Εξερευνώντας την Εξέλιξη Κεφάλαιο 7

Εξερευνώντας την Εξέλιξη Κεφάλαιο 7

Εξερευνώντας την Εξέλιξη Σχέση μεταξύ αλληλουχίας αμινοξέων, δομής και λειτουργίας πρωτεϊνών Καταγωγή από έναν κοινό πρόγονο Εξελικτική Συγγένεια/Προέλευση

Δύο ομάδες ομολόγων Ομολογία: Δύο μόρια λέγεται ότι είναι ομόλογα εάν έχουν προκύψει από έναν κοινό πρόγονο, και χωρίζονται σε δύο ομάδες: τα ορθόλογα και τα παράλογα Τα ομόλογα τα οποία παρουσιάζουν πανομοιότυπες ή παρόμοιες λειτουργίες σε διαφορετικούς οργανισμούς ονομάζονται ορθόλογα, ενώ τα ομόλογα τα οποία παρουσιάζουν διαφορετικές λειτουργίες στον ίδιο οργανισμό ονομάζονται παράλογα.

Ομολογία: Ομοιότητες και διαφορές μεταξύ αλληλουχίας αμινοξέων Αιμοσφαιρίνη & Μυοσφαιρίνη: Συγκρατούν μία ομάδα αίμης, διαθέτουν δύο α και δύο β υπομονάδες (ή αλυσίδες) Η Αιμοσφαιρίνη α διαθέτει 141 αμινοξέα ενώ η Μυοσφαιρίνη α διαθέτει 153 αμινοξέα Μεταφέρει Ο2 στο αίμα Δεσμεύει Ο2 στους μυς ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΙΣΗ

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων Σύγκριση των αλληλουχιών Επάλληλη μετατόπιση Ταύτιση ζευγών αμινοξέων κατά την αντιστοίχιση Γραφική παράσταση η οποία αποτυπώνει τις ταυτότητες ανά ζεύγη αμινοξέων κατά την διαδικασία της επάλληλης μετατόπισης & αντιστοίχισης

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων Σύγκριση των αλληλουχιών Αντιστοίχιση με την εισαγωγή ανοιγμάτων στην μία από τις ακολουθίες. Ανοίγματα εισάγονται Για να αντισταθμιστούν οι εισδοχές ή απαλείψεις νουκλεοτιδίων που έχουν συμβεί στα γονίδια * * * * Η αντιστοίχιση με την εισαγωγή ανοιγμάτων έχει σαν αποτέλεσμα την ταύτιση 38 ζευγών αμινοξέων (με την επάλληλη μετατόπιση ο μέγιστος αριθμός ήταν ταύτιση 23 ζευγών)

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων Ηδημιουργία μιας ανακατεμένης αλληλουχίας αμινοξέων μιας ακολουθίας η οποία αναδιατάσσεται τυχαία με στόχο την εκτίμηση των αντιστοιχίσεων ANAKATEMA Στατιστική σύγκριση βαθμών αντιστοιχίσεων Οι βαθμοί αντιστοιχίσεων υπολογίζονται για πολλές ανακατεμένες ακολουθίες. Το γράφημα δείχνει μία κατανομή βαθμών αντιστοιχίσεων που συμβαίνει στην τύχη. Ο βαθμός αντιστοίχισης της αιμοσφαιρίνης α και της μυοσφαιρίνης (με κόκκινο), είναι σημαντικά μεγαλύτερος από κάθε άλλο βαθμό. Το γεγονός αυτό δηλώνει ότι η ομοιότητα των ακολουθιών είναι στατιστικά σημαντική

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων Διαγραμματική όψη του πίνακα υποκαταστάσεων Blosum-62 όπου φαίνεται η συχνότητα υποκατάστασης των 20 αμινοξέςων. Ο βαθμός υποκατάστασης, βρίσκεται ως εξής: Για την αντικατάσταση π.χ. μιας Η από μία Υ Βρίσκουμε την Υ στην στήλη της Η που βρίσκεται μέσα σε πλαίσιο και σημειώνεται ο αριθμός στα αριστερά. Στην περίπτωση αυτή είναι 3.

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων Αντιστοίχιση με τη σημείωση των συντηρητικών υποκαταστάσεων. Η αντιστοίχιση της αιμοσφαιρίνης α και της μυοσφαιρίνης. Οι συντηρητικές υποκαταστάσεις Σημειώνονται με κίτρινο χρώμα και οι ομοιότητες με πορτοκαλί.

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων Αντιστοίχιση της ανθρώπινης μυοσφαιρίνης και της ψυχανθο-αιμοσφαρίνης στο λούπινο. Η χρήση του πίνακα Blosum-62 δίνει αντιστοίχιση που φαίνεται μεταξύ της ανθρώπινης μυοσφαιρίνης και της ψυχανθο-αιμοσφαιρίνης (λούπινο) απεικονίζοντας τις ταυτότητες (πορτοκαλί) και τις συντηρητικές υποκαταστάσεις (κίτρινο). Οι αλληλουχίες αυτές είναι ταυτόσημες κατά 23%.

Συντήρηση αλληλουχίας αμινοξέων & Συντήρηση τριτοταγούς δομής Η τρισδιάστατη δομή είναι περισσότερο συνδεδεμένη με τη λειτουργία από ότι η αλληλουχία. Η τριτοταγής δομή είναι πιο συντηρημένη εξελικτικά από ότι η πρωτοταγής δομή. Οι τριτοταγείς δομές της ανθρώπινης αιμοσφαιρίνης (αλυσίδας α), της ανθρώπινης μυοσφαιρίνης και της ψυχανθο-αιμοσφαιρίνης (λούπινο) είναι συντηρημένες. Κάθε πρωτεΐνη διαθέτει μία ομάδα αίμης περιέχει ένα ιόν σιδήρου στο οποίο δεσμεύεται οξυγόνο.

Συντήρηση αλληλουχίας αμινοξέων & Συντήρηση τριτοταγούς δομής Ομοιότητες στην τρισδιάστατη δομή μεταξύ πρωτεϊνών με παρόμοια δομή & διαφορετική δράση Ακτίνης και Hsp-70 70: Δύο παράλογες πρωτεΐνες ( ~15% ταυτότητα αλληλουχίας) Ηδομική ομοιότητα τους δηλώνει ότι παρά τον διαφορετικό τους βιολογικό ρόλο στους σύγχρονους οργανισμούς, προέκυψαν από έναν κοινό πρόγονο.

Αντιστοίχιση αλληλουχίας Εσωτερικών Επαναλήψεων (Α) Αντιστοίχιση των αλληλουχιών δύο επαναλήψεων της πρωτεΐνης η οποία προσδένεται στο πλαίσιο ΤΑΤΑ. Η επανάληψη του Ν-τελικού άκρου φαίνεται πράσινη ενώ η επανάληψη του C-τελικού άκρου φαίνεται μπλε. (Β) Δομή της πρωτεΐνης που προσδένεται στο πλαίσιο ΤΑΤΑ. Η Ν-τελική δομική περιοχή φαίνεται πράσινη και η C-τελική περιοχή φαίνεται μπλε. 65 156 109 200

Αντιστοίχιση αλληλουχίας Εσωτερικών Επαναλήψεων Αυτο-διαγώνιος Γραφική παράσταση για την πρωτεΐνη που προσδένεται στο πλαίσιο ΤΑΤΑ από το φυτό Arabidopsis. Υποδεικνύει επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες αμινοξέων που αντιστοιχίζονται με τον εαυτό τους. Τα κόκκινα σημεία που δείχνουν την αντιστοίχιση αμινοξέων, εμφανίζονται όπου δύο ή περισσότερα αμινοξέα στην σειρά ταυτίζονται Γραμμές σημείων που τονίζονται με ροζ και είναι παράλληλες στην κεντρική διαγώνιο υποδηλώνουν μια εσωτερική επανάληψη.

Αντιστοίχιση αλληλουχίας αμινοξέων & Μοριακή Προσομοίωση Η αντιστοίχιση των αλληλουχιών των πρωτεϊνών μπορεί να δώσει πληροφορίες για την εξέλιξη και για την συντήρηση αλληλουχιών. Σε οικογένειες ομολόγων πρωτεϊνών παρουσιάζεται υψηλή συντήρηση. Η συντήρηση της αλληλουχίας σε μία οικογένεια ομόλογων πρωτεϊνών, για τις οποίες τουλάχιστον μία τρισδιάστατη δομή είναι γνωστή, αποκαλύπτει περιοχές και αμινοξέα τα οποία είναι κρίσιμα για την λειτουργία της πρωτεΐνης. Ηαναγνώριση τέτοιων συντηρημένων τμημάτων/αμινοξέων σε μία οικογένεια πρωτεϊνών μπορεί να οδηγήσει: Στην αναγνώριση νέων μελών της οικογένειας Στην μοριακή προσομοίωση τρισδιάστατων δομών πρωτεϊνών για τις οποίες δεν έχει επιτευχθεί η πειραματική επίλυση της δομής τους (Χ-ray & NMR). Οι δομές πρωτεϊνών, οι οποίες είναι χαρακτηριστικά μέλη της οικογένειας χρησιμοποιούνται ως εκμαγεία αλληλουχιών ΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ...

Συγκλίνουσα εξέλιξη Συγκλίνουσα Εξέλιξη: Δύο διαφορετικές εξελικτικές πορείες οδηγούν στην ίδια λύση δηλ. δύο τυχαίες πρωτεΐνες καταλήγουν να μοιάζουν μεταξύ τους. Το παράδειγμα των σερινοπρωτεασών (ένζυμα που υδρολύουν πεπτιδικούς δεσμούς): Χαρακτηριστικές ομοιότητες της διαμόρφωσης των κομβικών αμινοξέων στο ενεργό κέντρο της Χυμοθρυψίνης και της Σουπτιλισίνης. Ενεργά κέντρα των Σερινοπρωτεασών Χυμοθρυψίνη & Σουμπτιλισίνη Παρατηρείστε την σχετική θέση των Πλευρικών αλυσίδων των αμινοξέων Σερίνη, Ιστιδίνη & Ασπαρτικό οξύ. Ο δεσμός-η μεταξύ Ser-His-Asp διατηρείται...!!!! Τι συμβαίνει όμως με την τρισδιάστατη δομή τους?????

Συγκλίνουσα εξέλιξη Συγκλίνουσα Εξέλιξη: Δύο διαφορετικές εξελικτικές πορείες οδηγούν στην ίδια λύση δηλ. δύο τυχαίες πρωτεΐνες καταλήγουν να μοιάζουν μεταξύ τους. Το παράδειγμα των σερινοπρωτεασών (ένζυμα που υδρολύουν πεπτιδικούς δεσμούς): Οι τρισδιάστατες δομές της Χυμοθρυψίνης και της Σουπτιλισίνης διαφέρουν σημαντικά. Συνεπώς: η πιθανότητα για ύπαρξη εξελικτικής σχέσης μεταξύ τους είναι μικρή

Σύγκριση Αλληλουχιών RNA Ησύγκριση ομολόγων αλληλουχιών RNA μπορεί να είναι πηγή πληροφοριών για Για τις εξελικτικές σχέσεις Για τα δομικά χαρακτηριστικά και τις τρισδιάστατες δομές του RNA Σύγκριση αλληλουχιών RNA: (Α) Σύγκριση σε ένα τμήμα ριβοσωματικού RNA που απομονώθηκε από μια ποικιλία ειδών. (Β) Η συνεπαγόμενη δευτεροταγής δομή. Οι ράβδοι δείχνουν τις θέσεις στις οποίες τα ζεύγη βάσεων Watson-Crick είναι πλήρως συντηρημένα στην αλληλουχία που φαίνεται, ενώ οι τελείες δείχνουν τις θέσεις στις οποίες τα ζεύγη βάσεων Watson-Crick είναι συντηρημένα στις περισσότερες θέσεις

Αλληλουχίες αμινοξέων και Εξελικτικά Δένδρα Ένα εξελικτικό δένδρο για τις σφαιρίνες. Η διακλαδιζόμενη δομή συμεραίνεται από συγκρίσεις αλληλουχιών, ενώ τα αποτελέσματα μελετών απολιθωμάτων έδωσαν την συνολική χρονική κλίμακα που δείχνει πότε συνέβη ο διαχωρισμός

Η σμέρνα & οι πρόγονοι της Είναι ένας μη γναθωτός ιχθύς του οποίου οι πρόγονοι διαχωρίστηκαν από τους οστεοϊχθείς πριν από περίπου 400 εκατομμύρια χρόνια. Η σμέρνα περιέχει μόρια αιμοσφαιρίνης τα οποία έχουν μόνον ένα τύπο πολυπεπτιδικής αλυσίδας

Ο Homo Sapiens και οι «άλλοι» Οάνθρωπος του Neanderthal διαχωρίστηκε από τον Homo Sapiens σε κάποια χρονική στιγμή Και στην συνέχεια εξαφανίστηκε... Αντίθετα... ο Ηοmo Sapiens συνεχίζει να υφίσταται...και προσπαθεί ο ίδιος να εξαφανίσει το είδος του. Η σύγκριση αλληλουχιών DNA αποκάλυψε ότι ο Neanderthal δεν βρίσκεται στην γραμμή άμεσης καταγωγής η οποία κατέληξε στον Homo Sapiens.

Πειραματική Διερεύνηση της Μοριακής Εξέλιξης Οι τρεις απαραίτητες διαδικασίες για την εξέλιξη: Δημιουργία ενός διαφορετικού πληθυσμού Επιλογή μελών του πληθυσμού βάσει κάποιου κριτηρίου καταλληλότητας Αναπαραγωγή για τον εμπλουτισμό του πληθυσμού με τα πιο κατάλληλα μέλη Τα μόρια των νουκλεΐνικών οξέων είναι ικανά να υποστούν τις 3 αυτές διεργασίες RNA μόρια τυχαίας αλληλουχίας συντίθενται μέσω συνδυαστικής χημείας. Επιλέγονται βάση της ικανότητας Δέσμευσης ΑΤΡ (πέρασμα από στήλη ΑΤΡ) Τα μόρια RNA που δεσμεύουν ΑΤΡ ελευθερώνονται από τη στήλη με έκπλυση (περίσσεια RNA) Η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Τα τελικά προϊόντα RNA με σημαντική ικανότητα δέσμευσης ΑΤΡ απομονώνονται και χαρακτηρίζονται

Πειραματική Διερεύνηση της Μοριακής Εξέλιξης Μόριο RΝΑ που δεσμεύει ΑΤΡ (A) Το πρότυπο ζευγαρώματος βάσεων Watson-Crick. (B) Το πρότυπο αναδίπλωσης του μορίου RNA όπως προσδιορίστηκε με μεθόδους Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR). Δεσμευμένη ΑΤΡ (Γ) Η αναπαράσταση της επιφάνειας του RNA μορίου που επελέγη να δεσμεύει ΑΤΡ. Θέση δέσμευσης ΑΤΡ

Ανασκόπηση Κεφαλαίου 7 Τα ομόλογα μόρια κατάγονται από έναν κοινό πρόγονο. Τα παράλογα είναι ομόλογα μόρια τα οποία απαντούν σε ένα είδος και διαφοροποίησαν την λειτουργία τους δια μέσω του εξελικτικού χρόνου. Τα ορθόλογα είναι ομόλογα μόρια που απαντούν σε διαφορετικά είδη και διαθέτουν παρόμοιες ή ταυτόσημες λειτουργίες. Η στατιστική ανάλυση αντιστοιχίσεων αλληλουχιών μπορεί να ανιχνεύει ομολογίες Η ανίχνευση στατιστικά σημαντικής αντιστοίχισης μεταξύ δύο αλληλουχιών: (α) δείχνει ότι δύο αλληλουχίες σχετίζονται δια μέσου αποκλίνουσας εξέλιξης με έναν κοινό πρόγονο. (β) καθιστά πιθανή την ανίχνευση ακόμη πιο μακρινών εξελικτικών σχέσεων (γ) μπορεί επιτύχει αναγνώριση συγγενών αλληλουχιών (στον ίδιο ή σε άλλον οργανισμό) (δ) στην προσομοίωση δομών βιομορίων που διαθέτουν υψηλή ομολογία αλλά των οποίων η δομή δεν έχει διευκρινισθεί. Η εξέταση των τρισδιάστατων δομών ενισχύει τις γνώσεις για τις εξελικτικές σχέσεις. Η εξελικτική συγγένεια αποτυπώνεται όχι μόνο στην αλληλουχία των αμινοξέων αλλά και στην τρισδιάστατη δομή. Ο συνδυασμός των παραπάνω έχει αποδώσει σημαντικές πληροφορίες για εξελικτικές σχέσεις που δεν μπορούσαν να προσδιοριστούν με άλλο τρόπο. Εξελικτικά δένδρα είναι δυνατόν να κατασκευαστούν με βάση της πληροφορίες αλληλουχιών. Σύγχρονες τεχνικές καθιστούν εφικτή την πειραματική εξερεύνηση της εξέλιξης