1. LUCA sajátságai
az RNS-világtól a 3 domén
kialakulásáig
Tóth András - ELTE TTK Biológia
Thursday, June 21, 12

2. Élet
Carl Sagan: “Darwini evolúcióra képes önfenntartó kémiai rendszer”
Molecular Biology of the Cell: “...energia által hajtott, öröklött
információ által megszabott kémiai folyamatok komplex rendszere”
Abiogenezis
Az élet szervetlen anyagokból való létrejöttének módja utáni kutatás. Darwin óta rengeteg
lehetséges modell született leírására. Megközelítések: genetikai vagy metabolikus
Stanly L. Miller, 1953, Science: Miller-Urey kisérlet, a Föld feltételezett ősi körülményei közt
(H2O, CH4, NH3, H2, elektromos szikra) L- és D- aminosavak előállítása (glicin és alanin
egyértelmű detektálása) - “primordial soup”
Y-J Kuan et al., 2003, Astrophysical Journal: Glicin detektálása egy csillagközi molekula felhőben
- szerves anyagok jelenléte a naprendszerek keletkezésénél (utána transzferjük: pl. üstökös)
Thursday, June 21, 12

3. LUCA
Last Universal Common Ancestor
Az a legrecensebb organizmus, melytől minden mai Bacteria, Archaea, Eukarya leszármaztatható.
3.8-3.5 milliárd évvel ezelőtt élhetett a Paleoarchaikumban.
Darwin feltételezte először, ma: fenti közös sajátságok + filogenetikai modellek
Carl Woese, 1998, PNAS: LUCA inkább élőlények csoportja, HGT fontossága
Theobald et al., 2010, Nature: LUCA elmélet formális tesztje konzervált fehérjékkel: tisztán
statisztikailag is helyes. Egyetlen élőlény genetikai öröksége maradt fent, LUCA indivídum.
• Genetikai kód: kétszálú DNS (A,G,C,T nukleotidokkal), 64 kodon (mely 20 aminosavat
kódolt), DNS-repair enzimek
• Genetikai kód kifejezése: egyszálú RNS intermedier (mRNS) lefordítása fehérjékké a
riboszómán (rRNS + riboszómális fehérjék), aminosavakból összeszerelve (tRNS).
• Fehérjék - metabolikus folyamatok katalízise és irányítása, szintézis, repair
• Kétrétegű lipid membrán, cytoplasma-ban vizes oldat, ionpumpák
• ATP & d-glükóz
• Kezdetleges sejtosztódás
Thursday, June 21, 12

4. RNS - ribóz + foszfát csoport + bázis (AUGC)
DNS - dezoxiribóz + foszfát csoport + bázis (ATGC)
Nukleotidok által alkotott, bázisok sorrendje segítségével
információt tároló és annak örökítésre képes hosszú polimerek
Thursday, June 21, 12

5. A genetikai információ áramlása
A génexpresszió
1958, Francis Crick: A molekuláris biológia
centrális elmélete
DNS-replikáció
DNS RNS transzkripció
RNS Fehérje transzláció (nukleotid
sorrend aminosav sorrendá alakítása)
RNS DNS reverz-transzkripció
(retrovírusok)
A genetikai kód majdnem teljesen
univerzális (pl. a mitokondriumok a
transzláció során a stop kodonok
olvasásában térhetnek el)
Thursday, June 21, 12

6. Transzkripció
RNS-polimerázok katalizálják a DNS RNS-é
való átírását
A DNS templátról 5‘ 3’ irányba formálódik
az RNS lánc de novo
Thursday, June 21, 12

7. Transzláció
Riboszóma - komplex molekuláris masinéria,
fehérjeszintézis színhelye (2/3 RNS, 1/3
asszociált fehérjék
mRNS: szintézishez szükséges információ,
tRNS: szekvencia-komplementer aminosavak
becsatolása, rRNS: katalitikus szerep, peptid-
kötések kialakítása
Thursday, June 21, 12

8. DNS-replikáció
DNS replikációs villa
DNS-polimeráz 5‘ 3’ irányú
A DNS két szála templátként szolgál a komplementer szál szintézis, vezető szálon
szemikonzervatív replikációhoz miután folytonos átírás, elmaradó szálon okazaki
Helicase-ok szétválasztják őket fragmentumokkal szakaszosan látszólag
3‘ 5’ irányú növekedés
Thursday, June 21, 12

9. A három domén rendszer
• Woese, C.R. & Fox, G.E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain:
the primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America 74, 5088-90 (1977)
• “living systems represent one of three aboriginal lines of descent: (i) the
eubacteria, comprising all typical bacteria; (ii) the archaebacteria, containing
methanogenic bacteria; and (iii) the urkaryotes, now represented in the
cytoplasmic component of eukaryotic cells”
• Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a natural system of
organisms: Proposal. Proceedings of the National Academy of Sciences 87, 1–
4 (1990)
rRNS törzsfa
alapján
Thursday, June 21, 12

10. Domain Bacteria
• Woese, C. R., Kandler, O. & Wheelis, M. L. Towards a
natural system of organisms: Proposal. Proceedings of
the National Academy of Sciences 87, 1–4 (1990)
• Sejtstruktúra: lipid PM, nincs sejtorganellum,
peptidoglikán alapú sejtfal, cirkuláris DNS
• Metabolizmus: kemoszintézis, fotoszintézis, heterotrófia
• Legkorábbi létformák egyike: 3.45 milliárd éves
sztromatolit telepek (cianobacteria)
Thursday, June 21, 12

11. Domain Archaea
• 1977 - Woese et al.: rRNS törzsfák alapján a korábbi
prokaryota csoportosítás két alapvetően különböző
élőlény csoportot tartalmaz, Archaea biokémiailag
jelentősen eltér Bacteria-tól
• Eukarya legközelebbi rokonai
• Nem peptidoglikán alapú sejtfal, DNS hiszton fehérjékkel
asszociálódik, cirkuláris genom, transzláció Met-el
keződik, gének operonokba csoportosulnak, nincs RNS
splicing, sejt és genom mérete az Eukaryota-kénál 100x
kisebb.
• Első felfedezésük: extrém élőhelyen, de általánosabb
élőhelyeken is tömegesen előfordulnak. A globális
ökoszisztéma egy jelentős részét teszik ki.
Thursday, June 21, 12

12. Domain Eukarya
• Modern endoszimbiótikus elmélet: Sagan, L. On the origin of mitosing cells.
Journal of Theoretical Biology 14, 255-274 (1967).
• Az eukaryota sejt kb. 2.1 milliárd éve jelent meg egy archaea és egy α-
proteobacteria szimbiozisának eredményeképpen, utóbbiból mitochondria
létrejötte
• Archaea eredetű gének: információ feldolgozás, gén expresszió, repair
Bacteria eredetű gének: operációs feladatok, metabolizmus, membránok
• Eukaryota sejt tulajdonságaihoz a genetikai komplexitás növekedése
szükséges. Az ehhez szükséges energiát a mitokondrium biztosította - Lane,
N. & Martin, W. The energetics of genome complexity. Nature 467, 929–934
(2010)
• Nucleus, sejtorganellumok (ER, GC, mt, pt, lys, etc), citoszkeletális rendszer
• Többsejtűség kialakulásához szükséges: Fejlett genetikai reguláció, CAM-ek
(Cell Adhesion Molecules), ECM (Extracellular Matrix), intra és intercelluláris
jelátviteli útvonalak
Thursday, June 21, 12

13. Tree of Life (2012 közepe)
Thursday, June 21, 12

14. LUCA nem az első élőlény
Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül
komplex rendszer irányította.
A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék
szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett
létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?
Thursday, June 21, 12

15. LUCA nem az első élőlény
Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül
komplex rendszer irányította.
A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék
szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett
létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?
Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.
Thursday, June 21, 12

16. LUCA nem az első élőlény
Minden ma élő organizmus közös ősének életét is már egy rendkívül
komplex rendszer irányította.
A központi paradoxon: Ha nukleinsavak szükségesek a fehérjék
szintéziséhez és fehérjék szükségesek a nukleinsavakéhoz, hogy jöhetett
létre egy kölcsönösen egymástól függő rendszer?
Nem esünk kétségbe. Nem dobjuk be a törülközőt.
Hanem elkezdünk a tudományos módszertan segítségével lehetséges
válaszokat keresni.
Thomas Cech, 1982: RNS enzimatikus funkciójának felfedezése
Walter Gilbert, 1986, Nature: RNS-világ a modern sejtek megjelenése előtt
Thursday, June 21, 12

17. RNS-világ
pre-RNS világ: molekulák, melyek alkalmasak voltak saját maguk
szintézisét katalizálni, és nyersanyagokért versengeni. darwini
evolúció kezdete. Első kémiai reakciókat irányító variábilis
örökítőanyag kialakulása.
RNS-világ: az információ átörökítéséért és reakciók
katalizálásáért felelős molekula a bonyolultabb RNS lett.
• Ribozimok: fontos kémiai reakciók katalízise (peptid-kötés
formálódás), RNS-ek feltekeredési képessége
• Információ tárolás, limitációkkal
Szintézishez kooperatív rendszer kell - Kompartmentalizáció,
amfipatikus molekulákból vesicula kialakulása.
Fehérjék és DNS megjelenése: változatosabb reakciók, több
funkció, az örökítőanyag sokkal biztonságosabb tárolása.
Thursday, June 21, 12

18. In vitro molekuláris evolúció
Thursday, June 21, 12

19. In vitro ribozim evolúció
Mivel a kezdeti RNS replikátor elveszett, csak kisérleti úton lehetséges az
RNS-katalizált RNS replikáció vizsgálata.
Wochner et al., Science, 2011: R18 RNS-polimeráz ribozim in vitro
szelekciója. Cél: minél hosszabb RNS szakaszt, minél jobban szintetizáló
ribozim, lehető legkisebb minta dependenciával.
100.00
75.00 • in vitro evolúció, 50 millió random
mutációval, templát dependencia sikeres
csökkentés, szintetizált szakasz
50.00 hosszának komoly növelése R18-tól
25.00 • egyetlen gyorsítási beavatkozás: új 5’-
domén feltétele a ribozimra
0
R18 C19 tC19 tC19Z
Szintetizált RNS hossza
Thursday, June 21, 12

20. Pinheiro,V. B. & Holliger, P. The XNA world: progress towards replication and
evolution of synthetic genetic polymers. Current Opinion in Chemical Biology (2012)
Genetikai rendszerek de novo előállítása
Potenciális alkalmazás: szintetikus biológia (biztonságosság fokozása)
Thursday, June 21, 12

21. Bibliográfia
• Bruce Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell
• Berg Biochemistry
• Wochner et al., Ribozyme-Catalyzed Transcription of an Active
Ribozyme, Science, 2011; 10.1126/science.1200752
• Douglas L. Theobald, A formal test of the theory of universal
common ancestry, Nature, 2010; 10.1038/nature09014
• Szostak et al., The Origins of Cellular Life, Cold Spring Harbor
Prespectives in Biology, 2010; 10.1101/cshperspect.a002212
• Steven A. Benner, Defining Life, Astrobiology, 2010; 10.1089/
ast.2010.0524
Thursday, June 21, 12

22. Köszönöm a figyelmet!
Thursday, June 21, 12