Utvikling av mennesket. Dag E. Helland Professor i bioteknologi, dr. philos. Molekylærbiologisk institutt Universitetet i Bergen

Transkript

1 Utvikling av mennesket Dag E. Helland Professor i bioteknologi, dr. philos. Molekylærbiologisk institutt Universitetet i Bergen

2 On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life Fyrste utgåve Tittelside

3 Sept. 2015

4 THE MYSTERIOUS WORLD OF TTHE HUMAN GENOME by Frank Ryan Dedicated to Oswald T. Avery (2015) ISBN WILLIAM COLLINS

5 ISBN (Hard) ISBN (e-book) BASIC BOOKS New York (2014)

6

7 Arvemessigt er alle levande organismar i slekt

8 Slektskap mellom ulike grupper av levande organismar

9 Structure of DNA

10 Genomet sine kodar/informasjonsstraum Den genetiske kode Kromosom DNA RNA Protein A T G C A C G T A G A U G C A C G U A G Met His Val 10 Den epigenetisk kode (ikkje løyst) Korleis finne funksjonen til kvart av dei proteina?

11 The Central Dogma of Biology Genotype Phenotype DNA RNA Protein Replication Transcription Translation Structure Metabolism One gene one or several proteins a number of different functions Valid for all biological systems

12 Shotgun sekvensering Multippel, fragmenterte sekvensar må samlast saman basert på overlappande områder (sekvensar)

13 Ulike strategiar for å utføra DNA sekvensering Library preparation for the SOLiD platform From second to fourth-generation sequencing, illustration on TAGGCT template.

14 Moderne sekvenseringsmaskiner Illuminna HiSeq 2500 sekvensar IlluminaMiSeq sekvensar

15 Historisk oversikt på kostnadane til å sekvensering av eitt humant genom

16

17 Ulike fasar for utvikling av Homo sapiens Skaping av universet The Big Bang- for 14,3 milliardar år sidan Jorda danna for 4,6 milliardar år sidan Første levande organismar for 2,5 3 milliardar år sidan Utvikling av mammalia for 225 millionar år sidan Utvikling av primater for 60 millionar år sidan Utvikling av diverse homoartar for 4 millionar år sidan Utvikling av H. erectus for 2 millionar år sidan Utvikling av H. neanderthalensis for mindre enn 1 millionar år sidan Utvikling av H. sapiens mindre enn 400k år sidan Kontakt mellom neanderthalensis og sapiens for 40k - 20k år sidan Spreiing av H. sapiens på jorda dei siste år

18 Kva er Homo sapiens? Kring millionar år sidan primater begynte å utviklas Kring 7 millionar år sidan menneskeutviklinga vart skilt frå utviklinga av andre tilsvarande dyr som aper Kva er ein art (species)? Dyr av forskjellige artar kan ikkje skapa formeiringskompetente avkom Kva er rasar og rasisme? To forskjellige afrikanske elefantartar Fire forskjellige skiraffartar

19 Korleis studera utvikling av mennesket Homo sapiens Alle utviklingsstudiar basert på moderne darwinisme Arbeida i kontakt med evolusjonsstudiar av andre artar Skjelettfunn og god geologisk karrakterisering av funnstaden Funn av reiskap og andre objekt Geologisk datering Kjemisk analyse av funna og miljøet rundt funnstaden Analyse av radioaktive isotopar for datering Anatomiske tolkingar av skjelettfunna DNA sekvensering

20 Evolution of primates Wikepedia The fossil Ida

21 Utvikling av australopithecus- og homo-artar

22 Kva er det humane genom? - Nukleært lokalisert DNA (paternalt og maternalt arva) 3,2 x 10 9 basepar per haploid genom gen per haploid genom Y-kromosomet har 58 x 10 6 basepar, 200 gen og 72 proteinkodane X-kromosomet har 153 x 10 6 basepar, ca gen - Mitokondrielt DNA (maternalt arva) basepar/genom og har 37 gen Mellom mitochondriegenom per celle og fleire genom per mitochondrium. Variasjonar i genomet: - Skadar på DNA skjer kontinuerlig, men vert oftast reparert - Mutasjonar skjer kontinuerlig i alle celler - Epigenentiske endringar (metyleringar) - Hypermutasjonar og rekombinasjonar i immunsystemet sine B-celler Grunna i at mitokondrielt DNAog X-kromosomet har maternalt opphav har alle mest arvestoff frå mor. Sidan det vesle Y-kromosomet har paternalt opphav har alle menn vesentlig meir maternalt enn paternalt arvestoff.

23 Mutasjonar og kromosomendringar Punktmutasjonar: FAR TAR SIN BLÅ BÅT MED ROR FAR TAR DIN BLÅ BÅT MED MOR Vilttype Substitusjon S / D; R / M FAR TAR SIN BLÅ BÅT TME DRO R Insersjon av T FAR TTA RSI NBL ÅBÅ TME DRO R Insersjon av T FAR TAS INB LÅB ÅTM EDR OR Delesjon nær start av R

24

25 Mitochondriegenomet bp per genome 1k-2k mitochondrier per celle The mtdna contains 37 genes coding for two rrnas, 22 trnas and 13 polypeptides. The mtdna-encoded Polypeptides are all subunits of enzyme complexes of the oxidative phosphorylation system.

26 Humane sedceller

27 Humane egg og sedceller

28 Fusjon av egg- og sedcelle

29

30 Karyotype Celle med kjernefarging Mitose i ei plantecelle Lokus Genlokalisering X p - arm (kort) Centromer 1q41.2 Karyotype av ein mann q - arm (lang)

31 Kjønnskromosoma X og Y Hos pattedyr er kjønn kromosombestemt, hun har XX, han har XY, individer med ett X kromosom er hunkjønn Jost 1947 kastrerte kaniner utvikler seg som hunkjønn uansett kromosomalt kjønn Tilstedeværelse av Y gir hankjønn, uansett hvor mange X X Y X og Y stammer fra et par autosomer for omlag 300 mill år siden. Mutasjoner i Y har skillt ut dette som hanbestemmende kromosom, men fortsatt deler de noen få gener I pseudoautosomal region sikrer cross-over som er nødvendig for segresjon til datterceller

32 K-value paradox: Complexity does not correlate with chromosome number. Homo sapiens Lysandra atlantica Ophioglossum reticulatum

33 Storleik av ulike genom

34 C-value paradox: Complexity does not correlate with genome size. 3.4 x 10 9 bp 6.7 x bp bp Homo sapiens bp Amoeba dubia

35

36 Nature, p514, Vol500, 24. aug., 2013

37 Why is it difficult to find the exact number of genes in eukaryotes? 1. What is a gene? A gene is a locus (or region) of DNA that encodes a functional RNA or protein product, and is the molecular unit of heredity. 2. Splicing alternatives Alternative splicing produces three protein isoforms.

38 Resultater fra genomet - Sammendrag Data fra TIGR Amino acid biosynthesis: Nucleotide biosynthesis: DNA and RNA metabolism: Electron transport: Transport: Regulation: Signal transduction: Detoxification and resistance: Unknown and hypothetical: Genes with frame shift:

39 Genome sequencing shotgun Genome Short DNA pieces Bioinformatics Sequence assambly ORF identification Annotation and suggestion of function

40 Den molekylære funksjonen til humane gen (2002) Redusert til gen i 2014

41 Resultater fra genomet - Sammendrag Data fra TIGR Genome size: GC content: Number of rrna operons: Number of trna: Number of stable RNA: Number of ORFs: Percentage of ORFs with assigned functional role: Total coding region: Number of prophages: Number of IS elements and transposons: 3,304,697 bp 63.6% % 91% 2 51

42 Toe phalanx and location of Neanderthal samples for which genome-wide data are available. a, The toe phalanx found in the east gallery of Denisova Cave in Dorsal view (left image), left view (right image). Total length of the bone is 26 mm. b, Map of Eurasia showing the location of Vindija Cave, Mezmaiskaya Cave and Denisova K Prüfer et al. Nature 505, (2014) doi: /nature12886

43 The inner ear s petrous bone is a rich source of DNA in archaeological specimens.

44 Palaeoanthropology: Homo sapiens in China 80,000 years ago doi: /nature15696, Oct. 14.,2015 Liu and colleagues' discovery 1 of modern-human teeth at Fuyan Cave in southern China implies that Homo sapiens dispersed towards the east and south from Arabia or the eastern Mediterranean between 120,000 and 80,000 years ago, considerably earlier than the species is known to have first arrived in Europe and northern China, around 40,000 years ago. The delayed dispersal to these northern regions may be explained by the well-established resident Neanderthal populations in Europe and Siberia, and the harsh, sub-zero winter conditions.

45

46 Dementia og Alzheimer sjukdom

47 Dementia og Alzheimer sjukdom