![Page 1: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/1.jpg)
Korai replikátorok együttélése és evolúciója
Könnyű Balázs
ELTE, Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológia Tanszék
![Page 2: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/2.jpg)
Tartalom
1) Prebiotikus információhordózó molekulák
2) Eigen-paradoxon
3) Metabolikus replikátor modell (MRM)
4) Evolúciós folyamtok az MRM koncepcióval
![Page 3: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/3.jpg)
1) Prebiotikus információhordózó molekulák
![Page 4: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/4.jpg)
Követelmények az információ hordozó molekulákkal kapcsolatban
Függetlenítsük a kérdést az információ hordozó molekula anyagi minőségétől
1) Az információ hordozó moduláris felépítésű – korlátlan információ tárolás
polimerizáció
hidrolízis
![Page 5: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/5.jpg)
Modulok egyértelmű egymáshoz rendelése!!!
2) Véletlenszerű modul összekapcsolódás nem engedélyezett, ellenben a templát irányított replikáció igen
![Page 6: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/6.jpg)
Mi lehet prebiotikus információ hordozó molekula?
Engelhart 2010
![Page 7: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/7.jpg)
RNS előnye I.isoGNA (glicerol-(3'-1')-linked oligonucleotide) flexibilisebb és rövidebb távolság van a bázisok ill. a foszfát csoportok között, ezért erősebb a taszítás közöttük mint a RNS-ben, ami gyengébb és lassabban kialakuló bázis párosodást eredményez
isoGNA mind a négy bázist felhasználva nincs bázis párosodás!
Krishnamurthy 2014
![Page 8: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/8.jpg)
RNS előnye II.
A bázis linker régió hossza befolyásolja az ön- és kerszet- bázisbárosodást
Az RNS cukor-foszfát gerince kellő távolságban tartja a bázisokat így azok megfelelő erősséggel kötődnek egymáshoz
Krishnamurthy 2014
![Page 9: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/9.jpg)
RNS előnye III.
A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve elő a Watson–Crick bázispárosodást, valamint maximálisan távol tartja a foszfát csoportokat.
Krishnamurthy 2014
![Page 10: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/10.jpg)
RNS előnye1) Korlátlan információ hordozás
2) Templát irányított replikáció
3) Bonyolult 2-3D térszerkezet enzimfunkcióval
A Chemoton három
alrendszeréből kettő teljesül
RNS világ
![Page 11: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/11.jpg)
Mono- és oligomerek a felszínen
Random és templát
irányított polimerizáció
RNS enzimek
(ribozimek)
![Page 12: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/12.jpg)
Milyen funkciójú ribozim jelenhetett és terjedhetett el
● Metabolikus folyamatot katalizáló?
● Replikációt segítő (replikáz)?
● Valami más?
![Page 13: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/13.jpg)
Kísérleti eredményekReplikázok keresése:
Ligázokból in vitro evolúcióval replikáz
SZINTÉZIS
v.
VÉLETLENSZERŰ MOLEKULÁK
SZELEKCIÓ
Stabil átmeneti termék analóg
* Affinitás kromatográfia
* Fág vagy sejt display
* Élesztő két hibrid rendszer stb.
SOKSZOROZÓDÁSPCR mutációval
EVOLVÁLÓDOTT MOLEKULA
![Page 14: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/14.jpg)
Chen 2007
![Page 15: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/15.jpg)
Legjobb RNS szintetáz (replikáz) kb. 200 bázis hosszú és 95 nukleotidot tud egy templát alapján összekapcsolni egy oligonukleotid lánchoz 99.5%-os másolási hűséggel kb. 24 óra alatt.
Wochner 2011
![Page 16: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/16.jpg)
Problémák:
1, Replikáz nagysága: ~200 nukleotidból álló replikáz csak 95 nukleotidot tud másolni. Ez nem a teljes replikáz!
2, Sebesség
3, Templát és másolat szétválása
4, Pontosság: gyengébb ha a különböző nukleotidokat azonos arányban alkalmazzák, mivel létrejön GC és GU páros is!
![Page 17: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/17.jpg)
206● Az előző RNS módosítása
● Eutektikumban
Attwater 2010, 2013
![Page 18: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/18.jpg)
• A replikáció nem hibátlan
(replikázzal sem és javító
mechanizmusok nélkül)
• A másolás pontossága
korlátozza a fenntartható
információ hosszát.
Mekkora információ tartható
meg adott másolási
pontosság mellett?
RNARNARNARNARNARGARNARNARNARNXRNARNARNHDNMRNARNARNARQARNARNJRPA
WORLDWORLFWORLDWORLLIDRYDWORLDWORLDKORLDWORLDWORLDWORLDWERLDWORUDWORLDWORHDWORLDWORLDWORWDWORLDWORLDWRRLD
HYPOTHESISEYPKTHYSIIHYPEXHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPETHESKSHYYOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOTHESISHYPOSHESISHYPOTMESISHTPOTHESISCYPOTGESISHYPOTHEGIAHYPOXHLSISHYPXTHESISHYPOTHESISHYPUTHESIS
De mi történik akkor, ha a replikáció nem egyértelmű?
![Page 19: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/19.jpg)
2) Eigen-paradoxon
avagy mennyi információ tárolható egy molekulában
![Page 20: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/20.jpg)
![Page 21: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/21.jpg)
Nincs enzim nagy genom nélkül, és nincs nagy genom enzim nélkül!
Az első katalitikus információ-hordozó makromolekulák nem lehettek nagyobbak mint
~100 nukleotid
Ha a fenotípust nem befolyásoló mutációkat is figyelembe vesszük, akkor persze lehetnek hosszabbak!
![Page 22: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/22.jpg)
Megoldható-e az Eigen paradoxon, ha igen akkor
hogyan?
![Page 23: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/23.jpg)
Ha teljes információ túl nagy ahhoz, hogy egyetlen molekula raktározza akkor az adott információ-
mennyiséget kódolja több replikátor!
Molekuláris közösségek
Funkció nélkül
Kompetitív kizárás
Funkcióval
Együttélés
![Page 24: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/24.jpg)
Hiperciklus(Eigen 1971)
Előfeltevései:
a replikátorok (I1..4) között szoros, specifikus kapcsolat van
Következtetései:
• minden replikátor hatékonyan felveszi a versenyt saját hibás másolataival szemben;
• a különböző feladatokat ellátó replikátorok nem zárják ki egymást;
• az információ-integráló rendszer kiszorít minden más, nem megfelelő hatékonyságú rendszert és egyedet. Scheuring 2003
![Page 25: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/25.jpg)
A Hiperciklus problémájaMaynard-Smith 1979
Káros mutánsok megjelenése a versengő kizárás elve miatt
![Page 26: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/26.jpg)
P1: önző parazita
I2
Scheuring 2003
A Hiperciklus problémájaMaynard-Smith 1979
Káros mutánsok megjelenése a versengő kizárás elve miatt
![Page 27: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/27.jpg)
P1: önző parazita
P2: „rövidzár” parazita
Scheuring 2003
A Hiperciklus problémájaMaynard-Smith 1979
Káros mutánsok megjelenése a versengő kizárás elve miatt
![Page 28: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/28.jpg)
Felület-kötött Hiperciklus 1) Jellegzetes mintázatok2) Önző parazita nem tud elterjedni, mert nem tud áthatolni a spirálkarokon a katalitikus segítségért, kivéve ha a parazita bejut a spirálkar közepébe, ahol „cisztát” képezve tartósan fennmaradhat3) Rövidzár paraziták minden esetben nyernek
Boerljist 1991, 2000
![Page 29: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/29.jpg)
3) Metabolikusan Kapcsolt Replikátor Rendszer (MCRS)
![Page 30: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/30.jpg)
1, minden replikátor-fajta egy hipotetikus reakcióhálózat egyetlen reakcióját katalizálja (folyamatos nyíl)
2, a hipotetikus reakcióhálózat előállít egy olyan monomert, amely az összes replikátor-fajta replikációjához szükséges – indirekt kapcsolat a replikátorok között (szaggatott nyíl)
3, minden replikátor-fajtának van saját növekedési rátája (k, templát irányított replikáció), mely kifejezi a replikátor hatékonyságát a replikációs folyamatban – forrás versengés (körkörös nyíl)
M
I1
I2
I3
I4
Metabolikus replikátor koncepció
![Page 31: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/31.jpg)
Jól kevert modell:
dxi
dt=xi [k i M (x)−φ(x)]
Czárán 2000
Működik a kompetitív kizárás elve
![Page 32: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/32.jpg)
Térben explicit (sejtautomata) modell1, ásványi felszínhez kötődő replikátorok – 300x300-as sejtautomata rácsháló toroidális peremfeltétellel
2, korlátozott diffúzió (mozgás) a felszín-kötöttség miatt
rácsháló rácsháló torusszal
3, lokális kölcsönhatások a metabolikus és a replikációs folyamat során
von Neumann MooreSzomszédság típusok:
![Page 33: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/33.jpg)
Lokális replikációs folyamat:
W i=k i⋅M i
Lokális metabolikus folyamat:
M i=n√∏
j=1
n
x j
pi=W i
W e+∑j=1
r
W j
![Page 34: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/34.jpg)
![Page 35: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/35.jpg)
Együttélést elősegíti:● Ritkaság előnye (kis metabolikus szomszédságnál)● Keveredés: Diffúzió és/vagy nagy replikációs szomszédság
Generációs idő
Rep
liká t
orok
men
nyis
é ge
![Page 36: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/36.jpg)
![Page 37: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/37.jpg)
Generációs idő: 0 Generációs idő: 100
Az együttélés oka:Nagy metabolikus szomszédságnál ugyan minden replikátor metabolikus folyamata teljes, de a kis replikációs szomszédság miatt a kevés kompetitor között a ritka replikátor is tud győzni. Így ritka replikátorok közvetlen közelébe lehet csak túlélni, ami heterogén foltosodást eredményez
![Page 38: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/38.jpg)
Hány metabolikus replikátor tud tartós közösséget alkotni?
![Page 39: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/39.jpg)
Parazita az MRM-ben
Csak önző parazita lehetséges● Nem vesz részt a metabolizmusban
● Felhasználja a monomereket
Modellbe történő implementációja:3 metabolikus replikátor + 1 parazita
![Page 40: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/40.jpg)
Az együttélés kedvezőbb, de ez csak látszólagos, mert csak 3 metabolikus replikátor kell a monomer előállításhoz
![Page 41: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/41.jpg)
4) Evolúciós folyamtok az MCRS koncepcióval
![Page 42: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/42.jpg)
Evolúciós kérdések a MRM-ben
1) Kialakulhat-e a metabolikus replikátorok közössége?
2) Megjelenhet-e új funkcióval rendelkező replikátor a rendszerben?
![Page 43: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/43.jpg)
Molekuláris többarcúság
Science 2000., 289: 448-452
Egy enzim, két szerkezet, két funkció: nukleotidok összekapcsolása (ligáz)
és nukleinsav hasítás (HDV)
Mutációkkal lehet az egyik funkciót javítani de a másik akkor romlik – funkciók közötti trade-off
![Page 44: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/44.jpg)
Enzimatikus funkciók evolúciója a metabolikus replikátor koncepciójával
Alap feltevések:
● minden replikátornak két natív konformációja lehet (lásd Schultes & Bartel Sci. 2000, 289: 448)
● minden konformáció csak egy enzimatikus funkcióért felel
● a két enzimatikus funkció (E1 és E2) hozzájárul a replikátorok monomerjeinek előállításához egy hipotetikus reakcióhálózatban (lásd metabolikus replikátor koncepció)
● egyik konformációból a másikba jutni idő- és energiaigényes
● trade-off viszonyok állnak fenn egy replikátor tulajdonságai között
a, enzimatikus aktivitások (E1 - E2) között
b, enzimaktivitások és a replikációs ráta (E – k) között
![Page 45: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/45.jpg)
Replikátor-típusok a modellben
i, specialista: egyik enzimaktivitása (E1 vagy E2) erős a másik gyenge és a replikációs rátája (k) is alacsony
ii, generalista: a két enzimaktivitás közel azonos (E1 = E2 ≠ 0.0), a replikációs rátája (k) kicsi és függ az aktuális enzimaktivitások értékétől
iii, parazita: nincs enzimaktivitása (E1 =
E2 = 0.0), replikációs rátája (k) viszont nagy
iv, maradék:köztes fentípusok, külnböző ezimaktivitás és növekedési ráta (k) értékkel
generalista
specialista 2
parazita maradék
specialista 1
maradék
Szaggatott vonal: (E1 - E2 ) közötti trade-off kapcsolat
E1
E2
![Page 46: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/46.jpg)
3, ha egy replikátor mind a két enzimaktivitással rendelkezik, akkor egy adott valószínűséggel (ptr) felveszi a két enzimatikus konformációból az egyiket:
1, a replikátorok fitnesze:
ahol ki az adott replikátor növekedési rátája, és Mi a metabolikus hatékonysága,
ptr=1 . 0−s=1 . 0−∣E1−E2∣
Max ( E1 ,E2 )
Replikátorok dinamikája
2, a metabolikus hatékonyság (Mi) függ a metabolikus szomszédságon belüli enzimatikus aktivitásoktól
M i=√∑k=1
n
E1k⋅∑k=1
n
E2k
W i=k i⋅M i
![Page 47: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/47.jpg)
4, egy replikátor szaporodásának valószínűsége (pi) a replikációs szomszédságon belül:
ahol We az üres hely üresen maradását befolyásoló tényező, Wi ill. Wj az adott replikátor fitnesze, és h a replikációs szomszédság mérete
5, az üres hely üresen maradási valószínűsége (pe) a replikációs szomszédságon belül:
Replikátorok dinamikája
![Page 48: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/48.jpg)
Replikátorok mutációja
C (E1 ,E 2 )=[Emaxg −[E1
b+E2b ]
1b
g]1g⋅kmax−kmin
Emax
+kmin
ahol b az enzimaktivitások közötti és g az enzimaktivitások és a növekedési ráta közötti trade-off erősségét kifejező paraméterek, kmin és kmax a minimális és maximális növekedési ráták. Emax a maximális enzimatikus aktivitás.
1, a replikátorok a replikáció során mutálódnak adott (pm = 0.01) valószínűséggel
2, három dimenziós trade-off függvény felszíne:
b < 1 és g > 1
b > 1 és g < 1 b > 1 és g > 1
b < 1 és g < 1
![Page 49: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/49.jpg)
EredményekKapcsoljuk ki az enzimatikus aktivitás és a replikációs ráta közötti trade-off viszonyt: kmin = kmax = 2.0; g = 1.0; pm = 0.01
D = 0
D = 5
b = 0.6 b = 1.0 b = 2.5gyengülő trade-off
![Page 50: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/50.jpg)
![Page 51: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/51.jpg)
EredményekKapcsoljuk be az enzimatikus aktivitás és a replikációs ráta közötti trade-off viszonyt: kmin = 2.0; g = 1.0; pm = 0.01, D = 0
kmax = 2.0b = 0.6 b = 1.0 b = 2.5
kmax = 4.0
![Page 52: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/52.jpg)
EredményekKapcsoljuk be az enzimatikus aktivitás és a replikációs ráta közötti trade-off viszonyt: kmin = 2.0; g = 1.0; pm = 0.01; D = 5
b = 0.6 b = 1.0 b = 2.5kmax = 2.0
kmax = 4.0
![Page 53: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/53.jpg)
Enzim-evolúciós modell eredményeinek összegzése
Visszakapjuk az eredeti Czárán-Szathmáry-féle Metabolikus Replikátor Modellt
Megmutatható, hogy az enzim specificitás evolúcióját vizsgálva létezik olyan paraméter tér-szakasz, ahol:● Tartósan együtt élnek a specifikus metabolikus replikátorok,
melyek közösen állítják elő azt a metabolitot, amelyből saját maguk is felépülnek
● Parazita replikátorok meg tudnak jelenni, és tartósan együtt tudnak élni a metabolikus replikátorokkal
![Page 54: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/54.jpg)
A Metabolikus Replikátor Modell további evolúciós
lehetőségei
Új funkció
![Page 55: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/55.jpg)
Replikáz replikátor evolúciója az MRM-ben
Alapfeltevések:
A sejtautomata rácsán a replikátorok korlátozottan diffundálnak.
A monomerek előállításában csak a metabolikus replikátorok vesznek részt (metabolizmus).
A monomerek csak abban az esetben képződnek ha egy adott térrészben (matabolikus-szomszédságban) minden metabolikus replikátor jelen van
Csak a parazita két tulajdonsága a replikáz-hatékonysága és a szaporodási-hatékonysága evolválódik.
E két tulajdonság között tarde-off viszony van.
![Page 56: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/56.jpg)
Lokális replikációs folyamat:
W i=r i⋅k i⋅M i
Lokális metabolikus folyamat:
M i=n√∏
j=1
n
x j
pi=W i
W e+∑j=1
r
W j A replikációs szomszédságon belül bármelyik R1, R2 és R3 replikáz segítheti (r>1) vagy gátolhatja (r<1) S1 replikátor replikációját
![Page 57: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/57.jpg)
A parazita replikáz-hatékonyságának és szaporodási hatékonyságának mutációja
S1
Kemény trade-off: Lágy trade-off:
S1
![Page 58: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/58.jpg)
A replikátorok együttélésének feltételei (hasonlóan Czárán & Szathmáry, 1998.):
1. Legyen diffúzió a rendszerben: hiányában aggregátumok képződnek → metabolizmus leáll.
2. Kisméretű metabolikus-szomszédság: a ritkaság előnye, máskülönben a nagy szaporodási hatékonysággal rendelkezők kiszorítják a többieket → metabolizmus leáll.
![Page 59: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/59.jpg)
A parazita evolúciója csak akkor valósulhat meg, ha a replikátorok együtt élnek.
ő
![Page 60: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/60.jpg)
Generációs idő
Korlátozott mértékű diffúziónál és nem túl erős trade-off viszonyt feltételezve a replikációs ráta és a replikáz-aktivitás között, a replikáz-aktivitás megjelenhet a rendszerben:
Re
pli ká
zha téko
nysá
gR
eplik
átor
o k m
e nny
iség
e
![Page 61: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/61.jpg)
Absztrakt replikátorok helyett a valósághoz közelebb álló replikátor tulajdonságok
hatása…
1) … az együttélésre
Templát irányított replikáció
![Page 62: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/62.jpg)
A templát irányított replikáció nincs számottevő hatással a metabolikus replikátorok együttélésére
![Page 63: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/63.jpg)
Absztrakt replikátorok helyett a valósághoz közelebb álló replikátor tulajdonságok
hatása…
2) ... az evolúcióra
Valós RNS szekvenciák, energiái és 2D-os szerkezete ViennaRNA Packages
![Page 64: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/64.jpg)
A 2D szerkezet energiájától függ…
a folding valószínűsége:
a replikátorok bomlása:
az enzimatikus promiszkuitás:
a metabolikus hatékonyság:
a replikáció:
c : Boltzmann konstans0.9 és 0.8: faktorok biztosítják, hogy semelyik replikátor ne lehgyen örök életű, de ne is halljon ki azonnalm: egy szekvenciában levó aktív helyek száma : enzim aktivitás mértékeg: skálázási faktorl: biztosítja hogy a legjobb enzim tud a legjobban replikálnib1: hosszfüggetlen replikációs paarméter pl. a replikáció jezdése és végeb2: hosszüggő replikációs paraméterL: replikátor hossz
Lokális replikációs folyamat:
![Page 65: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/65.jpg)
Energia profil változása
![Page 66: Korai replikátorok együttélése és evolúciójaplantsys.elte.hu/oktatas/Evollepes/feluleti_modellek.pdf · 2015-05-27 · A gyűrű gátolja a bázisok forgást ezzel segítve](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022040717/5e24e951961f6205b27d1a29/html5/thumbnails/66.jpg)
Erős hosszfüggés Gyenge hosszfüggés