Эпистаз в молекулярной эволюции

Evolutionary Genomics LabCentre for Genomic Regulation Barcelona,

Spain

Fyodor A. Kondrashov

x

Ideal World Breeding

x

Real World Breeding

giraffe elephant

Common ancestor

AT CG

AG

CT

Генотип

Фенотип

The meaning of life

Микро- и макроэволюциямикроэволюция

Накопление многихаллельных замещений

марколеволюция

MDGHTSKLRGMD HT K RGMDSHTVKFRG

следствие

Сложная, стокастическаянаука со сложнойразработанной теорией

Наблюдения и обобщения,практически без теории, которые базируются на основахмикроэволюции

Проверка гипотезы

Fitness

Genotype

Genotype

Wright’s Fitness Landscape

Wright, S 1931

Total sequence space

Non-epistatic fitness landscape

Epistatic fitness landscape

Основное направление исследованиях нашей лаборатории:

“Раз английский язык был достаточным для Исуса Христа, то его будет достаточно для детей Техаса”

Губернатор штата Техас в при обсуждении обязательного двуязычного образования в школах штата:

UAGAUUGA

AGCCA

GUUGA

U U AG G G U

GCUUAG

CUG U U

AA

CUAAG U

GUUU

G U G G GU U U

AAGU

CCCAUUGGUCUAG

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

Homo sapiens tRNAAsn

5’

3’

CCAGUU

GA

U U AG G G

UUAG

CUG U U

AA

CUAA

Pan troglodytes(chimpanzee) tRNAAsn

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

UAGAUUGA

AGU

GU A U

GUUU

G U G G GU U U

AAGU

CCCAUUAAUCUAG5’

3’

Acceptorstem

TYC-stem/loop

CG

GG

Kern and Kondrashov, Nat Genet 2004

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’

3’

CAUCGUGA

AGCUGA

A C A G CAUUAAC

CU

U U UAA

GUUAA AG

AAU

G G A A GUA CUA

ACCUUCCCACAAUGA

Cynocephalus variegatus(Malayan flying lemur) tRNALys

UU

AA

GCU

A

U

C

U UU

G

C

A

C

CA

AGGAAUUU

AGGUUAC

AC

C A G A C CAAGGAC

CU

U C AAA

GCCCU A

AG

CA A G U A

C AA

ACUACUU

AAUUCCUG

Ceratotherium simum (white rhinoceros) tRNATrp

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’

3’

AG

A U

A

UA

U

C

UG C

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’

3’

GAGAGAG

ACAUAGU

GG U U A U G

AUAUUGG

CU

U G AAA

CCAAU U

CCA

G A G G GU U C

GACU

CCUUCCUUUCUUA

Ursus maritimus(polar bear) tRNASer(UCN)

A

A U

C

G UA

C

GG

G

GC

UU

GG

U

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’

3’

AGAAACAU

GUCCGAU

A A C A G AG

UUACU

UU

G A UAG

AGUGA A U

AA

UA G A G G U C

AA

GCCCUCUUGUUUCUA

Spalax ehrenbergi(Ehrenberg's mole-rat) tRNAIle

U

A

AU A

A

AGC UU

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’3’

AGAAAUAU

GUCCGAC

A A A G G AAUUACU

UU

G A UAG

AGUAA A A

CA

UA G A G G

U C AC

AGCCCUCU

UAUUUCUA

Tamandua tetradactyla(southern tamandua) tRNAIle

U

AG

AU

U

U

AGC U U

A

C

CA

A

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’

3’

GUUGGGGU

GGCAG

AGUCUGG C A A

C U G UAUAAAA

CU

U A AACU

UUUA C A

CC

CA G A G G

U U

AUCCUCU

CCUCAACA

Hyperoodon ampullatus(northern bottlenose whale) tRNALeu(UUR)

CCUU

AA

AC

C

A

C

GU

U

U

U

AUUAAGGU

GACAG

AGACCG

G C A AU U G U

GUAAAA

CU

U A AGC

UUUUA U

AA

UCA G A G GU UC

AAAUCCUCU

CCUUAAUA

Tachyglossus aculeatus(Australian echidna) tRNALeu(UUR)

5’3’

G C

CC

G

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

U

AC

A

AA

C

C

G

U

U

AGCCCUGA

GGUGG

GUAC

U AA C A U

AUUGAA

UUG C A

AA

UUCAA AG

AA

G C A G CU U

CA

ACUCUGC

CGGGGCUU

Oryctolagus cuniculus(rabbit) tRNACys

5’

3’

U

UU

A

G

CC

A

Wittenhagen & Kelley Nat Struct Biol (2002) andTrends Biochem. Sci. (2003),

Molecular basis of the A3243G mt disease mutation

GUUAGGG

UGCAG

GGCCCGG U A A

C U G CGUAAAA

CU

U A AAC

CUUUA C U

AU

CA G A G GU UC

AAUUCCUCU

CCCUAACA

Canis familiaris(dog) tRNALeu(UUR)

Acceptorstem

D-stem/loop

Anticodonstem/loop

TYC-stem/loop

5’

3’

A

U C

AA

U

U

G

A

A

GA

«Функциональные белки должны быть соеденины непрерывной сетью, по которой можно пройти мутационными шагами, без прохода по нефункциональным промежуточным вариантам».

Эволюция как игра

WORD <-> WORE <-> GORE <-> GONE <->GENE

- John Maynard Smith, Nature, 1970

Матрица приспособленности

1 2 3 4 … N

A A С B A … B

C С B B A … С

D B F С F … A

… … … … … … …

Y F A F С … A

Матрица приспособленности

Позиция аминокислоты в белкеА

ми

ноки

слот

ы

1 2 3 4 5 … N

A A С B A A … B

C С B B A F … С

D B F С F B … B

E A F A B F … A

… … … … … … … …

Y F A F С B … A

Эволюция на матрице

1 2 3 4 5 … N

A A С B A B … B

C С B B A F … С

D B F A F A … B

E A F C B F … A

… … … … … … … …

Y F A F С B … A

Одна замена (эволюция) g - эпистаз

Распределение по разным белкам