Arten der Intronen. Spliceosome Struktur des snrnp U1. Spliceosome. Vorlesung 3: Evolution des eukaryotischen Genoms 4/20/11

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1 Vorlesung 3: Evolution des eukaryotischen Genoms Struktur des eukaryotischen Gens Intronen und Exonen Genduplikation--Familien des Gens Eiweißdomänen (Protein domains) Domänen und Exonen: sind sie verwandt? Struktur & Evolution des eukaryotische Genoms Saccharomyces cerevisae -- Caenorhabditis elegans -- Drosophila melanogaster Struktur des eukaryotischen Gens Intronen und Exonen genomische DNA im Zellkern Messenger-RNA im Cytoplasma Intron Exon doppelsträngig ds DNA Transkription, Spleißen, Reifung AAAAAAAA ss mrna einzelsträngig Translation Protein einzelsträngig pre-mrna Arten der Intronen Exon intron Exon Group I selbstspleißend Group II selbstspleißend Spliceosomal Spliceosome gefordet Exon Exon RNA Exon Exon electronenmikroskopische Abbildung einzelsträngig mrna Spliceosome Spliceosome > 50 Proteine 5 kleine Kern-RNAs U1, U2, U4/U6, U5 snrnas Proteine + RNAs = RNPs (Ribonucleoproteikomplexen) RNPs binden nacheinanderfolgende premrna katalysieren das Ausschneiden des Introns Spliceosome Struktur des snrnp U1 1

2 Intronen-- nicht nur unnütze DNA! Ein Intron kann ein anderes Gen enthalten. Drosophila ADH region osp! Adh! osp (outspread wings) aberrations mapped to both sides of Adh!. Genes within genes: Adh, Adhr, 2 others within introns of osp Intronen-- nicht nur unnütze DNA! Intronen können Verstärker (Enhancer) oder andere regulatorische Elemente enthalten. zb: Das Gen lozenge bei Drosophila lozenge Protein ist ein Transkriptionsfaktor (DNA-bindendes Protein), das ein anderes Gen steuert ausgeprägte in verschiedenem Gewebe Augen Antennen Blutzellen erwachsenes Auge von Drosophila melanogaster Intron 2 unbeschädigt augenspezifische Enhancer vorhanden Intron 2 teilweise gelöscht augenspezifische Enhancer fehlen alternatives Spleißen vielfältige Transkripte und Proteine aus einem einzigen Gen Drosophila Dscam Down syndrome cell adhesion molecule verscheidene Signale für das Wachstum der Axone 38,016 Kombinationen! Duplikation der Gene Quelle der Verschiedenheit in Struktur und Wirkung der Gene Homologes Gen anzestrale Spezies α α Artbildung α abstammende Spezies 1 abstammende Spezies 2 homologe Gene -- Kopien desselben anzestralen Gens 2

3 Unterarten der homologen Gene Paralogen -- durch Genduplikation hergestellt Genduplikation durch ungleichen Überkreuzungsaustausch bei Meiosis Orthologen -- durch Artbildung hergestellt Genduplikation durch Retrotransposition AAAAAAAA Umkehrtranskription AAAAAAAAAAA TTTTTTTTTTTTT Einbau ins Genom AAAAAAAAAAA TTTTTTTTTTTTT Chromosom ds DNA Transkription, Spleißen, Reifung ss mrna ds DNA Chromosom ds DNA Retrokopie -- gereiftes Pseudogen processed pseudogene Familien des Gens wiederholte Duplikation bringt viele Kopie eines Gens hervor diese Kopien weichen schrittweise durch Anhäufung von Mutationen ab Neue Gene übernehmen neue Funktionen Beispiel Cytochrome p450 Proteine mit prosthetischer Gruppe: Heme Heme-gruppe bindet Eisen katalysierte Reaktion: Oxidation 3

4 4

5 Anzahl der Cytochromen p450 0 or 1 -- die meisten Bakterien Schleimpilze Drosophila Arabidopsis vielfältige Reaktionen Drosophila p450 chromosomale Stellen (88) Arabidopsis p450 chromosomale Stellen (256) Domänen des Proteins Einheit der Struktur und Funktion Manche Proteine enthalten viele Domänen 5

6 Cadherine Protein steckt aus der Zellmembranen heraus Länge hängt von Anzahl der cad Domäne ab verschiedene Kombinationen von Domänen bei Proteinen, die in Apoptose (programmierte Zelltod) funktionieren Domänen und Exonen: sind sie verwandt? Die Exontheorie der Gene anzestrale Gene/Proteine waren sehr klein moderne Gene sind Kombinationen von anzestralen Genen Intronen trennen ehemalige einzelne Gene voneinander ab daher haben sich Intronen früh in Evolution entwickelt Held der Früh-Intronen-Theorie -- Walter Gilbert, Harvard Univ. Alternativtheorie Spät-Introns, Intronen in Genen haben später in Evolution eingesetzt Go plot (für Pferde-Hemoglobin) Punkte: Aminosäure mit α-c Atomen in < 28-A Abstand Abschnitte liegen innerhalb 28-A Modulen Grenzregionen: vorhergesagte Lage der Intronen Introns-Early vs Introns-Late Zu viele Intronen? Keine Intronen bei Ur- Eukaryoten je mehr verschiende Spezies Informationen abgeben, desto mehr verschiedene Intronenstellen sind bekannt TPI: triose phosphate isomerase gene 1.0 Intronen pro kb kodierte Sequenz 6

7 Intronen: Früh oder Spät? Struktur & Evolution des eukaryotischem Genoms Obwohl früher akzeptierte Theorie, scheint heute Introns-Early immer weniger plausibel aber schwierig auszuschließen mehr eukaryotische Gensequenzen erforderlich! Saccharomyces cerevisiae Caenorhabditis elegans Drosophila melanogaster Vergleich von allen Proteinen: & Fadenwurm : 13 Mb, 6217 Proteine Caenorhabditis elegans (Nematoda, Fadenwurm) : 97 Mb, 19,099 Proteine viele nur vorhergesagte Proteine Alle möglichen paarweise Vergleiche. Kernfunktionen -- ~ 3,000 Proteine zentrale Lebensprozesse -- gleichartige Anzahl der Proteine bei und. orthologische Proteine-Paare für Kernfunktionen. einige Kernfunktionen haben mehr paralogische Gene beim. 7

8 andere Proteine nicht-gemeinsame Domäne Y W Vergleich is kompliziert vielfältige Domänen pro Protein vielfältige Kombinationen von Domänen deswegen nur Domänen vergleichen. nur bei nur bei gemeinsame Domäne gemeinsame Domäne einige sind etwas weniger zahlreich beim. = Y W R R = W Y adj. for genome size viele sind 3-10x mehr zahlreich beim R = W Y adj. for genome size gemeinsame Domäne einige sind wesentlich zahlreicher beim. Y W R R = W Y adj. for genome size verschiedene Strategien, verschiedene Gene einzellige adaptiert sich dynamisch an Umwelt in dem sie verschiedene Genbatterien nutzt Nährstoffsituation, Sauerstoffpartialdruck, Kreuzungstyppheromone vielzelliger -- vielfältige Zelltypen kompliziertes Entwicklungsprogramm, Zellendifferenzierung spezifische Strukturen der Genexpression Kontrolle durch Proteinen mit Regulationsdomäne, Signaldomäne Genduplikation & Domänenkopplung ermöglicht die Entwicklung der Vielzelligkeit! 8

9 Drosophila melanogaster 140 Mb 13,600 genes Drosophila melanogaster International collaboration finished 10% Venter s company Celera Genomics Celera = fast Shotgun genomic sequencing 10-fold (average) coverage now Many gaps will remain What does the sequence mean??. Sequence annotation Description of biological significance of nucleotide sequences. Sequence annotation-- Strategies Celera Annotation--Drosophila Gene detection Base frequencies e. g. Mammalian genes are GC-rich Protein coding genes GeneFinder programs Start & stop; intron/exon boundaries Organism-specific! Promoter regions Discovery by homology Similarity to known sequences. Annotation Jamboree 40 Drosophila experts, 2 weeks Genscan, Genie predictions EST data Protein databases, other organisms expert judgement --some mistakes apparent now Only 13,601 protein-coding genes C. elegans has 19,000 Arabidopsis has ~ 26,000 Adh Chromosomenbereich, D. melanogaster verher bekannt von dem ADH- Chromosomenbereich: 69 Polytänbanden, Chromosome 2L =2.9 Mb DNA-Sequenz aus P1 clones (80 kb inserts) und BAC clones (110 kb inserts) intensivste genetische Analyse aller Tiere 73 Gene mit genetischen Beweisen 65 mit mutierten Allelen 49 mit lethalen Mutanten viele chromosomale Umordnungen 86 inversions, 109 translocations, 317 deletions, 40 duplications ingesamt 658 Bruchpunkte kartiert. 9

10 ADH-Bereich: Überblick. Legende transposable element mapped gene. 325 kb copia P < BLAST P < kb. cdna, EST mrna predicted P-element insertion.... osp! Adh! osp (outspread wings) aberrations mapped to both sides of Adh!. geringe Anzahl von Genen. Genes within genes: Adh, Adhr, 2 others within introns Jump to first of page osp.. Hohe Genintensität, Kluster. Ergebnisse--ADH Bereich 218 proteinkodierte Gene 23% vorher bekannt (49) 44% korrespondiert mit ESTs 66% sind ähnlich zu anderen Organismen (BLAST). 37% haben Beweis über Funktion --BLAST 11 trnas 5 vorher bekannt 17 transponible Elemente (ein neues). 10

11 Verhältnis zu bereits analysierten Genen 73 Gene vorher bekannt mit klassichen Methoden wahrscheinlich alle möglichen Gene identifiziert 49 haben eine bekannte DNA-Sequenz 24 haben noch eine unbekannte Sequenz 218 vorhergesagte proteinkodierte Gene ~ 145 (= ) davon haben keinen sichtbaren mutierten Phenotyp Gene mit sichtbaren Phenotyp wahrscheinlich mehr bewahrt in der Evolution (mehrere BLAST-Treffer) mehr ausgeprägt im Gewebe (mehr EST-Treffer). Evolution des eukaryotischen Genoms E N D E 11

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