Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом 




PDF просмотр
НазваниеЗоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом 
Дата конвертации16.10.2012
Размер37.8 Kb.
ТипДокументы
Молекулярная Зоология, весна 2011
лекция 1
Введение в курс. Происхождение генного разнообразия: 
дупликации, мобильные элементы, альтернативный 
сплайсинг.

Курс Молекулярная Зоология, или, что то же, 
«Системная зоология» (“System zoology”)
Мюге Николай Сергеевич
Институт Биологии Развития (ИБР РАН)
Институт Рыбного Хозяйства и Океанографии (ВНИРО)
 mugue@mail.ru
 8(916)6877783
 http://mugue.narod.ru/MolZool2011.html

Пропасть между первым и вторым отделением
 Существует разрыв между современной молекулярной 
биологией и медициной, которые стремятся «разобрать по 
винтикам» живую клетку и организм с целью понять 
«механизм жизни». Основным объектом исследования 
стал человек, а также другие организмы, на которых можно 
смоделировать процессы человека в норме и патологии с 
целью понимания механизмов болезней и создания 
лекарств. 
 С другой стороны, область «организменной биологии» 
(зоология, ботаника, экология и прочее «Второе 
отделение») стремятся реконструировать эволюцию живых 
организмов, их распределение в пространстве  и связи 
(взаимодействие) организмов со средой и с другими 
организмами. 

Пропасть начинает сужаться
 Главным образом благодаря  прогрессу в области геномики и 
биологии развития, в настоящее время мы видим колоссальные 
изменения в подходах при изучении «традиционной» зоологии. 
Чтобы понять механизм «работы» организма человека, просто 
знание генома человека (опубликован в 2000г.) оказалось 
категорически недостаточно.  Необходим стал «эволюционный 
подход» и количество «модельных организмов» стало 
стремительно расти, включая теперь не только мышь и 
обезьяну, но и большое количество беспозвоночных. Никого не 
удивишь теперь исследованием диабета на мухах. Изучение 
генов, участвующих в морфогенезе теперь начинается от 
трихоплакса и гидры. Отсеквенированы десятки полных геномов 
беспозвоночных, и эти данные находятся по большей части в 
свободном доступе что позволяет зоологам не только изучать 
морфологию, но и пытаться понять как эта морфология 
создается на молекулярно генетическом уровне - как в 
процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом 
(эволюционном) аспекте. 

Молекулярная филогения все больше 
подменяет традиционную систематику
 Обилие и доступность данных по генам (как 
митохондриальным, так и ядерным) позволяет все с 
большей достоверностью реконструировать 
филогению.  
 Однако объект (организм) должен быть первичным, 
все больше появляется работ, когда организм 
отсеквенировали, а определить забыли.
 С другой стороны, пренебрегать данными 
молекулярной филогении непрактично.
 ВЫВОД: Хороший молекулярный систематик должен 
быть в первую очередь хорошим зоологом!

Три ключевых вопроса биологии 
 Блок проблем 1. Как из одной клетки образуется 
сложный организм? (эмбриология)
 Блок проблем 2. Как из одного вида образуется много 
других видов? (эволюция)
 Блок проблем 3. Как связано сознание (мышление, 
память, творчество) и структура мозга?
 Список крайне субъективен. Кто хочет его дополнить?
 На первые 2 вопроса будем пытаться отвечать. 

Структура курса
 Лекция 1. Введение в курс. Происхождение генного 
разнообразия: дупликации, мобильные элементы, 
альтернативный сплайсинг.
 Лекция 2. Гены видообразования. Генетические 
механизмы участвующие в формировании новых видов
 Лекция3. Геногеография (филогеография). 
Реконструкция расселений и формирования фаун путем 
сравнения генов.
 Лекция 4. От генотипа к фенотипу: регуляция на уровне 
транскрипции и трансляции, белок-ДНК и белок-белок 
взаимодействие.
 Лекция 5. Организация биохимических каскадов и их 
регуляция. 

Структура курса (часть 2, Evo-Devo)
 Лекция 6 и 7. Происхождение многоклеточных. От 
двухслойных к трехслойным. Hox-гены и эволюция 
членистоногих. Формирование продольной и 
дорзовентральной осей.
 Лекция 8. От генотипа к фенотипу (и обратно).
 Лекция 9. Механизмы адаптаций на молекулярном уровне
 . Зоология в «пост-геномную» эру. Анализ экспрессии генов 
на микрочипах, Новые технологии в секвенировании -
платформа 454,  Solid и Illumina. Протеомика.
 Лекция 10. Заключительная. Обзор современного 
«инструментария» зоолога и что нас ждет в ближайшие 5-10 
лет. 

Уровни организации
 Гены (ДНК, Геном)
 Информационная РНК (Экспрессом)
 Белки (Протеомика)
 Белок-белковые и белок-ДНК взаимодействия
 Фенотип (морфология, физиология, гомеостаз, 
адаптации)



ДНК – самая сложная структура в живых 
организмах! 
VS.



С другой стороны, ДНК по составу мало 
отличается от бутылки Кока-Колы!
Coke
DNA
Solubility
water
water
-
Sugar 
Sugar (sucrose)
VERY High 
(dexoyribose)
Phosphate
phosphate
moderate 
(PO -4 acid)
bases
caffeine
extremely low
(A,T,C,G)
caffeine
Adenine


У мужчин на два тома меньше…
Но многие организмы имеют геном еще
больше!


 Может ли обезьяна, бьющая 
по клавишам компьютера, 
напечатать сонет Шекспира?
А может ли функциональный ген возникнуть 
из случайного набора нуклеотидов?



Роль дупликации генов и геномов.
Полиплоидия у многоклеточных
S. Ohno 1970 
Evolution by
 gene duplication

ТЕРМИНОЛОГИЯ
 Аутополиплоид – удвоение генома одного вида
 Аллотетраплоид (Амфитетраплоид) –слияние геномов двух 
близких видов
 Гомологичные последовательности называют 
ортологичными, если к их разделению привел акт 
видообразования: если ген существует у некоего вида, 
который дивергирует с образованием двух видов, то копии 
этого гена у дочерних видов называются ортологами
 Гомологичные последовательности называют 
паралогичными, если к их разделению привело удвоение 
гена: если в пределах одного организма в результате 
хромосомной мутации произошло удвоение гена, то его 
копии называют паралогами.

Странные свойства ЛДГ у вьюна из 
холодильника.
Держали вьюна (Misgurnus fossilis) в холодильнике и при 
комнатной температуре по 2-3 недели
Выделяли ЛДГ-А из мышц
Различия между «теплой» и «холодной» ЛДГ:
Различная активность, 
Термостабильность, 
денатурация мочевиной и т.д.


Northern hybridization – две формы mRNA






Пример 2. В поисках «эмбриональной» легкой 
цепи миозина


ЛЦМ-1 и ЛЦМ-3 
костистых рыб

Dec apterus mac ros oma mlc 3
Dec apterus maruadsi mlc 3
Dec apterus tabl mlc 3
Trac hurus  trachurus  mlc3
Caranx  delic atis s imus  mlc 3
Sparus  aurata mlc3
3
Cypselurus agoo mlc3
М
Pennahia argentata mlc3
Ц
Euthynnus  pelamis  mlc 3
Л
Thunnus thy nnus  mlc3
Scomber japonic us  mlc 3
Theragra c halcogramma mlc 3
Engraulis  japonic us  mlc3
Sardinops  melanos tictus mlc 3
Onc orhync hus myk iss  mlc3
Dec apterus mac ros oma mlc 1
Dec apterus tabl mlc 1
Dec apterus maruadsi mlc 1
Trac hurus  trachurus  mlc1
Caranx  delic atis s imus  mlc 1
Cypselurus agoo mlc1
1
Tetraodon nigroviridis  mlc 1
М
Pennahia argentata mlc1
Ц
Euthynnus  pelamis  mlc 1
Thunnus thy nnus  mlc1
Л
Scomber japonic us  mlc 1
Theragra c halcogramma mlc 1
Engraulis  japonic us  mlc1
Sardinops  melanos tictus mlc 1
Onc orhync hus myk iss  mlc1
Gallus  gallus  mlc 1
34.4
30
25
20
15
10
5
0
Nuc leotide Subs titutions (x100)

ЛЦМ-2а
5’-
ЛЦМ-2
5’-
ЛЦМ-1
- 3’
ЛЦМ-3
5’-
- 3’
ЛЦМ-1,3 человек
- 3’











a, Distribution of values of 
s
duplicated genes in Tetraodon (left) 
and Takifugu (right) genomes. 
Duplicated genes broadly belong to 
two categories, depending on their 
value being below or higher than 
s
0.35 substitutions per site since the 
divergence between the two puffer 
fish (arrows). 
b, Global distribution of ancient 
duplicated genes (> 0.35) in the 
s
Tetraodon genome. The 21 
Tetraodon chromosomes are 
represented in a circle in numerical 
order and each line joins duplicated 
genes at their respective position on 
a given pair of chromosomes.
Jaillon et al., Genome duplication in the 
teleost fish Tetraodon nigroviridis 
reveals 
the early vertebrate proto-karyotype

Nature 431, 946-957 (21 October 2004) |


a, For each Tetraodon chromosome, 
coloured segments represent conserved 
synteny with a particular human 
chromosome. Synteny is defined as 
groups of two or more Tetraodon genes 
that possess an orthologue on the same 
human chromosome, irrespective of 
orientation or order. Tetraodon
chromosomes are not in descending 
order by size because of unequal 
sequence coverage. The entire map 
includes 5,518 orthologues in 900 
syntenic segments. 
b, On the human genome the map is 
composed of 905 syntenic segments. See 
Supplementary Information for the 
synteny map between Tetraodon and 
mouse (Supplementary Fig. S11).
Jaillon et al., Genome duplication in the 
teleost fish Tetraodon nigroviridis 
reveals 
the early vertebrate proto-karyotype

Nature 431, 946-957 (21 October 2004) |








Полиплоидия и видообразование













В поисках молодых паралогов 








Direct generation of SNP markers 
for carp paralogs



Cluster 120 -serine (or cysteine) 
proteinase inhibitor
b3_03h08_f_00.ab1
C1_01l06_f_00.seq
C1_60j06_f_00.seq
b3_12c11_f_00.scf
b3_06p14_f_00.scf
C1_51a04_f_00.seq
C1_02e05_f_00.seq
b3_05i09_f_00.scf
C1_53l22_f_00.seq
b3_02h01_f_00.ab1
C1_01g04_f_00.seq
C1_57l12_f_00.seq
C1_45f13_n_00.scf
b3_39g07_f_00.scf
C1_16h15_f_00.seq
120_57l12_Danio_NM_001077758_final
6.1
6
4
2
0
Nucleotide Substitutions (x100)

Cluster 2725 - ribosomal protein L26
b3_08a11_f_00.ab1
C1_03e20_f_00.seq
b3_08a12_f_00.ab1
C1_23k04_f_00.seq
C1_48l24_f_00.seq
C1_52h16_f_00.seq
b3_39k17_f_00.scf
C1_23a09_f_00.seq
b3_73m08_f_00.scf
b3_40n24_f_00.scf
b3_72a10_f_00.scf
C1_43i17_n_00.scf
b3_08p04_f_00.ab1
b3_10i17_f_00.ab1
C1_58e19_f_00.seq
b3_74b20_f_00.scf
C1_23m01_f_00.seq
b3_08o23_f_01.ab1
C1_58a22_f_00.seq
C1_60j15_f_00.seq
b3_08o24_f_00.ab1
C1_03n16_f_00.seq
C1_48d09_f_00.seq
C1_54k13_f_00.seq
2725_03n16_Danio_NM_213113_final
9.7
8
6
4
2
0
Nucleotide Substitutions (x100)




Принцип создания и работы кДНК 
микрочипа



Возможные пути изменения 
паралогов после дупликации:
 Оба паралога продолжают выполнять одинаковую 
функцию
 Один из паралогов перестает экспрессироваться 
(становиться псевдогеном)
 Паралоги приобретают тканеспецифичность экспрессии
 Паралоги начинают выполнять разную функцию в одной 
ткани.


Оба паралога продолжают 
выполнять одинаковую функцию
Cluster 120-1 Alpha-1-antitrypsin homolog precursor  

Один из паралогов перестает экспрессироваться 
(становиться псевдогеном)
Cc_51g14_f_00.seq
Cc_55e07_f_00.seq
Cc_50p01_f_00.seq
Cc_48a05
C_f_
c_ 0
5 0
1 .s
g e
1 q
4_f_00.seq
Cc_59i21_
C f_0
c_ 0
5 .
5se
e q
Danio rerio chymotrypsinogen
07_f_00.seq
Cc_59c1
C 1
c_ _
5 f_
0 0
p 0
0 .s
1_e
f q
_00.seq
Danio rerio chymotrypsinogen
Cc_
C
5
c_ 3
4 h
8 1
a 6
0 _
5 f_
_f 0
_ 0
0 .s
0. e
s q
B1 (ctrb1), mRNA.
eq
Cc_59f1
C 8_
c_ f_
5 0
9i 0
2.se
1_fq
_00.seq
B1 (ctrb1), mRNA.
Cc_
C 49
c_ i1
5 2
9 _f_
c1 0
1 0
_f .se
_0 q
0.seq
Cc_49g12
C _f
c__0
5 0
3 .
h s
1 e
6 q
_f_00.seq
Cc_55b
C 22
c_ _
5 f
9_
f 0
1 0
8 .
_sfe
_ q
00.seq
Cc_54a22
C _f
c_ _
40
9 0
i .
1s2e
_ qf_00.seq
Cc_49g12_f_00.seq
Cc_54h07_f_00.seq
Cc_55b22_f_00.seq
Cc_55p07_f_00.seq
Cc_54a22_f_00.seq
Cc_55b14_f_00.seq
Cc_54h07_f_00.seq
Cc_56a10_f_00.seq
Cc_55p07_f_00.seq
Cc_34h17_n_00.scf
Cc_55b14_f_00.seq
Cc_49c05_f_00.seq
Cc_56a10_f_00.seq
Cc_56
C c1
c_ 6
3_
4f_
h 0
1 0
7 .s
_ e
n q
_00.scf
Cc_39
C n0
c_ 9
4_
9n_
c000
5 .
_fsc
_0f0.seq
Cc_32p
C 17
c_ _
5 n
6 _0
c1 0
6 .
_sc
f_ f
00.seq
Cc_01d
C 09
c_ _
3 f_
9 0
n 0
0 .
9 s
_ e
n q
_00.scf
C C
c_ c_
325
p0p
1 0
7 9
_ _
n f
__
000
. .s
sce
f q
CCc_
c_0 5
1 9
d j1
0 0
9 _
_ff_
_ 0
0 0
0 ..se
seq
q
Cc_35a08_n_0
C 0.
c_sc
5 f
0p09_f_00.seq
Cc_54o
C 21
c_ _
5 f
9_
j 0
1 0
0 .
_sfe
_ q
00.seq
Cc_50c2
C 4_
c_ f_
3 0
5 0
a .s
0 e
8 q
_n_00.scf
Cc_54o21_f_00.seq
Cc_52a19_f_00.seq
Cc_50c24_f_00.seq
NM_001017724_Danio.seq
8.4
Cc_52a19_f_00.seq
NM_001017724_Danio.seq
8.4
8
6
4
2
0
Nucleotide Substitutions (x100)
8
6
4
2
0
Nucleotide Substitutions (x100)


Паралоги приобретают 
тканеспецифичную экспрессию
Жабры
Селезенка
молоки
печень


Cluster 2268 : 40S ribosomal protein S29

Мобильные элементы генома
 Инсерционные элементы, например, IS1603
 Транспозоны, например, Tn5
 Профаги - латентная форма умеренных 
бактериофагов, например, транспозонподобного фага 
Mu (мю)
 Плазмиды - эписомы, например, половой фактор 
кишечной палочки (F-плазмида)

Транспозоны

н — последовательность ДНК, способная 
перемещаться внутри генома в результате процесса, 
называемого транспозицией. Транспозоны — один из 
классов мобильных элементов генома которые, 
встраиваясь в геном, могут вызывать мутации, в том числе 
и такие значительные как хромосомные перестройки.
 1. Ретротранспозоны, которые перемещаются по геному 
путём обратной транскрипции с их РНК;
 2. ДНК-транспозоны, перемещается путём прямого 
вырезания и вставки с использованием кодируемого 
транспозоном фермента транспозазы.
 3 LINE-ы и SINE-ы

Пример ретротранспонированного гена 
– Gr68a
Alternative splicing of Gr68a and Gr32a in 
D. virilis group
Gr68a
930
412
665
66
88
99
Gr32a
D. virilis.scaffold_12963
pos. 7917243 - 7920736



Genomic locations of the Or and Gr genes
in D. melanogaster
Robertson, Hugh M. et al. (2003) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 14537-14542
Copyright  ©2003 by the National Academy  of Sciences


Механизм сплайсинга
 Сплайсинг – это процесс вырезания 
внутренних участков пре-мРНК, 
называемых интронами. Бывает 
несколько разновидностей 
сплайсинга. Наиболее 
распространенный тип – это 
вырезание интронов с помощью 
малых ядерных РНП (мяРНП). Эти 
небольшие РНК, связанные с белками 
имеют ряд особенностей. Их 5’-конец 
закрыт кепом, причем в отличии от 
мРНК остаток гуанозина на 5’-конце 
не моно-, а триметилирован (по N7 и 
дважды по N2). Кроме того, мяРНК
как правило содержат Sm 
последовательность, к которой 
присоединяется набор из семи Sm 
белков. Эти маркеры мяРНК нужны 
для направленного транспорта их в 
ядро и прикрепления к 
фосфорилированному CTD РНК 
полимеразы II.


Распознавание сайта сплайсинга
 Сначала U1 мяРНП узнает 5’-
место сплайсинга, а возможно и 
3’-место сплайсинга. Место 
разветвления узнается белком 
SF1, а полипиримидиновая 
последовательность, 
предшествующая 3'SS -
гетеродимером U2AF. При этом 
образуется комплекс CC 
(commitment complex) –
комплекс определяущий 
вырезание данного интрона.

mRNA Splicing.flv


Типы альтернативного сплайсинга


Альтернативный сплайсинг
 Альтернативный 
сплайсинг позволяет 
индивидуальным 
генам продуцировать 
множественные 
изоформы белков -
играя тем самым 
центральную роль в 
генерации сложных 
протеомов. 


cellular codes альтернативного сплайсинга

Регуляция сплайсинга как 
правило осуществляется с 
помощью модуляции ранних 
ступеней сборки сплайсосомы. 
Цис-элементы представляют 
собой энхансеры и сайленсеры
сплайсинга, которые могут быть 
локализованы или в экзонах
или в интронах и которые 
связывают активаторные и 
репрессорные белки. иногда 
присутствие или отсутствие 
одиночного регулятора 
достаточно, чтобы 
предопределить пути 
альтернативного сплайсинга. 

Комбинации наиболее широко 
распространѐнных факторов 
вовлекаются в выбор путей 
сплайсинга. Это привело к 
концепции 'cellular codes', 
которые составляются за счѐт 
определенных комбинаций 
регуляторных факторов.


Альтернативный сплайсинг – полигон 
для апробации новых генов без потери 
старых (М.С.Гельфанд etc.)

 Сайты альтернативного сплайсинга чаще возникают или 
утрачиваются чем сайты конститутативного сплайсинга.
 Альтернативные геномы эволюционируют быстрее (по 
числу и синонимичных, и несинонимичных мутаций)
 Сравнение шимпанзе и человека показало наличие 
движущего отбора в альтернативных экзонах. (Kn/Ks>1)



Похожие:

Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconДипломная работа написана под научным
Сначала на межличностном уровне, затем на уровне семей, племен, народностей, наций, теперь же — на уровне народов всей планеты. Это...
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  icon  Анатолий Васильевич Луначарский  
...
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconДетская  литература  на  Украине  создается  не  только  писателями  сугубо,  так 

Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconАналитический отчет по результатам исследования предвыборной кампании политической партии “Правое Дело” Научный
Важность проработки имиджа лидера, как на уровне когнитивной подготовки (в виде качественных программных документов), так и на уровне...
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  icon«1984» дж. Оруэлла и «МЫ» Е. Замятина
Оруэллу образцом, было «Мы». Как и «1984», «Мы» это «антиутопия» и многие критики считают, что вся работа Оруэлла – всего лишь английская...
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconНовогодний вечер для старшеклассников ведущий
Сегодня у нас особенный день, где в центре событий станем все мы с вами и сегодня только от нас зависит как мы проведём наше время....
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconСказка о людях для людей   12 
...
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconРабочая программа дисциплины «экономическая теория» Рекомендуется для направления подготовки
Целью дисциплины является изучение основных теоретических положений, раскрывающих сущность экономических явлений и процессов, которые...
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  iconНедели или совершал проступки. Эта мера применялась как  к отдельным лицам, так и к целым коллективам и даже районам
Доски позора, или «черные доски», существовали в ссср  в 20-30-е годы прошлого века как система психологического и 
Зоологам не только изучать  морфологию, но и пытаться понять как эта морфология  создается на молекулярно генетическом уровне - как в  процессе эмбриогенеза, так и в филогенетическом  icon© Б. Чарнявска  процесс  организации:  как  его  изучать и  как  писать  О  нем
Барбара Чарнявска (Czarniawska) – профессор Гетеборгского исследовательского инсти
Разместите кнопку на своём сайте:
TopReferat


База данных защищена авторским правом ©topreferat.znate.ru 2012
обратиться к администрации
ТопРеферат
Главная страница