Molekularna księga rodzaju

Prezentacja na temat: "Molekularna księga rodzaju"— Zapis prezentacji:

1 Molekularna księga rodzaju
O filogenetyce molekularnej, współczesnej nauce badania pokrewieństw miedzy organizmami Jan Kwiatowski Instytut Botaniki UW

2 ja i agawa Jak różne są te dwa organizmy?
Stopień pokrewieństwa może być oszacowany na podstawie podobieństwa Kłopot może sprawiać brak cech dostępnych do analizy porównawczej Stopień pokrewieństwa może być oszacowany na podstawie podobieństwa Jak różne są te dwa organizmy?

3 Eugleny jak inne pierwotniaki są do siebie bardzo podobne morfologicznie,
co bardzo utrudnia badania filogenetyczne tej grupy. Eugleny jak inne pierwotniaki są do siebie bardzo podobne morfologicznie, co bardzo utrudnia badania filogenetyczne tej grupy. Dopiero ostatnio poznajemy ich rzeczywiste stosunki pokrewieństwa. Euglena Ehrenberg 1830

4 Moja córka jest bardzo podobna do mojej mamy
Moja córka jest bardzo podobna do mojej mamy, tego oczywiście nie widać tak bardzo, ale staje się to jasny gdy porównamy ich zdjęcia zrobione w tym samym wieku

5 Moi krewni po kądzieli moja siostra moja mama ja moja babcia
mój brat cioteczny moja siostra cioteczna ja moja siostra moja mama moja babcia moja ciocia Nasze stosunki pokrewieństwa są nam znane. Kiedy siedzimy przy wigilijnym stole nie mamy żadnych wątpliwości na temat naszych wzajemnych pokrewieństw i bez trudu możemy nakreślić drzewo rodowe moich najbliższych krewnych. Wspólnym przodkiem nas wszystkich jak tak siedzimy jest nasza babcia. Moja mama jest wspólnym przodkiem mnie i mojej siostry, itd. Nie musimy nic porównywać. To proste drzewo rodowe nazywamy drzewem filogenetycznym.

6 Odziedziczone podobieństwa nazywamy homologiami
Nie ma kłopotu z ustaleniem relacji pokrewieństwa miedzy tymi organizmami Ona nie ma nic przeciwko zwracaniu uwagi na to podobieństwo. Gdybym porównał ją z szympansem w zwykłej rozmowie mogłaby czuć się urażona a jej podobieństwa do muchy nawet ja nie mogę się dopatrzyć, choć ono istnieje. Dziedziczone podobieństwa nazywamy homologiami.

7 Czy ten morski ślimak jest bliżej spokrewniony z motylem czy z lwem?
Łatwo zauważyć jak mało odpowiednie do szacowania stopnia pokrewieństwa są niekiedy cechy zewnętrzne Czy ten morski ślimak jest bliżej spokrewniony z motylem czy z lwem? A jak jest z nicieniem? Jest bliżej spokrewniony ze mną czy z komarem? Na wiele tych i podobnych pytań nie mamy wciąż dobrej odpowiedzi. Łatwo zauważyć jak do szacowania stopnia pokrewieństwa mało odpowiednie są cechy zewnętrzne Czy ten morski ślimak jest bliżej spokrewniony z motylem czy z lwem? A jak jest z nicieniem? Jest bliżej spokrewniony ze mną czy z komarem? Wiele z tych i podobnych pytań jest wciąż aktualnych

8 ja i agawa Jak różne są więc te dwa organizmy?

9 Gdy porównamy pewne sekwencje makrocząsteczek nie aż tak bardzo!
5S rDNA Homo GTCTACGGCCATACCACCCTGAACGCGCCCGATCTCGTCTGATCTCGGAAGCTAAGCAGG Agave GGGTGCGATCATACCAGCACTAAGTCACCGGATCCCATCAGAACTCCGCAGTTAAGCGTG * * ** ******* * ** * ** **** * ** ** *** * ** ***** * Homo GTCGGGCCTGGTTAGTACTTGGATGGGAGACCGCCTGGGAATACCGGGTGCTGTAGGCTT Agave CTTGGGCGAGAGTAGTACTGGGATGGGTGACCTCCTGGGAAGTCCTCGTGTTGCACCCTT * **** * ******* ******* **** ******** ** *** ** * *** Prawie 70% pozycji w tym odcinku DNA jest identycznych. Więc różnię się od agawy tylko o 30%?

10 5S rDNA Dane molekularne są gotowe do analiz
Homo GTCTACGGCCATACCACCCTGAACGCGCCCGATCTCGTCTGATCTCGGAAGCTAAGCAGG Agave GGGTGCGATCATACCAGCACTAAGTCACCGGATCCCATCAGAACTCCGCAGTTAAGCGTG * * ** ******* * ** * ** **** * ** ** *** * ** ***** * Homo GTCGGGCCTGGTTAGTACTTGGATGGGAGACCGCCTGGGAATACCGGGTGCTGTAGGCTT Agave CTTGGGCGAGAGTAGTACTGGGATGGGTGACCTCCTGGGAAGTCCTCGTGTTGCACCCTT * **** * ******* ******* **** ******** ** *** ** * *** Dane molekularne są gotowe do analiz Nie są arbitralne, na ogół podlegają nieskomplikowanym naciskom selekcyjnych, bardzo łatwo je opisać liczbowo i są niezwykle obfite Tak jak cieśla wybierze inną miarkę do pomiaru długości drzwi a inną do zmierzenia grubości gwoździa, my możemy sobie dobrać odpowiednią cząsteczkę do badania każdej grupy organizmów. Można stosunkowo łatwo zaproponować modele ich ewolucji w postaci równań matematycznych Można łatwo wybrać odpowiednią sekwencję

11 Historia ziemi zapisana warstwami skał osadowych
Czas geologiczny Historia życia zapisana jest w skałach osadowych w wielu miejscach na ziemi. W warstwach tych skal uwiezione są pozostałości dawnych organizmów. Z tych pozostałości, ich wzajemnego podobieństwa można odczytać ich ewolucje i stosunki pokrewieństwa.

12 Historia pisana kośćmi
Sereno Science 284, 2137 (1999) W ten właśnie sposób odczytano historię dinozaurów, która można przedstawić w postaci drzewa rodowego. My naukowcy, używamy terminu drzewo filogenetyczne. Zapis kopalny, z natury rzeczy jest nieciągły. Linie pełne przedstawiają zapis bogaty, pozwalający na śledzenie zmian morfologicznych, linie puste brak zapisu kopalnego – brakujące ogniwa. Często używano i nadużywano argumentu brakującego ogniwa. Historia pisana kośćmi

13 Historia zapisana aminokwasami
Mysz Chomik Człowiek Torbacz Krokodyl Mysz Chomik Szympans Torbacz Krokodyl Żaba Karp Rekin Rysunek przedstawia fragment łańcucha alfa hemoglobiny z kilku kręgowców. Aminokwasy identyczne we wszystkich sekwencjach pokazane są na czerwono a takie same w większości na żółto. Więcej pozycji stałych (czerwonych) jest gdy porównuje się organizmy bliżej ze sobą spokrewnione. W oparciu o sekwencję aminokwasów (jak również DNA stosunkowo łatwo można obliczyć odległości genetyczne dzielące te organizmy a na podstawie tych odległości można zbudować drzewa filogenetyczne obrazujące stosunki pokrewieństwa. Im bliżej ze sobą są spokrewnione organizmy tym ich białka są do siebie bardziej podobne. alfa hemoglobina

14 Moi dalecy krewni Krokodyl Torbacz Ja i Szympans Mysz Chomik as l dk
Człowiek Torbacz Krokodyl Mysz Chomik Szympans Torbacz Krokodyl Torbacz Homo Chomik Chomik Mysz Ja i Szympans Torbacz Krokodyl asmdk as l dk Okazuje się że, alfa hemoglobina z człowieka i szympansa mają identyczną sekwencję, ale różnią się od białka z myszy w 20 pozycjach a od białka z chomika w 19. Łańcuchy białka z gryzoni różnią się między sobą w 15 miejscach. Mysz i chomik bez wątpienia są ze sobą bliżej spokrewnione niż każde z tych stworzeń z człowiekiem lub szympansem. Współczesne metody filogenetyczne pozwalają na oszacowanie sekwencji przodków na podstawie sekwencji współcześnie żyjących organizmów. Obecnie można nawet zsyntetyzować nieistniejące białka występujące w dawno wymarłych organizmach i zbadać ich właściwości. as l dk Wspólny przodek wszystkich as l dk Wspólny przodek ssaków as l dk as l dk

15 Miliony lat wstecz do wspólnego przodka
Człowiek – Szympans Chomik – Mysz Człowiek – Gryzonie Torbacz – Ssaki łożyskowe Krokodyl – Ssaki

16 Pierwsze drzewa molekularne
Walter Fitch and Emanuel Margoliash in 1967 to the amazement of scientific community published the first phylogenetic tree based on amino acid sequences of cytochrome c. The tree obtained from a single gene was remarkably similar to the trees obtained from other biological data. They applied the same method based on mutation distances to derive a vertebrate globin family tree. They showed relationships beetween different hemoglobin chains. Walter M. Fitch, Emanuel Margoliash Science, 155: 279 (1967)

17 Drzewo składa się z gałęzi, węzłów i liści
Korzeń – wspólny przodek Grupa monofiletyczna, naturalna (klad) Grupa parafiletyczna, nienaturalna Grupa polifiletyczna, nienaturalna Dwie grupy wywodzące się z jednego węzła to grupy siostrzane Dla filogenetyka naturalnie na drzewie wygląda tylko klad – grupa monofiletyczna. monophyletic: A group of organisms that includes their most recent common ancestor and all of its descendents. paraphyletic: A group of organisms that includes their most recent common ancestor and some but not all of its descendents. polyphyletic: A group of organisms that does not include their most recent common ancestor.

18 Moi krewni po kądzieli moja siostra moja mama ja moja babcia
Grupa monofiletyczna – klad Grupa monofiletyczna – klad mój brat cioteczny moja siostra cioteczna ja moja siostra moja mama moja babcia moja ciocia Ja i moja siostra tworzymy klad. Mój brat cioteczny, mimo że może być bardziej podobny do mnie niż moja siostra nie tworzy ze mną grupy naturalnej – kladu.

19 Mysz, żaba, ćma, mucha, agawa i człowiek
Homo All those methods give us unrooted trees. The choice of an out-group, allowing rooting of a tree is essential for obtaining a true tree.

20 Janvier (1996) wyłącza Śluzice z Kręgowców tworząc Czaszkowce
Kręgowce i Czaszkowce Janvier (1996) wyłącza Śluzice z Kręgowców tworząc Czaszkowce Krągłouste Śluzice Minogi Szczękowce Minogi i śluzice zaliczane dawniej do gromady Krągłoustych stanowią dwa pierwsze odgałęzienia czaszkowców. Czaszka symbolizuje Krągłouste nie są grupą naturalną Kręgowce Czaszkowce

21 Gady i ptaki Gady Ptaki

22 Sauria są monofiletyczne, gady nie są
Archosauria krokodyle ptaki dinozaury Lepidosauria Jaszczurki węże Ichthyosauria Zaury to gromada wielu wymarłych kopalnych gadów oraz naturalna grupa łącząca żyjące gady i ptaki czyli Sauria, którą to nazwą określano dawniej podrząd jaszczurek a obecnie to diapsydy. ?

23 Sauria Archosauria Lepidosauria Dinosauria

24 Elephantidae ? Trudno było ustalić pokrewieństwo mamuta na podstawie danych anatomicznych Jak czytać drzewo filogenetyczne. Drzewo organizmów, a drzewo genów. W skład rodziny słoniowatych (Elephantinae) wchodzą dwa gatunki słonia i mamuty. Podejmowanych było wiele prób ustalenia relacji ewolucyjnych pomiędzy mamutem M. primigenius a żyjącymi słoniami. Czy Mamut jest bardziej spokrewniony ze słoniem afrykańskim, czy azjatyckim?

25 Mitochondrialny genom mamuta
Circular genome (yellow), showing the positions of the control region and the genes encoding 22 transfer RNAs (grey boxes), 2 ribosomal RNAs and 13 proteins. The positions and relative lengths of the 46 amplification products used are depicted in blue (first set) and red (second set). Geny (żółte) i produkty cyklicznej polimerazy (niebieskie i pomarańczowe) Krause et al. (2006) Nature 439,

26 Fragment mitochon-drialnego genomu mamuta
Sekwencje mitochondrialnego genomu kilku różnych osobników mamuta są zdeponowane w bazie danych. Każda nowa sekwencja, przed opublikowaniem musi być zdeponowana. Od niedawna jest tam tez pierwsza sekwencja pełnego genomu mitochondrialnego z neandertalczyka.

27 Najbliżsi krewni mamuta
Liczby przy węzłach wskazują na stopień zaufania do nich Rogaev et al. (2006) PLoS Biol. 4: e73

28 Mitochondrialne pokrewieństwo ssaków
Copyright ©2002 by the National Academy of Sciences Najbliżsi krewni delfina Najbliżsi krewni mamuta Przystosowanie do życia w wodzie Arnason, Ulfur et al. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99,

29 Drzewo według Haeckela
In 1886 Haeckel was first to propose a system of hierarchical relationships between all living organisms as being known at his times. It consisted of four main archetypes: Animals, Plants, Protists and Monera. Fungi belonged to Plants. Since Haeckel people begin systemizing organisms on the basis of their relationships and these relationships were judged on the basis of their similarity. The Haeckel’s tree,as a representation of organism’s relationships, survived essentially unchanged for over hundred years, till the advent of molecular systematics.

30 Trzy domeny życia Carla Woese’a
Ja Agawa Dwa pierwotniaki Woese began to analyze RNA of a small ribosomal subunit in bacteria he has found out, to his astonishment, that diversity of bacterial sequences is much greater than in eukaryotic organisms considered so far as much more diversified. Moreover, prokaryotes, considered very similar to each other, proved to be divided rather robustly into two groups. These groups seemed to be at least as much distantly related to one aother, as they were to Eukaryotes. Woese proposed a division of all living organisms into three separate groups, which he called doamins - Archaea, Bacteria i Eukarya. Thus three main kingdoms ere actually at the periphery of the tree. The scheme most often used until recently divides all living organisms into five kingdoms: Monera (bacteria), Protista, Fungi, Plantae, and Animalia. This coexisted with a scheme dividing life into two main divisions: the Prokaryotae (bacteria, etc.) and the Eukaryotae (animals, plants, fungi, and protists). "prokaryotes" are far more diverse than anyone had suspected. The Prokaryotae are now divided into two domains, the Bacteria and the Archaea, as different from each other as either is from the Eukaryota, or eukaryotes. No one of these groups is ancestral to the others, and each shares certain features with the others as well as having unique characteristics of its own. Within the last two decades, a great deal of additional work has been done to resolve relationships within the Eukaryota., and many scientists feel it is just as inappropriate to lump all protists into a single kingdom as it was to group all prokaryotes. Although many revised systems have been proposed, no single one of them has yet gained a wide acceptance.

31 Sogin and Patterson 1995, zmienione
Drzewo SSU rRNA chloroplasty Popularne pod koniec ubiegłego wieku Trzy domeny Korona Eukaryota Chloroplasty i mitochondria są wśród bakterii Okazało się nieprawdziwe w kilku aspektach mitochondria Sekwencja rDNA to koń pociągowy filogenetyki molekularnej. rRNA tree additionally proved that Cyanobacteria are ancestors of chloroplast and some purple Proteobacteria are ancestors of mitochondria. It now appears that most of the biological diversity of eukaryotes lies among the protists, therefore they should not be lumped together in one kingdom. We believe that eukaryotes probably evolved from a prokaryotic ancestry between 1.6 and 2.1 billion years ago. About 60 lineages of eukaryotes have been identified thus far, but the relationships among many of them remain unclear. Sogin and Patterson 1995, zmienione

32 Eukaryota SSU rRNA Są dwa nowe duże taksony Alweolaty i Stramenopile
Zwierzęta i grzyby są grupami siostrzanymi Rośliny i ameby są parafiletyczne Mikrosporidia znajdują się u podstawy drzewa Wiele pierwotniaków zawierających mitochondria tworzy grupę nazwaną przez Knolla w 1992 roku koroną Eukaryota ze względu na niemożność ustalenia wzajemnych pokrewieństw miedzy poszczególnymi taksonami. Jednak gatunki te tworzą kilka bardzo dobrze zdefiniowanych i monofiletycznych taksonów jak rośliny, zwierzęta, i grzyby z jednej strony oraz popularne pierwotniaki, jak brunatnice, okrzemki i Apikompleksa, zgrupowane w dwa nowe taksony - Stramenopile i Alweolata. Sogin and Patterson, 1995

33 Niektóre, bardziej znane Stramenopile
Brunatnice Różnowiciowce Okrzemki Lęgniowce Złotowiciowce Stramenopile zostały utworzone w konsekwencji badań molekularnych, które kategorycznie potwierdziły, że glony określane wcześniej mianem heterokontów (złotowiciowce czyli złotki, różnowiciowce, okrzemki) są blisko spokrewnione z najróżniejszymi pierwotniakami zaliczanymi wcześniej do grzybów, jak Oomycetes (lęgniowce) czy Chypochytridiomycetes (skoczowce) , roślin lub nawet zwierząt. Nazwę oparta na włoskach o specyficznej strukturze trójdzielnej, wprowadził Patterson w 1989 roku.

34 Alweolaty Orzęski Apikompleksa Tobołki Otwornice
Alveolata jako grupa taksonomiczna pierwotniaków zaproponowana została całkiem niedawno i dopiero w latach dziewięćdziesiątych jej monofiletyczny charakter został potwierdzony przez badania molekularne. Takson ten składa się z czterech grup organizmów o odmiennej strategii adaptacyjnej: zaopatrzonych w wić fotosyntetyzujących dinofitów (tobołki), prawie całkowicie pasożytniczych apikompleksa (dawne Sporozoa), orzęsionych orzęsków i otwornic. Pierwotną cechą morfologiczną są alweole - torebki znajdujące się przy powierzchni komórki. Warto przy okazji powiedzieć, że pasożytnicze apikomleksa, jak Plazmodium, czyli zarodziec malarii mają szczątkowe chloroplasty. Ich przodkowie były więc kiedyś pierwotniakami fotosyntetyzującymi, podobnymi zapewne do dinofitów, z którymi są spokrewnione. Alweolaty

35 Archaeplastida Rośliny
Zielone (zielenice i rośliny wyższe), czerwone (krasnorosty) i sine (glaukofity) Powstały w wyniku pierwotnej endosymbiozy Są najprawdopodobniej monofiletyczne copyright © DW Freshwater

36 Wszyscy jesteśmy chimerami
Most, but not all, scientists believe that a genome of an eukaryotic organism is a chimera of at least two prokaryotic genomes. One coming from an Archeaon ancestral to a eukaryotic lineage and the other coming from a Proteobacteria giving rise to a mitochondrion. In plants there is of course an additional genome in a chloroplast, which came to life as a consequence of another endosymbiotic event involving Cyanobacteria. In the course of evolution many organellar genes were moved to nucleus or lost entirely. Some, if not all contemporary amitochondriate protists lost their mitochondria later, in the course of their evolution. However, it seems that of bacterial contribution for the creation of an eukaryotic genome is not restricted to these single endosymbiotic events, but additionally involved many, perhaps massive and repetitive single or few gene transfers, especially at early stages of evolution of eukaryotic lineage. Chimera z Arezzo Doolittle (TIBS 1998)

37 You are what you eat Jesteś tym czym się żywisz Doolittle 1998
mitochondrium sinica Endosymbioza pierwotna Glaukofity It is now believed that Glaucophyta, Chlorophyta and Rhodophyta form a natural monophyletic group, which gained its chloroplasts as a consequence of a single endosymbiotic event between en early eukaryote and a Cyanobacterium. In other words one evolved from the other. Later, higher plants evolved from a certain group Chlorophyta. Zielenice Krasnorosty Linia zielona Linia czerwona Charles F. Delwiche (1999) American Naturalist 154:S164–S177.

38 Endo-symbioza drugiego i trzeciego stopnia
wtórna Endo-symbioza drugiego i trzeciego stopnia Chlorarachniophyta Krypto- monady Strameno- pile Endosymbioza Eugleniny 3-ciego stopnia Haptofity It happened several times in both green and red plant lineages. In green lineage the most famous group is Euglenoids in red one there are diatoms, kelps (brown algae) and chrysophytes (golden algae). These organisms obtained not only chloroplast genomes from their endosymbionts, but also nuclear and mitochondrial ones. There is a lot of movement between these genomes and it is very difficult to discern which gene came originally from which genome. Delwiche (1999) Am. Nat. 154: S164 Tobołki

39 Mieszanina genomów w komórce eukariotycznej
Niektóre Eukaryota utraciły mitochondria lecz zachowały geny mitochondrialne Inne utraciły chloroplasty lecz zachowały geny chloroplastowe Mitochondrium utrata Hydrogenosom genomu utrata Plastyd niefotosyntetyzujący Chloroplast In many eukaryotes, even though the organelles are lost secondarily, same organellar genes remain. But the story doesn’t stop there. There might be secondary endosymbiosis between two eukaryotic beasts. fotosyntezy Chloroplast drugorzędowy Endosymbioza wtórna

40 Współczesne drzewo życia
60 linii ewolucyjnych 6 głównych grup monofiletycznych Współczesne drzewo życia dzielimy na 3 cesarstwa, chociaż jest wielu którzy w dalszym ciągu chcą podziału na dwa. Część eukariotyczna składa się z 6 dobrze wyodrębnionych grup. Dyskusje dotyczą wzajemnego ich pokrewieństwa i położenia korzenia drzewa eukariontów. Bacteria Archaea

41 My opistokonty Henneguya Myxozoa Choanoflagellata
Choanoflagellata and Myxozoa are protists and belong to a clade together with fungi and animals Choanoflagellata

42 Opisthokonta Metazoa Opistokont – tylnowiciowiec (Copeland, 1956)
Myxozoa Choanoflagellata Fungi Microsporidia Mycetozoa Opistokont – tylnowiciowiec (Copeland, 1956) Drzewa filogenetyczne różnych genów łączą wiciowce kołnierzykowe ze zwierzętami Myxozoa to najprawdopodobniej zredukowane parzydełkowce Mikrosporydia to grzyby Śluzowce (Mycetozoa) to nasza grupa siostrzana Opisthokonta Early in eukaryote evolution came the separation of bikonts and opisthokonts. Bikonts gave rise to green plants and major protozoan groups, whereas opisthokonts are the common ancestors of fungi, animals, and choanozoans. The Opisthokonta group contains protists (both free-floating and colonial) with one flagellum at some stage in their life history. The actual name "opisthokont" refers to the posterior (opistho) location of the flagellum (kont) in swimming cells. Molecular evidence (ribosomal RNA sequence phylogeny and conservation of proteins) indicates the close relationship of animals and fungi via this common ancestor, but opisthokonts have few discriminating characteristics that extend throughout the group.

43 Trzy królestwa Archeanów
Słonolubne i metanogenne Euryarcheota Ciepłolubne Crenarcheota Korarcheota znane tylko w postaci sekwencji For instance, archaeal RNA polymerases resemble a simplified version of eukaryotic RNA polymerase II, and Achaea possess homologs of the associated eukaryotic transcription factors TBP (TBP), TFIIB (TFB), and TFIIEα (TFE). The core components of translation in Achaea are most similar to those of eukaryotes. According to a recent survey, 33 ribosomal proteins are shared uniquely among Archaea and eukaryotes. One-quarter of the genes of the hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima appear to be derived from (have their closest match in) Archaea, while nearly a third of the genes of the euryarchaeote Methanosarcina mazei look to be bacterial. Eukaryotic cells, except a few highly derived parasitic forms, boast a degree of internal complexity (cytoskeleton, endomembrane systems, membrane-enclosed energy generating organelles) not so far found in either Archaea or Bacteria.

44 Filo-genomika Drzewa oparte na zestawach genów powtarzalnych we wszystkich poznanych sekwencjach pełnych genomów Ciccarelli et al (2006) Science 311, 1283

45 Prosty schemat historii życia
Domeny Królestwa Prosty schemat historii życia Doolittle, Science 284, 2124 (1999)

46 Życie nie jest takie proste
Doolittle, Science 284, 2124 (1999) Życie nie jest takie proste