GENOM DUPLİKASYONLARI Prof.Dr. Nermin Gözükırmızı İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü Annual Review of Genetics 2004) Vol. 38: 615-643 DUPLICATION AND DIVERGENCE: The Evolution of New Genes and Old Ideas John S. Taylor1 and ­ Jeroen Raes2­ Over 35 years ago, Susumu Ohno stated that gene duplication was the single most important factor in evolution (97). He reiterated this point a few years later in proposing that without duplicated genes the creation of metazoans, vertebrates, and mammals from unicellular organisms would have been impossible. Such big leaps in evolution, he argued, required the creation of new gene loci with previously nonexistent functions (98). Bold statements such as these, combined with his proposal that at least one wholegenome duplication event facilitated the evolution of vertebrates, have made Ohno an icon in the literature on genome evolution. However, discussion on the occurrence and consequences of gene and genome duplication events has a much longer, and often neglected, history. Here we review literature dealing with the occurence and consequences of gene duplication, begining in 1911. We document conceptual and technological advances in gene duplication research from this early research in comparative cytology up to recent research on whole genomes, "transcriptomes," and "interactomes." Susumu Ohno and the 2R hypothesis “It is our contention that the ancestors of reptiles, birds, and mammals have experienced at least one tetraploid evolution either at the stage of fish or at the stage of amphibians” (1970) “A mammalian ancestor might have gone through at least one round of tetraploid evolution at the stage of fish” (1973) Oluşma sıklığı Kısa parçalar Duplikasyonlar tüm genomik düzeyde oluşabilir. Domain (ekson) Gen Gen demeti Segment Kromozom Genom Duplikasyonla eski gende yeni kopya etkisi ile yeni bir işlev oluşur. Genom duplikasyonları genom evolüsyonu için önem taşır. DNA dizisi Tek nukleotid değişimi, Kısa insersiyon delesyonlar, inversiyonlar, rekombinasyonlar, domain duplikasyonları, gen duplikasyonları, gen demeti duplikasyonları, segment duplikasyonları, kromozom duplikasyonları, genom duplikasyonları, Seleksiyon) Random drift veya nötral mutasyonlar DNA dizi değişimi Mutasyon Fragil X CpG adası 5’ Transkripsiyon Translasyon (CGG) n 3’ ≤ 40 repeats normal 41-60 repeats Erkek orta 61-200 repeats > 200 repeats, methylated Dişi 1/25 1/16 premutasyon 1/1000 1/350 mutasyon 1/4000 1/8000 İnsan Genomu 1 2 3 http://www.sanger.ac.uk/HGP/ & R.Harding & HMG (2004) p 245 4 6 7 5 8 9 10 16 11 12 13 14 15 104 251 17 18 19 20 72 88 66 21 22 mitochondria Y .016 45 48 51 86 118 107 100 148 143 142 176 163 148 140 221 279 X 3.2*109 bp 163 197 198 Myoglobin α globin *5.000 β−globin (chromosome 11) 6*104 bp *20 Exon 3 Exon 1 Exon 2 3*103 bp 5’ flanking 3’ flanking *103 DNA: Protein: ATTGCCATGTCGATAATTGGACTATTTGGA aa aa aa aa aa aa aa aa aa aa 30 bp İnsan Genomu http://www.sanger.ac.uk/HGP/ Gen aileleri Demetler α-globin (7), büyüme hormonu (5), Class I HLA ağır zincir (20),…. Dağınık yapılılar Pyruvate dehydrogenase (2), Aldolase (5), PAX (>12),.. Demetler ve dağınık yapılılar HOX (38 – 4), Histonlar (61 – 2), Olfactory receptörler (>900 – 25),… Transposonlar Strachan and Read (2004) Chapter 9 + Lander et al.(2001) İnsan genomundaki segmental duplikasyonlar Bailey et al. Science. 2002 297: 1003-7. Am J Hum Genet. 2003 73: 823-34 Gen Duplikasyonu (örn. Hemoglobin genleri) Primatlarda Hemoglobin genleri: S.cerevisiae’de 55 duplikasyonlu bölge ~ % 50 genom duplikasyonlu Wolfe K.H. and Shields D.C. Nature (1997) 387 708-713 Duplike bölgeler genelde yeniden duplike olmazlar. Duplikasyon Duplikasyonun duplikasyonu yok. Maya’da 55 duplikasyonlu bölgede triplike olmuş bölgeler yok. Arabidopsis genom duplikasyonları (Genomun %60ı duplikasyonla oluşmuştur. Arabidopsis Genome Initiative. Nature 408, 796–815 (2000). Gen Duplikasyonlarının Kaderi: • Negatif etkilere karşı işlevi koruma • Pseudogen (yalancı gen) oluşturarak gen sessizleşmesi • Yeni işlevler ve evolüsyon • İş bölümü ( farklı dokularda ve farklı zamanlarda gen anlatımı için farklı kontrol elemanları gerekir, normal işlev için tüm duplikasyonlar gereklidir) • Kayıp (delesyon) Duplikasyonlar nasıl oluşur? • Homolog olmayan krossing-over • Homolog olmayan kardeş kromatid değişimi • Replikasyon kaymaları Gen Amplifikasyonu: • Kromozomun belli bir bölgesinin kopya sayısının artışı, kanserle yakın ilişkili, kopya sayısı artan bölge kromozoma bağlı kalabildiği gibi ayrılıp “DOUBLE MINUTES” oluşturabilir. Anöploid -Bir veya birden fazla kromozomun sayısının değişmesi - 2n-1 (monosomik), 2n+1 (trisomik), 2n-2 (nullisomik), n+1 (disomik) Trisomi Datura(2n+1) 47,XX, 21 + Down sendromu Poliploidi: Bir genomun artışı (Avtopoliploid) veya iki veya daha fazla genomun kombinasyonu (Allopoliploid). Haploid sayı (n=x) – Gametlerdeki kromozom sayısı, Diploid sayı (2n) - Monoploid (x) Kromozom sayısı temel set -Öploid Kromozom sayısının tam katlar halinde artışı -Anöploid Bir veya birkaçkromozomun sayı değişimi -Poliploid Triploid (3x), tetraploid (4x), pentaploid (5x) Endopoliploid; Somatik poliploid hücreler. Poliploidi n= A B C: 2n= AA BB CC: Poliploidi n= A B C: 3n = AAA BBB CCC Poliploidi kavramı; (Winkler, 1916). • • • • • • Haploid org.monoploid (=n) (sayı 6 ise) diploid, 2n = 12 tetraploid, 2n = 24 heksaploid, 2n = 36 oktoploid, 2n = 48 dekaploid, 2n = 60 Tüm bitki türlerinin % 30-70 kadarı poliploiddir. Kolşisin (Blakesslee ve Avery, 1937). Monoploid (x) eldesi: ANTER VEYA MİKROSPOR KÜLTÜRÜ Poliploidlerin sınıflandırılması: • Avtopoliploid: (polisomik poliploid): AAAA veya AAA'A' – Gerçek avtopoliploid:AAAA – Irklararası avtopoliploid: AAA'A' • Allopoliploid (Amfidiploid): (disomik poliploid): AABB • Avtoallopoliploid: AABBBB • Segmental allopoliploid: A1A1A2A2 A ve B: homolog olmayan genomlar; A ve A': homolog genomlar, fakat of aynı türün farklı ırkları; A1 ve A2 homoeolog (kısmi homolog) genomlar • Neopoliploid: Yeni oluşmuş poliploid • Paleopoliploid: Diploidize türler evolüsyoner açıdan en az bir poliploidleşme geçirmiş. Monoploidden diploid oluşumu: Kolşisin – (1937, Blakessle ve Avery) Bir alkaloid, Crocus’tan elde edilir, iğ oluşumunu engeller,( Oryzalin, tri fluarin, amiprophos-methyl, N2O’de bu amaçla kullanılabilir). Avtopoliploid - Kendiliğinden oluşabilir veya - Kolşisin ile oluşturulabilir. Hücre, meyve , çiçek vb büyük Allopoliploid - Farklı türlere ait kromozomların biraraya gelişi Amfidiploid “doubled diploid” Genom düzeyinde gen aktarımı (genus Brassica) Ekmeklik buğday Allopoliploidler kromozom ikileşmesi (katlanması), 2n gametlerin birleşmesi veya poliploidlerin direkt hibridizasyonu ile oluşabilirler. -Somatik poliploidler protoplast füsyonu ile oluşurlar. Somatic allopoliploid Poliploidi ziraatte önemlidir. Hybrid vigor (heterosis): Hibridler her iki ebeveynden daha iyi özelliklere sahiptir. Poliploidlerde heterozigotluk yüksek düzeydedir. Poliploidlerin genel özellikleri: • • • • • • Büyük yapıdadırlar. Melezleme sınırları aşılabilmiştir. Tohumsuz bitkiler geliştirilebilir. Türler arası melezlerle fertilite sorunu aşılabilir. Hastalık direnci artmıştır. Stres toleransı artabilir. Bazen; Büyüme azalabilir, stres toleransı etkilenebilir ve verim azalabilir. Poliploidlerin biyoteknolojideki önemi: • Yeni türler geliştirme (Raphanobrassica, Triticale vb.) • Steril bitkiler geliştirme: – Belli alanlarda dağılım riskini azaltır. – GDO’larda gen akımını önler. • Sekonder metabolit önemlidirler. üretimi için de Poliploid bitkilerin kendi diploid atasal türlere göre farklılıkları: • • • • • • • Büyük hücreler, yüzey/hacim oranında azalma Kalın, kısa ve geniş yapraklar; büyük tohumlar Metabolizma ve büyüme gerilemesi Hücre bölünme sayılarında azalma Avtopoliploidlerde tohum fertilitesinde azalma Düşük CO2 değişim oranı ve düşük transpirasyon oranı Fotosentez, solunum ve elektron transport zincirinde enzim aktivitelerinde azalma • Herbisid, patogen, böcek ve abiotik stres koşullarına daha fazla dayanıklılık • Radyasyon ve mutageneze direnç Poliploidlerde kromozom eşleşmesi ve sterilite: • Allopoliploidler: Genelde bivalent oluşumu – kalıtım – Mayozda diploidler gibi davranırlar. Disomik • Avtopoliploidler: Multivalent oluşumu – Polisomik kalıtım – indirgenmeler – hatalar – sterilite azalması. • Segmental allopoliploidler ve avtoallopoliploidler: Karışık disomik-polisomik kalıtım. • Tek sayılı-ploidler oluşturmazlar. genelde steril ve tohum • Triploid muz steril ve tohumsuz fakat triploid elma bazen tohum oluşturabilir. Polifiletik köken; Poliploidlerin çok kökenli oluşumu • Birçok poliploid tür multipl kökenlidir, yani polifiletiktir. • Yeni türler üç Tragopogon sp. (T. dubius, T. porrifolis, T. pratensis Kuzey America erken 1900ler; iki (T. mirus, T. miscellus) 1949 (Allotetraploidler). • En az 12 ve 21 kez oluştukları düşünülüyor. Homolog/Ortolog/Paralog • HOMOLOG: Filogenetik olarak ilişkili diziler. • ORTOLOG: Farklı türlerdeki ortak atadan türevlenmiş homolog diziler. • PARALOG:Bir türün içerisinde gen duplikasyonları ile oluşmuş homolog diziler. Ortholog ve Paralog t 0 1 2 3 Alpha zinciri Kurbağa alpha Ortholog İlkel globin geni İnsan alpha İnsan Beta Beta zinciri İlk duplikasyon Paralog Kurbağa beta İkinci duplikasyon (türleşme) PARANOM: Bir genomdaki duplikasyonlu genlerin tümüne verilen tanımdır. Endopoliplidi:Bir organizmadaki farklı ploidi düzeyleri (Bazı bitki ve hayvanlarda gelişim değişimlerine yanıttır). • Endoreduplikasyon veya endomitoz ile oluşur. • Bazı familyalarda daha sık rastlanır. • Organ(kotiledon vb. veya doku özgüllüğü (trikom vb.) gösterebilir. • Dış ortam koşulları ve bitki hormonları endoploidiye yol açabilir. • DNA miktarı ile nukleus ve hücrenin hacmi arasında bir ilişki bulunur. • Bitki gelişimi ile ilişkilidir • 4C-54C’den 24.576C’ye kadar bir yükselme görülebilir (1C haploid DNA içeriğidir.). Endopoliplidinin sık rastlandığı familyalar(bold) Arpa doku kültürü kalluslarında endoploidi 2n=14, 4n ve yüksek ploidi Flow sitofotometri (sitometri) • Ploidi/ anöploidi yerine • DNA ploidi/DNA anöploidi Dev kromozomlar(bir çeşit duplikasyon) Politen Lamba fırçası Polipoidi genetik materyeli etkiler: • • • • • • • • • Dizi eliminasyonu Kromozomlar arası değişimler Sitozin metilasyonu Gen baskılanması Yeni gen aktivasyonları Genetik dominantlık Alt fonksiyonların oluşması Transpozon aktivasyonu Transkripsiyon divergensi; transkripsiyon düzenlenmesi, kromatin modifikasyonu, RNA aracılığı ile düzenlenmeler vb. olaylarla • Evolüsyonu etkiler. Sentetik insan yapımı poliploidler yeni araştırma alanları sağladı. • Poliploidi bitkiler aleminde (özellikle çiçekli bitkilerde) çok yaygındır. • Allopoliploidler klasik tür kavramına yeni katkılar sağlar. • Poliploidi bitki genom evolüsyonundaki en önemli olaylardan biridir. • Poliploidiyi anlama evolüsyon, ekoloji ve sitogenetiği anlamada büyük katkılar sağlar. • Birçok ekonomik önemi olan bitki poliploiddir. Poliploidler üstün özellikler sağladığı gibi bazen sınırlayıcı özellikler de taşır. • Avtopoliploidler ve sentetik türler arası melezleme ile allopoliploidler oluşturma biyoteknolojik uygulamalar için de büyük önem taşır. • Poliploidlerde gen anlatımında genetik ve epigenetik mekanizmalar ile bir düzenlenme sağlanır. Epigenetik Epigenetik – DNA dizi değişimlerinin(mutasyon) dışındaki faktörlerle oluşan, gen anlatımındaki tüm değişikliklere verilen genel bir tanımlamadır. Epigenetik değişiklikler kalıtsaldır fakat potasiyel olarak geri dönüşebilir. Epigenetik: •DNA modifikasyonları (sitozin metillenmeleri vb.) •Histon kromatin modifikasyonları •Kromatin yapısına bağlanan çoklu protein kompleksleri •Genomik “imprinting” •Paramutasyon •RNA interferens ve mikro RNA’lar •RNA aracılığı ile DNA metilasyonu •Transgen sessizleşmesi •Viruslerle gen sessizleşmesi Hayvansal sistemde poliploidi evolüsyon sırasında az rastlanır • Bazı böcekler, balık, amfibi ve reptillerde rastlanır. • Poliploidi hayvansal sistemde eşem tayininde güçlükler, gelişme engellenmesi gibi sonuçlar doğurur. • Hayvansal sistemde malign bölünme ve kanser oluşumu ile poliploidinin ilişkisi vardır. Human Genome Segmental Duplication Database http://projects.tcag.ca/humandup/ The website you are viewing, "Yeast Gene Duplications" (YGD) was developed in 1997 to support our first analysis of genome duplication in S. cerevisiae (K.H. Wolfe & D.C. Shields, Nature 387:708, 1997). The information it presents has not been updated since 1999.