geny ako historicke dokumenty

Molekulárna evolúcia

Molekulárna evolú

GÉNY AKO HISTORICKÉ DOKUMENTY

GÉNY AKO HISTORICKÉ DOKUMEN

Prof

P

. RNDr

RN

. Juraj

Ju

Krajčovič

Krajčo

, CSc

C

.

Ústav bunkovej biológie

Ústav bunkovej bioló

, Prírodovedecká fakulta

Prírodovedecká faku

,

Univerzita Komenského

Univerzita Komenské

v Bratislave

Bratisla

Mimoriadne pozoruhodné na

súčasných objavoch v

molekulárnej biológii je i to,

že poukazujú na bohatstvo

informácií o evolúcii

organizmov, ktoré je ukryté v

bunke, konkrétne v nej uloženej

genetickej informácii (DNA)

Gény (resp. ich produkty –

RNA a bielkoviny) ako

historické dokumenty – živé

kroniky, ktoré dokumentujú

evolúciu ich nositeľov

Molekulárna biológia priniesla úplne nové metódy, ktorými

je možné študovať evolučné vzťahy medzi organizmami.

Sformovala sa nová biologická disciplína – molekulárna evolúcia.

Organizmy, o ktorých na základe podobnosti v anatomických, či

fyziologických znakoch predpokladáme, že sú blízko príbuzné, majú

vyššie percento homológie v sekvencii génov (proteínov), v porovnaní s

menej príbuznými druhmi.

Ak sa sekvencie nukleotidov v porovnávaných génoch (resp. AK v

proteínoch) z dvoch organizmoch líšia len minimálne, znamená to, že

príslušnú sekvenciu zdedili po nedávnom spoločnom predkovi.

Živé kroniky

Pri rekonštrukcii procesu evolúcie nie sme teda odkázaní len na

paleontologické nálezy.

Bunka si zachováva záznam o svojej evolúcii:

(i) v charaktere jej vlastných metabolických procesov,
(ii) hlbšie – v poradí aminokyselín v bielkovinách,
(iii) principiálne – v poradí nukleotidov v nukleových
kyselinách.

Tieto "živé fosílie" sú potenciálne oveľa

bohatšie a rozsiahlejšie ako skutočné

fosílne pozostatky a siahajú ešte oveľa

ďalej – až k počiatkom bunky, do

obdobia, keď existoval spoločný predok

všetkého živého.

Porovnávacie analýzy informačných makromolekúl

Porovnávacie analýzy informačných makromolek

(nukleové kyseliny, bielkoviny)

kvantitatívna miera pre stanovenie evolučného vzťahu
medzi súčasťami bunky, bunkami, organizmami,
populáciami atď.

Zuckerkandl a Pauling (1965)

"Molekuly ako dokumenty

evolučnej histórie"

– molekulárna revolúcia

v biológii.

Strom A zobrazuje všeobecne

akceptovaný pohľad na evolúciu

primátov okolo roku 1960.

Strom B zostrojili Sarich a

Wilson (1967) na základe

imunologických porovnávacích

štúdií (albumín sér). Správnosť

stromu B, spolu s časom

divergencie 5 miliónov rokov

(podľa stromu A – 15 miliónov),

bola následne potvrdená aj

pomocou analýz ďalších

molekulárno-biologických údajov.

Jediným rozdielom oproti súčasnosti je

posúdenie otázky príbuznosti človeka,

šimpanza a gorily. Dnes sa všeobecne

akceptuje, že šimpanz je bližším

príbuzným človeka ako gorila

(podľa Page a Holmes 1998).

Ako molekulárno-biologické

údaje zmenili obraz pôvodu

č

loveka.

20 rokov po tzv. Sarich-Wilsonov míľniku sa na základe ďalších

paleontologických nálezov potvrdilo, že Ramapihecus nepatrí do

vývojovej línie človeka, ale orangutana.

Výsledky ďalších molekulárno-biologických štúdií boli nielen v súlade s

novou konštrukciou fylogenetického stromu primátov, ale ukázali aj, že

šimpanz je bližším príbuzným človeka ako gorila.

Najnovšie porovnávania rozsiahlych úsekov genómu človeka a

šimpanza dokumentujú, že rozdiel medzi nimi je asi len 1,5%, a to

pritom veľká väčšina odlišností sa týka nekódujúcich sekvencií.

Molekulové hodiny

Molekulové hod

Molekuly sa vyvíjajú približne

rovnakou rýchlosťou a rozdiely

medzi podobou homologickej

molekuly u predstaviteľov dvoch

rôznych druhov sú úmerné času,

ktorý uplynul od odčlenenia sa

oboch druhov od spoločného

predka.

Mutácie sa hromadia viac menej

konštantnou rýchlosťou vo

všetkých vývojových líniách, pokiaľ

si daná informačná molekula

zachováva svoju pôvodnú funkciu.

Informačné

Informač

makromolekuly

makromolek

v

úlohe biologickej

úlohe biologick

č

asomiery

č

asomi

Odhalenie fenoménu

"evolučné, fylogenetické, resp.

molekulové hodiny" – jeden z najväčších objavov 20. storočia.

Ich princíp sa spája s Kimurovou teóriou tzv. neutrálnej

evolúcie (Kimura 1983), čo približuje citát: "Skutočnosť, že v

rôznych organizmoch rozdielne (no zjavne príbuzné)

molekulové sekvencie vykonávajú rovnakú molekulovú

funkciu naznačuje, že väčšina zo zmien, ktoré sa postupne

zafixovali v tej-ktorej molekulovej sekvencii sú selekčne

neutrálne, t.j. nemajú žiaden fenotypový dopad."

Príklady: mutácie v nekódujúcich oblastiach alebo v tretích

pozíciách nukleotidových tripletov (v dôsledku degenerovanosti

genetického kódu v tomto prípade zmena nukleotidu nespôsobuje

zámenu aminokyseliny v kódovanej bielkovine – tzv. synonymné

substitúcie), resp.

pseudogény (nefunkčné kópie génov).

Sekvencie polypeptidov

Sekvencie polypeptid

ako miera evolučnej príbuznosti

ako miera evolučnej príbuzno

organizmov – molekuly odrážajú evolučnú vzdialenosť

organizmov – molekuly odrážajú evolučnú vzdialen

Druh

D

človek 0

človek

gorila

go

1

gibon

gib

2

makak

mak

8

myš

m

27

žaba

žab

67

(celková dĺžka reťazca
je 146 aminokyselín)

Č

ísla v obrázku udávajú počet rozdielov v

Č

ísla v obrázku udávajú počet rozdielo

aminokyselinovom

aminokyselinov

zložení

zlože

β

reťazca hemoglobínu príslušného organizmu a človeka

β

reťazca hemoglobínu príslušného organizmu a člove

.

Čím väčšia je evolučná vzdialenosť od človeka (biely kladogram), tým

väčší je aj počet odlišných aminokyselín (podľa Kimura 1983).

Molekulárne chronometre – konkrétne nástroje, ktoré merajú čas

v molekulových hodinách

Rýchlosť evolúcie niektorých proteínov cicavcov

proteín

rýchlosť

fibrinopeptidy

8,3

ribonukleáza

2,1

lyzozým

2,0

α-globín

1,2

myoglobín

0,89

inzulín

0,44

cytochróm c

0,3

histón H4

0,01

Rýchlosť je vyjadrená ako priemerný počet substitúcií

aminokyselín na jednej pozicií za 109 rokov (podľa Kimura 1983).

Rozdiel v rýchlosti medzi synonymnými a nesynonymnými

substitúciami v príslušnom géne ukazuje, že čím silnejšia je v danej

časti informačnej makromolekuly potreba zachovania jej funkcie, tým

pomalšia je rýchlosť jej evolúcie.

Ilustrovať to možno takmer klasicky na proinzulíne, ktorý sa skladá z

troch segmentov A, B a C (Kimura 1983).

V rámci postranslačných úprav sa segment C vyštepuje z daného

peptidu a neparticipuje na hormonálnej aktivite inzulínu.

Premieta so to do rýchlosti nesynonymných substitúcií v oblasti

kódujúcej segment C, ktorá je sedemkrát vyššia ako pri úsekoch DNA

kódujúcich segmenty A a B.

Obdobné odlišnosti možno pozorovať aj v rozdieloch evolučných

rýchlostí medzi tzv. aktívnymi miestami bielkovín, ktoré zodpovedajú

za ich funkciu a ostatnými oblasťami týchto molekúl.

Príklad – reťazce hemoglobínu. Tie časti molekuly, ktoré viažu hém

predstavujú jej aktívne centrum. Rýchlosť aminokyselinových substitúcií

je v nich desaťnásobne nižšia ako v povrchových častiach, ktoré sú

pravdepodobne funkčne menej významné.

Každý gén, prítomný v bunke, je kópiou génu,

existujúceho pred ním v bunke rodičovskej.

Nemusí to byť do detailov striktná kópia, pretože

pôvodný genetický materiál môže byť pozmenený

mutáciou, ale stopy po pôvodnom stave väčšinou

pretrvávajú.

Ak sú si dva gény podobné v rozsiahlych

úsekoch s väčším počtom nukleotidov, znamená

to, že mali spoločného predka.

Takéto geneticky príbuzné gény či ich produkty sa

nazývajú homologické, resp. ortologické (čo

predstavuje taký druh homológie, pri ktorom

sekvenčne podobné molekuly majú v rôznych

druhoch organizmov rovnakú funkciu a sú

kódované homologicky postavenými génmi, t.j. v

rovnakom lokuse).

Poradie základných stavebných kameňov v génoch, resp. v ich

produktoch, poskytuje tri druhy evolučnej informácie:

1. Možno z nich vyčítať stupeň príbuznosti medzi dvoma
organizmami. Rozsah, v akom sú dva gény pre rovnakú funkciu v
rôznych organizmoch homologické, svedčí o stupni ich príbuznosti.

2. Môžu byť mierou evolučného času. Porovnávanie súboru
homologických molekúl, ktoré pozostávajú z príbuzných sekvencií
stavebných prvkov, môže byť podkladom pre zostrojenie
fylogenetických stromov, na ktorých body rozvetvenia sú približným
vyjadrením relatívneho času bifurkácie.

3. Sú záznamom charakteristík pôvodného stavu. Porovnanie
rozsiahleho súboru primárnych štruktúr homologických molekúl
umožňuje zároveň rekonštruovať predpokladanú pôvodnú verziu génu.

Keďže vzťah medzi génom a jeho produktom (či už bielkovinou

alebo niektorým druhom RNA) je kolineárny, pre potreby

fylogenetickej analýzy je znalosť sekvencie prvkov v produkte obyčajne

rovnako užitočná ako poznanie sekvencie génu samého.

Molekulárna paleontológia

Existuje viacero príkladov dokumentujúcich skutočnosť, že počet zmien

(substitúcií aminokyselín) v bielkovine závisí len od času, a nie od

evolučných foriem, ktorými daný gén do súčasnosti prešiel.

Ak je vzdialenosť dvoch druhov organizmov od evolučného uzla

približne rovnaká, potom počty substitúcií aminokyselín sú v podstate

totožné, bez ohľadu na to, či jeden z organizmov predstavuje dlhodobo

morfologicky nezmenenú, tzv. živú skamenelinu (napr. lalokoplutvú

rybu – latimériu), resp., že vo vývojovej línii vedúcej k druhému

organizmu dochádzalo k mnohorakým zmenám za vzniku nových

biologických foriem.

Molekulárna evolúcia ”živých fosílií” poskytuje

pozoruhodný dokladový materiál nielen o konštantnej

rýchlosti molekulárnej evolúcie, ale aj o vzájomnej

nezávislosti medzi molekulárnou a morfologickou evolúciou.

Za jednu zo živých fosílií sa považuje aj žralok Heterodontus portus-

jacksoni, druh ktorý veľmi pripomína svojich fosilizovaných predkov

starých 300 miliónov rokov.

Jeho molekuly sa vyvíjali veľmi odlišne od morfológie jeho tela.
Predpokladá sa, že k zdvojeniu génov pre hemoglobín a od tohto

momentu relatívne nezávislému formovaniu sa neidentických α a β

reťazcov, došlo ešte na stupni spoločného predka cicavcov a žralokov, na

začiatku radiácie chordátov.

Mapovanie rozdielov v aminokyselinovom zložení α- a β-globínových

reťazcov môže slúžiť ako miera molekulárnej evolúcie vo vývojových

líniách vedúcich k moderným druhom živočíchov (Kimura 1983).

Čísla ukazujú, že rozdiely, ktoré sa počas evolúcie naakumulovali v

aminokyselinovom zložení α a β reťazcov hemoglobínu vo vývojovej

línii vedúcej k človeku a tej, ktorá je reprezentovaná spomínaným

archaickým žralokom, sú takmer identické, t j. 147, resp. 150

nesynonymných substitúcií.

Rýchlosť molekulárnej evolúcie v oboch odlišných vývojových

líniách je približne rovnaká, čo výrazne kontrastuje s rýchlosťou

evolúcie tvaru v oboch líniách, počas ktorej sa žralok takmer vôbec nezmenil,

kým človek sa od svojich ryby pripomínajúcich predchodcov značne vzdialil.

Okrem toho β-globínový reťazec človeka sa odlišuje ad AK zloženia α-

globínového reťazca človeka takmer identickým množstvom substitúcií

aminokyselín ako od α-globínu kapra (147, resp. 149).

α

a β globínové molekuly akumulovali zmeny približne rovnakou

rýchlosťou a nezávisle na vonkajších selekčných okolnostiach, t.j. bez

ohľadu na to, či sa α a β globíny nachádzali v rovnakom či v podstatne

odlišnom organizme.

Väčšina rozdielov, ktoré v súčasnosti pozorujeme v aminokyselinovom

zložení oboch reťazcov hemoglobínu bola v priebehu evolúcie spôsobená

neutrálnymi posunmi medzi adaptačne rovnocennými formami.

Z príkladu vidno, že zatiaľ čo rýchlosti morfologických zmien sú medzi

rôznymi evolučnými líniami stavovcov veľmi odlišné, rýchlosti evolúcie

informačných makromolekúl sú pozoruhodne podobné.

Univerzálne molekulové chronometre – ribozómové RNA

Všetky samostatne sa replikujúce štruktúry nevyhnutne vlastnia

aparát na udržiavanie a reprodukciu genetickej informácie, ako aj na

jej realizáciu – transláciu do postupnosti aminokyselín v príslušných

bielkovinách.

Väčšina veľkých molekúl, zahrnutých v týchto procesoch, musí niesť

pečať svojho pôvodu už z veľmi skorých štádií evolúcie bunky.

Museli existovať už v období pred dosiahnutím úrovne komplexnosti

prokaryotickej bunky. Preto možno očakávať, že tieto molekuly majú

potrebné vlastnosti univerzálneho fylogenetického markera.

Univerzálne molekulové chronometre – ribozómové RNA

Z molekúl, ktoré spĺňajú všetky požadované predpoklady, sú to

predovšetkým molekuly ribozómových RNA (rRNA).

Sú kľúčovou súčasťou ribozómov, organel, na ktorých sa prekladá

genetická informácia – uskutočňuje sa syntéza bielkovín.

Predpokladá sa, že vzhľadom na kardinálnu dôležitosť funkcie, ktorú

zastávajú v procese prekladu genetickej informácie, podliehajú zmenám

počas evolúcie pomaly.

Univerzálne, jadrové oblasti v rRNA z malých

ribozómových podjednotiek (podľa Gray 1988)..

Plné obdĺžniky označujú osem nesusediacich úsekov v primárnej

štruktúre rRNA (U1 až U8), ktoré vytvárajú veľmi konzervatívne

centrálne jadro sekundárnej štruktúry tejto rRNA. Dĺžka tej-ktorej

rRNA v nukleotidoch je uvedená pod menom príslušného organizmu.

Univerzálne molekulové chronometre – ribozómové RNA

Ekvivalentnosť a konštantnosť funkcie je veľmi dôležitá, pretože
rozdiely prinášajú so sebou dodatočné zmeny v sekvencii nukleotidov, čo sťažuje, ba až
znemožňuje porovnávanie, a tým dedukciu fylogenetických vzťahov.

Ribozómové RNA sú univerzálne rozšírené.

Ich ďalšou výhodou je, že prinajmenšom niektoré časti molekuly sa
menia dostatočne pomaly na to, aby pôvodné spoločné sekvencie úplne
nevymizli. Inými slovami, porovnávania sekvencií nukleotidov v rRNA, resp. v ich
génoch, umožňujú odvodzovať najhlbšie fylogenetické vzťahy.

Popri vysoko konzervatívnych úsekoch obsahujú tieto molekuly aj
úseky hypervariabilné, čo umožňuje zároveň študovať vzdialené i
blízke stupne príbuznosti.

Okrem toho sú tieto molekuly dostatočne dlhé, takže predstavujú
dostatočne veľký "štatistický súbor" pre spoľahlivú analýzu.

Zo spomenutých dôvodov sú to práve molekuly rRNA (resp. ich gény),
predovšetkým z malých ribozómových podjednotiek, z porovnávania ktorých
sa v posledných rokoch odvodzujú fylogeneticky najzávažnejšie závery.

Univerzálne molekulové chronometre – ribozómové RNA

Obrovský význam univerzálneho fylogenetického stromu

skonštruovaného na základe porovnávania rRNA spočíva v tom, že

rekonštruuje evolúciu života na našej planéte aj v tej jeho najdlhšej

etape, tzv. bunkovej, kedy neexistovali žiadne mnohobunkové organizmy

a morfologické rozdiely boli minimálne.

Toto obdobie, ktoré trvalo približne 3 miliardy rokov, sa niekedy

označuje ako vek mikroorganizmov.

Prípad floridského zubára.

Prípad floridského zubár

Vysoká rýchlosť evolúcie vírusu HIV(106 rýchlejšie ako ľudské gény

v jadre) umožňuje sledovať jeho šírenie sa v populácii

Každá vetva reprezentuje sekvenciu časti génu
env vírusu HIV-1. Sekvencie nukleotidov sa získali
od zubára a sedem jeho bývalých pacientov
(označených A až G), ktorí boli taktiež infikovaní
vírusom. Piati z týchto pacientov (A, B, C, E a G)
mali sekvencie veľmi blízko príbuzné k sekvenciám
zubára (vyznačené čiarkovaným obdĺžnikom) a zároveň
nepatrili do rizikovej skupiny pre získanie HIV, čo
naznačuje, že ich infikoval zubár. Dvaja z bývalých
pacientov (D a F), ktorí zároveň patrili do rizikovej
skupiny pre získanie HIV, mali sekvencie vírusov
významne odlišnejšie. Od sekvencií zubára sú
oddelené tzv. miestnou kontrolou, ktorú predstavujú
HIV infikovaní jedinci žijúci v okruhu 90 míľ od
zubárovej ambulancie. Pretože HIV-1 je veľmi
premenlivým vírusom, uvedené sú dve odlišné
sekvencie pre zubára a pacienta A (podľa Page a
Holmes 1998; podklady Ou et al. 1992).

Molekulárna evolúcia

Molekulárna evolú
* štúdium evolúcie informačných makromolekúl
– rýchlosť a charakter zmien,
typy procesov

* rekonštrukcia evolučnej
histórie génov, genómov,
organizmov...
– využitie
molekulárno-biologických
markerov:
v populačnej genetike,
v molekulárnej ekológii,
v molekulárnej systematike,
v konzervačnej biológii

Molekulárna systematika (syn. molekulárna fylogenetika)

− klasifikuje organizmy
na základe informácií

získaných z porovnávania

poradia stavebných prvkov

v informačných

makromolekulách

prienik

molekulárna ekológia

molekulárna evolúcia

V dôsledku širokého využívania molekulových

chronometrov vo všeobecnosti, a ribozómových RNA (resp.

ich génov) zvlášť, sa východisko pre definovanie príslušného

taxónu postupne presúva z roviny organizmovej na

bunkovú, resp. molekulovú.

DNA Barcoding

A Global Standard for Identifying Biological Specimens

The Consortium for the Barcode of Life (CBOL) is an international initiative devoted to

developing DNA barcoding as a global standard in taxonomy. CBOL has more than 130

Member Organizations from 40 countries including: *Natural history museums *Zoos *Herbaria

*Botanical gardens *University departments *Biodiversity organizations *Governmental and

intergovernmental organizations *Private biotech companies *Other research organizations

DNA Barcoding is a technique that uses a short gene sequence from a standardized region

of the genome as a diagnostic ”biomarker” for species. Different species have different DNA

barcodes, making it possible to use barcodes to: *identify specimens *discover possible new

species *to make taxonomy more effective for science and society

Príklad využitia metódy molekulových hodín pre určenie

pôvodu rias

Bhattacharya D., Medlin L.K.: Dating Algal Origin Using Molecular

Clock Methods, Protist, 155, 1, 9-10, 2004

Molekulárna ekológia

– využitie molekulárno-genetických markerov na štúdium
ekológie a evolúcie.

určovanie príbuzenských vzťahov

medzi organizmami,

populáciami,

druhmi,

i vyššími taxónmi

– metodicky čerpá

z populačnej genetiky a

molekulárnej systematiky

Konzervačná biológia

Acinonyx jubatus

(the African cheetah)

žiadna genetická

variabilita:

fyziologické abnormality,

vysoká úmrtnosť

potomstva, precitlivelosť

k infekciám, na strane

druhej bezproblémová

transplantácia kože

Porovnávacia genomika

Od roku 1995 sa začína písať história ďalšej

novej biologickej disciplíny, ktorá sa nazýva

komparatívna (porovnávacia) genomika.

Porovnávanie úplných zápisov genetickej

informácie organizmov.

baktéria Haemophilus influenzae (1,83Mbp)

(Mbp = milión párov báz) a Mycoplasma

genitalium (0,58Mbp), zástupcovia domény

Bacteria.

Vzápätí k nim pribudla znalosť úplného

zápisu genetickej informácie eukaryotického

organizmu, kvasinky – Saccharomyces

cerevisiae (13,5Mbp) (doména Eukarya).

Rok 1996 – údaj o kompletnom genóme

hypertermofilného archeónu Methanococcus

jannaschi (1,66Mbp), predstaviteľa domény

Archaea.

Obrovský nárast úplných sekvencií

nukleotidov z genómov rôznych organizmov.

Na stránkach najprestížnejších

prírodovedeckých časopisov sa stále vedú

diskusie o význame týchto poznatkov pre

modernú biológiu.

Hoci hnacou silou porovnávacej genomiky sú

hlavne biotechnologické pohnútky

s očakávanými výstupmi do humánnej

medicíny

Najväčší podiel zo spoznaných genómov
pripadá na bakteriálne patogény človeka,

očakáva sa, že nové poznatky významným

spôsobom ovplyvnia aj názory na evolúciu

organizmov.

Molekulárna Scatológia – vzorky exkrementov zozberané v teréne

sa analyzujú rôznymi spôsobmi pomocou techník molekulárnej biológie

Molekulárna paleontológia

Molekulárna antropológia

Molekulárna archeológia

Molekulárna múzeológia

Molekulárna egyptológia

Molekulárna speleológia

Starodávna DNA poskytuje úplne nový pohľad na evolúciu.

Po prvýkrát umožňuje analyzovať viacero aspektov mikroevolúcie a

populačnej genetiky v reálnom čase.

Nosným nástrojom molekulárno-biologickej analýzy historického

biologického materiálu je technika polymerázovej reťazovej reakcie

(PCR), ktorá umožňuje analyzovať minimálne množstvá

východiskového materiálu.

STARODÁVNA DNA

Ancient DNA– historická, prastará DNA

Termín sa používa na označenie procesov a postupov spätých so

získavaním a analýzou genetického materiálu z paleontologických a

archeologických nálezov, muzeálnych exponátov, herbárov (niekedy aj

klinických vzoriek).

V súčasnosti najčastejšími príkladmi

využitia starodávnej DNA je štúdium

makroevolúcie – rekoštrukcia evolučnej

histórie vyhynutých druhov

organizmov (neandertálci, zebrovitá quagga,

vták moa, mamuty, jaskynné medvede),

alebo

opätovné preskúmanie problémov

donedávna dostupných len cez štúdium

morfológie fosílií.

Starodávna DNA môže byť použitá na

kalibrovanie molekulárnych hodín bez

potreby spätosti s kalibráciou pomocou

ďalších fosílií.

Jedným z najvýznamnejších aspektov

výskumu starodávnej DNA je otázka

kontaminácie modernou DNA (zo súčasných

organizmov).

Problém je kľúčový hlavne pre analýzu

ľudského materiálu. Takmer všetky

archeologické nálezy sú kontaminované DNA

archeológov, kurátorov múzeí a pod.

Otázka autentickosti získanej DNA –

požiadavka dodržiavania veľmi prísnych

pravidiel pri práci – ochranné pomôcky,

špeciálna ventilácia, izolované priestory a pod.

Analýza pradávnych patogénov je veľkým

prísľubom – vysoké evolúčné rýchlosti pri

patogénoch – test, či získaná sekvencia je

naozaj pradávnou, odlišnou od sekvencie zo

súčasných mikroorganizmov).

Ancient Biomolecules Centre

at Oxford University

Úspešnosť analýzy spravidla klesá

úmerne veku vzoriek – absolútny vek fosílií

však nie je jediným limitujúcim faktorom.

Veľký význam má zloženie, vlhkosť a

teplota prostredia, v ktorom sa materiál

uchoval.

Priebeh PCR reakcie môže inhibovať celý

rad látok, napr. hém, cytochrómy a iné porfyríny,

fenolické látky, polysacharidy, ale aj humínové

kyseliny, ktoré sa nachádzajú vo všetkých typoch

pôd, resp. asfalt používaný pri mumifikácii v starom

Egypte.

Na opak, iné látky, napr. albumín hovädzieho séra,

blokujú činnosť inhibítorov PCR reakcie.

Preto neprekvapuje, že oblasť výskumu starodávnej

DNA nielen využíva najnovšie molekulárno-

biologické metódy, ale zároveň aj prispieva k ich

ďalšiemu rozpracovávaniu.

Hranice úspešnej analýzy – vek vzoriek

približne stotisíc rokov (v závislosti na

podmienkach uloženia).

Existujú však pokusy analyzovať aj

biologický materiál, ktorého vek je vyšší

(až niekoľko miliónov rokov).

Tento sa však musel zachovať v špeciálnom

prostredí, najčastejšie uviazol v živiciach

dávnych stromov a spolu s nimi bol

fosilizovaný (jantár).

Úspešnosť PCR analýzy starodávnej DNA závisí aj od počtu kópií

príslušných génov.

V jadre lokalizovaná genetická informácia je spravidla prítomná len v

malom počte kópií (dve pri diploidných organizmoch).

Na strane druhej genetická informácia sa v mitochondriách a v

plastidoch nachádza vo veľkom počte kópií (niekoľko sto až tisíc). Z

tohto dôvodu pravdepodobnosť jej rekonštrukcie je oveľa vyššia.

Štúdium mitochondriových génov/genómov z mŕtvych tiel organizmov

predstavuje doposiaľ najrozšírenejší typ analýz na poli starodávnej DNA.

Neandertálci a moderný človek

Neandertálci a moderný člo

Neanderthal population genetics

Údaje o rýchlosti a spôsobe evolúcie sekvencie patogénov získané

analýzou strodávnej DNA rozširujú naše vedomosti o minulosti a

budúcnosti ochorení – ich evolúcii (napr. rekonštrukcia vírusu

španielskej chrípky).

Newspaper articles during the Spanish flu pandemic of 1918 – the worst pandemic in

modern times – a disease that killed 22 million people worldwide by 1922.

The viruses of the bird flu and Spanish influenza are indeed alike. Scientists found out

that the Spanish influenza genes have a clear avian origin. But the bird flu is unlikely to

kill off half of Europe, like Spanish influenza did for one simple reason. At the

beginning of the 20th century there were no antibiotics and people were treated with

home remedies. These days, the healthcare industry is well equipped to fight the

influenza virus with modern methods.

Pôvod

Pôv

a evolúcia eukaryotickej bunky

evolúcia eukaryotickej bun

Endosymbiotické spolužitie prokaryotických buniek ⇒

nová biologická entita –

eukaryotická

eukaryotic

bunka

bun

mitochondrie a plastidy – bunkové organely s vlastnou

DNA a proteosyntetickým aparátom

Endosymbióza ako východisko eukaryotického stavu

W.H. Freeman and Co., San Francisco, 1981

Život

Živ v extrémnych

extrémny

podmienkach

podmienk

Život

Živ v extrémnych podmienkach

extrémnych podmienk

(na Zemi; i mimo nej?)

voda na Marse a mesiacoch Jupitera Európa a Callisto

Umiestnenie tzv. environmentálnych

sekvencií z neznámych archeónov v

nezakorenenej verzii univerzálneho

fylogenetického stromu.

Dendrogram je skonštruovaný na základe porovnávania

rozdielov v sekvencií nukleotidov v ribozómových RNA

z malých ribozómových podjednotiek. Environmentálne

sekvencie sa získali pomocou techniky PCR a

univerzálnych primerov pre zástupcov domény Archaea,

z celkovej DNA izolovanej z bližšie nedefinovanej

biomasy z rôznych stanovíšť. Predstavujú rRNA z

doposiaľ bližšie neurčených archeónov, ktoré sa zatiaľ

nepodarilo kultivovať. Environmentálne sekvencie sú

označené číselným a písmenovým kódom (napr. pSL22).

pJP 27 a pJP 78 sú svojim sekvenčným zložením

najbližšie k bodu vetvenia všetkých troch domén, resp.

koreňu fylogenetického stromu. Tieto sekvencie

vytvárajú hypotetickú skupinu archeónov nazvanú

"Korachaeota", do ktorej by mohli patriť teoreticky

najstarobylejšie organizmy (podľa Barns et al. 1996)

Záverečné zhrnutie

Molekuly ako živé kroniky

Molekuly ako živé kron

Molekulárna biológia podstatným spôsobom

rozširuje paletu nástrojov, ktorými je možné

analyzovať príbuzenské vzťahy medzi

organizmami v súčasnosti i ďaleko do minulosti.

Molekulárna biológia prestupuje všetkými

oblasťami biológie a významne tým ovplyvňuje

nielen skúmanie života, ale i život sám.