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Lezione 11
Duplicazione genica ed espansione del genoma
• Lynch Capitolo 9
• Grauer and Li Capitolo 6
1. Duplicazione intragenica 2. Duplicazione completa di un gene 3. Parziale duplicazione cromosomica (polisomia paraziale) 4. Duplicazione cromosomica completa (polisomia) 5. Duplicazione genomica (poliploidia)
Modalità di duplicazione genica
L’effetto deleterio dipende dalle modalità di riproduzione
comune Poliploidia
Quasi sempre deleterio. comune Polisomia
Quasi sempre deleterio. raro Polisomia parziale
Deleterio solo in organismi in cui il genoma è replicato come
un’unica molecola.
frequente Intero gene
Deleterio se cambia il reading frame.
Molto frequente
Parte di un gene
Effetto sulla Fitness Frequenza Regioni interessate dalla duplicazione
Equal & Unequal Crossing Over
Domini
Dominio funzionale: una regione specifica in una proteina che svolge una funzione specifica. Esempio: dominio di legame del substrato Dominio strutturale o modulo: una regione ben definita in una proteina che costituisce un’unità strutturale stabile e compatta che può essere distinta da tutte le altre unità.
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Definire i confini di un dominio funzionale spesso non è semplice perchè la funzionalità in molti casi è a carico di residui aminoacidici che sono sparsi lungo il polipeptide
Dominio funzionale
Cytochrome P450 2D6
Moduli strutturali sono colineari con la sequenza aminoacidica di una proteina, quindi un modulo consiste di una sequenza continua di aminoacidi
Dominio strutturale o modulo
Se la funzionalità è a carico di un modulo una duplicazione aumenterà il numero di segmenti funzionali. Se la funzionalità è a carico di residui aminoacidici distribuiti in diversi moduli una duplicazione potrebbe non essere efficace dal punto di vista funzionale
Possibili relazioni tra esoni di un gene e domini strutturali della proteina codificata
a e b: tipici di molte proteine globulari c: molto comune d ed e: molto rari
Intron sliding
Intron loss
Intron acquisition
Globine dei vertebrati: 4 domini 3 esoni Uno stesso esone può codificare più di un dominio: in questo caso l’esone 3 codifica per i due domini centrali
Perdita di introni durante l’evoluzione dei geni delle globine Il gene ancestrale aveva 4 esoni e 3 introni (il numero nel cerchio corrisponde all’introne perso)
Struttura ancestrale
Ricostruzione dell’evoluzione di un dominio dinucleotide-binding della gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi
Duplicazione di domini
immunoglobuline
Possibile origine: duplicazione interna al gene ancestrale Funzione attuale molto diversa
Duplicazione di domini
Ogni dominio: 2 esoni e un introne Duplicazione da un iniziale dominio codificato da due esoni
Il gene ovomucoide L’ovomucoide è un inibitore della tripsina, un enzima che catalizza la digestione delle proteine. Si trova nell’albume dell’uovo degli uccelli. Il polipeptide può essere diviso in 3 domini, ognuno dei quali può legare una molecola di tripsina o un’altra serin proteasi
E1 E2 E3 E4 E5 E6
Ensembl:ENSGALG00000003512
Duplicazione di domini
E1 E2 E1 E2 E5 E6
(E1+E2) dup
(E1+E2) dup
Similarità: AA nt Dominio I e II: 46% 66% Dominio I e III: 33% 42% Dominio II e III: 30% 50%
Geni antigelo nei pesci I fluidi dei teleostei ghiacciano da -1.0 a -0.7 °C Oceano Antartico: -1.9 °C Nel sangue dei pesci antartici c’è una proteina che inibisce la crescita dei cristalli di ghiaccio nei fluidi corporei Una di queste proteine deriva dall’acquisizione di funzione a seguito di una duplicazione interna al gene Ogni gene della famiglia codifica per un precursore (grossa poliproteina) →Traduzione → taglio enzimatico e produzione di numerose glicoproteine Abbassamento della temperatura dell’Oceano Antartico: 10-14 milioni di anni fa Comparsa del gene antigelo: 5-14 milioni di anni fa E’ possibile ricostruirne l’evoluzione perché è relativamente recente
Duplicazione di domini
Geni antigelo nei pesci: probabile evoluzione (molti cambiamenti e funzione completamente nuova in un breve tempo: pressione selettiva)
Da un gene con 6 esoni Delezione ed ‘esonizzazione’ di 5 nucleotidi intronici (sottolineati): nuovo gene con 2 esoni 4x Duplicazione di Thr-Ala-Ala Aggiunta di uno spaziatore (parte grigia) Ripetizioni interne = 41 repeats
Duplicazione genica
Destino dei geni duplicati: 1. Tutte le copie mantengono la stessa funzione. 2. Alcune copie scompaiono. 3. Alcune copie evolvono con una nuova funzione.
X
Numbers of rRNA and tRNA genes per haploid genome in various organisms __________________________________________________________________________ Genome Source Number of Number of Approximate rRNA sets tRNA genesa genome size (bp) __________________________________________________________________________ Human mitochondrion 1 22 2 104 Nicotiana tabacum chloroplast 2 37 2 105 Escherichia coli 7 ~ 100 4 106 Neurospora crassa ~ 100 ~ 2,600 2 107 Saccharomyces cerevisiae ~ 140 ~ 360 5 107 Caenorhabditis elegans ~ 55 ~ 300 8 107 Tetrahymena thermophila 1 ~ 800c 2 108 Drosophila melanogaster 120-240 590-900 2 108 Physarum polycephalum 80-280 ~ 1,050 5 108 Euglena gracilis 800-1,000 ~ 740 2 109 Human ~ 300 ~ 1,300 3 109 Rattus norvegicus 150-170 ~ 6,500 3 109 Xenopus laevis 500-760 6,500-7,800 8 109 __________________________________________________________________________
Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
Tutte le copie sono molto simili: selezione purificante o evoluzione concertata?
Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
Opsina λ (nm) Stimolata dalla luce cromosoma
Rossa 560 Rossa Gialla Bianca X
Verde 530 Gialla Bianca X
Blu 430 Blu Bianca autosoma
96% identità aminoacidi 43%
Opsine
500 MYA
Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
1 autosomico 1 X-linked polimorfico!
New world monkeys (NWM) Old world monkeys (OWM)
Autos X X
25-35 milioni di anni fa
Dopo 25-35 milioni di anni fa
Nelle NWM c’è polimorfismo (più alleli con sensibilità diverse alla luce) per il gene sull’X Solo le femmine eterozigote possono essere tricromiche, i maschi sono sempre dicromici
Nelle OWM la tricromia è possibile in entrambi i sessi grazie alla duplicazione dei geni sull’X
Duplicazione genica: Tutte le copie mantengono la stessa funzione
Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie
Ci sono ~7000 malattie genetiche documentate in letteratura che testimoniano come una mutazione possa distruggere la funzione di un gene che codifica per una proteina. PERO’: “As long as there are other copies of a gene that function normally, a duplicate gene may accumulate deleterious mutations and become nonfunctional without adversely affecting the fitness of the organism.” J. B. S. Haldane (1933) “Because deleterious mutations occur far more often than advantageous ones, a redundant duplicate gene is more likely to become nonfunctional than to evolve into a new gene.”
Susumu Ohno (1972)
Unitari
Pseudogeni
Processati Non processati
(duplicated)
Molto rari Molto comuni Comuni
Perdita di funzione per silenziamento di un gene post-duplicazione
L’unica copia rimasta è uno pseudogene
Geni retrotrasposti (es. LINE e SINE)
Ipoascorbemia o scrobuto = incapacità di sintetisi dell’acido ascorbico Cavie Uomo si ammalano di scorbuto se non assumo acido ascorbico (vitamina C) Trote
Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie Pseudogeni unitari
Come si può fissare in una popolazione la perdita di un gene? Per deriva se la selezione è rilassata
X
Lo pseudogene non ha una controparte funzionante: pseudogene unitario Mutazioni diverse in uomo e cavia: perdita di funzione in momenti diversi
Duplicazione genica: perdita di funzione di una delle copie Pseudogeni non processati
Molti esempi nelle globine
Polyadenilation signal
700 600 500 400 300 200 100 milioni di anni
Evoluzione delle globine
Leghemoglobina (piante)
Globina singola (lamprede) o globina ancestrale (mioglobina)
Fusione di esoni
geni uniti (Xenopus)
Duplicazione e divergenza
Separazione di geni
Clusters separati (Mammiferi e uccelli)
Espansione del cluster
Prima dell’emergenza degli anellidi
Muscolare Globulare Monomerica
Hb: trasporto O2 nel sangue, tetramerica
Duplicazione genica
Divergenza tra tipi adulti e non
Storia evolutiva dei geni delle globine umane
Nell’uomo
Meccanismi alla base dell’evoluzione concertata: conversione genica
Meccanismi alla base dell’evoluzione concertata: crossing over ineguale
Evoluzione concertatata