly Biologická evoluce, Dědičnost, Mutace, Přirozený výběr, Genetický drift, Genový tok, Evoluční tahy, Polymorfismus, Evoluce sekvence DNA, Evoluce genů, Evoluce pohlavního rozmnožování, Evoluční důsledky pohlavního rozmnožování, Koevoluce, Kulturní evoluce, Pohlavní výběr), makroevolučním dějům (kapitoly Vznik života, Evoluce ontogeneze a životního cyklu, Evoluce chování, Evoluce parazitů, Druhy, Speciace, Vymírání, Fylogenetika, Molekulární fylogenetika, Taxonomie a Makroevoluce) a obsahuje i dvě všeobecně zaměřené kapitoly (Kritika a obrana evolučních teorií a Historie evoluční biologie). Hlavním posláním knihy je přesvědčit čtenáře, že evoluční biologie je moderní biologickou disciplínou, která v posledních 30 letech prodělala neobyčejně bouřlivý a nesmírně zajímavý vývoj, který nakonec vyústil v zásadní změny v samotných základech oboru.

19

20

21

22 Z médií Selekce u bakterií: Proč jsou malé a mají krátké genomy? (scienceworld.cz, Pavel Houser, ) Nedávno se zde objevil článek o podobnostech bakteriálních kolonií a mnohobuněčných organismů. Proč potom bakterie nevytvořily větší buňky ani nepostoupily dále na cestě k mnohobuněčnosti? Jak na otázku odpovídá Nick Lane ve své knize Síla, sexualita, sebevražda? Předně: Bakterie skutečně daly vzniknout eukaryotům a pak i mnohobuněčným organismům. Mnohobuněčnost se vyvinula určitě víckrát nezávisle na sobě. Jestliže k ní bakterie nedospěly, problém byl, že nejprve bylo třeba vytvořit složitější buňku a problematický krok byl zde. Lane pokládá symbiózu archeí s mitochondriemi za unikátní historickou náhodu. Předpovídá, že na cizích planetách bude život možnáčastý, ale pouze velmi jednoduchý. Vždyť eukaryota vznikla asi 2 miliardy let po vzniku samotného života. Zatímco sám život se objevil velmi rychle, pak se dlouho příliš nehýbal z místa. Eukaryotická buňka tedy podle něj asi vznikla pouze jednou a k téhle události vůbec dojít nemuselo.

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41