Fylogeneze organismů I. viry Bacteria + Archaea

Transkript

1 Fylogeneze organismů I společný předek (LUCA) viry Bacteria + Archaea

2 Co je vlastně ž/život? fenotypov fenotypová definice (co všechno dělá, jak vypadá) heredit hereditárn rní ( darwinovsk darwinovská á ) definice (rozmnožování, varabilita, dědičnost, biologická evoluce ) propojení metabolismu a dědičnosti (metabolismus dodává monomery, z nichž se staví replikační makromolekuly, ty zase ovlivňují chemické reakce v metabolismu selekce)

3 Nejstarší fosilie? 3,5 Gya (nejstarší sedimenty nejsou o moc starší: 3,85) izotopové doklady života: 3,7 3,8 Gya Strelley Pond, Z Austrálie

4 Protobiologie nauka o vzniku života (v podstatě experimentální) ALE je to vůbec legitimní? reálně zkoumáme unikátní vznik Života na planetě Zemi před cca 3,5 miliardami let tedy událost srovnatelnou se vznikem savců nebo vznikem Karla Gotta

5 Existuje Život ve Vesmíru? jistěže NE (ledaže by na Marsu atp. byl Život pozemského původu, anebo naopak) Život je to, co vzniklo vzniklo-li někde jinde někde jinde něco jiného, není to (ten) Život, ale něco, co se Životu v něčem podobá a v něčem ne... (tj. patrně budeme mít problém rozhodnout, zda je to živé )

6 Protobiologie vznik Života = historická událost, která je principiálně nepřístupná experimentálnímu přístupu ALE tak jako můžeme rekonstruovat předka savců nebo mitochondriální Evu, můžeme rekonstruovat i předka dnešních organismů (LUCA)???

7 LUCA (= last universal common ancestor) společný předek bakterií, archeí a eukaryot nejde o prvn první živý organismus vlastnosti záleží na topologii Stromu života (např. pokud Neomura vznikla uvnitř bakterií, byl by LUCA negibakterie)

8 LUCA kořen uvnitř domény Bacteria LUCA = (gramnegativní) bakterie kořen mezi doménami LUCA = buňka nepatřící do žádné domény LUCA = progenot (neúplná buněčná organizace, buněčnou strukturu si každá doména vyvimula zvlášť)

9 Progenot Progenot

10 replikátor (RNA) produkující enzym, který usnadňuje replikaci dalšího člena cyklu spontánně vznikající a komplikující se cykly vzájemně propojených enzymů a substrátů např. dub a žížala (oba jsou replikátory, přítomnost jednoho akceleruje růst druhého...) spontánně vzniká parazitismus, egoismus i kooperace Hypercykly

11 Evoluce virů a buněk parazitů je víc než hostitelů (každý druh má svého parazita, svého vira a geny virového původu) parazitace vzniká už u nejjednodušších simulovaných hypercyklů parazitismus jistě předcházel vznik buněčného života

12 Nebuněč ěčný život (?) 1. viry 2. viroidy (infekční RNA) 3. satelity (subvirální infekční jednotky, jejichž replikace buňkou je zajištěna koinfekcí pomocným virem ) (a) satelitní viry (b) satelitní nukleové kyseliny (v kapsidě viru), např. virusoidy (RNA, ~350 nukleotidů, často ribozymy, redukované viroidy???) (c) virofágy (sputnik, mavirus) 4. plazmidy transposony 6. priony virus x plazmid (50 % genů odpovídá)

13 Viry původ? (a) zbytky předbuněčného života? (b) redukované buňky? (ale buňky čeho?) (c) vzbouřené skupiny genů (např. transpozony) není žádný důvod předpokládat jednotný původ jejich struktura, genomy, strategie etc. jsou strašlivě variabilní

14 Koncepty původu virů

15 Lytický a lyzogenní cyklus virů virus se nechá buňkou zreplikovat, vytvořit viriony a infikuje novou buňku, čímž tu původní ničí virus se zapojí do buněčného chromosomu a replikuje se s ním (i natrvalo) provirus (profág)

16 Fágy různého typu i původu nejpočetnější a nejpestřejší entity planety ( fágů na 1 ml mořské vody) významný vliv na globální biogeochemii: role při tvorbě sedimentů, ovlivňují cykly klíčových prvků (C, N, P, O) např. cyanofág zlikviduje fotosystém sinice a nahradí ho vlastním metabolismus virového původu

17 Viry: biologická podstata a původ jsou živé? viriony jistě ne, živé jsou jenom v buňce (ale co symbionti? organely?) mají časovou kontinuitu? ne? (buňka vzniká z buňky, chloroplast z chloroplastu, ale virion nevzniká z virionu) jsou monofyletické? ne!!! neexistuje ani jedna molekula, která by byla společná všem virům (x ribosomy buněčných organismů) malý (obvykle žádný dný) překryv s genomy buněčných organismů + prakticky žádné fosilie známe fylogenezi různých linií virů, ale netušíme, odkud pocházejí

18 problémy: Viry (a spol.) 1. extrémně rychlá molekulární evoluce skrytá homologie (homologické geny nemusí být identifikovatelné) x obvykle chybí i strukturální homologie proteinů 2. extrémně malé genomy 3. krádeže genů (rekombinace, integrace do hostitelského genomu) gen buněčného původu nemusí značit původ viru (kolagen v nimaviru, fotosystém II v cyanofágu, kus kuřecího chromosomu 19 v herpesviru...) x většina virových genů nemá jasné ortology v buňkách

19 Viry nejsou (jenom) viriony kde se berou geny virového původu? jistě nevznikají ve virionu, ale v napadené buňce (duplikace, rekombinace, transpozice...) viry jako specifické buněčné organismy ( virové továrny ) buňka po infekci virem už není ta původní buňka, původní genom je někdy zničen a buněčná struktura a metabolismus pozměněné (T4) buněčný organismus produkující virion tento organismus ukradl buněčnou strukturu od původnímu organismu, který už je mrtev ( nepřátelské převzetí buňky )

20 Virobu Virobuňka ka virová továrna mimiviru o velikosti hostitelského jádra a infikovaná sputnikem...

21 Diverzita virů

22 Diverzita virů

23 Monofyletické linie virů kapsidy několika strukturálních typů double β-barrel major capsid proteins HK97 fold ocasaté dsdna viry bakterií a archeí + herpesviry eukaryot (struktura + sekvence) toto dělení ale neodpovídá replikačním mechanismům

24 Struktura x replikace double β-barrel major capsid proteins

25 Monofyletické linie virů 1. extrémně staré? (příslušníci linie parazitují na hostitelích ze všech domén) x nebo LGT? 2. velmi diverzifikované (příslušníci linie mohou mít různé replikační strategie) mnohem diverzifikovanější než buněčné organismy 3. žádné náznaky recentního původu ze vzbouřených genů stejně staré nebo starší než LUCA???

26 Monofyletické linie virů a ultrasobeckých genetických elementů

27 RNA elementy barva pozadí ~ podíl elementů bez kapsid

28 DNA elementy barva pozadí ~ podíl elementů bez kapsid a membrán

29 Paralelní evoluce celulárn rního a viráln lního světa redukce buněčných organismů vede až k úplné ztrátě genomu (hydrogenosomy, mitosomy) ale patrně nikdy nevytváří virální entity dokonale oddělené světy?

30 LUCA analýza strukturáln lních typů proteinů SCOP) (SCOP nápadně složitý LUCA tj. není to progenot ke vzniku Života nám chybí mezi dnešními organismy klíč progenot jistě existoval, ale v hlubší minulosti dnešní buněčná struktura vznikla jednou, před diverzifikací domén

31 LUCA speciální tripletový genetický kód založený na dvojřetězcové DNA (20 aminokyselin, 64 kodonů) kód je arbitrární (tj. i jiné kódy by mohly být stejně funkční..., ale neexistují) DNA-polymeráza proteiny udržující funkčnost DNA (DNA-ligáza, DNAtopoizomeráza) transkripce: jednořetězcová RNA (RNA-polymeráza)

32 LUCA jednotný translační mechanismus: proteiny jsou tvořeny ribosomy podle informace v mrna ribosomy ze dvou podjednotek (RNA + proteiny) rrna a trna se podílejí na katalytické aktivitě ribosomu (ribozymy)

33 LUCA pouze L-izomery aminokyselin aminokyseliny jsou syntetizovány z glukózy pomocí speciálních enzymů (biosyntéza je arbitrární) základním zdrojem energie a uhlíku je glukóza (pouze D- izomer) glykolýza (konkrétní průběh je arbitrární) ATP (arbitrární energetický intermediát) buňka obklopená lipidovou dvojvrstvou membránou: uvnitř buňky je koncentrace Na + nižší a koncentrace K + vyšší než vně (arbitrární) udržováno iontovými pumpami koenzymy propojují stavbu nukleových kyselin a metabolismus (např. adenosin)

34 tradičně Prokaryota Eukaryota Prokaryota: malé Fylogeneze organismů jednoduše stavěné buňky, bez organel a cytoskeletu, bez endocytózy, kruhový chromosom bez histonů, jednoduše stavěné geny, kompaktní genom s operonovou regulací genové exprese, horizontální přenos genů, buněčná stěna mnohé z toho ovšem není pravda

35 Fylogeneze prokaryot Prokaryota parafyletická dvě zcela zásadně odlišné skupiny ( domény ), rozlišené na počátku 80. let (16S rrna) 1. Eubacteria = Bacteria 2. Archaebacteria = Archaea 3. Eukaryota Archaea a Eukaryota patří k sobě ( Neomura)

36 Evoluce prokaryot významný podíl horizontálního přenosu genů (HGT mobilom : plazmidy, viry apod.) obtížné rozlišit vertikální přenos od horizontálního silná selekce na úspornost genomu neutrální ztráta genů ( degradace genomu ) nejasná existence druhů

37 Vertikáln lní x horizontáln lní přenos? vertikální = strom života (Tree of Life, ToL) znamená vysoký podíl HGT, že ToL neexistuje??? hodně genů strom existuje jakýsi většinový fylogenetický signál (jinak by se konfliktní signály pocházející z různých genů vyrušily ) ToL, anebo nasměrovaný HGT??? vertikalita určitě existuje (buňka vzniká z buňky) je podíl horizontality opravdu zásadní? (zkuste si to v laboratoři: jak často se dělí buňky a jak často přeleze gen z buňky do buňky?) mnoho skupin bakterií vychází zcela konzistentně (Cyanobacteria, Proteobacteria, Actinobacteria)

38 Horizontáln lní přenos genů HGT není náhodný ani taxonomicky, ani tématicky buněčné procesy a signalizace (CELL) uložení a zpracování informace (INFO) metabolismus (META) v různých skupinách různě silné (Actinobacteria, Proteobacteria)

39

40 Zakořen eněný ný a nezakořen eněný ný Strom života ivota unrooted zjevně žádný použitelný outgroup rooted

41 Paralogní polarizace (ortologický) outgroup nahradíme paralogem v genu 1 mají některé skupiny kus sekvence (A, B ), ale jiným chybí (E ) co je primitivní? inzerce nebo delece? nevíme koukneme na paralogní gen 2: kus sekvence (A, B, E) kus sekvence je plesiomorfní delece v E

42 Tři domény ny Bacteria, Archaea a Eukaryota

43 x určitě nejde o tři skupiny: Eukaryota jsou blízká archeím (Neomura) nebo patří přímo mezi Archaea 2 domény : Bacteria Neomura nebo Bacteria Archaea (pokud jsou i bakterie parafyletické, je jenom jedna doména ) zásadní implikace pro rekonstrukci LUCA Tři domény ny Bacteria, Archaea a Eukaryota

44 Eukaryota Neomura Archaea Bacteria

45 Bacteria (= Eubacteria)

46 Bacteria obrovská diverzita biochemická, fyziologická a ekologická zásadní role v ekosystémech (fotosyntéza, chemosyntéza) zásadní role v symbiotických komplexech mitochondrie, chloroplasty

47 Bacteria buněčná stěna s peptidoglykanem a kyselinou muramovou translace bílkoviny nezačíná methioninem, ale N-formylmethioninem

48 Bacteria Gram-po pozi zitivn tivní Gram-negativn negativní dva typy stavby buněčného povrchu ( gramnegativní a grampozitivní ) fylogeneze a systematika podle molekulárních sekvencí

49 Čty tyři typy buněk ALE: evoluční vztahy nejisté!!! (T. Cavalier-Smith)

50 Fylogeneze bakterií: základn kladní rozdělen lení ekologické? dvě superskupiny x nejasná pozice kořene bazální hypertermofilové (Thermotoga, Aquifex)??? Hydrobacteria Terrabacteria (G+, rezistence vůči vyschnutí, radioaktivitě a vysoké salinitě, spóry)

51 Terra 31 velmi konzervativních proteinových genů nezakořeněný kladogram: ~ Hydrobacteria x Terrabacteria Hydro

52 Fylogeneze bakterií bakterií podle velkých evoluč evolučních novinek pozor: pozor jiná pozice kořene ne mezi Bacteria a Neomura, nýbrž uvnitř bakterií, u skupiny Chlorobacteria Chloroflexus

53 Klasifikace bakterií převládaji neformální názvy (např. low-gc Gram-positives ); zatím jediný pokus: Cavalier-Smith (2006) zde modifikováno do fylogenetické podoby (bez jasně parafyletických taxonů): 1. Chlorobacteria (Chloroflexi...) G-, foto 2. Hadobacteria (Thermus, Deinococcus...) G- 3. Cyanobacteria G-, foto 4. Endobacteria G+ 5. Actinobacteria G+ 6. Fusobacteria G- 7. Togobacteria (Thermotoga) G- 8. Spirochaetae G- 9. Sphingobacteria (Chlorobea, Flavobacteria...) G-, část foto 10. Proteobacteria (vč. Aquifex???) G-, část foto 11. Planctobacteria (Planctomycetes, Chlamydiae) G- +???

54 Metagenomika microbial dark matter ~ 60 kmenů prokaryot (z toho cca 50 % nekultivovaných, candidate phyla ) 38 konzervovaných genů

55 Fylogeneze bakterií (vč. dark matter ) Terrabacteria

56 Cyanobacteria (G-) Terrabacteria Spirochaetes (G-) Hydrobacteria dvě výjimečné skupiny bakterií, které jsou rozlišiteln itelné i morfologicky Nostoc Borrelia Treponema plastidy Prochlorococcus

57 Cyanobacteria většinou mají mnohobuněčné předky sinice s rostlinným typem chlorofylů (a+b) netvoří žádnou skupinu ( Prochlorophyta ) 1. Gloeobacteria (bez thylakoidů) 2. Phycobacteria (vč. plastidů)

58 Proteobacteria (G-) Hydrobacteria zdroj mnoha symbióz: mitochondrie, rickettsie, hlízkové bakterie mitochondrie Rickettsia Rhizobium Carsonella endosymbiont v bakteriomu mer nejmenší známý genom : 182 genů, 160 kbp

59 Proteobacteria (G-) Hydrobacteria Myxococcales Pseudomonas Escherichia coli Legionella Vibrio cholerae Haemophilus influenzae Pelagibacter nejhojnější bakterie na světě (10 28 buněk), plankton, velmi kompaktní genom

60 Proteobacteria (G-) mnohobuněčné formy: MMP (multicellular magnetotactic prokaryotes) koordinovaný pohyb (bičíky), koordinované dělení buněk dělení kolonie arzénová bakterie GFAJ-1 (Halomonadaceae) z jezera Mano, Kalifornie (2010): As místo P ( omyl?) Magnetoglobus GFAJ-1

61 Planctobacteria (G-) Hydrobacteria složité buňky s vchlípeninami vnitřní membrány (některé mají jádro : kondenzovaný chromosom v membránovém obalu) endocytóza? tubulin (sesterský eukaryotnímu?) příbuzní eukaryotům??? (asi ne: nesedí na fylogenezi + analogie, xenologie...) bakterie Gemmata eukaryota

62 Endobacteria (G+) Terrabacteria Bacillus Lactobacillus Mycoplasma paraziti, druhotně bez buněčné stěny Staphylococcus Clostridium

63 Actinobacteria (G+) Terrabacteria Corynebacterium Mycobacterium Actinomyces

64 Bacteria: původn vodně fototrofové? Hydrobacteria Terrabacteria

65 Archaea (= Archaebacteria)

66 Archaea hypertermofilie unikátní stavba membránových lipidů (etherová vazba, rozvětvené isoprenové řetězce) tetraethery v membránách = membrány nelze podélně rozdělit unikátní molekulární znaky cytoskelet nehomologický eukaryotnímu (chaperoninové filamenty?)

67

68 Prokaryotn Prokaryotní bičíky (flagela flagela) nemají nic společného s eukaryotními bičíky (undulipodii) bakteriální a archeální bičíky vypadají jinak (Bacteria tlusté a duté, Archaea tenké a plné); fungují jinak (pohon: Bacteria H + nebo Na +, Archaea ATP; růst: Bacteria přidávají nové podjednotky na špičku bičíku, Archaea na bázi) nejsou homologické (postavené z různých proteinů: Bacteria sekreční systém typu III, Archaea pily typu IV )

69 Archaea: unikátn tní vlastnosti

70 Neomura = Archaea + Eukaryota histony buněčná stěna/ glykokalyx bez peptidoglykanu introny a sestřih RNA

71 Archaea 1. Crenarchaeota (hypertermofilové) 2. Euryarchaeota (metanogeni, halofilové) ALE: + 3. Nanoarchaeota + 4. Korarchaeota + 5. Thaumarchaeota ( mezofilní Crenarchaeota ) + 6. Aigarchaeota...

72 Fylogeneze archeí 2 3 linie Euryarchaeota (histony) TACK = Filarchaeota (aktin) TACK

73 Fylogeneze archeí dark matter konzervované homologické geny všech domén (29) obvykle spojené s translací Euryarchaeota + ~Filarchaeota + DPANN (velká skupina pro příbuzné nanoarcheot)

74 Euryarchaeota někteří termofilní (primitivně) většina metanogenních halofilie, fotergie Methanocaldococcus Halobacterium Methanobacterium Haloquadratum

75 Nanoarchaeota (DPANN) Nanoarchaeum (na Ignicoccus) epibiont archeí, hypertermofil nejmenší známý genom volně žijícího organismu: 490 kbp)

76 Filarchaeota Korarchaeum hypertermofil Nitrosopumilus mezofil oxidující amoniak, běžně v oceánu

77 Filarchaeota: Crenarchaeota Ignicoccus Pyrobolus preferovaná teplota 113 C Sulfolobus Thermoproteus

78 Fylogeneze, stáří a evoluční ekologie archeí (55 genů)

79 Archea a HGT z bakterií skoro stejná distribuce starých archeálních a importovaných bakteriálních genů vznik nové skupiny archeí je spojen s masivním importem genů z bakterií

80 Archea a HGT z bakterií HGT může podporovat ToL!!! z bakterií do archeí 5krát víc HGT než naopak

81 Eocyta: hypotéza předpokládající, že Archaea jsou parafyletická skupina a že Crenarchaeota (nebo Filarchaeota) jsou sesterská skupina eukaryot původně podle tvaru ribosomů, podpořeno některými molekulárními analýzami (proteiny) a unikátním způsobem dělení buněk u krenarcheot (některé geny homologické eukaryotním) Eocyta?

82 Eocyta a původ eukaryot

83 Čtvrt tvrtá doména na? hluboko zakořeněné větve z přírodních vzorků ve stromech založených na reca (rekombináza) a rpob (RNA polymeráza) 4. doména na (buněč ěčného života) přežívá v redukované podobě (megaviry), anebo zmizela, ale její geny přežívají v megavirech?

84 Megaviry ( giry giry ) NCLDV ( (nucleocytoplasmic large DNA viruses)

85 Mimivirus (APMV) 2003 parazit Acanthamoeba (Amoebozoa) původně považován za G + bakterii velikost genomu srovnatelná s bakteriemi (1,2 Mb, >900 genů, >450 unikátních, vlastní trna a aa-trna-syntetázy) nukleocytoplazmatický velký DNA virus (NCLDV NCLDV) zloději genů nebo živé fosilie? (sesterská skupina eukaryot???) nebo obojí?

86 Mimivirus velikost genomu a virionu

87 Megaviry Megavirus, Mamavirus, Lentille virus... virofágy ( Sputnik, parazitují na virech vznikly z nich transpozony typu Maverick živočichů), transpovirony (TE uvnitř virů...)

88 Pandoraviry (2013) ještě větší virus (zase z akanthaméb), ale nepříbuzný megavirům 2,500 genů (z toho 2,300 unikátních!) + unikátní způsob vzniku virionu 14 z 30 core genů megavirů (vč. DNA polymerázy)

89 nejasný nepříbuzné ostatním obřím virům (x DNA polymerázy), ale malým dsdna virům (Phycodnaviridae) (ale pořád v rámci Megavirales) Původ pandoravirů

90 Evoluce obřích virů obří viry vznikly nejméně dvakrát z malých megavirů

91 Čtvrt tvrtá doména na? distanční strom 0/1 ortologů informačních genů

92 Čtvrt tvrtá doména na? po aplikování realističtějších evolučních modelů na různé informační geny to spíš nevychází, ale... Bacteria Archaea Eukaryota NCLDV environment

93 Čtvrt tvrtá doména na? ale: redukcí buňky nikdy nevzniká virus x buňky se mohou v symbiotické/ parazitické situaci redukovat až po úplnou ztrátu genomu (mitosomy, sekundární plastidy ) staré geny v obřích virech ~ geny čtvrté domény buněčného života přežívají ve virech (jinak ne?)