Le L z e io i ne n 7 Va V r a ia i z a io i n o e n e ne n i e i ta t s a s s i s i di d i so s s o t s it i uz u io i ne e nucleotidica

Transcript

1 Lezione 7 Variazione nei tassi di sostituzione Variazione nei tassi di sostituzione nucleotidica

2 Graurand Li: Capitolo 4 Graur: lecture19

3 Origine comune 5 milioni diannifa 1500 milioni diannifa Le scale temporali sono molto diverse, ma tutti gli 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 Step1: Allineare lesequenze Parziale allineamento di sequenze proteiche di β-globina di lama(sequenza 1) e panda gigante (sequenza 2) VNLSGDEKNAVHGLWSKVKVDEVGGEALGRLLV VHLTGEEKAAVTGLWSKVNVDEVGGEALGRLLV

6 Step2: Tradurre ilnumero 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 Seq2 C 1 G

7

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 sinonimee 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 Ki= numero di sostituzioni syn(o nonsyn) per sito syn(o nonsyn)

14 Gliinterferoni(IFN) sono una classe diproteineprodotte dalle cellule delsistema immunitario(globuli bianchi,fibroblasti) in risposta all'attacco di agenti esterni comevirus,batteri,parassitiecellule 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 ilinfociti Te 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: Interferone γ: K: nonsynonymous: 3.06x10-9 K: synonymous: 5.50x10-9

15 La singola subunitàdi 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 gliorganelliinterni e con la membrana plasmatica; permettono una parte del trasporto interno di vescicole; isarcomeri, 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 Subunitàdi actina in fase di polimerizzazione, in verde l ATP

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

17 Tabella 4.1 (Graur and Li): Tasso mediodimutazioninon sinonime= 0.74 ± sostper sitoper anno Tasso mediodimutazionisinonime= 3.51 ± sostper sitoper 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

19

20

21 Divergenzatrageni β-e γ-globinedivaccae caprae tra pseudogenidi β-globinadivaccae capra Region K 5 Flanking region 5.3 ± Untranslated region 4.0 ± fold degenerate sites 8.6 ± 2.5 Introns 8.1 ± Untranslated region 8.8 ± Flanking region 8.0 ± 1.5 Pseudogenes 9.1 ± 0.9

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 mutazioneè 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 µ T è il numero totale di mutazioni nell unità di tempo, allora il tasso di mutazioni neutrali µ 0 è µ 0 = µ 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

29 Un esperimento evolutivo: Spalaxehrenbergi (ratto talpa del medio oriente) In Spalax, la αa-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 αa-cristallinadi Spalaxevolve 20 volte più velocementedelle αa-crystallinedegli altri roditori, come ratti, topi, criceti, gerbilli e scoiattoli. L αa-cristallinadi Spalaxpossiede tutti i prerequisiti per una funzione normalee per una normale espressione, incluso i segnali corretti per lo splicing alternativo.? Nonostante questo L αa-cristallinadi Spalaxevolve più lentamente degli pseudogeni.

31 Tre possibili spiegazioni: Spiegazione 1: Il gene dell αa-cristallinapotrebbe 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 Spalaxnon 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 nonsinonimedopo la perdita di funzione è stato sottostimato. Evidenze che contraddicono la spiegazione 2: Il gene dell αa-cristallinaè α ancora intatto per quello che riguarda le sue caratteristiche strutturali legate all espressione. 32

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

34 Variazione nei tassi di sostituzione Aggiornamenti

35

36

37

38

39