Evolution ur ett biokemisk perspektiv Föreläsningar för läkarprogrammets termin 1 Litteratur: Detta föreläsning Berg kap 6 Evolution ur ett biokemisk perspektiv - Historien bakom evolution som koncept Mekanismer och drivkrafter för evolutionen Livets utveckling Tillämpningar (Fylogenetik, multiple sequence alignements, strukturbestämning, karcinogenes, metagenomik, etc..) Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhanszy, The American Biology Teacher Vol. 35, 1973 Här började det: Och nu är vi här: Historien bakom EVOLUTION som Koncept Samlare och katalogisering Lade grunden till den moderna nomenklaturen inom biologin och den moderna systematiken, som grupperar växter och djur, osv. Växtgeografins fader Carl von Linné, 1775 Alexander von Humboldt, 1843 Source: wikipedia Historien bakom Evolution som Koncept Banbrytande insikter On the Perpetuation of Varieties and Species by Natural Means of Selection, 1858 Jean-Baptiste de Lamarck Philosophie Zoologique, 1809 On the Origin of Species by Means of Natural Selection, 1871 Charles Darwin Source: Cambridge University Library On the Tendency of Varieties to depart indefinitely from the Original Type, 1858 Source: https://app.emaze.com/@ALFWLCFC/evolution-of-the-giraffe#1 Alfred Russel Wallace Source: wikipedia Historien bakom Evolution som Koncept Darwin´s tree of life, Darwin´s finches 1837 Source: national geographics, wikipedia Historien bakom Evolution som Koncept Två huvudprincipier: • Variation i en population skapas genom processer som ökar mångfalden i en genpool. • Naturligt urval. Individer har olika sannolikhet att överleva beroende på vilka ärftliga egenskaper de har. ‘Survival of the fittest’. Historien bakom Evolution som Koncept Banbrytande insikter Versuche über Pflanzenhybride, 1865 Den första teorin om hur egenskaper nedärvs genom att anlag slumpmässigt kombineras i avkomman. Gregor Mendel Source: wikipedia Livets enhet Dom mesta livsformer vi känner till är väldigt lika på ett grundläggande plan: 1. Arvsmassan är alltid kodad i nukleotidpolymerer (RNA eller DNA) 2. Arvsmassan är alltid översatt från tre kvävebas-kodoner i RNA till polypeptider med olika aminosyror 3. Den grundläggande metabolismen är nästan identisk i alla livsformer 4. ATP är den cellulära energivalutan i alla livsformer 5. Alla organismer använder co-faktorer i sina enzymer Livets ursprung på jorden hände en gång i tiden och alla livsformer är släkta med varandra. Man is but a worm Source: wikipedia Historien bakom Evolution som Koncept Två huvudprincipier: • Variation i en population skapas genom processer som ökar mångfalden i en gen pool. • Naturligt urval. Individer har olika sannolikhet att överleva och att fortplanta sig beroende på vilka ärftliga egenskaper de har. ‘Survival of the fittest’. Variation i en genpool: - Mutationer i gameter (~2.5×10−8 per bas per generation, ungefär 60 mutationer per generation) a. feler på replikationen b. kemisk modifiering c. transposon flytt, translokation d. etc. - Genetisk rekombination a. interchromosomal b. intrachromosomal - Förändringarna i ploiditet Alla dessa variationer är inte riktade Naturligt urval: Naturligt urval innebär att individer/celler/organismer/etc med egenskaper som gör att de är bättre anpassade till den aktuella miljön oftare överlever och kan fortplanta sig, vilket gör att dessa egenskaper tenderar att vara de som sprider sig till kommande generationer. Detta möjliggör att nya nischar utnyttjas och att organismer får en selekterbar fördel gentemot andra (celler/organismer/etc.). Survival of the fittest Livets utveckling “origin of life” - hur gick det till? Miller-Urey-experimentet: Enkla organiska molekyler kan bildas från enkla reaktanter Man har vissa rön som tyder på att livets evolution kan ha ägt rum kring hydrotermala öppningar på havets botten. Endosymbiosis och mitokondrierna Nyttjan för en biokemist att förstå principier bakom evolution - Fylogenetisk systematik: Nya sekvenseringsmetoder leder till att man förstår bättre hur organismer/proteiner är släckt med varandra och hur funktioner/celler/etc har utvecklats - Strukturbiologi: Storskalig analys av aminosyrasekvens mot kända proteinstruktur möjliggör att förutsäga med hög precision strukturen från nya proteinsekvenser - Storskalig sekvensering leder till upptäckt av släktträd och länge sedan utdöda arter - o.s.v……… Fylogenetisk systematik • Kladistik, även fylogenetisk systematik, är en vetenskaplig metod som används främst vid studier av evolutionära frågeställningar om släktskap och utveckling av arter och egenskaper inom biologin. A och B är fylogenetiskt ”närmare” än C Willi Hennig, 1950 Grenens längd och position visar de statistiskt mest sannolika sambanden mellan de olika organismer Varje gren indicerar en ny karaktär Source: wikipedia Sekvensanalys för Cytochrom c MGDVEKGKKI FIMKCSQCHT VEKGGKHKTG PNLHGLFGRK TGQAPGYSYT AANKNKGIIW GEDTLMEYLE NPKKYIPGTK MIFVGIKKKE ERADLIAYLK KATNE Macaca mulatta 99% sekvensidentitet I59T Rattus norvegicus 91.4% sekvensidentitet I12V M13Q S16A P45A Y47F A51D I59T V84A E90G Callorhinchus milii 91.4% sekvensidentitet I12V M13Q S16A P45A Y47F A51D I59T V84A E90G Sekvens Cyt c hos oss (105 amino acids) Otolemur garnettii 86.7% sekvensidentitet I12V G2S M13Q V4I S16A E22D P45A I86V Y47F A97D A51D I59T V84A E90G Multiple sequence alignments (MSA) Chymotrypsin (A) Spodoptera exigua, (B) Tenebrio molitor, (C) Lygus hesperus, (D) Periplaneta americana, (E) Aedes aegypti and (F) Mus musculus. Tree of life DOMAIN: EUKARYOTA DOMAIN: ARCHAEA DOMAIN: BACTERIA DOMAIN: EUKARYOTA DOMAIN: EUKARYOTA Pennisi E. 2015. Science doi: 10.1126/science.aad4597 Multiple sequence alignments hjälper proteinstrukturbiologi Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature 2021, Nobelpris I kemi 2025 Fylogenetik inom cancerbehandling • Cancerceller har utvecklats från en normal cell • ”Somatic evolution in cancer” • Man kan följa dessa steg på DNA-sekvensnivå Fylogenetisk systematik inom arkeologin Denisova Cave bone fragment DNA-extraktion från fingerbensfragment av en ung kvinna som levde för cirka 41 000 år sedan Sekvensering Sammansättning av genom Analys DNA-sekvenserna visade att denna individ kom från en tidigare okänd grupp av en utdöd människoart som nu kallas Denisovan. Tillsammans med sin systergrupp neandertalarna är denisovaner de närmaste, men utdöda, släktingarna till oss människor. Reich , D. et al.: Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature 2010 23;468(7327):1053-60. Source: wikipedia https://www.youtube.com/watch?v=FXgW1WZV0rc Vart kommer vi från? Homo sapiens’ evolution och begränsningar i den centrala evolutionsteorin enligt Darwin Varför dog Neanterthaler och Denisovaner ut, eller varför tog Homo sapiens över? Vår art hade en särskilt väg i evolutionen: - Neanterthaler hade överlägsen kraft och större hjärnor än Homo sapiens! - Men Homo sapiens slutliga utveckling hände inte med mekanismer enligt darwinistiska principer (”Survival of the fittest”), tvärtom tyder nyaste rön på att vi utvecklades med mekanismer som man kan sammanfatta med självdomesticering, då individernas samarbetsförmåga var allra viktigast (” Survival of the Friendliest”) - Vår samlade förmåga blev starten för alla kulturella revolutioner, där andra människoarter inte kunde hänga med. Survival of the Friendliest: Homo sapiens Evolved via Selection for Prosociality. Hare B. Annu Rev Psychol. 2017 Jan 3;68:155-186. doi: 10.1146/annurev-psych-010416-044201. The Origins and Psychology of Human Cooperation. Henrich J, Muthukrishna M. Annu Rev Psychol. 2021 Jan 4;72:207-240. doi: 10.1146/annurev-psych-081920-042106. Evolution ur ett biokemisk perspektiv - Historien bakom evolution som koncept Mekanismer och drivkrafter för evolutionen Livets utveckling Tillämpningar (Fylogenetik, multiple sequence alignements, strukturbestämning, förstå karcinogenes, metagenomik, etc..)