Mecanismos de aparición de genes - Duplicación de dominios y alargamientos de genes. - Exon-shuffling - Genes quimera - Duplicación génica - Duplicación cromosómica - Duplicación genómica Introducción Casi todos los genes pueden ser considerados una duplicación o quimera de genes más antiguos, y el origen de los nuevos genes tiene que haber sido importante en la adaptación. Se ha demostrado estudiando los genes “jóvenes” que las duplicaciones génicas son un enlace entre nuevas características biológicas y la evolución de las funciones de nuevas proteínas. Lynch and Conery (2000) comentan que las duplicaciones no solo son frecuentes, sino que contribuyen de forma importante a la especiación y a las diferencias a nivel de especie. Los resultados del proyecto del Genoma Humano han revelado que las duplicaciones segmentales son mucho más abundantes de lo esperado. El CNV tiene mucho peso en cuanto a variación intraespecífica en la especie humana. Además los eventos de duplicación genómica no son raros. Se cree que el genoma de levadura se duplicó entero hace unos 100 millones de años. Tema 2 • Evolución del tamaño de los genes • Contenido – Introducción: mecanismos de amplificación y de aparición de nuevos genes – Duplicación Parcial de Genes – Barajamiento de exones/dominios (exon-shuffling) – Genes quimera TASA METABOLICA TAMAÑO CORPORAL COMPLEJIDAD ORGANISMICA TAMAÑO CELULAR TASA DE DESARROLLO DIVISIÓN CELULAR TAMAÑO DEL GENOMA DUPLICACIONES MUTACIONES CROMOSOMICAS INSERCIONES DELECIONES ELEMENTOS TRANSPONIBLES OTROS MECANISMOS MOLECULARES El ADN en la escala evolutiva Los análisis permiten afirmar que en general a medida que se incrementa la complejidad funcional y estructural de los seres vivos se incrementa su contenido de ADN, habiendo excepciones a la regla Especie con menor contenido en ADN de cada grupo taxonómico Variación de la cantidad de ADN (pb) en diferentes grupos de especies Grupo Taxonómico Especie Valor C (pb) Algas Pyrenomas salina 6,6 x 105 Mycoplasma Mycoplasma pneumoniae 1,0 x 106 Bacterias Escherichia coli 4,2 x 106 Levaduras Saccharonyces cerevisiae 1,3 x 107 Hongos D. discoideum 5,4 x 107 Nematodos Caenorhabditis elegans 8,0 x 107 Insectos Drosophila melanogaster 1,4 x 108 Aves Gallus domesticus 1,2 x 109 Anfibios Xenopus laevis 3,1 x 109 Mamíferos Homo sapiens 3,3 x 109 Relaciones entre los distintos exones de un gen y los dominios proteícos. Exon-suffling. Es la idea de que la recombinación, la inserción o la deleción de un exón o intrón puede producir nuevos genes • • Cuatro tipos de exon-suffling - Recombinación - Duplicación - Deleción - Inserción Exon-shuffling: pérdida de un intrón • Evolución globinas: pérdida de intrones • en microbios (todos) • y 1, 2 o 3 en animales Recombinación: tissue plasminogen activator evolves from four unrelated genes protease kringle (plasminogen) epidermal growth factor fibronectin type-1 (from Graur & Li 2000) Duplicación de dominios es el mecanismo más común de elongación de genes Otros mecanismos de elongación: cambio de un codón de stop (o intron)o inserción... ¿malos resultados? Ejemplo de evolución por elongación de exones de la proteína del colágeno de aves Evolución de exones duplicados: divergencia entre la partes de la duplicación de un ancestro común, la parte variable de las inmunoglobulinas fija interactúa con el el antígeno la parte constante otras funciones (estructurales). Mecanismos más importantes de formación de duplicaciones exónicas. (A) Entrecruzamiento desigual. (B) Retrotransposición. B1 Via Interspersed Element Crossover Exon shuffling can occur double crossover between interspersed repeats B 2Via DNA Transposons B 3 Non-Viral Retrotransposon If a LINE has a weak poly(A) signal, then sometimes transcription will continue and include an adjacent 3′ gene (eventually terminating at that gene’s strong poly(A) signal). ORF2 then reverse-transcribes the RNA transcript of the LINE and gene, eventually inserting the gene at a new location along with the SINE in a phenomenon known as exon Where do new genes come from? An example: the antifreeze glycoprotein (AFGP) gene in the Antarctic fish, Dissostichus mawsoni Motif multiplication and exon loss Gene function may be altered through the multiplication of motifs in an ancestral gene and/or loss of exons. Notothenioid fish - live in very cold waters off Antarctica. Avoid blood freezing; antifreeze glycoprotein (AFGP) genes - code for Thr-Ala-Ala repeat. Antifreeze via motif multiplication AFGP appears to be derived (via motif multip & exon loss) from trypsinogen gene; chimeric version in one sp. may be transitional. Convergent evolution of an AFGP gene in the arctic cod, Boreogadus saida Convergent evolution of an AFGP gene in the arctic cod, Boreogadus saida • the AFGP gene in B. saida also has a Thr-Ala-Ala repeating motif! • appears to have evolved independently because: • 1. flanking regions show no homology to trypsinogen • 2. different number and locations of introns • 3. codons used in repeating unit are different Gen Quimera Chimeric genes can arise via exon shuffling or retrotransposition. Under retrotransposition, mRNA transcribed to cDNA, which is then inserted into a gene (without introns). Both Jingwei and Ymp are expressed in Drosophila testes. Retrotransposition often results in pseudogenes - new gene, but non-functional • Gen quimera: Hemoglobina Lepore (Gen quimera) • Debido a que los locus de los genes de globina contienen grupos de genes similares existe el potencial para que haya un entrecruzamiento desigual entre las cromátides hermanas durante la meiosis. La generación de hemoglobina Gun Hill y hemoglobina Lepore son el resultado de eventos de entrecruzamientos desiguales. La Hemoglobina Gun Hill es el resultado de una deleción de 15 nucleótidos causados por el cruce desigual entre los codones 91–94 de un gen de β-globina y los codones 96–98 del otro. La generación de la hemoglobina Lepore resulta del cruce desigual entre δ-globina y los genes β-globina. El gen híbrido resultante δβ se llama Lepore y el gen híbrido βδ se llama anti-Lepore. Según lo indicado anteriormente, el promotor del gen δglobina es ineficiente así las consecuencias de este evento de entrecruzamiento desigual son tanto cualitativas como cuantitativas Hb Lepore • Anti-Lepore – βδ fusion gene – Longer than the original • Lepore – δβ fusion gene – Shorter than the original Hb Kenya • Anti-Kenya – β-Aγ fusion – (much) longer than the original • Kenya – Aγ- β fusion – (much) shorter than the original