Evolução de genes e genomas

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1 Projeto Genoma Humano iniciou em 1990 Evolução de genes e genomas Professor Fabrício R Santos fsantos@icb.ufmg.br Departamento de Biologia Geral, UFMG 2012 Organização, função e complexidade genômica Vários genomas de procariotos e eucariotos foram concluídos antes do genoma humano Tamanhos de genomas completos Genomas cromossomos (N) tamanho genes Complexidade genômica Mycoplasma genitalium 0,58 Mpb 521 Escherichia coli 5,4 Mpb Saccharomyces cerevisiae 16 12,5 Mpb Caenorhabditis elegans 6 ~100 Mpb Arabidopsis thaliana 5 ~115 Mpb ~ Drosophila melanogaster 5 ~122 Mpb Homo sapiens 24 ~ 3,3 Gpb ~ Monodelphis domestica 10 ~3,5 Gpb ~ A organização e as proporções genômicas de regiões codificadoras de proteínas, não codificadoras (com ou sem função) e repetitivas são diferentes entre táxons. 1

2 Distribuição de genes no Homo sapiens Grande parte dos genes eucarióticos não tem função conhecida (unknown) A densidade de genes varia muito ao longo dos cromossomos humanos Saccone et al. (2001) Chromosome Res. Genomas eucarióticos comparados Genomas eucarióticos comparados Homem vs.. Chimpanzé Camundongo Gambá Baiacu Tamanho (Gpb) Tempo desde a divergência Conservação em regiões codificadoras Permite identificar: 3,0 ~5-7 MAA >99% Mudanças genômicas e/ou adaptativas exclusivamente humanas 2,5 > 75 MAA ~80% Sequências codificadoras e não codificadoras 4,2 > 150 MAA ~70-75% Sequências codificadoras e não codificadoras 0,4 ~450 MAA ~65% Sequências codificadoras Usando a teoria evolutiva, os genomas são comparados a fim de caracterizar mudanças que ocorrem nos ancestrais comuns (sinapomorfias) e também mudanças exclusivas (autapomorfias) das espécies. autapomorfias sinapomorfias Sintenia Homem-Baiacu Regiões cromossômicas com extensa homologia e mesmo ordenamento gênico (sintênicas) podem ser mapeadas entre espécies. Genômica Comparativa Sintenia Cromossomo humano 1 vs. Chimpanzé Divergência 6 MAA Homo sapiens 12 2

3 Genômica Comparativa Sintenia Cromossomo humano 1 vs. Camundongo Genômica Comparativa Sintenia Cromossomo humano 1 vs. Vaca Divergência >75 MAA Divergência >95 MAA Homo sapiens 13 Homo sapiens 14 Genômica Comparativa Sintenia Genômica Comparativa Sintenia Cromossomo humano 1 vs. Gambá Cromossomo humano 1 vs. Ornitorrinco Divergência >150 MAA Homo sapiens 15 Divergência >180 MAA Homo sapiens 16 Genômica Comparativa Sintenia Cromossomo humano 1 vs. Galinha DNA entulho Antes do sequenciamento de vários genomas eucarióticos, grande parte da porção não codificadora era chamada de DNA entulho (junk DNA), que por alguns foi traduzida equivocadamente como DNA lixo. Atualmente, várias porções deste DNA entulho possuem funções estruturais ou regulatórias: 1. RNAs funcionais: mirna, snrna, snorna, RNA anti-senso etc 2. Regiões conservadas não codificadoras: enhancers, reguladores diversos etc No entanto, a maior parte do DNA entulho corresponde a segmentos repetitivos, principalmente os elementos transponíveis: 1. LINEs (elementos retrotransponíveis ou retroposons via RNA - longos) 2. SINEs (retroposons curtos) 3. ERV (retrovírus endógenos) 4. Transposons (elementos transponíveis via DNA) Divergência >200 MAA Homo sapiens 17 3

4 RNAs funcionais que emergiram da genômica evolutiva Micro RNA (mirna) Família de pequenos RNAs de nucleotídeos que regulam negativamente a expressão gênica no nível pós-transcricional. mirna mirna e RNA anti-senso estão subestimados Obs: outros RNAs não codificadores funcionais raros não estão representados O complexo de silenciamento induzido por RNA (RISC) é operado por mirna (junto com proteínas argonautas) Enhancer HACNS1 descoberto por genômica comparada está relacionado ao desenvolvimento HAR1F: região não codificadora altamente conservada que expressa um RNA funcional Expresso exclusivamente nos membros anteriores e posteriores durante o desenvolvimento na espécie humana, seus ortólogos de chimpanzé e rhesus não se expressam da mesma forma nos fetos transgênicos de camundongos. A alta conservação desta sequência transcrita foi detectada por genômica comparada entre inúmeras espécies de vertebrados, indicando que é mantida por seleção purificadora, pois possui uma função importante, embora ainda não seja conhecida. Elementos transponíveis em eucariotos Retrotransposons e transposons constituem quase metade do genoma humano Os elementos transponíveis representam várias classes que se multiplicam e se mobilizam nos genomas eucarióticos e procarióticos. Esses elementos não codificam normalmente funções do organismo hospedeiro e podem ser considerados como unidades evolutivas relativamente independentes, algumas vezes vistos como comensais, mas outras vezes são vistos como mutualistas ou parasitas moleculares. 4

5 Proporção de elementos transponíveis em genomas eucarióticos Tamanhos de genomas completos Arabidopsis thaliana Psilotum nudum ~115 Mpb ~ 250 Gpb Muitas diferenças de tamanhos dos genomas entre espécies se devem, principalmente, ao acúmulo de elementos transponíveis. Por que alguns genomas são tão grandes? Paisagens genômicas contrastadas Não há uma relação clara entre tamanho de genomas e complexidade biológica. Valor-C quantidade total de DNA no genoma haplóide (N) Paradoxo do valor-c falta de relação entre o conteúdo de DNA em um organismo e seu potencial codificador e complexidade. Elementos repetitivos, geralmente transposons etc Valor-C (escala logarítmica) A quantidade de elementos transponíveis está positivamente correlacionada com o tamanho genômico Sequências repetitivas e de cópia única no genoma humano 09_26_noncoding.jpg DNA genômico Elementos transponíveis DNA codificador de proteínas Feschotte e Pritham

6 Elementos transponíveis em humanos Transposons versus Retrotransposons (ou retroposons) Retrotransposon longo Retrovírus endógeno Transposon típico Retrotransposon curto Retrotransposons autônomos 1. Retrovírus endógenos: retrotransposons com LTR (long terminal repeats) (vírus inserido no genoma, sem atividade infectiva) Retrotransposons eucarióticos autônomos têm a sua própria transcriptase reversa 2. Retrotransposons sem LTR (possuem poli-a) Retrovírus endógenos (ERV) são similares a retrovírus, apresentando as mesmas estruturas gênicas e ciclo de propagação parecido, mas não formam partículas infectantes LINEs e SINEs em metazoários uma longa história coevolutiva LINE Sequência repetitiva intercalada longa Transcriptase Reversa SINE Sequência repetitiva intercalada curta ERVs são retrotransposons com LTRs, repetições típicas de Retrovírus. Os LINEs, como o elemento L1 de primatas, são autônomos, i.e., codificam sua própria enzima de replicação (RT), que é utilizada na replicação de SINEs (como ALU de primatas) e pseudogenes processados. A presença de um Poli-A é a marca típica da retrotransposição mediada pelas RTs dos LINEs. 6

7 Retrotransposon do tipo LINE Retrotransposição mediada por LINEs ORF1: proteína de ligação ao RNA ORF2: (RT) endonuclease + transcriptase reversa Estes elementos têm capacidade autônoma de retrotransposição Slide 38 Propagação de LINEs e SINEs nos genomas eucarióticos Inserção de LINEs e SINEs nos genomas Geralmente, os LINEs providenciam a enzima transcriptase reversa que é utilizada por eles e pelos SINEs para sua retrotransposição e aumento de cópias no genoma hospedeiro. Evolução dos elementos ALU em Primatas Componentes estruturais e funcionais do genoma humano Os retroposons ALUs são derivados do RNA ribossômico 7SL. Os transcritos de ALU também se ligam a proteínas ribossômicas. As ALUs se associam aos ribossomos, próximo ao sítio de síntese. Quando um RNAm de L1 (LINE) está sintetizando sua RT com afinidade por caudas poli-a, está se liga à cauda do elemento ALU. Este complexo ALU + RT se dirige ao núcleo, onde se dará a retrotransposição que resulta em nova cópia inserida de ALU. A RT pode também se ligar eventualmente à poli-a de outros RNAm, dando origem aos pseudogenes processados. 7

8 Transposons no cromossomo 21 humano L1s (LINEs) são comuns em regiões pobres em GC, enquanto ALUs (SINEs) são comuns nas GC-ricas A maior parte das inserções de elementos transponíveis nos genomas é observada em regiões não codificadoras ou sem importância funcional No genoma humano, a densidade das classes de repetições intercaladas varia como uma função do conteúdo de GC IHGSC. Nature (2001) Inferência filogenética com o uso de SINEs e LINEs Inferência filogenética com o uso de SINEs e LINEs espécie A espécie B espécie C espécie D A inserção de um elemento transponível é geralmente um evento único de mutação neutra, e vários destes eventos acumulam ao longo das linhagens evolutivas, podendo ser utilizados como caracteres sinapomórficos em cladística. Elementos ALU e filogenia de Hominóides Expansão dos elementos Alu na linhagem primata PNAS (2003) 22: Mark A. Batzer e Prescott L.Deininger 8

9 Alterações mediadas por retroelementos Promotor Mutagênese insercional Inserções de elementos transponíveis Transposons e retrotransposons podem afetar o funcionamento gênico quando inseridos próximos ou dentro dos genes Altera expressão do gene Rompe a matriz de leitura Danifica o processamento de íntrons Não altera Recombinação desigual mediada por ALUs Inserção de um elemento L1 (LINE humano) interrompeu porção codificadora do éxon 14 do gene do fator VIII é a causa molecular de um tipo de hemofilia A. Inserções de ALU e doenças genéticas Locus Ocorrência Tipo de Alu Doença BRCA2 de novo Y Câncer de mama Mlvi-2 de novo (somática?) Ya5 Associado com leucemia NF1 de novo Ya5 Neurofibromatose APC Familiar Yb8 Doença desmóide hereditária PROGINS ~ 50% Ya5 Ligada com carcinoma de ovário Btk Familiar Y X-linked agammaglobulinaemia IL2RG Familiar Ya5 XSCID Colinesterase Uma família Japonesa Yb8 Deficiência de colinesterase CaR Familiar Ya4 Hipercalcemia hipocalciúrica e hiperparatireoidismo neonatal Inibidor C1 de novo Y Deficiência do complemento ACE ~ 50% Ya5 Ligada com proteção de doenças cardíacas Fator IX Um avô Ya5 Hemofilia 2 x FGFR2 de novo Ya5 Síndrome de Apert GK? Sx Deficiência de Glicerol Quinase Alguns raros eventos de inserção, quando inseridos nas porções funcionais do genoma (regiões regulatórias, éxons, íntrons etc) podem levar a efeitos deletérios. Importância evolutiva do DNA entulho Sincitina (Syncytin - poliproteína env de um retrovírus endógeno com função no sinciciotrofoblasto) Blond JL (1999): Molecular characterization and placental expression of HERV-W, a new human endogenous retrovirus family". J Virol Regulação da expressão gênica e promoção de diversidade genética Peaston A et al (2004): Retrotransposons Regulate Host Genes in Mouse Oocytes and Preimplantation Embryos. Developmental Cell Evolução de novos genes, p.ex., uma proteína anticongelamento de peixes polares DeVries AL e Cheng C-HC (2005): Antifreeze proteins in polar fishes. Fish Physiology Capacidade de reparo de fitas quebradas mediada por LINE-1. Morrish TA et al (2002): DNA repair mediated by endonuclease-independent LINE-1 retrotransposition. Nature Genetics Fontes de micrornas Woolfe A et al (2005): Highly conserved non-coding sequences are associated with vertebrate development.plos Biol Sincitina e a formação do sinciciotrofoblasto da Placenta Eventos de duplicação genômica detectados Esta poliproteína (env) de origem viral modificada é essencial para formação da placenta em mamíferos eutérios. De fato, retrovírus endógenos (ERV) são ativos em todas as placentas de eutérios. Duplicação de genomas: poliploidização Van de Peer et al. Nature Reviews Genetics (2009) 9

10 Duplicação gênica Duplicação de segmentos genômicos em Arabidopsis thaliana A maioria das famílias gênicas geradas por duplicação são pequenas, com exceção daquelas que possuem uma base adaptativa, por exemplo, genes de imunoglobulinas (1000 cópias em humanos), receptores olfatórios (centenas de cópias em mamíferos) A maior parte do genoma aparece em pares (não como triplicatas etc) Além disto, há evidências de que mais de 60 70% das angiospermas possuem um ancestral poliplóide em algum momento, resultado de duplicação genômica. Arabidopsis Genome Initiative. Nature 408, (2000) Homólogos: ortólogos e parálogos Homólogos: genes que têm um mesmo ancestral... Ortólogos: genes em organismos diferentes que divergiram a partir do gene no ancestral comum por causa da especiação a1 a2 ou b1 b2 Parálogos: genes que derivados de um gene ancestral via duplicação gênica a1 b1 ou a1 b2, etc Recombinação gerando duplicação gênica (SINEs, LINEs, transposons etc) Elementos repetidos intercalados funcionam como regiões portáteis de homologia que promovem o crossing-over desigual Retroposons (e transposons) geram diversidade Recombinação promove embaralhamento de éxons 59 Elementos repetidos intercalados nos íntrons funcionam como regiões portáteis de homologia que promovem o crossingover desigual que gera duplicação ou novas combinações de éxons. 10

11 Diversidade gênica e retrotransposons Quimerismo gênico Embaralhamento de éxons via mobilização de SINEs Genes quiméricos se originam via embaralhamento de éxons e/ou retrotransposição Na retrotransposição, mrna é transcrito a cdna que é então inserido no gene (sem íntrons). éxon 1 SINE íntron éxon 2 Transcrito SINE + éxon SINE éxon 2 A transcrição do SINE (ou LINE) pode se estender além do sinal de parada normal, incluindo um éxon. A inserção do elemento SINE por retrotransposição pode levar o éxon para dentro de outro gene e permitir um novo embaralhamento e produzir um novo gene. inserção por retrotransposição éxon 4 SINE éxon 2 éxon 5 éxon 6 Elemento inserido Ambos genes Jingwei e Ymp são expressos em testículos de Drosophila. No entanto, Retrotransposição frequentemente resulta em pseudogenes que não são funcionais. Embaralhamento de éxons e novidades evolutivas Várias novidades evolutivas aparecem no nível genômico por eventos de embaralhamento de éxons e duplicação gênica. Família das globulinas Produtos gênicos resultados de duplicação e embaralhamento de éxons Alguns genes apresentam funções novas oriundas da combinação de diferentes éxons. Proteína anticongelante (AFGP) Transposons promovem diversidade genômica Notothenioides AFGP parece ser derivada (via multiplicação de motivos e perda de éxons) a partir do gene Tripsinogênio. Foi encontrada uma versão quimérica em alguns peixes, uma forma transicional. Vários genomas apresentam uma grande diversidade estrutural e flexibilidade recombinacional devido à presença de elementos repetitivos do tipo transposons (via DNA e RNA). Estas características são também úteis no melhoramento genético convencional e na transgenia em cereais, com genomas ricos em transposons. 11

12 Genômica comparativa e biotecnologia Um nova área biotecnológica está emergindo da genômica comparativa: A genômica sintética 1. conhecer as funções mínimas e essenciais que podem ter um genoma depende de compreender as relações de ancestralidade entre espécies ou linhagens. 2. genomas artificiais com requisitos funcionais mínimos foram inferidos das comparações filogenéticas. 3. genes também foram comparados filogeneticamente para, em alguns casos, reconhecer funções compartilhadas com ancestrais e também sintetizar genes com funções simplificadas ou consensuais. 4. nestas abordagens, os genomas são vistos como os programas (software) que permitem controlar todas funções. 5. desta forma, funções extras podem ser acopladas ao genoma mínimo artificial. Genomas Sintéticos Mycoplasma laboratorium Organismo parcialmente sintético e derivado da espécie Mycoplasma genitalium Gibson D, et al. (2008): Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science. Synthia Organismo bacteriano totalmente sintético derivado do genoma de Mycoplasma mycoides que foi transplantado em uma célula de Mycoplasma capricolum Gibson D, et al. (2010): Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. Informação no DNA funciona com um software para geração de organismos sintéticos Homologia dos genes humanos Genômica comparada em Primatas Dados do Projeto Genoma Humano em 2001 O genoma humano apresenta uma estrutura típica de vertebrados, sem apresentar qualquer gene exclusivo de nossa linhagem que possa ser considerado como uma novidade evolutiva. Em 2001, 1% dos genes não eram conhecidos em qualquer outro organismo, mas posteriormente foram todos encontrados no chimpanzé e em outros organismos cujos genomas já foram sequenciados. Os genomas de vários primatas estão fase adiantada de andamento e alguns já concluídos 12

13 Genômica comparada e estudos demográficos Eventos de duplicação, inversão e translocação de segmentos cromossômicos, incluindo fusões e fissões de cromossomos inteiros, são promovidos por elementos repetitivos tais como transposons e retroposons. A evolução cromossômica está intimamente relacionada a vários eventos de especiação nos primatas e em vários outros grupos taxonômicos. Dados genômicos entre espécies são utilizados em cálculos mais precisos dos tamanhos populacionais efetivos das espécies Genomas extintos Genomas extintos: Neandertal Novas tecnologias estão permitindo recuperar sequências genômicas de organismos extintos A comparação dos genomas utilizando a teoria evolutiva permite a identificação de várias modificações protéicas diferenciais entre as linhagens do homem moderno e do neandertal, as quais podem identificar possíveis adaptações exclusivas de cada espécie. Genomas extintos: Neandertal Homens modernos e Neandertais coexistiram na Europa pelo menos anos (entre 45 e 30 mil anos atrás), mas não há indícios de fluxo gênico ali. No entanto, algum fluxo gênico (1 a 4%) entre as duas linhagens pode ter ocorrido há ~ anos no Oriente Médio. 13