Die Evolution. Molekularer Netzwerke. Sarah A. Teichmann

Transkript

1 Die Evolution Molekularer Netzwerke Sarah A. Teichmann

2 Embryonale Entwicklung des Seeigels (Strongylocentrotus purpuratus)

3 Systembiologie: Biologen als molekulare Ingenieure

4 Schaltkreise der embryonalen Entwicklung

5 Wie haben sich komplexe Netzwerke entwickelt in der Evolution?

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7 Evolutionsvorgaenge in der DNA 1. Mutation: Divergenz oder Konservierung der Sequenz 2. Duplikation: Kopieren der Gene 3. Genfusion: Zusammenfuegen von 2 Genen

8 Das zentrale Dogma der Molekularbiologie DNA RNA PROTEIN

9 Das zentrale Dogma der Molekularbiologie DNA RNA PROTEIN

10 Das Innenleben einer Zelle McGuffee & Elcock, PLoS Comp Biol, 2010

11 Netzwerke in der Biologie Netzwerk Proteinbindung Metabolite Genexpression Transcriptionsfaktor Targetgen Knoten Proteine Kleine Molekuele Kanten Direkte Bindung Enzymatische Katalyse Genregulation Interaktion Protein-Protein Protein-Metabolite Protein-DNA A A A A B B B B

12 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution im Periodensystem der Proteinkomplexe

13 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution im Periodensystem der Proteinkomplexe

14 Organisation des Netzwerks der Genregulation Transkriptionsfaktor SIM MIM Targetgen FFL Basismodul Motive Transkriptionsregulationsnetzwerk Babu et al. (2004) Curr. Op. Struc. Biol, 14,

15 Evolutionsvorgaenge in der DNA 1. Mutation: Divergenz oder Konservierung der Sequenz 2. Duplikation: Kopieren der Gene 3. Genfusion: Zusammenfuegen von 2 Genen

16 Duplikation des Basismoduls und Vererbung der Interaktion Basismodul Duplikation des Duplikation des Transkriptionsfaktors Targetgens

17 Beispiel: Transkriptionsfaktorduplikation im Hefegenom PDR1 PDR3 FLR1

18 Wie haufig treten Transkriptionsfaktorduplikationen auf? E. coli 128 Interaktionen aus 1233 insgesamt ~ 10% Hefe 188 Interaktionen aus 851 insgesamt ~ 22%

19 Beispiel: Targetgenduplikation in E. coli BirA BioA BioF Duplication of target gene

20 Wie haufig treten Targetgenduplikationen auf? E. coli 272 Interaktionen aus 1233 insges. ~ 22% Hefe 166 Interaktionen aus 851 insges. ~ 20%

21 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? MIM Genduplikation als Motor der Evolution Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution im Periodensystem der Proteinkomplexe

22 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? Wie entwickeln sich Proteinkomplexe?

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24 Das Innenleben einer Zelle McGuffee & Elcock, PLoS Comp Biol, 2010

25 Two types of protein complexes Homomers Caspase-9 Apoptosis Heteromers

26 Two types of protein complexes Homomers Caspase-9 Apoptosis Heteromers

27 20,000+ complexes 3Dcomplex.org

28 Levy, E.D. et al. (2006) PLoS Comp Biol., 2, e155. Molecular Narcissism: 2/3 of proteins form homomers

29 Symmetrie Reflektion Rotation

30 Evolution der Symmetrie

31 Evolutionsvorgaenge in der DNA 1. Mutation: Divergenz oder Konservierung der Sequenz 2. Duplikation: Kopieren der Gene 3. Genfusion: Zusammenfuegen von 2 Genen

32 Konserviertheit oder Divergenz der Strukturen?

33 Konserviertheit oder Divergenz der Strukturen?

34 Evolutionspfad: Monomer-Dimer-Tetramer

35 Warum diese Wege? Unnuetzes Evolutionsrelikt?

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39 Levy, E.D., Erba, E.B., Robinson, C.V. & Teichmann, S.A. (2008). Nature, 453, Proteinkomplexe: Assemblierungsweg spiegelt die Evolution wider

40 Two types of protein complexes Homomers Caspase-9 Apoptosis Heteromers

41 Joe Marsh The order of assembly is important Random assembly Ordered assembly

42 Joe Marsh The order of assembly is important Random assembly Ordered assembly

43 Evolutionsvorgaenge in der DNA 1. Mutation: Divergenz oder Konservierung der Sequenz 2. Duplikation: Kopieren der Gene 3. Genfusion: Zusammenfuegen von 2 Genen

44 a Probing assembly conservation: b Gene fusion and fission Klebsiella aerogenes G B A '!"#$%& Helicobacter mustelae B A!"#$%&' c Canavalia ensiformis A Marsh, J., Hernandez, H., Hall, Z., Ahnert, S., Perica, T., Robinson, C.V., Teichmann, S.A. (2013) Cell, 153,

45 Probing assembly conservation with gene fusion events

46 Probing assembly conservation with gene fusion events

47 Probing assembly conservation with gene fusion events

48 Probing assembly conservation with gene fusion events

49 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution widerspiegelt Assemblierungsweg

50 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution im Periodensystem der Proteinkomplexe

51 20,000+ complexes 3Dcomplex.org

52 Klassifizierung der Proteinkomplexe 20,000+ Komplexe

53 KODIERUNG DES ASSEMBLIERUNGSWEGS

54 Equal numbers of self-assembly building blocks

55 Periodensystem der Proteinkomplexe Wiederholung Proteinspezies

56 Periodensystem der Proteinkomplexe Wiederholung Proteinspezies Ca 130 Topologien

57 Periodensystem der Elemente

58 Periodensystem der Proteinkomplexe Wiederholung Proteinspezies??????

59 Top 5 noch nicht bekannte Topologien 2 Proteinspezies, 8-16 Einheiten insgesamt

60 Periodensystem der Proteinkomplexe Wiederholung Proteinspezies

61 Unterschiedliche Topologien: Bakterien vs Eukaryonten

62 Unterschiedliche Topologien je nach Genom

63 Wie haben sich komplexe Netzwerke entwickelt in der Evolution?

64 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution im Periodensystem der Proteinkomplexe Repetition bei Prokaryoten vs Eukaryoten

65 Fragen Wie entwickelt sich ein regulatorisches Netzwerk? MIM Genduplikation als Motor Wie entwickeln sich Proteinkomplexe? Evolution = Assemblierungsweg Evolution im Periodensystem der Proteinkomplexe Repetition bei Prokaryoten

66 Vielen Dank an: (Ehem.) Gruppenmitglieder: Zusammenarbeit mit anderen Gruppen: Madan Babu Emmanuel Levy Jose Leal Cyrus Chothia Carol Robinson Sebastian Ahnert Joseph Marsh Andrew Deonarine