Molekularna evolucija
20.11.2012.

C-vrednost i paradoks C-vrednosti
C-vrednost – veličina genoma nekog organizma se definiše kao
količina DNK u haploidnoj ćeliji (species specifična).
Paradoks C-vrednosti – odsustvo podudarnosti između C
vrednosti i složenosti organizma (pretpostavljene količine genetičke
informacije u genomu). Većina organizama ima više DNK nego što je
neophodno uzimajući u obzir njene funkcije vezane za kodiranje
proteina i regulaciju.
Postoji veliki deo genoma koji nema funkciju – nekodirajuća DNK.

Poreklo nekodirajućih delova genoma
Postoji nekoliko hipoteza o poreklu nekodirajućih delova
genoma, npr. hipoteza “otpadne DNK ”, “ sebične DNK ”...

G-vrednost i paradoks G-vrednosti
G-vrednost – broj gena u haploidnom genomu.
Paradoks G-vrednosti – odsustvo podudarnosti između broja
gena i složenosti organizma. Pokazuje da evolucija kompleksnosti
organizama podrazumeva suptilnije promene genoma od
jednostavnog dodavanja gena.

Mehanizmi koji uslovljavaju složen fenotip sa manjim
brojem gena:
 Transkripciona kontrola
 Intergenske kombinacije
 Više funkcija istog gena
 Alternativno iskrajanje
 Posttranslaciona kontrola

takson C-vrednost (broj G-vrednost (broj
nukleotida) gena)
Mycoplasma genitalium 580 073 483
Chlamydia trachomatis 1 042 519 936
Treponema pallidum 1 138 011 1 039
Helicobacter pylori 1 667 867 1 589
Escherichia coli 4 639 221 4 377
Salmonella enterica 4 857 432 4 450
Saccharomyces 12 495 682 5 726
cerevisiae
Neurospora crassa 38 639 769 10 082
Caenorhabditis elegans 100 258 171 18 400
Arabidopsis thaliana 115 409 949 25 498
Drosophila 122 653 977 13 472
melanogaster
Anopheles gambiae 278 244 063 13 683
Homo sapiens oko 3·109 oko 23 000
Fugu riba oko 3.65 x 108 oko 38 000
Pirinač oko 4.3 x 108 oko 60 000

Geni eukariota
 Diskontinuirana genetička informacija
 Egzoni (kodirajući delovi)
 Introni (nekodirajući delovi)
e1 i1 e2 i2 e3 i3 e4
Gen za protein 1 = e1-e2-e3-e4
Gen za protein 2 = e1-e3

Značaj nastanka egzon-intron strukture
 Kombinovanje egzona može povećati evolucionu
plastičnost (brzinu evolucije).
 Dupliciran egzon može akumulirati mutacije i
divergirati u nove domene proteina.
 Povećanje fenotipske plastičnosti.
 Efikasnije “pakovanje” genetičke informacije.

Postoji li razlika među genima eukariota?
kvasac crv mušica Arabidopsis čovek
Broj gena 6300 18400 13600 26000 do 23000
Veličina (prosek) 1462 2496 2150 2040 2700
Bez introna (prosek) 90% 4% 20% 20% 8%
Broj egzona (prosek) 1,03 6,1 3,1 5,1 8,8
Veličina introna 300 244 488 186 2010
(prosek)
Alternativno iskrajanje 5,8% 5,6% 15% 1,4% 40-60%

Organizacija genoma eukariota
Geni (jedinstvene strukture, single copy DNA)
 strukturni
 regulatorni
Ostalestrukture
 ponovljeni nizovi
 mobilni genetički elementi
 heterohromatin

Mobilni genetički elementi
 Nizovi nukleotida koji mogu menjati svoj položaj u genomu ili prelaziti iz
jednog u drugi genom organizama.
 Insercione sekvence
 Transpozoni
 Retroelementi
 Posledice premeštanja MGE
 Mutacije u najširem smislu (inverzije, delecije, duplikacije, translokacije)
- posledica direktnog premeštanja po genomu, ili
- indirektno, preko nehomologne rekombinacije
 Promene u funkciji i ekspresiji gena u koje ili pored kojih se ugrade.
 Povećanje veličine genoma.

Značaj MGE za evoluciju
 Mutacije koje izazivaju.
 Genetički sistem vrsta nije zatvoren (horizontalni transfer genetičke
informacije).

Multigenske familije (MGF)
 Grupe gena koji imaju homologe nizove nukleotida identične
ili slične funkcije.
 Dva osnovna tipa MGF:
- MGF sa velikim brojem identičnih gena i
- MGF sa manjim brojem članova koji nisu identični.
http://nar.oxfordjournals.org/content/24/23/4817/F1.medium.gif
(Futuyma, 2005)

 Pseudogeni su nizovi nukleotida koji su nastali duplikacijom gena,
a zatim su akumulirali mutacije, što je dovelo do gubitka funkcije.
 Koincidentna evolucija u MGF- tendencija gena unutar MGF da
evoluiraju na sličan način.

Filogenija

Filogenija
 proučava predačko-potomačke veze taksona.
 Oblast evolucione biologije koja se bavi rezultatima procesa
evolucije.

Filogenija
Filogenija u užem smislu Filogenija u širem smislu

Komparativne studije
 Vrste koje danas žive su rezultat evolucione istorije i odvajanja od
zajedničkih predaka.
 Poređenje genetičkih sistema različitih recentnih taksona pruža uvid u
njihove filogenetske veze.
Komparativne studije se baziraju na stavu da
što su vrste sličnije (morfološki ili genetički), to
su srodnije (filogenetski bliže), odnosno imaju
SKORIJEG ZAJEDNIČKOG PRETKA.

Tipovi podataka
 Morfološki podaci
 Različiti molekularno-biološki podaci (proteini ili DNK)
 Osobine ponašanja...

Osnovni princip rekonstrukcije
 Proceniti veličinu sličnosti (razlika) između taksona.
 Ove vrednosti nam služe za rekonstrukciju filogenetskih odnosa.
Osnovna pretpostavka filogenetskih studija
Stepen genetičke sličnosti odražava stepen
filogenetske srodnosti taksona.

Filogenetsko stablo
 Dijagram koji ima oblik stabla sa granama i grafički opisuje
evolucione odnose između različitih evolucionih linija.
 Evoluciona linija je niz predačko potomačkih populacija jedne
vrste ili niz predačko potomačkih taksona koji nastaju jedan iz
drugog bez grananja.

Primer ukorenjenog stabla
Primer neukorenjenog stabla

Tipovi evolucionih odnosa karaktera
 Homologni karakteri (HOMOLOGIJA) – oni karakteri koje su dva
taksona nasledila od zajedničkog pretka, manje ili više izmenjene.
 Analogni karakteri (ANALOGIJA) – oni koji kod dva taksona imaju
slične strukture i/ili funkcije, ali nisu nasleđeni od zajedničkog pretka
(nemaju isto poreklo).
 Pleziomorfni karakteri (PLEZIOMORFNOST) – oni koji nisu bitno
izmenjeni tokom evolucije, tj. to su predačka stanja karaktera.
 Apomorfni karakteri (APOMORFNOST) – oni koji su bitno izmenjeni u
odnosu na predačko stanje (izvedeni karakteri).

Tipovi evolucionih odnosa karaktera
 HOMOPLAZIJA – slične promene u različitim
evolucionim linijama koje ne odražavaju zajedničko
poreklo, već su posledica:
 konvergentne evolucije

paralelne evolucije

Paralelna evolucija
Pojava sličnih karaktera (a’) kod srodnih
vrsta (A i B), iako takvo stanje karaktera
nije prisutno kod zajedničkog pretka
(već stanje a).
Konvergentna evolucija
Nezavisna pojava sličnih karaktera (a’)
u dve ili više evolucionih linija, koje
su filogenetski jako udaljene
(nemaju skorog zajedničkog pretka).

Osnove rekonstrukcije
 U filogeniji se koriste
HOMOLOGNI KARAKTERI.
 Polarnost karaktera – određivanje njihovog statusa u filogeniji (da li
su apomorfni ili pleziomorfni).

IZBOR GENA - informativnost gena
 Konzervativniji geni su dobri za filogenije na višim taksonomskim
nivoima (geni za histone, citohrom C, itd.)
 Evoluciono varijabilniji geni su dobri za filogenije na nižim
taksonomskim nivoima (pseudogeni, VNTR, itd.)
 Selektovani ili neutralni geni???

Različite metode za rekonstrukciju filogenije
 Metod minimalne evolucije i distanci
(metod prosečnih distanci, tj. “neponderisani metod
parnih grupa sa aritmetičkim prosecima”, engl.
unweighted pair group method with arithmetic averages)
– UPGMA.
 Metod parsimonije (“ekonomičnosti”)
 Metod maksimalne verodostojnosti

Matrica parova distanci
 Za meru udaljenosti (distancu) uzimamo udeo nukleotida koji se
razlikuju među ispitanim sekvencama taksona.
D = broj različitih nukleotida/ukupan broj nukleotida
OTU = Operational Taxonomic Unit

Primer
1 ACAAACAGTT CGATCGATTT GCAGTCTGGG
2 ACAAACAGTT TCTAGCGATT GCAGTCAGGG
3 ACAGACAGTT CGATCGATTT GCAGTCTCGG
4 ACTGACAGTT CGATCGATTT GCAGTCAGAG
5 ATTGACAGTT CGATCGATTT GCAGTCAGGA

Matrica parova distanci
1 2 3 4 5
1 /
2 0.3 /
3 0.07 0.37 /
4 0.13 0.4 0.13 /
5 0.17 0.43 0.17 0.1 /
Prvi korak dendrograma
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
OTU 1
OTU 3

Nova matrica distanci
1/3 2 4 5
1/3 /
2 0.34 /
4 0.13 0.4 /
5 0.17 0.43 0.1 /
Drugi korak dendrograma
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
OTU 1
OTU 3
OTU 4
OTU 5

Nova matrica distanci
1/3 2 4/5
1/3 /
2 0.34 /
4/5 0.15 0.4 /
Treći korak dendrograma
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
OTU 1
OTU 3
OTU 4
OTU 5

Nova matrica distanci
1/3/4/5 2
1/3/4/5 /
2 0.37 /
Poslednji korak dendrograma
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
OTU
1
OTU
3
OTU
4
OTU
5
OTU
2

Radni zadatak = UPGMA