Molecular Ecology
TOPICS
▪ Molecular genetic methods gebruikt in moleculaire ecologie en evolutie
▪ Molecular systematics
▪ DNA barcoding
▪ Evolutionaire veranderingen in DNA sequenties
Evolutie = ecologie in het verleden
▪ Fylogenetica
▪ Fylogeografie
▪ Populatiegenetica
DE GESCHIEDENIS VAN MOLECULAIRE EVOLUTIE EN ECOLOGIE
THE ORIGIN OF HUMANS
- Fylogenie gebaseerd op fossielen:
Splitsing van Old World monkeys
Ramapithecus = voorouder mens (15 mya)
Chimpansee, gorilla en orang-oetan ver van de mens afgesplitst
- Fylogenie gebaseerd op: immunologische cross reactie in het eiwit serum albumine
Door Vince Sarich & Allan Wilson
Splitsing van Old World monkeys
Equidistant: chimpansee, gorilla en mens (5 mya) → ver verwant van orang-oetan
Ramapithecus = voorouder van orang-oetan
HIV-1 TRANSMISSION IN A CRIMINAL CASE
Moleculaire methoden gebruikt om forensisch onderzoek te doen
- De ex van een tandarts had HIV → volgens fylo boom ontdekt dat patiënten van tandarts een nauw verwant
HIV-virus hadden → concl: tandarts besmette patiënten
Dit virus was een totaal aparte tak van alle soorten HIV-virussen in heel Los Angeles
MOLECULAIRE EVOLUTIE/FYLOGENETICA: APPLICATIES
- Classificatie en taxonomie van genen, eiwitten en soorten
- Geschiedenis en biologie van populaties onderzoeken
- Vergelijkende analyse en karakterevolutie
- Eiwitstructuur + -functie voorspellen → a.d.h.v. fylogenie van aminozuursequenties gekende sequenties
vergelijken
- De opkomst en verspreiding van virale en bacteriële pandemieën onderzoeken
- Zoeken naar bruikbare eigenschappen in verwante groepen (breeding)
EVOLUTIONARY TREE OF LIFE
- Voor vele eeuwen probeerden naturalisten biologische diversiteit te beschrijven/classificeren
- 1758: Linnaeus richt binominaal hiërarchisch nomenclatuursysteem op om biodiversiteit te beschrijven/
classificeren
Was oorspronkelijk onafhankelijk van evolutionaire relaties
- Evolutiebiologen (zoals Lamarck, Darwin en Haeckel): gebruiken Linneaans systeem + proberen classificatie
o.b.v. evolutionaire verwantschappen te maken
1866: Haeckel: Tree of life
o Gedachte: “eens soorten divergeren (bifurcation), komen ze niet meer samen”
- Reticulate evolution: netvormig
Gedachte: twee soorten kunnen bij elkaar komen → twee soorten splitsen elk apart op in 2 soorten waarvan
1 dezelfde is als bij de andere (zie tekening)
Op soortniveau (logisch want soorten kunnen hybridiseren → °tussensoort)
- Bifurcations: splitsing in 2 takken
Wordt vaker gebruikt want is simpeler
Meer op individu niveau van versch soorten
1
, - Andere manier van voorstellen: haplotype model (zie verder): grootte = aantal sequenties gevonden ; lengte
takken = aantal mutaties
- Later (1930s – 1960s ; Walter Zimmerman + Willi Henning): bepalen van objectieve methoden om evolutionaire
verwantschappen te reconstrueren
Toen: PC’s → niet meer met hand → grote datasets mogelijk
- Op zelfde moment: vooruitgang in moleculaire biologie
Analyse moleculaire structuur eiwitten en nucleïnezuren
- 1944: “DNA is de substantie van overerving” – Oswald Theodore Avery
- 1953: Watson & Crick: DNA-structuur
- 1983: °PCR – Kary B. Mullis (nobelprijs)
Zeer belangrijk → gigantische datasets DNA amplificeren → DNA werd analyseerbaar
o Je moet voldoende DNA hebben om het te kunnen bestuderen!
Eerst door DNA in bacterie te inserteren, laten groeien en er terug uithalen = moeilijke methode
Gebruikt door evolutiebiologen om fylogenetische verwantschappen af te leiden
- Emile Zuckerkandl & Linus Pauling: “DNA is a document of evolutionary history”
VOORDELEN GEBRUIK VAN DNA (i.p.v. morfologische en fysiologische kenmerken):
1. DNA < 4 nucleotiden = universeel
Adenine
Thymine
Cytosine
Guanine
2. Kan gebruikt worden om élke groep organisme (bacteriën, planten en dieren) te vergelijken
Niet zo bij klassieke approach
3. Mathematische modellen kunnen gebruikt worden
Evolutionaire veranderingen in DNA volgen een regelmatig patroon (veel/weinig)
Evolut. veranderingen in morfo kenmerken is zeer gecompliceerd
4. Genoom van organismen bevatten veel grotere hoeveelheid fylogenetische informatie dan morfologische
kenmerken
FYLOGENETISCHE RELATIES O.B.V. 16S rDNA
THE MOLECULAR BASIS OF EVOLUTION
MECHANISMEN VAN EVOLUTIE
Wat zorgt voor veranderingen in DNA sequenties?
- Mutaties
Nucleotide substitutie (bv. C → A)
Insertie/deletie
Recombinatie
Gene conversion
- Mutaties kunnen verspreid worden in een populatie door genetisch drift en/of natuurlijke selectie
Volgens hoe voordelig de mutatie is: iets dat voordelig is/amper verschil geeft, blijft hoogstwss
- Mutaties kunnen gefixeerd geraken in een soort
- Als mutatie voor morfo/fysio verschil zorgt → overgeërfd door alle nakomelingen (tot dat gen opnieuw muteert)
Fylogenetische boom → mutaties in evolutie vinden
- Onderzoek tussen populaties → neutrale marker gebruiken
2
,THE NUCLEAR GENOME
- 3,4 miljard basenparen
Mens: mitochondrial genome veel kleiner: 16 500 bp
GENEN
- 3% DNA = coderend
- Non-coding DNA: geen transcriptie/translatie/expressie → kan veel meer mutaties hebben (maakt toch niets
uit) dan coderend DNA
Pseudogenen
o In nucleair genoom mitochondriale fragmenten te vinden, niet meer functioneel: niet geweten hoe ze
daar kwamen
Intronen
Genfragmenten
DNA BUITEN GENEN
- Low to high repetitive
Satelliet DNA: repetitieve DNA motieven (bv. AGTAGTAGTAGT…(50x))
o Microsatellieten van 100-400 bp ; aantal basen in motief is ook verschillend
o Coderen nergens voor
o Geen duidelijke functie → als neutrale markers gebruikt
▪ Zouden mss functie hebben in genexpressie → staan dan beetje onder selectiedruk, maar nog
steeds als neutrale marker gezien
▪ Mutatie: motief insertie/deletie
o Hoogste mutatiesnelheid, want amper selectiedruk
o Gebruikt in…
▪ Populatiegenetica
▪ Forensisch onderzoek (identificatie personen) → microsat’s gebruiken die variëren in lengte per
persoon → bv. pers 1 heeft motief 30 keer herhaald & pers 2 slechts 28 keer → dus je sequeneert
het DNA niet, maar je meet de lengte
o Waarom “microsatelliet”?
▪ Zeer kleine stukjes DNA (migreren sneller in gelelektroforese)
SINE & LINE
o Junk DNA
THE MITOCHONDRIAL GENOME
- Circulair
- 93% coding DNA
rRNA: °ribosomen
tRNA: transfer aminozuren
- Non-coding DNA
Control regions: mogelijks controleren reading van genen
Mutatiesnelheid hoger want hier geen selectie (want geen functionele genen) → genetische variatie
binnen/tussen soorten bepalen a.d.h.v. non-coding DNA
3
, Waarom wordt mitochondriaal DNA zoveel gebruikt?
- Sinds decennia hele sequentie/genoom gekend
- Pre-PCR tijden: veel DNA verkrijgen door…
DNA in bacterie steken OF je gebruikt mitochondriaal genoom dat zeer frequent is i.t.t. nucleair
o Bv. leverweefsel bevat zeer veel mitochondria want heeft veel energie nodig
▪ Restrictie-enzymen + gelelektroforese → banden mito DNA
o In 1 cel 100-1000 mitochondria t.o.v. 1 nucleus
Nu ander soort PCR gebruikt: goedkoop + snel
STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN GENEN
- 2 groepen
Eiwit-coderende genen: DNA → mRNA → AZ-keten → eiwit
RNA-coderende genen
o rRNA (ribosomaal): samenstelling ribosomen
o tRNA (transfer): transfer van aminozuren: mRNA → AZ-keten
o snRNA (small nuclear): intron splicing en RNA processing
- Mutaties = belangrijk → anders geen variatie
- In introns: hoge mutatiesnelheid want niet functioneel
DE GENETISCHE CODE
- U niversele genetische code
- Triplet nucleotiden = codon → aminozuur volgens genetische code
- Mitochondriale genen gebruiken iets andere genetische code
- Mutatiesnelheid ook hierdoor bepaald
- AZ hangt vaak af van eerste 2 nucleotiden
- 64 (43) mogelijke codons
- Stop codons: UAA, UAG, UGA
- Start codon: AUG (methionine)
Soms ook CUG en UUG
- Meerdere codons voor zelfde AZ
DNA-STRUCTUUR
- Elk nucleotide:
Fosfaat
Deoxyribose (suiker) (ribose in RNA)
Base
o Purines: A en G
o Pyrimidines: C en T
- Waterstofbruggen
2 tussen C en G
3 tussen A en T
- Covalente bindingen: fosfaatbruggen
DNA REPLICATIE
- Fouten → mutaties
Een paar mutaties → evolutie
Teveel mutaties + niet genoeg tijd om zich te kunnen aanpassen aan omgeving → meestal lethaal
Low error rate: 1 fout per 109 nucleotiden
o Mismatch repair om fout recht te zetten
- Helicase: unwinding of DNA
- DNA polymerase: kopie maken
Eukaryoten: 4 types (α, β, δ, and ε)
Pro: 3 types (I, II en III)
Mitochondriaal DNA: γ polymerase
4
TOPICS
▪ Molecular genetic methods gebruikt in moleculaire ecologie en evolutie
▪ Molecular systematics
▪ DNA barcoding
▪ Evolutionaire veranderingen in DNA sequenties
Evolutie = ecologie in het verleden
▪ Fylogenetica
▪ Fylogeografie
▪ Populatiegenetica
DE GESCHIEDENIS VAN MOLECULAIRE EVOLUTIE EN ECOLOGIE
THE ORIGIN OF HUMANS
- Fylogenie gebaseerd op fossielen:
Splitsing van Old World monkeys
Ramapithecus = voorouder mens (15 mya)
Chimpansee, gorilla en orang-oetan ver van de mens afgesplitst
- Fylogenie gebaseerd op: immunologische cross reactie in het eiwit serum albumine
Door Vince Sarich & Allan Wilson
Splitsing van Old World monkeys
Equidistant: chimpansee, gorilla en mens (5 mya) → ver verwant van orang-oetan
Ramapithecus = voorouder van orang-oetan
HIV-1 TRANSMISSION IN A CRIMINAL CASE
Moleculaire methoden gebruikt om forensisch onderzoek te doen
- De ex van een tandarts had HIV → volgens fylo boom ontdekt dat patiënten van tandarts een nauw verwant
HIV-virus hadden → concl: tandarts besmette patiënten
Dit virus was een totaal aparte tak van alle soorten HIV-virussen in heel Los Angeles
MOLECULAIRE EVOLUTIE/FYLOGENETICA: APPLICATIES
- Classificatie en taxonomie van genen, eiwitten en soorten
- Geschiedenis en biologie van populaties onderzoeken
- Vergelijkende analyse en karakterevolutie
- Eiwitstructuur + -functie voorspellen → a.d.h.v. fylogenie van aminozuursequenties gekende sequenties
vergelijken
- De opkomst en verspreiding van virale en bacteriële pandemieën onderzoeken
- Zoeken naar bruikbare eigenschappen in verwante groepen (breeding)
EVOLUTIONARY TREE OF LIFE
- Voor vele eeuwen probeerden naturalisten biologische diversiteit te beschrijven/classificeren
- 1758: Linnaeus richt binominaal hiërarchisch nomenclatuursysteem op om biodiversiteit te beschrijven/
classificeren
Was oorspronkelijk onafhankelijk van evolutionaire relaties
- Evolutiebiologen (zoals Lamarck, Darwin en Haeckel): gebruiken Linneaans systeem + proberen classificatie
o.b.v. evolutionaire verwantschappen te maken
1866: Haeckel: Tree of life
o Gedachte: “eens soorten divergeren (bifurcation), komen ze niet meer samen”
- Reticulate evolution: netvormig
Gedachte: twee soorten kunnen bij elkaar komen → twee soorten splitsen elk apart op in 2 soorten waarvan
1 dezelfde is als bij de andere (zie tekening)
Op soortniveau (logisch want soorten kunnen hybridiseren → °tussensoort)
- Bifurcations: splitsing in 2 takken
Wordt vaker gebruikt want is simpeler
Meer op individu niveau van versch soorten
1
, - Andere manier van voorstellen: haplotype model (zie verder): grootte = aantal sequenties gevonden ; lengte
takken = aantal mutaties
- Later (1930s – 1960s ; Walter Zimmerman + Willi Henning): bepalen van objectieve methoden om evolutionaire
verwantschappen te reconstrueren
Toen: PC’s → niet meer met hand → grote datasets mogelijk
- Op zelfde moment: vooruitgang in moleculaire biologie
Analyse moleculaire structuur eiwitten en nucleïnezuren
- 1944: “DNA is de substantie van overerving” – Oswald Theodore Avery
- 1953: Watson & Crick: DNA-structuur
- 1983: °PCR – Kary B. Mullis (nobelprijs)
Zeer belangrijk → gigantische datasets DNA amplificeren → DNA werd analyseerbaar
o Je moet voldoende DNA hebben om het te kunnen bestuderen!
Eerst door DNA in bacterie te inserteren, laten groeien en er terug uithalen = moeilijke methode
Gebruikt door evolutiebiologen om fylogenetische verwantschappen af te leiden
- Emile Zuckerkandl & Linus Pauling: “DNA is a document of evolutionary history”
VOORDELEN GEBRUIK VAN DNA (i.p.v. morfologische en fysiologische kenmerken):
1. DNA < 4 nucleotiden = universeel
Adenine
Thymine
Cytosine
Guanine
2. Kan gebruikt worden om élke groep organisme (bacteriën, planten en dieren) te vergelijken
Niet zo bij klassieke approach
3. Mathematische modellen kunnen gebruikt worden
Evolutionaire veranderingen in DNA volgen een regelmatig patroon (veel/weinig)
Evolut. veranderingen in morfo kenmerken is zeer gecompliceerd
4. Genoom van organismen bevatten veel grotere hoeveelheid fylogenetische informatie dan morfologische
kenmerken
FYLOGENETISCHE RELATIES O.B.V. 16S rDNA
THE MOLECULAR BASIS OF EVOLUTION
MECHANISMEN VAN EVOLUTIE
Wat zorgt voor veranderingen in DNA sequenties?
- Mutaties
Nucleotide substitutie (bv. C → A)
Insertie/deletie
Recombinatie
Gene conversion
- Mutaties kunnen verspreid worden in een populatie door genetisch drift en/of natuurlijke selectie
Volgens hoe voordelig de mutatie is: iets dat voordelig is/amper verschil geeft, blijft hoogstwss
- Mutaties kunnen gefixeerd geraken in een soort
- Als mutatie voor morfo/fysio verschil zorgt → overgeërfd door alle nakomelingen (tot dat gen opnieuw muteert)
Fylogenetische boom → mutaties in evolutie vinden
- Onderzoek tussen populaties → neutrale marker gebruiken
2
,THE NUCLEAR GENOME
- 3,4 miljard basenparen
Mens: mitochondrial genome veel kleiner: 16 500 bp
GENEN
- 3% DNA = coderend
- Non-coding DNA: geen transcriptie/translatie/expressie → kan veel meer mutaties hebben (maakt toch niets
uit) dan coderend DNA
Pseudogenen
o In nucleair genoom mitochondriale fragmenten te vinden, niet meer functioneel: niet geweten hoe ze
daar kwamen
Intronen
Genfragmenten
DNA BUITEN GENEN
- Low to high repetitive
Satelliet DNA: repetitieve DNA motieven (bv. AGTAGTAGTAGT…(50x))
o Microsatellieten van 100-400 bp ; aantal basen in motief is ook verschillend
o Coderen nergens voor
o Geen duidelijke functie → als neutrale markers gebruikt
▪ Zouden mss functie hebben in genexpressie → staan dan beetje onder selectiedruk, maar nog
steeds als neutrale marker gezien
▪ Mutatie: motief insertie/deletie
o Hoogste mutatiesnelheid, want amper selectiedruk
o Gebruikt in…
▪ Populatiegenetica
▪ Forensisch onderzoek (identificatie personen) → microsat’s gebruiken die variëren in lengte per
persoon → bv. pers 1 heeft motief 30 keer herhaald & pers 2 slechts 28 keer → dus je sequeneert
het DNA niet, maar je meet de lengte
o Waarom “microsatelliet”?
▪ Zeer kleine stukjes DNA (migreren sneller in gelelektroforese)
SINE & LINE
o Junk DNA
THE MITOCHONDRIAL GENOME
- Circulair
- 93% coding DNA
rRNA: °ribosomen
tRNA: transfer aminozuren
- Non-coding DNA
Control regions: mogelijks controleren reading van genen
Mutatiesnelheid hoger want hier geen selectie (want geen functionele genen) → genetische variatie
binnen/tussen soorten bepalen a.d.h.v. non-coding DNA
3
, Waarom wordt mitochondriaal DNA zoveel gebruikt?
- Sinds decennia hele sequentie/genoom gekend
- Pre-PCR tijden: veel DNA verkrijgen door…
DNA in bacterie steken OF je gebruikt mitochondriaal genoom dat zeer frequent is i.t.t. nucleair
o Bv. leverweefsel bevat zeer veel mitochondria want heeft veel energie nodig
▪ Restrictie-enzymen + gelelektroforese → banden mito DNA
o In 1 cel 100-1000 mitochondria t.o.v. 1 nucleus
Nu ander soort PCR gebruikt: goedkoop + snel
STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN GENEN
- 2 groepen
Eiwit-coderende genen: DNA → mRNA → AZ-keten → eiwit
RNA-coderende genen
o rRNA (ribosomaal): samenstelling ribosomen
o tRNA (transfer): transfer van aminozuren: mRNA → AZ-keten
o snRNA (small nuclear): intron splicing en RNA processing
- Mutaties = belangrijk → anders geen variatie
- In introns: hoge mutatiesnelheid want niet functioneel
DE GENETISCHE CODE
- U niversele genetische code
- Triplet nucleotiden = codon → aminozuur volgens genetische code
- Mitochondriale genen gebruiken iets andere genetische code
- Mutatiesnelheid ook hierdoor bepaald
- AZ hangt vaak af van eerste 2 nucleotiden
- 64 (43) mogelijke codons
- Stop codons: UAA, UAG, UGA
- Start codon: AUG (methionine)
Soms ook CUG en UUG
- Meerdere codons voor zelfde AZ
DNA-STRUCTUUR
- Elk nucleotide:
Fosfaat
Deoxyribose (suiker) (ribose in RNA)
Base
o Purines: A en G
o Pyrimidines: C en T
- Waterstofbruggen
2 tussen C en G
3 tussen A en T
- Covalente bindingen: fosfaatbruggen
DNA REPLICATIE
- Fouten → mutaties
Een paar mutaties → evolutie
Teveel mutaties + niet genoeg tijd om zich te kunnen aanpassen aan omgeving → meestal lethaal
Low error rate: 1 fout per 109 nucleotiden
o Mismatch repair om fout recht te zetten
- Helicase: unwinding of DNA
- DNA polymerase: kopie maken
Eukaryoten: 4 types (α, β, δ, and ε)
Pro: 3 types (I, II en III)
Mitochondriaal DNA: γ polymerase
4
