Eldobható gének és robusztus genetikai rendszerek Pál Csaba MTA-ELTE, Elméleti Biológiai és Ökológiai Kutatócsoport

Általános genomika és bioinformatika Összehasonltó genomika Evolúció genetika “Rendszer biológia” Sejt hálózatainak modellezése Mikrobiális evolúciós kisérletek

Steve Oliver, Manchester Csermely Peter Papp Balázs Steve Oliver, Manchester Szathmáry Eörs Pál Csaba Angus Buckling (Oxford) Martin Lercher, EMBL Laurence Hurst, Bath

Általános genomika és bioinformatika Összehasonltó genomika Evolúció genetika “Rendszer biológia” Sejt hálózatainak modellezése Mikrobiális evolúciós kisérletek

Az összehasonlitó genomika néhány kulcskérdése: A szelekció és véletlenszerűség relativ szerepe (darwini vagy neutrális evolúció) A genom anatómiájának evolúciója A szex és rekombináció hatása a genom szerveződésére “Nem kódoló” DNS: funkcionális szerep vagy eldobható szemét? A horizontális gén transzfer szerepe baktréiumok evolúciója során

Ma: Eldobható gének és robusztus genetikai rendszerek

Legtöbb egyedi génkiütésnek nincs szembetűnő hatása... Megfigyelések Legtöbb egyedi génkiütésnek nincs szembetűnő hatása...

Legtöbb gén nélkülözhetőnek tűnik laboratóriumi körülmények között

Miért fontos? Gének funkciójának jobb megértése A mutációk hatásának eloszlása A genetikai interakciók feltérképezése Új anti-bakteriális szerek kifejlesztésése

Az esszenciális gének néhány közös sajátossága Magasan gén expresszió (+++) Széles filogenetikai elterjedtség (++) Alacsony rekombinációjú régiókban egymás közelében helyezkednek el (++) Sok más fehérjével vannak fizikai kapcsolatban (+) De: nem evolválódnak különösen lassan (+/0)

Kérdések Miért találunk egyáltalán nélkülözhető géneket? Mekkora a legkisebb működő genom (minimálgenom)?

Magyarázatok: • a nélkülözhetőnek látszó géneknek is van némi fitnesz-hatásuk, de ez nehezen mérhető 1 a nélkülözhető gének más környezetben viszont szükségesek 2 a nélkülözhető gének hiánya kompenzálható 3, 4 1) Thatcher et al. 1998 PNAS 95: 253 2) Papp, Pal, Hurst 2004 Nature 429: 661 3) Wagner 2000 Nature Gen 24:355 4) Gu et al. 2003 Nature 421:63

A kompenzáció formái A gén A’ gén A B C D E F • duplikált gén jelenléte: alternatív útvonal jelenléte: A gén A’ gén A B C D E F

Melyik magyarázat a fontosabb?

Vizsgálati alany: az élesztő genomléptékű génkiütéses kísérletek adatai (főleg tápanyaggazdag környezetre) a teljes metabolizmusra kiterjedő matematikai modell # leképezés a genotípus és fenotípus között (~700 gén a modellben) # Forster et al. 2003 Genome Res 13:244

A modell lényege sejtnövekedés (fitnesz) (Palsson és mtsai.) sejtnövekedés (fitnesz) anyagcsere reakciói Biomassza Az anyagcserehálózat rekonstruálása genomikai és biokémiai adatok alapján (enzimatikus reakciók, transzport folyamatok, biomassza-összetevők [X,Y,Z]) Környezetből felvehető tápanyagok (B,E) megadása A sejt növekedési sebességének kiszámítása

40 Biomassza komponens aminosavak Nukleotidok Szénhidrátok Lipidek és zsirsavak Shulze 1995, Forster et al. 2003

Mire jó a modell? A biokémiai reakciók aktivitása becsülhető Különböző környezeti körülmények szimulálhatók A génkiütések fitnesz-hatása számolható

A modell előfeltételei Élettani: minden anyagcserevegyület egyensúlyban van Evolúciós: az élesztő a leghatékonyabb biomassza-termelésre adaptálódott

A modell prediktív ereje 91-95%-ban helyesen jósolja a reakciók aktivitását / inaktivitását A kísérletesen megmért és a prediktált reakciósebességek jól korrelálnak (r = 0.61-0.94) Nélkülözhető gének jóslása 80 – 90% pontossággal

Több környezetben szimuláltuk a génkiütések hatását Eredmények Több környezetben szimuláltuk a génkiütések hatását Mi magyarázza a tápanyaggazdag közegben nélkülözhető géneket? 38-68%-ban a környezetspecificitás 15-28%-ban duplikált gének jelenléte 4-17%-ban elkerülő anyagcsereutak jelenléte

Újabb szisztematikus kisérletek támogatják eredményeinket: Csak a gének fele aktiválódik egyes környezetekben (Wu et al. 2004 PNAS, 101: 3148) Nagyskálájú génkiütés kisérletek 282 környezetben (E.coli): A legtöbb gén fontossága csak néhány környeztben jelentkezett (Glasner et al. 2003 NAR 31:147). Metabolikus fluxusok mérése élesztőben

Miért vannak redundáns duplikált gének? A hibák elleni védelem miatt? A magasabb géndózis miatt?  a nagy aktivitású reakcióknál gyakoribbak a duplikált gének!

Miért kevés a nélkülözhető gén a Mycoplasma genomjában?

Meddig és hogyan redukálható egy genom? Erősen specializálódott parazita, leszűkülhetett az élettere Elvesztehette környezetspecifikus génjeit? Meddig és hogyan redukálható egy genom?

Minimálgenom Életképes marad-e a sejt, ha egyszerre kiütjük az összes nélkülözhető génjét? Létezhet-e több különböző genetikai összetételű, de azonos hatékonyságú minimálgenom?

Minimális enzimkészlet Az anyagcsere-modellel szimuláltuk az enzimek fokozatos elvesztését. Következtetések: nélkülözhető gének is kellenek a minimális készletbe többféle megoldás is van  esetlegesség szerepe Magyarázat: alternatív útvonalak és duplikátumok jelenléte

Jelenlegi munkák: Patogén baktériumok kulcsfontosságú génjeinek detektálása. Általános blokkolási stratégiák kidolgozása A kompenzáló mechanizmusok kisérleti vizsgálata A környezet specifikus gének szisztematikus kisérleti vizsgálata Mikrobiális metabolikus hálózatok evolúciója (szelekciós kisérletek)

Mikrobiális szelekciós kisérletek előnyei: Rövid generációs idő ( E. coli: 20 000 generáció) Kontrollált környezeti körülmények A növekedési ráta (fitness) mérhető Az evolválódott és ősi vonalak jellegzetességei és genomja összehasonlitható

Általános genomika és bioinformatika Összehasonltó genomika Evolúció genetika “Rendszer biológia” Sejt hálózatainak modellezése Mikrobiális evolúciós kisérletek

Szelekciós kisérletek és anyagcsere hálózati model: Az anyagcserehálózat adaptációja Baktérium rezisztencia evolúciója

Papp, B., Pál, C. and Hurst, L.D. (2003) Dosage sensitivity and the evolution of gene families in yeast. Nature 424: 194-7 Hurst, L.D., Pál, C. and Lercher, M.J. (2004): The evolutionary dynamics of eukaryotic gene order. Nature Review Genetics 5, 299 –310 Papp, B., Pál, C. and Hurst, L.D. (2004) Metabolic network analysis of the causes and evolution of gene dispensability in yeast Nature 2004 429:661-4.