Populační genetika II. Radka Reifová

Transkript

1 Populační genetika II Radka Reifová

2 Literatura An Introduction to Population Genetics. Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin (v knihovně) Elements of Evolutionary Genetics (2010) Brian Charlesworth and Deborah Charlesworth (v knihovně). Population Genetics and Microevolutionary Theory (2006) Alan R. Templeton (v knihovně). Principles of Population Genetics (různá vydání) Daniel L. Hartl, Andrew G. Clark (v knihovně) Genetics of Populations (různá vydání) Philip W. Hedrick (v knihovně) Conservation and the genetics of populations. Fred W. Allendorf, Gordon H. Luikart, Sally N. Aitken

3 Molekulární hodiny Genealogie a fylogeneze Speciace

4 Mutační vs. substituční rychlost Mutační rychlost Substituční rychlost Rychlost s jakou nové mutace vznikají. Rychlost s jakou se substituce fixují v populaci.

5 Teorie neutrální evoluce a substituční (fixační, evoluční) rychlost = počet nových mutací x pravděpodobnost jejich fixace Pro neutrální mutace platí: k = 2N e μ 1 = μ 2N e N e efektivní velikost populace μ mutační rychlost Mottoo Kimura pravděpodobnost fixace nové mutace počet nových mutací v populaci Substituční rychlost pro neutrální mutace je daná pouze mutační rychlostí. Nezávisí na efektivní velikosti populace. Za předpokladu neměnné mutační rychlosti se je substituční rychlost v čase také konstantní. Molekulární hodiny.

6 Molekulární hodiny a odhad doby divergence dvou druhů Genetická divergence = substituční rychlost x čas D = 2μt Počet mutací, které vzniknou za určitý čas. Pro neutrální sekvence vzrůstá genetická divergence lineárně s časem. t

7 Odhad genetické divergence ze sekvenčních dat AGTGAGTCGTCAGTACTGCTG ACTTAGCCGTGAGTACAGCTA 6 D = = 0,2857 (28,57%) 21 Proporce nukleotidových míst, které se liší mezi dvěma sekvencemi DNA.

8 Saturace mutací Po určité době divergence přestane stoupat. Je to kvůli mnohočetným substitucím ve stejné pozici. Došlo k saturaci. Odhad divergence vzdálených sekvencí je podhodnocený. Nutno korigovat pomocí nukleotidových substitučních modelů.

9 Tj. odhad substituční rychlosti Kalibrace molekulárních hodin Provádí se na základě známé doby divergence některých taxonů na základě např. paleontologických dat. Substituční rychlost pro sekvenci genu cytochromu b (mt DNA) u savců a ptáků cca 0,01. Tzn. 2% divergence ~ 1 mil let. D = 2μt

10 Substituční rychlost je velmi variabilní u různých druhů Substituční rychlosti pro cytochrom b u ptáků. Pravidlo 2% divergence ~ 1 mil let, neplatí!

11 Proč se substituční rychlost liší u různých druhů? Druhy s menší velikostí těla mají větší substituční rychlost.

12 Proč je substituční rychlost vyšší u organismů s malou tělesnou velikostí? Hypotéza generační doby Druhy s malou tělesnou velikostí mají obvykle kratší generační dobu. Za určitý časový interval se víckrát rozmnoží, v germinální linii proběhne celkově více buněčných dělení v přepočtu na jeden rok. Pokud většina mutací vzniká při replikaci, je u nich zvýšená mutační a tím pádem i substituční rychlost (vztažená na rok, ne však na generační dobu). 25 let 1 generace 25 generací

13 Metabolická hypotéza Mutační rychlost a tím pádem substituční rychlost je ovlivněná rychlostí metabolismu. Při vyšší rychlosti metabolismu, vyšší oxidativní stres. Druhy s malou velikostí mají rychlejší substituční rychlost. Vysvětlí proč teplokrevní mají vyšší substituční rychlost než studenokrevní.

14 Hypotéza dlouhověkosti Dlouhověké druhy si vyvinuly mechanismy, jak se bránit mutačnímu stresu. Mají účinnější DNA reparační mechanismy. Mohou se tak dožít vysokého věku. vysoký metabolismus dlouhověcí nízký metabolismus krátkověcí Velryba grónská

15 Teorie téměř neutrální evoluce neutrální mutace působí na ně drift škodlivé / výhodné mutace působí na ně zejména selekce mírně škodlivé / výhodné mutace působí na ně drift i selekce Tomoko Ohta (Téměř) neutrální mutace: 2s < 1 2N e V malých populacích se chovají spíše neutrálně, ve velkých spíše jako výhodné či škodlivé.

16 Téměř neutrální teorie evoluce předpovídá rychlejší substituční rychlost v malých populacích V malých populacích se fixuje více mutací než ve velkých (fixují se zde mírně škodlivé mutace). Druhy s malými populacemi mají rychlejší substituční rychlost než druhy s velkými populacemi. Zároveň se u nich fixuje více škodlivých mutací. Platí i pro části genomu s nižší N e. Rychlejší evoluce pohlavních chromosomů či mtdna ve srovnání s autosomy. Autosome X chromosome

17 Problémy molekulárních hodin 1. Mutační a tím pádem i substituční rychlost není konstantní. Liší se u různých taxonů. 2. Evoluční rychlost není zcela nezávislá na velikosti populace.

18 Genealogie a fylogeneze

19 Genové genealogie Rodokmeny jednotlivých kopií určitého genu v populaci. Popisují vztahy mezi kopiemi určitého genu v populaci napříč generacemi.

20 Genové genealogie

24 Genové genealogie Nejbližší společný předek vybraných linií Most Recent Common Ancestor (MRCA) Koalescence = splývání linií Mitochondriální Eva = MRCA pro současnou lidskou mt DNA Adam pro chromosom Y = MRCA pro současný lidský chromosom Y

25 Genové genealogie Můžeme rekonstruovat díky mutacím A G T C A C C G G G T T T T A

26 Průběh genealogií je ovlivněn demografickými faktory i selekcí

27 Z průběhu genealogií lze zjistit změny ve velikosti populací v minulosti Karmin et al. 2015

28 Genealogie umožňují rekonstrukci fylogeneze druh A druh B druh C genový vs. druhový strom druh A druh B druh C

29 Rekonstrukce fylogeneze Maximální parsimonie Strom s minimálním počtem mutací. Sekvence Distanční metody Strom se vytvoří na základě odhadnutých genetických vzdálenosti mezi všemi dvojicemi sekvencí. Metoda maximální věrohodnosti and Bayesiánské metody Strom, který s největší pravděpodobností vysvětlí data.

30 U blízce příbuzných druhů může docházek k rozporu mezi genealogickým a fylogenetickým stromem druh A druh B druh C Sortování genealogických linií Pro stanovení fylogeneze je proto třeba studovat více genů. Pro většinu genů by genealogie měla odpovídat fylogenezi. Rychlost sortování linií závisí na N e. Ve velkých populacích je pomalejší neúplné úplné

31 Fylogeneze ptáků Rychlá radiace na přelomu druhohor a třetihor po velkém vymírání. Problém se stanovením příbuznosti jednotlivých řádů ptáků pravděpodobně kvůli nekompletnímu sortování linií. Jarvis et al. Science 2014

32 Datování divergence dvou blízce příbuzných druhů pomocí molekulárních hodin často nadhodnocené Pomocí molekulárních hodin odhadujeme dobu divergence sekvencí, ne druhů. divergence sekvencí divergence druhů

33 Hybridizace a speciace

34 Speciace Proces vzniku nových druhů

35 Co je to druh? Biologická koncepce druhu (Ernst Mayr, 1942) Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně plodně kříží a jsou reprodukčně izolované od jiných takových skupin. Reprodukční izolace prezygotická postzygotická prekopulční postkopulační vnitřní (neplodnost a neživotaschopnost hybridů) vnější

36 Speciace Charles Darwin Sympatrická Alopatrická Ernst Mayr aabb Aabb aabb Vznik polymorfismu Vznik geografické bariéry AAbb aabb Reprodukční izolace se vyvíjí v přítomnosti genového toku Reprodukční bariéra se vyvíjí bez přítomnosti genového toku AaBb Dobzhansky-Muller nekompatibility

37 Mezidruhová hybridizace a genový tok (introgrese) Luscinia megarhynchos Luscinia luscinia Mus musculus domesticus Mus musculus musculus Bombina bombina Bombina variegata Darwin Finches Cichlids Homo sapiens Homo neanderthalensis

38 Mezidruhový genový tok může být dalším důvodem pro nekonzistenci mezi genovou genealogií a fylogenezí

39 Selektivně propustná reprodukční bariéra M. m. domesticus M. m. musculus

40 Polopropustná reprodukční bariéra Corvus corone Corvus cornix Genový koncept druhu (Chung-I Wu, 2001) Reprodukční bariéra se nemusí týkat celého genomu, ale může být udržována celkem malým počtem genů. Druh jako koadaptovaný komplex genů.

41 Vznik adaptací pomocí mezidruhové hybridizace (adaptivní introgrese) Mezidruhová introgrese genů podmiňujících Mullerovské mimikry u motýlů rodu Heliconius The Heliconius Genome Consorcium. Nature. 2012

42 Adaptivní introgrese u Homo sapiens Neafrická lidská populace zdědila 2-4% genomu od neandrtálců. V Tibetské populaci mutace v genu EPAS1 usnadňuje život ve vysokých nadmořských výškách. Původem z neandrtálců. Adaptivní introgrese se také týká genů ovlivňujících kvalitu kůže a srsti. Některé alely získané od neandrtálců způsobují choroby (např. obezitu, deprese).

43 Speciace hybridizací Nový druh vzniká hybridizací mezi dvěma rodičovskými druhy.

44 Polyploidní hybridní speciace Provázena duplikací genomu hybridního druhu. Duplikace genomu (1) odstraní případné poruchy v meióze u hybridů, pokud se rodičovské druhy liší ploidií. (2) vytvoří reprodukční bariéru mezi hybridy a rodičovskými druhy. Častá u rostlin. ~ 15% krytosemenných roslin vzniklo polyploidní hybridní speciací.

45 Sympatrická speciace změnou ploidie 2n 4n Častá u rostlin. Duplikace genomu vytvoří okamžitou reprodukční izolaci. Hybridní jedinci (3n) problém s meiózou. Sterilita.

46 Homoploidní hybridní speciace Nedochází ke změnám ploidie. Reprodukční izolace mezi hybridním druhem a rodičovskými druhy se může vytvořit pokud se hybridi geograficky oddělí od populace rodičovských druhů anebo ekologicky odliší. Příklad: vrabec italský

47 Hybridogeneze Skokan zelený je F1 hybrid. Při gametogenezi F1 hybrida zničen genom jednoho z rodičů. Křížením s rodičovským druhem, jehož genom byl zničen, vzniká opět F1 hybrid. skokan skřehotavý skokan krátkonohý skokan zelený

48 Strom života Síť života

49 Horizontální genový přenos Velmi častý v rámci prokaryot. Dochází k němu ale i u eukaryot. Možný přenos genů i mezi vzdálenými taxony.