Lezione 7. Variazione nei tassi di sostituzione nucleotidica

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Alessandro Napolitano
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1 Lezione 7 Variazione nei tassi di sostituzione nucleotidica

2 Graur and Li: Capitolo 4 Graur: lecture 19

3 Origine comune 5 milioni di anni fa 1500 milioni di anni fa Le scale temporali sono molto diverse, ma tutti gli organismi viventi hanno un antenato comune

4 Antenato comune Le differenze tra 1 e 2 sono il risultato dei cambiamenti avvenuti sulla linea che porta al discendente 1 + quelli avvenuti sulla linea che porta al discendente 2. discendente 1 discendente 2

5 Step 1: Allineare le sequenze Parziale allineamento di sequenze proteiche di β-globina di lama (sequenza 1) e panda gigante (sequenza 2) VNLSGDEKNAVHGLWSKVKVDEVGGEALGRLLV VHLTGEEKAAVTGLWSKVNVDEVGGEALGRLLV

6 Step 2: Tradurre il numero di differenze in numero di cambiamenti Seq 1 A G C G A G Seq 2 G C G G A C Numero di cambiamenti Seq C A T G Seq 2 C 1 G

8 Tasso di sostituzione K = numero di sostituzioni (o replacements ) per sito K

9 Tasso medio di sostituzioni nucleotidiche in genomi di mammifero: ~10-9 Sostituzioni/sito/anno

10 Nell uomo:

11 Variazione nei tassi di sostituzione L evoluzione è un processo molto lento a livello molecolare Studiando di versi tipi di sequenze notiamo diversi modelli e velocità di sostituzione tra diversi tipi di nucleotidi (esempio mutazioni sinonime e non sinonime) regioni geniche geni regioni genomiche organismi

12 Variazione nei tassi di sostituzione Osservazioni empiriche: SOSTITUZIONI IN SEQUENZE CODIFICANTI Il tasso di sostituzioni SINONIME è maggiore del tasso di sostituzioni NON SINONIME

13 Sostituzioni per sito per 10 9 anni Dati ottenuti dalla comparazione fra uomo e ratto o topo utilizzando un tempo di divergenza di 80 milioni di anni. I valori sono medie aritmentiche con deviazioni standard Ki = numero di sostituzioni syn (o nonsyn) per sito syn (o nonsyn)

Gli interferoni (IFN) sono una classe di proteine prodotte dalle cellule del sistema immunitario (globuli bianchi, fibroblasti) in risposta all'attacco di agenti esterni come virus, batteri,

14 Gli interferoni (IFN) sono una classe di proteine prodotte dalle cellule del sistema immunitario (globuli bianchi, fibroblasti) in risposta all'attacco di agenti esterni come virus, batteri, parassiti e cellule tumorali. Gli interferoni appartengono alla vasta classe di glicoproteine note come citochine. La loro funzione specifica è quella di: inibire la replicazione di virus all'interno delle cellule infette; impedire la diffusione virale ad altre cellule; rafforzare l'attività delle cellule preposte alle difese immunitarie, come i linfociti T e i macrofagi; inibire la crescita di alcune cellule tumorali. Gli interferoni agiscono in questo modo: si legano alla membrana delle cellule e ne stimolano la produzione di enzimi antivirali; quando un virus attacca una cellula attivata dall'interferone, non riesce a moltiplicarsi a causa degli enzimi antivirali; si verifica quindi un arresto o un'attenuazione dell'infezione. (wikipedia) Interferone γ: K: nonsynonymous: 3.06x10-9 K: synonymous: 5.50x10-9

plasmatica; permettono una parte del trasporto interno di vescicole; i sarcomeri, le unità contrattili delle cellule muscolari sono formati da actina, oltre che da miosina ed altre proteine;

15 La singola subunità di actina non espleta direttamente una funzione, ma lo fa tramite la struttura che forma il microfilamento. Nella cellula sono presenti moltissimi microfilamenti e questi assolvono a diverse funzioni: forniscono sostegno e forma alla cellula, collegandosi con gli organelli interni e con la membrana plasmatica; permettono una parte del trasporto interno di vescicole; i sarcomeri, le unità contrattili delle cellule muscolari sono formati da actina, oltre che da miosina ed altre proteine; costituiscono la base su cui si formano le principali estroflessioni cellulari, quali microvilli, stereociglia, etc; sono coinvolti nell'adesione tra cellule e tra una cellula ed un substrato. (wikipedia) α actina: K nonsynonymous: 0.01x10-9 K: synonymous: 2.92x10-9 Actina nel citoscheletro di fibroblasti Subunità di actina in fase di polimerizzazione, in verde l ATP

16 Mutazioni nonsinonime istone H4 in uomo e grano: (a) gene e (b) proteina Mutazioni sinonime Tasso di mutazione sinonimo = 25 x non sinonimo

17 Tabella 4.1 (Graur and Li): Tasso medio di mutazioni non sinonime = sost per sito per anno Tasso medio di mutazioni sinonime = sost per sito per anno Poco variabile Molto variabile

18 Variazione nei tassi di sostituzione Osservazioni empiriche: SOSTITUZIONI IN SEQUENZE NON CODIFICANTI Le regioni CODIFICANTI evolvono più lentamente delle NON CODIFICANTI Regioni FUNZIONALI evolvono più lentamente di quelle NON FUNZIONALI

21 Divergenza tra geni - e -globine di vacca e capra e tra pseudogeni di -globina di vacca e capra Region K 5 Flanking region Untranslated region fold degenerate sites Introns Untranslated region Flanking region Pseudogenes

22 Le regioni CODIFICANTI evolvono più lentamente delle NON CODIFICANTI Tassi di sostituzione medi in diverse regioni di geni e pseudogeni

23 Le regioni FUNZIONALI evolvono più lentamente delle NON FUNZIONALI Comparazione dei tassi di sostituzione in regioni che codificano per l insulina funzionale (A e B chains), per il peptide segnale e per il peptide C che non fanno parte della proteina matura (comparazione tra geni di uomo e ratto, divergenza: 80 milioni di anni)

24 24

25 Vincoli funzionali (functional constraints) grado di intolleranza verso le mutazioni in una certa regione del genoma Il vincolo funzionale definisce l intervallo di residui alternativi accettabili senza che ne consegua una riduzione della fitness dell organismo

26 Tasso di sostituzione K = µ se la mutazione è neutrale

27 Vincoli funzionali: Modello di Kimura Supponiamo che una frazione f 0 di tutte le mutazioni sia selettivamente neutrale o vicino alla neutralità e tutto il resto sia deleterio. Si presume che le mutazioni vantaggiose avvengano solo molto raramente, in modo che la loro frequenza relativa sia pressoché zero. Se T è il numero totale di mutazioni nell unità di tempo, allora il tasso di mutazioni neutrali 0 è 0 = t f 0

28 Secondo la teoria neutrale: quindi, K = µ 0 K = µ t f 0 Il tasso di sostituzione maggiore è atteso in sequenze che non hanno funzione, dove quindi qualunque mutazione sia neutrale f 0 = 1

funzionale più di 25 milioni di anni fa quando il ratto talpa si è

29 Un esperimento evolutivo: Spalax ehrenbergi (ratto talpa del medio oriente) In Spalax, la aa-cristallina ha perso il suo ruolo funzionale più di 25 milioni di anni fa quando il ratto talpa si è adattato all ambiente sotterraneo e presumibilmente ha perso l uso degli occhi.

30 L aa-cristallina di Spalax evolve 20 volte più velocemente delle aa-crystalline degli altri roditori, come ratti, topi, criceti, gerbilli e scoiattoli. L aa-cristallina di Spalax possiede tutti i prerequisiti per una funzione normale e per una normale espressione, incluso i segnali corretti per lo splicing alternativo.? Nonostante questo L aa-cristallina di Spalax evolve più lentamente degli pseudogeni.

31 Tre possibili spiegazioni: Spiegazione 1: Il gene dell aa-cristallina potrebbe non aver perso tutte le sue funzioni legate alla visione, come la percezione del fotoperiodo e l adattamento ai cambiamenti stagionali. Evidenze che contraddicono la spiegazione 1: L occhio atrofizzato di Spalax non risponde alla luce. 31

32 Spiegazione 2: Il ratto talpa cieco ha perso le capacità visive più recentemente di 25 milioni di anni fa. Il tasso di sostituzioni nonsinonime dopo la perdita di funzione è stato sottostimato. Evidenze che contraddicono la spiegazione 2: Il gene dell aa-cristallina è ancora intatto per quello che riguarda le sue caratteristiche strutturali legate all espressione. 32

33 Spiegazione 3: Il prodotto del gene dell aa-cristallina svolge un altra funzione (non in relazione con l occhio). Evidenze a favore: 1. aa-cristallina è stata trovata in altri tessuti 2. aa-cristallina funziona anche da chaperone legando le proteine in denaturazione prevenendone l aggregazione. 3. Nel ratto talpa le regioni con aa-cristallina responsabili per l azione di chaperone sono conservate

34 Variazione nei tassi di sostituzione Aggiornamenti

39 et al. 2011

42 Nature, september 2012

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