Lezione 13. Il genoma degli organelli

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1 Lezione 13 Il genoma degli organelli

2 Lynch: The origins of Genome Architecture Capitolo 11

3 Endosimbiosi Eubatterio internalizzazione diversificazione degli in eucariote eucarioti Una linea eucariote internalizzazione di cianobatterio precursore di cloroplasti

4 Ospite Endosimbionte Dimensioni In accrescimento Verso la miniaturizzazione (in animali) Introni Maturazione con spliceosomi Migrazione di geni nel genoma del nucleo Cambiamenti nel codice genetico Self-splicing introns in alcune linee Evoluti in modo molto diverso in piante ed animali Mitocondri Genomi leggeri ed efficienti Alto tasso di mutazione cloroplasti Genomi ricchi di DNA non codificante Basso tasso di mutazione

5 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

6 Mitocondri: formazione e stabilizzazione Proposte spiegazioni adattative Acquisizione di energia Oxygen scavenging (protezione da eventuali danni ossidativi) ATP OrgCarbon O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 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 I pochi eucarioti senza mitocondri hanno degli idrogenosomi (processamento anaerobico del glucosio = CO2, H, acetato, un po di ATP) Produzione di ATP insorta successivamente Acquisizione di fotosintati: il progenitore dei mt sarebbe stato autotrofo (batterio rosso) fotosintetico in anaerobiosi OC CO 2 Ipotesi: evoluzione mt in primitiva anaerobiosi. Poi si alza l O 2 e si rilassa la selezione perdita fotosintesi

7 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

8 Mitocondri: formazione e stabilizzazione Barriere da superare: 1. Il gene deve essere trasferito intero 2. Deve trovarsi affiancato da siti di legame per fattori di trascrizione 3. 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

9 Origine dei cloroplasti Antenato comune dei vegetali colonizzato da un cianobatterio plastidi 20% geni di piante terrestri di origine plastidiale 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

10 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

11 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: Kb kb 13 geni codificanti proteine 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) introni (gruppo I e II)

12 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)

13 Relationship between mutation rate, drift and diversity Greater effective population size (less drift) diversity drift Lower mutation rate drift Re-establish mutation/drift equilibrium drift Re-establish mutation/drift equilibrium higher diversity drift drift lower diversity

14 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

15 Vertebrati Tasso mt 19x nucleare Invertebrati Tasso mt 8x nucleare Piante: tassi di mutazione molto bassi!

16 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

17 Ambiente genetico popolazionistico Dimensione effettiva In genere si considera 1/4 di quella degli autosomi nucleari autosomi 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 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

18 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 = 2N e Piante: s un ordine di grandezza inferiore: Risultato della depressione del tasso di mutazione negli organelli vegetali Stesso s in invertebrati e vertebrati * Invertebrati Ne vertebrati Ne *da confrontare con la review alla fine della lezione

19 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) A a AABB AaBB AABb AAbB AABB B b AABB AABb AaBB AaBb AaBb AaBB AABB Più o meno irreversibile declino nella fitness

20 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

21 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 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.

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24 Rosenblum lecture 10

30 Variabilità genetica Variabilità genetica Variabilità genetica Variabilità genetica Predizioni della teoria neutrale: Bazin et al. (2006, Science): lista di mtdna animali Dimensioni popolazione Deriva genetica Dimensioni popolazione Selective sweep Bazin conclude che il mancato aumento di variabilità nelle popolazioni grandi sia il risultato di selezione Dimensioni popolazione

31 Variabilità genetica Bazin et al. (2006, Science): lista di mtdna animali Dimensioni popolazione Se questo è vero (draft elimina l effetto della dimensione della popolazione) Cerchiamo segnali di selezione positiva in popolazioni con dimensioni effettive grandi! Bazin conclude che il mancato aumento di variabilità nelle popolazioni grandi sia il risultato di selezione

32 Invertebrati: grandi dimensioni effettive Vertebrati: piccole dimensioni effettive Test: Ka/Ks: In generale < 1 indicando selezione purificante MA Invertebrati > vertebrati = più fissazioni aminoacidiche McDonald-Kreitman Riduzione del polimorfismo per genetic draft Selezione positiva Rilassamento selettivo Stesse conclusioni: selezione positiva più accentuata in specie con grandi Ne

33 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

34 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

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