Горизонтальный перенос генетической информации

Июль 23, 2022

Главная
Биология
Горизонтальный перенос генетической информации

Содержание

2. вертикальная эволюция «вверх»: дупликации, появление паралогичных генов, усложнение клеточных систем и регуляторных механизмов и т.п. редукционная
3. Строго “вертикальные” отношения родства внутри вида означают, что нет перекрестного размножения, т. е. происходит строгое самооплодотворение
4. Горизонтальный (латеральный) перенос - перенос генов между организмами, как близкородственными, так и филогенетически отдаленными, принадлежащими даже
5. Сергей Васильевич Шестаков Роль горизонтального переноса генов в эволюции Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН (Москва)
6. Дарвиновская схема дивергенции
7. ...Дарвинизм не дает исчерпывающего знания проблем эволюции, в частности, не помогает понять механизм зарождения жизни. Развиваемые
8. Картина эволюционных связей у предковых прокариот Doolittle W.F. Phylogenetic Classification and the Universal Tree // Science.
9. три варианта переносов: Приобретение нового гена, для которого нет гомолога в собственном геноме и в геномах
10. Показатели наличия горизонтального переноса: нуклеотидный состав ДНК (ГЦ-содержание), который является видоспецифичным признаком. частота встречаемости в гене
11. Выгода от горизонтального переноса Новый путь биосинтеза или катаболизма; Повышение устойчивости к антибиотикам, токсинам, патогенам, новые
12. Из обзора: Koonin E.V., Makarova K.S., Arvind L. 2001. Annual Rev. Microbiol, v.55: 709-42 Горизонтальный перенос
13. Ochman H. et al. Nature. 2000. Vol. 405. P. 299-304.
14. Закономерности латерального генного переноса Доля латерально полученных генов варьирует и может достигать 10-15% от общего числа
15. Механизмы горизонтального генетического обмена коньюгация - целенаправленная передача ДНК одним организмом другому; трансформация - захват клеткой
16. Агробактерия, используя модифицированный механизм коньюгации для введения своей ДНК, совершает с растительными клетками нечто похожее на
18. Крейг Вентер 2007 г. Mycoplasma mycoides - возбудитель пневмонии коров. Mycoplasma capricolum - возбудитель козьего полиартрита
19. Южная Африка, прииск Мпоменг , ~ 2,8 км под землей, t=60°C, 20 млн лет Desulforudis audaxviator
20. радиоактивный распад урана Окисление и растворение пирита кофакторы биосинтеза сульфатредукция синтез АТФ растворение кальцита радиолиз молекул
21. гены бактерий и архей, определяющие наличие протеородопсинов - «коллективная собственность» сообщества прокариот Эпифлуоресцентная микроскопия Niels-Ulrik Frigaard,
22. Tal Dagan, Yael Artzy-Randrup, and William Martin Modular networks and cumulative impact of lateral transfer in
23. перенос 20 или более генов (823 случая) перенос 5 или более генов (3764 случая) перенос 1
26. Теория симбиогенеза Митохондрии (альфапротеобактерии) Пластиды (цианобактерии) Нуклеоцитоплазма археи? Chimera? Chronocyte?
27. Фотосинтезирующий прокариотический комплекс Chlorochromatium aggregatum Подвижная гетеротрофная анаэробная бетапротеобактерия Зеленые серные бактерии, осуществляющие бескислородный фотосинтез
28. Симбиогенез продолжается Фотосинтезирующие заднежаберные гастроподы (Sacoglossa) Handeler K., Grzymbowski Y.P., Krug P.J., Wagele H. Functional chloroplasts
29. Число общих и уникальных доменов у архей бастерий и эукариот
30. С.В. Шестаков Горизонтальный перенос генов у эукариот // Вестник ВОГиС. 2009. Том 13, № 2. С.
31. В геноме пеннатной диатомеи Phaeodactylum обнаружено 587 заимствованных у прокариот генов, что составляет 5,6% от общего
32. Раффлезия ⇐ лианы рода Tetrastigma митохондриальный ген nad1B-C Charles С. Davis and Kenneth J. Wurdack. Host-to-Parasite
33. К 2008 году описано 40 случаев горизонтального переноса митохондриальных генов от одного растения к другому Aaron
34. Цветковое растение Amborella (Новая Каледония) содержит 24 заимствованных митохондриальных гена
35. Между рисом (вверху) и просом (внизу) недавно произошел обмен генетическим материалом, несмотря на то что эти
36. Wolbachia ⇒ Drosophila ananassae Julie С. Dunning Hotopp et al. Widespread Lateral Gene Transfer from Intracellular
37. Ген Peg10 по своей структуре сходен с мобильным генетическим элементом — ретротранспозоном Sushi-ichi Ono et al.
38. ключевую роль в эволюции млекопитающих играло появление новых некодирующих регуляторных последовательностей. Не менее 16% которых сформировалось
39. Превращение «прирученных генов» мобильных элементов в транскрипционный фактор Arabidopsis (2007г.) транскрипционные факторы светочувствительных белков - FHY3
40. Эндогенный ретровирус (ENV-V) обезьян управление слиянием клеток при формировании плаценты; защита эмбриона от иммунной системы матери;
41. Замена полового процесса — горизонтальным обменом Eugene A. Gladyshev, Matthew Meselson, Irina R. Arkhipova. Massive Horizontal
42. Нормальная коловратка После поражения грибом Rotiferophthora angustispora Christopher G. Wilson, Paul W. Sherman. Anciently Asexual Bdelloid
43. Количество генов, заимствованных бделлоидной коловраткой Adineta vaga у представителей других царств, в приконцевых (А) и в
44. В ходе эволюции происходили массивные генные переносы как внутри царств, так и между ними. Многие организмы
46. Скачать презентацию

Слайд 2

вертикальная эволюция «вверх»: дупликации, появление паралогичных генов, усложнение клеточных систем и

регуляторных механизмов и т.п.
редукционная эволюция - путь «вниз»: утрата генов, функций, путей метаболизма, органелл, генеративных систем и т.д. )

Слайд 3

Строго “вертикальные” отношения родства внутри вида означают, что нет перекрестного

размножения, т. е. происходит строгое самооплодотворение двуполых (гермафродитных) организмов (например, при самоопылении растений) или бесполое (без скрещивания) размножение (в частности вегетативное).
“Горизонтальный” перенос и “сетчатое” родство внутри вида — как правило, явления обычные (“сетчатое родство” внутри вида — норма, за его пределами — исключение).

Слайд 4

Горизонтальный (латеральный) перенос -
перенос генов между организмами, как близкородственными, так

и филогенетически отдаленными, принадлежащими даже к разным царствам.
1952 г. Дж. Ледеберг и Н. Циндер (вирусная трансдукция у бактерий)
1957 г. К. Уоддингтон (возможная эволюционная роль горизонтального переноса)
1972 г. Станфордский университет (эукариоты)

Слайд 5

Сергей Васильевич Шестаков Роль горизонтального переноса генов в эволюции Институт общей генетики

им. Н.И.Вавилова РАН (Москва) Доклад, прочитанный на теоретическом семинаре геологов и биологов "Происхождение живых систем". 15-20 августа 2003

Слайд 6

Дарвиновская схема дивергенции

Слайд 7

...Дарвинизм не дает исчерпывающего знания проблем эволюции, в частности, не помогает

понять механизм зарождения жизни. Развиваемые принципы предполагают заметное место в эволюции комбинаторного видообразования и горизонтального переноса генов...

Галимов Э.М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. М.: Едиториал УРСС, 2006. 256 с.

Слайд 8

Картина эволюционных связей у предковых прокариот
Doolittle W.F. Phylogenetic Classification and the

Universal Tree // Science. 1999. Vol.284, №5423. P.2124-2128.

горизонтальный перенос генов: инструмент быстрого приобретения и возникновения новых генов, способных радикально изменить свойства клеток, расширить их адаптационный потенциал.

Слайд 9

три варианта переносов:
Приобретение нового гена, для которого нет гомолога в собственном

геноме и в геномах филогенетически родственных организмов.
Приобретение паралогичного (структурно похожего) гена с генетически отдаленным родством.
Приобретение нового гена ксенолога, функционально замещающего свой собственный ген, который при этом, как правило, элиминируется.

Слайд 10

Показатели наличия горизонтального переноса:
нуклеотидный состав ДНК (ГЦ-содержание), который является видоспецифичным признаком.

частота встречаемости в гене определенных кодонов (CTG, TTA).
отличие в положении анализируемого гена на филогенетическом дереве от большинства других генов.

Слайд 11

Выгода от горизонтального переноса
Новый путь биосинтеза или катаболизма;
Повышение устойчивости к антибиотикам,

токсинам, патогенам, новые средства нападения;
Замещение предсуществующих генов такими генами, продукты которых увеличивают эффективность функционирования клеточных систем (термоустойчивость, резистентность к ингибиторам и пр.);
Приобретение функционально нейтральных, дублирующих генов.

Слайд 12

Из обзора: Koonin E.V., Makarova K.S., Arvind L. 2001. Annual Rev.

Microbiol, v.55: 709-42

Горизонтальный перенос генов у архей и бактерий

Слайд 13

Ochman H. et al. Nature. 2000. Vol. 405. P. 299-304.

Слайд 14

Закономерности латерального генного переноса
Доля латерально полученных генов варьирует и может достигать

10-15% от общего числа генов в геноме.
Наибольшее количество переносов характерно для свободноживущих бактерий с широкими экологическими ареалами (почвенные бациллы, псевдомонады и др.).
Наименьшее число переносов обнаружено у патогенных бактерий, живущих в узких эконишах.
Переносы специфичны, поскольку приобретенный ген обнаруживается, как правило, только в клетках определенного вида или даже штамма.
Реже всего в горизонтальные переносы вовлечены гены информационных систем (транскрипции, трансляции, репликации), составляющие базовый геном.
Чаще всего в горизонтальном переносе участвуют гены операционных систем, обслуживающих метаболизм, транспортные пути, механизмы сигнальной трансдукции.
В составе приобретенных сегментов ДНК часто обнаруживаются профаги, плазмиды, гены белков, участвующих в процессах сайт-специфической и "незаконной" рекомбинации, обеспечивающей интеграцию "чужих" генов.

Слайд 15

Механизмы горизонтального генетического обмена
коньюгация - целенаправленная передача ДНК одним организмом другому;
трансформация

- захват клеткой «чужой» ДНК из внешней среды;
трансдукция - перенос в составе вирусов, плазмид, мобильных генетических элементов;
перенос в симбиотических, паразитарных и т.п. системах при физическом контакте клеток;
«случайное» включение чужих генов в ходе репарации разрывов ДНК;
половой процесс (слияние гамет+редукционное деление, кроссинговер)

Слайд 16

Агробактерия, используя модифицированный механизм коньюгации для введения своей ДНК, совершает с

растительными клетками нечто похожее на половой процесс

Опухоль, вызванная внедрением бактериальной ДНК

Agrobacterium tumefaciens

Слайд 17

Слайд 18

Крейг Вентер
2007 г.
Mycoplasma mycoides - возбудитель пневмонии коров.
Mycoplasma capricolum -

возбудитель козьего полиартрита

Обмен геномами
(прокариоты)

Carole Lartigue, John I. Glass, Nina Alperovich, Rembert Pieper, Prashanth P. Parmar, Clyde A. Hutchison Hamilton O. Smith, J. Craig Venter. Genome Transplantation in Bacteria: Changing One Species to Another // Science. 2007.

Слайд 19

Южная Африка,
прииск Мпоменг ,
~ 2,8 км под землей,
t=60°C,
20 млн лет
Desulforudis

audaxviator

Chivian D. et al. Environmental Genomics Reveals a Single-Species Ecosystem Deep Within Earth //Science. 2008. V. 322. P. 275-278.

Слайд 20

радиоактивный распад урана
Окисление и растворение пирита
кофакторы биосинтеза
сульфатредукция
синтез АТФ
растворение кальцита
радиолиз молекул воды
радиолиз

бикарбоната

Осаждение оксида железа, редуктивное растворение и освобождение фосфата

высвобождение аммония

жгутик

сигнальная трансдукция

эндоспора

фиксация азота

транспорт

БАКТЕРИЯ
Desulforudis audaxviator
«отважный странник»

Слайд 21

гены бактерий и архей, определяющие наличие протеородопсинов - «коллективная собственность» сообщества

прокариот

Эпифлуоресцентная микроскопия

Niels-Ulrik Frigaard, Asuncion Martinez, Tracy J. Mincer and Edward F. DeLong. Proteorhodopsin lateral gene transfer between marine planktonic Bacteria and Archaea// Nature 439, 847-850 (16 February 2006)

Слайд 22

Tal Dagan, Yael Artzy-Randrup, and William Martin Modular networks and cumulative

impact of lateral transfer in prokaryote genome evolution // PNAS. 2008. VI. 105. P. 10039-10044

Слайд 23

перенос 20 или более генов (823 случая)
перенос 5 или более генов

(3764 случая)

перенос 1 или более генов (15127 случаев)

Трехмерная схема эволюции прокариот

Слайд 24

Слайд 25

Слайд 26

Теория симбиогенеза
Митохондрии
(альфапротеобактерии)
Пластиды
(цианобактерии)
Нуклеоцитоплазма
археи?
Chimera?
Chronocyte?

Слайд 27

Фотосинтезирующий прокариотический комплекс
Chlorochromatium aggregatum
Подвижная гетеротрофная анаэробная бетапротеобактерия
Зеленые серные бактерии, осуществляющие бескислородный

фотосинтез

Слайд 28

Симбиогенез продолжается
Фотосинтезирующие заднежаберные гастроподы (Sacoglossa)
Handeler K., Grzymbowski Y.P., Krug P.J., Wagele

H. Functional chloroplasts in metazoan cells - a unique evolutionary strategy in animal life // Frontiers in Zoology, 6:28 (2009)

Слайд 29

Число общих и уникальных доменов у архей бастерий и эукариот

Слайд 30

С.В. Шестаков Горизонтальный перенос генов у эукариот // Вестник ВОГиС. 2009.

Том 13, № 2. С. 345-354.

«переваривание» клеток

вторичный
эндосимбиоз
(цианобактерии)

протеобактерии и др.

бактерии, растения

«хищник»

многоклеточный ансамбль

зеленые водоросли

Слайд 31

В геноме пеннатной диатомеи Phaeodactylum обнаружено 587 заимствованных у прокариот генов,

что составляет 5,6% от общего числа генов в геноме. Более половины из этих генов (56%) есть также и у центрической диатомеи Thalassiosira

Phaeodactylum
геном прочитан в 2008 г.

Thalassiosira
геном прочитан в 2004 г.

Bowler С, et al. The Phaeodactylum genome reveals the evolutionary history of diatom genomes // Nature. Advance online publication 15 October 2008.

170 генов от красных водорослей

Слайд 32

Раффлезия ⇐ лианы рода Tetrastigma
митохондриальный ген nad1B-C
Charles С. Davis and Kenneth

J. Wurdack. Host-to-Parasite Gene Transfer in Flowering Plants: Phylоgenetic Evidence from Malpighiales // Science. 2004. V. 305. P. 676 - 678.

Слайд 33

К 2008 году описано 40 случаев горизонтального переноса митохондриальных генов от

одного растения к другому

Aaron O. Richardson and Jeffrey D. Palmer. Horizontal gene transfer in plants // Journal of Experimental Botany. 2007. V. 58. P. 1-9.

Слайд 34

Цветковое растение Amborella (Новая Каледония) содержит 24 заимствованных митохондриальных гена

Слайд 35

Между рисом (вверху) и просом (внизу) недавно произошел обмен генетическим материалом,

несмотря на то что эти виды разошлись не менее 30 млн лет назад и не могут скрещиваться друг с другом (фото с сайтов http://www.frontrange.ca/ и http://www.rz.uni-karlsruhe.de/)

Случай обмена ядерными генами

Слайд 36

Wolbachia ⇒ Drosophila ananassae
Julie С. Dunning Hotopp et al. Widespread Lateral

Gene Transfer from Intracellular Bacteria to Multicellular Eukaryotes // Science. Published Online August 30, 2007.

Слайд 37

Ген Peg10 по своей структуре сходен с мобильным генетическим элементом —

ретротранспозоном Sushi-ichi

Ono et al. Deletion of Peg10, an imprinted gene acquired from a retrotransposon, causes early embryonic lethality // Nature Genetics. Advanced online publication. doi:10.1038/ng1699

ДРЕВНИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИЕ «ЗАРАЗИЛИСЬ» ПЛАЦЕНТОЙ

молекулярное одомашнивание

Слайд 38

ключевую роль в эволюции млекопитающих играло появление новых некодирующих регуляторных последовательностей.

Не менее 16% которых сформировалось из фрагментов МГЭ

Короткохвостый опоссум - Monodelphis domestica

Т. S. Mikkelsen et al. Genome of the marsupial Monodelphis domestica reveals innovation in non-coding sequences // Nature. 2007. V. 447. P. 167-177.

Слайд 39

Превращение «прирученных генов» мобильных элементов в транскрипционный фактор
Arabidopsis
(2007г.)
транскрипционные факторы светочувствительных

белков - FHY3 и FAR1,
произошедшие от транспозаз

R. Lin, L. Ding, С. Casola, D. R. Ripoll, С. Feschotte, H. Wang. Transposase-Derived Transcription Factors Regulate Light Signaling in Arabidopsis // Science. 2007. V. 318. P. 1302-1305.

Слайд 40

Эндогенный ретровирус (ENV-V) обезьян
управление слиянием клеток при формировании плаценты;

защита эмбриона от иммунной системы матери;
защита эмбриона от «диких» ретровирусов.

Anders L Kjeldbjerg, Palle Villesen, Lars Aagaard, Finn Skou Pedersen. Gene conversion and purifying selection of a placenta-specific ERV-V envelope gene during simian evolution //BMC Evolutionary Biology. 2008. V. 8. P. 266

Слайд 41

Замена полового процесса — горизонтальным обменом
Eugene A. Gladyshev, Matthew Meselson, Irina

R. Arkhipova. Massive Horizontal Gene Transfer in Bdelloid Rotifers // Science. 2008. V. 320. P. 1210-1213.

Слайд 42

Нормальная коловратка После поражения грибом
Rotiferophthora angustispora
Christopher G. Wilson, Paul W. Sherman.

Anciently Asexual Bdelloid Rotifers Escape Lethal Fungal Parasites by Drying Up and Blowing Away // Science. 2010. V. 327. P. 574–576.

Бегство от эволюционного проигрыша

Слайд 43

Количество генов, заимствованных бделлоидной коловраткой Adineta vaga у представителей других царств,

в приконцевых (А) и в центральных (В) участках хромосом. Noncoding — некодирующие участки ДНК; Foreign — гены, несомненно заимствованные у представителей других царств; Indeterminate — гены, чье “чужеродное” происхождение под вопросом; Metazoan — гены, явно имеющие животное происхождение, то есть либо “свои”, либо заимствованные у других других животных; Transposons, LTR retrotransposons, Retroelements — мобильные генетические элементы.

Слайд 44

В ходе эволюции происходили массивные генные переносы как внутри царств, так

и между ними.
Многие организмы (в первую очередь прокариоты) участвовали в горизонтальных переносах как "проточные" емкости.
Не только сам геном, но и механизмы горизонтального переноса генов являются объектами эволюционного процесса.
Геофизические, климатические, экологические факторы, безусловно, влияют на уровень и диапазон латерального переноса генов и, тем самым, на темпы и направления биологической эволюции.

Горизонтальный перенос генетической информации

Содержание

вертикальная эволюция «вверх»: дупликации, появление паралогичных генов, усложнение клеточных систем и

Строго “вертикальные” отношения родства внутри вида означают, что нет перекрестного

Горизонтальный (латеральный) перенос - перенос генов между организмами, как близкородственными, так

Сергей Васильевич Шестаков Роль горизонтального переноса генов в эволюции Институт общей генетики

Дарвиновская схема дивергенции

...Дарвинизм не дает исчерпывающего знания проблем эволюции, в частности, не помогает

Картина эволюционных связей у предковых прокариотDoolittle W.F. Phylogenetic Classification and the

три варианта переносов:Приобретение нового гена, для которого нет гомолога в собственном

Показатели наличия горизонтального переноса:нуклеотидный состав ДНК (ГЦ-содержание), который является видоспецифичным признаком.

Выгода от горизонтального переносаНовый путь биосинтеза или катаболизма;Повышение устойчивости к антибиотикам,

Из обзора: Koonin E.V., Makarova K.S., Arvind L. 2001. Annual Rev.

Ochman H. et al. Nature. 2000. Vol. 405. P. 299-304.

Закономерности латерального генного переносаДоля латерально полученных генов варьирует и может достигать

Механизмы горизонтального генетического обменаконьюгация - целенаправленная передача ДНК одним организмом другому;трансформация