Lezione 13
Il genoma degli organelli
• Lynch: The origins of Genome Architecture
Capitolo 11
Endosimbiosi
Eubatterio
→
Una linea eucariote →
internalizzazione
in eucariote
internalizzazione
di cianobatterio precursore
di cloroplasti
→ diversificazione degli
eucarioti
Ospite
Dimensioni
Endosimbionte
In accrescimento Verso la miniaturizzazione (in animali)
Migrazione di geni nel genoma del nucleo
Cambiamenti nel codice genetico
Introni
Maturazione con Self-splicing introns in alcune linee
spliceosomi
Evoluti in modo molto diverso in piante ed
animali
Mitocondri
cloroplasti
Genomi leggeri ed efficienti
Genomi ricchi di DNA non
codificante
Alto tasso di mutazione
Basso tasso di mutazione
Mitocondri: formazione e stabilizzazione
Il progenitore comune di tutti gli eucarioti conteneva organelli simili a mitocondri
• Più o meno tutti gli eucarioti esistenti hanno mitocondri
•Quelli che non li hanno più mostrano i segni di una precedente presenza
Moderne analisi filogenetiche suggeriscono l’origine da -proteobatteri
Evento molto antico → molte speculazioni sui possibili vantaggi
Per forza vantaggi selettivi? No, potrebbe essere stato, ad esempio, questo ordine di eventi:
Endosimbiosi → acquisizione di un gene nucleare → l’endosimbionte diventa necessario
da parte dell’endosimbionte
Mitocondri: formazione e stabilizzazione
Proposte spiegazioni “adattative”
Acquisizione di energia
Oxygen scavenging (protezione da
eventuali danni ossidativi)
O2
O2 O
ATP
2
OrgCarbon O
O2
O2
2
O2
Problema: trasporto dell’ATP all’esterno?
Acquisizione di idrogeno. Primo ospite:
metanogeno che ottiene H come scarto
dell’endosimbionte dalla
fermentazione di substrati organici
H
OC
Produzione di ATP insorta successivamente
Acquisizione di fotosintati: il
progenitore dei mt sarebbe stato
autotrofo (batterio rosso) fotosintetico
in anaerobiosi
OC
CO2
I pochi eucarioti senza mitocondri hanno degli Ipotesi: evoluzione mt in primitiva anaerobiosi.
idrogenosomi (processamento anaerobico del Poi si alza l’O2 e si rilassa la selezione→ perdita
fotosintesi
glucosio = CO2, H, acetato, un po’ di ATP)
Mitocondri: formazione e stabilizzazione
Comunque sia andata…un punto chiave nella stabilizzazione del mt nella cellula
ospite è stato il trasferimento di geni al genoma nucleare
Fase iniziale di duplicazione genica!
I dati suggeriscono una migrazione massiccia e antica di geni
Esempi:
Lievito: 850 prodotti di geni nucleari sono importati come proteine nel mt
Invertebrati: circa 2000
Vertebrati: circa 4000
Non tutti, ma molti di questi geni hanno avuto origine da trasferimenti di geni
mt → nucleo
Mitocondri: formazione e stabilizzazione
Barriere da superare:
1.
2.
3.
Il gene deve essere trasferito intero
Deve trovarsi affiancato da siti di legame per fattori di trascrizione
La proteina prodotta deve poter essere destinata all’mt
Per risolvere il 3: sequenze all’N terminale di localizzazione mt
+
Tendenza alla traduzione di questi geni su ribosomi localizzati sulla membrana mt
invece che nel citoplasma
IMPORTANTE: la coevoluzione è testimoniata anche dal fatto che il 15% delle proteine
codificate dal nucleo e destinate all’mt ha origine nucleare e non ha omologie in
procarioti
Origine dei cloroplasti
Antenato comune dei vegetali → colonizzato da un cianobatterio → plastidi
20% geni di piante terrestri di origine plastidiale
1000-4000 proteine prodotte nel nucleo dirette al cloroplasto
Mentre i mitocondri vengono ereditati verticalmente, i plastidi si sono diffusi nel
mondo vegetale grazie a numerosi trasferimenti orizzontali
Contenuto genomico ed organizzazione
L’espansione del genoma degli organelli è solo debolmente associata con l’aumento
del numero di geni , come nel genoma nucleare
Contenuto genomico ed organizzazione
Ma non c’è relazione
Dimensioni genoma mt – dimensioni genoma ospite
Esempio
mt animali miniaturizzati non si spiega solo con l’aumento
mt piante gonfiati
di complessità degli ospiti
Genoma mitocondri animali
Genoma mitocondri piante
Dimensioni: 14-20 Kb
180-1600 kb
13 geni codificanti proteine
29-59 geni codificanti proteine
22 geni per tRNA
Set completo di tRNA
2 geni per rRNA
Set completo di rRNA
90-95% codificante
>90% non codificante
Geni parzialmente sovrapposti
No introni (poche eccezioni)
20-30 introni (gruppo I e II)
Ambiente genetico popolazionistico
All’aumentare delle dimensioni degli organismi tende a diminuire la dimensione
effettiva
Questo modello non si estende agli organelli: perché?
Influenza dell’ambiente genetico popolazionistico
sull’evoluzione del genoma:
(Ne µ)
Relationship between mutation rate, drift and diversity
diversity
Greater effective
population size
(less drift)
drift
Re-establish
mutation/drift
equilibrium
drift
Lower mutation
rate
drift
higher
diversity
drift
Re-establish
mutation/drift
equilibrium
lower
diversity
drift
Ambiente genetico popolazionistico
Mutazione
Elevati tassi di mutazione nei mitocondri sono dovuti a
-generazione di radicali liberi dell’ossigeno da metabolismo respiratorio
-frequenti replicazione del DNA: maggior numero di potenziali mutazioni
-più copie genomiche: se c’è mutazione si può avere conversione genica
DNA pol (codificata dal nucleo) ha un tasso di errore molte volte inferiore a
quella del nucleo, ma non ci sono proteine che riparano il DNA
Vertebrati
Tasso mt 19x nucleare
Invertebrati
Tasso mt 8x nucleare
Piante: tassi di mutazione
molto bassi!
Ambiente genetico popolazionistico
Ricombinazione
Eteroplasmia: presenza nella stessa cellula di mtDNA di diversa
origine (originati da mutazione o da rari casi di passaggio di mt
paterni)
Si osserva sperimentalmente che l’eteroplasmia diventa
omoplasmia in poche generazioni (distruzione molecole diverse?
Differenti tassi riproduttivi?)
Poche chances per la ricombinazione (sebbene queste molecole
siano in grado di ricombinare, si vede in cellule somatiche)
Dimensione effettiva influenzata solo dal tipo principale di molecola
Nei funghi l’ereditarietà è biparentale e la ricombinazione avviene
Ambiente genetico popolazionistico
Dimensione effettiva
In genere si considera 1/4 di quella degli autosomi nucleari
ogni coppia ha 4 copie di geni nucleari
3 copie di cromosoma X
1 copia di Y e 2 copie di mtDNA di cui
UNA SOLA EREDITATA
autosomi
autosomi
La regola 1:4 vale se c’è uguale sex ratio e se la
selezione opera nello stesso modo sul nucleo e
sul mt…
Esiste variabilità in diversi taxa e la regola 1:4
non viene sempre rispettata
Pressione mutazionale e diversificazione
s numero medio di differenze per sito fra due sequenze prese a caso in una specie (o
popolazione, o gruppo di individui)
s = 2Ne
Piante: s un ordine di grandezza inferiore:
Risultato della depressione del tasso di
mutazione negli organelli vegetali
Stesso s in invertebrati e vertebrati *
Invertebrati
vertebrati
↓
Ne
↓Ne
*da confrontare con la review alla fine della lezione
La cremagliera di Muller e il mitocondrio
Ipotesi pensata per spiegare il vantaggio della riproduzione sessuale:
In organismi asessuali le mutazioni si accumulano in maniera irreversibile (o reversibile
solo in caso di retromutazioni)
AABB
AaBB
AABb
Aa
AAbB
AABB
AABB
AaBB
Bb
AABb
AaBb
AaBB AABB
Più o meno irreversibile declino nella fitness
AaBb
La cremagliera di Muller e il mitocondrio
Come evitare la cremagliera?
Alto tasso riproduttivo anche durante la vita della cellula
↓
Alta variabilità genetica
↓
Possibilità per la selezione di scegliere le varianti migliori
Tuttavia si nota un accumulo di varianti deleterie:
-patologie umane dovute a varianti attorno al 5% di frequenza
-Comparazione tra geni presenti nel nucleo e negli organelli (es tRNA e rRNA) mostrano
alta conservazione nel primo caso e accumulo di mutazioni nel secondo alcune delle
quali abbassano l’efficienza (vedi tRNA bovino per Phe e Ser)
-Calcoli appropriati dimostrano come non sia una minore pressione selettiva, ma la
combinazione di una potenziale pressione selettiva come quella nucleare unita a
dimensioni effettive minori a decretare la minore efficienza della selezione
-Infine…la selezione è efficace solo se agisce sulle femmine
Germ-line and somatic mtDNA mutations are hypothesized to act together to shape our
history and our health.
Germ-line mtDNA mutations: a variety of degenerative diseases.
tRNAc' mutation at nucleotide pair (np) 4336 has been observed in 5% of Alzheimer
disease and Parkinson disease patients and may contribute to the multifactorial
etiology of these diseases.
MTND6 at np 14459 whose clinical presentations range from adult-onset blindness to
pediatric dystonia and basal ganglial degeneration.
To the inherited mutations are added somatic mtDNA mutations which accumulate in
random arrays within stable'tissues. These mutations provide a molecular clock that
measures our age and may cause a progressive decline in tissue energy output that
could precipitate the onset of degenerative diseases in individuals harboring inherited
deleterious mutations.
Rosenblum lecture 10
Rosenblum lecture 10
Rosenblum lecture 10
Rosenblum lecture 10
Rosenblum lecture 10
Rosenblum lecture 10
Bazin et al. (2006, Science): lista di
mtDNA animali
Deriva genetica
Dimensioni popolazione
Variabilità genetica
Variabilità genetica
Variabilità genetica
Variabilità genetica
Predizioni della teoria neutrale:
Selective sweep
Dimensioni popolazione
Dimensioni popolazione
Bazin conclude che il mancato
aumento di variabilità nelle
popolazioni grandi sia il
risultato di selezione
Variabilità genetica
Bazin et al. (2006, Science): lista di
mtDNA animali
Dimensioni popolazione
Bazin conclude che il mancato
aumento di variabilità nelle
popolazioni grandi sia il
risultato di selezione
Se questo è vero (draft elimina
l’effetto della dimensione della
popolazione)
↓
Cerchiamo segnali di selezione
positiva in popolazioni con
dimensioni effettive grandi!
Invertebrati: grandi dimensioni effettive
Vertebrati: piccole dimensioni effettive
Test:
Ka/Ks:
In generale < 1 indicando selezione purificante
MA
Riduzione del polimorfismo
per genetic draft
Selezione positiva
Invertebrati > vertebrati = più fissazioni aminoacidiche
Rilassamento selettivo
McDonald-Kreitman
Stesse conclusioni: selezione
positiva più accentuata in
specie con grandi Ne
Non tutti trovano questi risultati:
Paland and Lynch confrontano Daphnie sessuali ed asessuali. La asessualità comporta
↓Ne ↓ efficienza della selezione
Nelle popolazioni asessuali si trova ↑ Ka/Ks: se qui dove la selezione è rilassata c’è un
maggiore tasso di mutazioni aminoacidiche queste devono essere deleterie per la
maggioranza (non è indice adattativo!)
Perché Bazin trova il contrario?
1. Forse gli studi precedenti non includevano sufficienti ed equilibrati campioni
2. Forse c’è un problema di indice di neutralità scelto per l’analisi e di geni analizzati
Positive selection
Se y=0 (sequenze molto
conservate) NI = 0
Tolti dai box gli esempi in cui
NI = 0 (e-h prodotti possibili di
piccole Ne o selezione purificante)
si perde il segnale di selezione
positiva
