Populační genetika Radka Reifová

Transkript

1 Populační genetika Radka Reifová Prezentace ke stažení: v záložce Courses

2 Populační genetika Obor zabývající se genetickou variabilitou v populacích a procesy, které ji ovlivňují. Snaha vysvětlit evoluci pomocí mechanismů měnících frekvence alel v populaci.

3 Nejdůležitější milníky populační genetiky Základy populační genetiky. MODERNÍ SYNTÉZA (30. až 40. léta 20. století) Vytvořen teoretický aparát popisující změny ve frekvencích alel v populaci, na kterou působí různé evoluční síly. Sir Ronald Fisher J. B. S. Haldane Sewall Wright

4 Nejdůležitější milníky populační genetiky OBJEV DVOUJŠROUBOVICE DNA A CENTRÁLNÍ DOGMA MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE (50. léta 20. století) Genetická informace je zakódována v pořadí nukleotidů v molekule DNA. transkripce translace Replikace DNA RNA protein TEORIE MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE (70. léta 20. století) James Watson a Francis Crick Motto Kimura

5 Nejdůležitější milníky populační genetiky OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNÍCH TECHNOLOGIÍ (od 90. let 20. století) Sangerova metoda (sekvenování jednotlivých DNA fragmentů separátně), Next-generation sekvenování (paralelní sekvenování několika miliónů DNA fragmentů). Kombinace teoretického aparátu a skutečných sekvenčních dat umožňuje studovat, jak probíhala evoluce organismů v minulosti.

6 Sekvenční data Sekvence celých genomů Sekvence transkriptomů (RNA seq) Cílené sekvenování specifických genů Sekvence náhodných úseků v genomu (ddrad seq)

7 mutace Zdroj genetické variability v populaci migrace drift Mechanismy měnící frekvence alel v populaci selekce University of California Museum of Paleontology's Understanding Evolution (

8 Mutace Genové mutace bodové mutace: substituce, inzerce, delece Chromosomové mutace přestavby chromosomů: inverze, translokace, rozsáhlejší inzerce, delece Genomové mutace změny v počtu chromosomů: aneuploidie, polyploidie

9 Z hlediska vlivu na fenotyp rozlišujeme mutace škodlivé neutrální výhodné

10 Mutační rychlost (μ) frekvence nových mutací na generaci μ = 0.01 (1 mutace na 100 jedinců na 1 generaci) Mutační rychlost v lidském genomu ~ (na bázi a na generaci) necelých 100 nových nukleotidových substitucí v celém genomu na jedince.

11 K většině mutací dochází při replikaci DNA Většina nukleotidových substitucí vzniká v samčí germinální linii (více replikací DNA) (male-driven evolution). Počet nově vzniklých nukleotidových substitucí vzrůstá s věkem otce (paternal age effect). Campbell and Eicher, 2013

12 Mutační rychlost Je odlišná pro různé typy mutací Rozsáhlejší mutace obecně méně časté Tranzice vznikají častěji než transverze Je různá v různých oblastech genomu Mutační rychlost cca 10 x větší na mt DNA než v jaderné DNA Velmi se liší také mezi různými geny v jaderné DNA; ovlivněna např. mírou transkripce dané sekvence, blízkostí k replikačnímu počátku. Liší se u různých organismů Ovlivněna životními strategiemi organismů (velikost těla, intenzita bazálního metabolismu, dlouhověkost ) Ovlivněna celkovou velikostí genomu,

13 Genetická diverzita - genetický polymorfismus (θ) Pro neutrální mutace platí: Polymorfní (segregující) místo θ = 4N e μ Míra genetického polymorfismu v populaci závisí přímo úměrně na mutační rychlosti a velikosti populace.

14 Empirické odhady genetického polymorfismu (θ) v populaci 1. Proporce polymorfních míst (θ, θ W, θ S ) 2. Nukleotidová diverzita (průměrná heterozygozita) (π) Polymorfní (segregující) místo

15 Odhad nukleotidové diverzity (π)

16 Odhad proporce polymorfních míst (θ, θ W, θ S ) θ = p s /k k počet sekvencí θ = 0.3/4 = Za předpokladu neutrality by měli být oba odhady stejné. Program: DnaSP

17 Frekvence alel a genotypů v populaci Hardy-Weinbergův zákon

18 Hardy-Weinbergův zákon p 2 + 2pq + q 2 = 1 Godfrey Hardy Wilhelm Weinberg p frekvence alely A 1 q frekvence alely A 2 p 2 frekvence genotypu A 1 A 1 q 2 frekvence genotypu A 1 A 2 2pq frekvence genotypu A 2 A 2 Platí v dostatečně velké populaci, kde dochází k náhodnému křížení mezi jedinci (panmiktická populace).

19 Hardy-Weinbergův zákon Nejvíce heterozygotů v populaci při stejné frekvenci obou alel. Přetrvávání škodlivých recesivních mutací v populaci. Vzácné alely skryty v heterozygotech.

20 Hardy-Weinbergův zákon pro více alel 2 alely (p + q) 2 = 1 p 2 + 2pq + q 2 = 1 3 alely (p + q + r) 2 = 1 p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1 4 alely (p + q + r + s) 2 = 1 p 2 + q 2 + r 2 + s 2 + 2pq + 2pr + 2ps + 2qr + 2qs + 2rs = 1 atd.

21 Příklad: Testování odchylky od Hardy-Weinbergovy rovnováhy Pozorovali jsme níže uvedené počty genotypů v lokusu pro krevní skupinu MN. Je populace v Hardy-Weinbergově rovnováze? Genotypy Pozorované počty MM 165 MN 562 NN 339

22 Testování odchylky od Hardy-Weinbergovy rovnováhy Odhad frekvence alel Genotypy Pozorované počty MM 165 MN 562 NN 339 celkem x M = 2 x 1066 N = 1 - M = = Odhad očekávaných počtů genotypů MM 1066 x (0.4184) 2 = MN 1066 x 2(0.4184)(0.5816)= NN 1066 x (0.5816) 2 = Výpočet rozdílů pozorovaných a očekávaných počtů genotypů MM = MN = 43.2 NN = Chi-square statistika (X 2 ) X 2 = (pozorované očekávané) 2 očekávané Počet stupnů volnosti (df) počet porovnávaných tříd počet odhadovaných parametrů 1 X 2 = (-21.6) Chi-square test + (43.2) (-21.6) + 2 = df = 3-1-1=1 p < 0.01 Populace není v HW rovnováze.

23 Mechanismy způsobující odchylku od H-W rovnováhy Nenáhodné (asortativní) křížení Pozitivní asortativní křížení Jedinci s podobnými genotypy se vzájemně kříží s větší pravděpodobností. Vede k přebytku homozygotů v populaci. Např. příbuzenské křížení (inbreeding) Vede k odhalení škodlivých recesivních mutací (inbrední deprese).

24 Inbreeding V laboratoři se využívá při vytváření inbredních kmenů. V přírodě dochází k inbreedingu také v extrémně malých populacích.

25 Negativní asortativní křížení Jedinci s odlišnými genotypy se vzájemně páří s větší pravděpodobností. Vede k přebytku heterozygotů. V přírodě nastává např. pokud jsou zvýhodněni heterozygoti. - MHC I (Major Histocompatibility Complex I) geny

26 Geografická struktura populace Brání náhodnému páření mezi jedinci. Snížení celkové heterozygotnosti ve strukturované populaci = Wahlundův princip.

27 Odhad míry geografické strukturovanosti populací F ST statistika Proporce o kterou je snížená heterozygotnost subpopulací ve srovnání s očekávanou heterozygotností za předpokladu náhodného křížení mezi všemi jedinci. F ST = H T H T H S H T očekávaná heterozygotnost pro celkovou populaci H S očekávaná heterozygotnost pro subpopulace F ST 0 0,05 velmi malá či žádná diferenciace F ST 0,05 0,15 mírná diferenciace F ST 0,15 0,25 velká genetická diferenciace F ST 0,25 1 extrémně velká diferenciace

28 příklad: V populaci 1 a 2 byly zjištěny následující počty genotypů. Jaké je F ST mezi populacemi? AA Aa aa Populace Populace Frekvence A v populaci 1: f A1 = ( /2) / 60 = 0,5 Frekvence A v populaci 2: f A2 = ( /2) / 60 = 0,375 H T = (f A1 + f A2 )(1- ((f A1 +f A2 )/2)) = 0,492 H S = f A1 (1-f A1 ) + f A2 (1-f A2 ) = 0,484 F ST = (H T -H S )/H T = 0,016

29 Selekce Odstranění určitých genotypů z populace. aa aa AA Aa AA AA Aa aa Aa Aa Aa aa AA Aa aa Aa Aa aa Aa Aa aa Aa Genetický drift V malých populacích, přebytek či nedostatek určitých genotypů vzhledem k H-W rovnováze vlivem náhody. AA AA Aa aa aa Aa Aa Aa Selekce a drift mění nejen frekvence genotypů, ale i frekvence alel v populaci. Nenáhodné křížení mění frekvence genotypů v populaci, ne však frekvence alel.

30 Hardy-Weinbergův zákon Příklad: Usvědčení podezřelého z vraždy Genotyp podezřelého je identický s genotypem DNA zanechané na místě zločinu. Lze podezřelého na základě tohoto genetického testu usvědčit z vraždy? Lokus Genotyp A,B A,B A,A

31 Usvědčení podezřelého z vraždy 1. Musíme znát frekvence alel v populaci A A A B B Pomocí HW odhadneme frekvence genotypů v populaci 1 A,B 2 x ( x ) = (6.89%) 2 A,B 2 x ( x ) = (8.41%) 3 A,A 2 x ( x ) = (0.84%) 3. Vypočítáme pravděpodobnost výskytu genotypu ve třech lokusech v populaci x x = (0.0049%, 1/20408)

32 Mechanismy měnící frekvence alel v populaci

33 Genetický drift Náhodné změny ve frekvencích alel v omezeně velkých populacích. Působí silněji v malých populacích. Směr genetického driftu je náhodný. Pravděpodobnost fixace alely působením genetického driftu odpovídá její frekvenci v populaci.

34 Genetický drift působí silně i při krátkodobém zmenšení velikosti populace Efekt hrdla lahve Efekt zakladatele

35 Efektivní velikost populace (N e ) Vyjadřuje velikost ideální panmiktické populace, ve které by genetické procesy (např. změny ve frekvenci alel vlivem genetického driftu) probíhaly stejnou rychlostí jako v dané reálné populaci. Daná pouze počtem rozmnožujících se jedinců v populaci. Odpovídá skutečnému počtu jedinců v populaci za předpokladu: (1) konstantní velikosti populace (2) poměru pohlaví 1:1 (3) náhodného křížení mezi jedinci (4) rovnoměrného počtu potomků mezi jedinci.

36 Faktory ovlivňující efektivní velikost populace Kolísavá velikost populace, efekt hrdla lahve, efekt zakladatele N e odráží nejen současnou velikost populace, ale také velikost populace v minulosti. U populací s proměnlivou velikostí se Ne blíží spíše nižším hodnotám celkového počtu jedinců v populaci.

37 Faktory ovlivňující efektivní velikost populace Nenáhodné křížení a rozdílný počet rozmnožujících se samic a samců Vede ke snížení efektivní velikosti populace. N e = 4N mn f N m + N f

38 Faktory ovlivňující efektivní velikost populace Rozptyl v počtu potomků mezi jedinci N e se rovná skutečnému počtu jedinců pokud počty potomků jednotlivých jedinců mají Poisson rozložení. Tzn. rozptyl v počtu potomků je stejný jako průměrný počet potomků. Pokud je rozptyl větší, N e je nižší než skutečný počet jedinců v populaci. Pokud je rozptyl menší, N e je vyšší než skutečný počet jedinců v populaci.

39 Odhady efektivní velikosti populace u různých druhů ~ ~ ~ ~ ~

40 Selekce mutace škodlivé neutrální výhodné negativní selekce genetický drift pozitivní selekce

41 Fitnes (biologická zdatnost) Schopnost jedince předat své geny do dalších generací. Relativní fitnes (w) Relativní rozdíly ve fitnes mezi jednotlivými genotypy. Genotyp s maximální fitnes, w = 1. Genotyp s minimální fitnes (letální), w = 0. Selekční koeficient (s) Udává pokles ve fitnes genotypu Letální mutace, s = 1. Neutrální mutace, s = 0. AA Aa aa w = s

42 Populačně genetické modely selekce Ukazují dynamiku změn ve frekvenci genotypů a alel v populaci působením selekce. Parametry modelů Relativní fitnes (w) Selekční koeficient (s) Koeficient dominance (h) Udává míru dominance mezi alelami. h = 0 či 1 úplná dominance. 0 < h < 1 neúplná dominance. h < 0 overdominance (heterozygot má největší fitnes). h > 1 underdominance (heterozygot má nejmenší fitnes). AA Aa aa w = hs 1 - s

43 Negativní selekce proti recesivní mutaci Vede ke snížení frekvence škodlivé recesivní alely. Nedojde však k jejímu vymizení z populace. Recesivní alela je chráněna proti vymizení z populace tím, že je při nízké frekvenci ukryta v heterozygotech. Lidské choroby často způsobeny recesivními mutacemi (např. cystická fibróza, fenylketonurie atd.)

44 Negativní selekce proti dominantní mutaci Vede k úplnému vymizení dominantní alely A z populace. Letální dominantní choroby jsou vzácnější než recesivní. Většinou se projevují v pozdějším reprodukčním věku, tzn. neovlivňují fitnes nositele (př. Huntingtonova choroba).

45 Pozitivní selekce ve prospěch dominantní, recesivní a neúplně dominantní mutace Haldaneovo síto. Většina výhodných mutací v populaci je dominantní. Snadněji se zafixují.

46 Selekce proti heterozygotům (underdominance) Vede fixaci alely s vyšší frekvencí v populaci.

47 Selekce ve prospěch heterozygotů (overdominance) V populaci se dlouhodobě udržují obě alely. Pokud fitnes homozygotů AA a aa je stejná, v populaci se udržuje stejná frekvence obou alel (za této situace je v populaci nejvíc heterozygotů).

48 Rezistence vůči malárii Mutace v hemoglobinu mohou způsobit resistenci vůči malárii. Srpkovitá anémie. Způsobena recesivní mutací. Recesivní homozygoti nepřežijí. Heterozytoti jsou v pořádku, navíc jsou imunní proti malárii. Proto častý výskyt této choroby v tropické Africe. Srpkovitá anémie Distribuce malárie

49 Selekce udržující polymorfismus v populaci (balancing selekce) Selekce ve prospěch heterozygotů Frekvenčně závislá selekce Cyklická selekce Křivka obecná (Loxia curvirostra) zobák překřížený na obě strany k otevírání levotočivých a pravotočivých šišek Cichlida (Perissodus microlepsis) tlamu natočenou napravo či nalevo podle toho, ze které strany ožírá šupiny ryb

50 Genetický draft genetic hitchiking Evoluční osudy genů ležících na stejném chromosomu nejsou nezávislé. Vzájemně se ovlivňují. Změna ve frekvenci alely v populaci díky genetické vazbě s jinou alelou (výhodnou či nevýhodnou)

51 Selekční vymetení ( selective sweep ) snížení genetické variability v okolí výhodné mutace.

52 Selekce na pozadí ( background selection ) Odstranění alel z populace díky genetické vazbě s nevýhodnou mutací. Vede ke snížení genetické variability, není však tak výrazné, jako u selekčního vymetení.

53 Selective sweeps v lidské populaci Laktázová persistence V lidské populaci vzniklo nezávisle několik mutací v LCT genu (kóduje laktázu), které umožňují trávit mléko i v dospělostí. Souvisí s rozšířením pastevectví. s = ~1,4-15% (jeden z nejsilněji selektovaných lokusů v lidském genomu). Výskyt laktázové perzistence

54 Zbarvení pleti Geny ovlivňující zbarvení pleti u lidí: HERC2, SLC45A2, TYR Silná selekce ve prospěch světlejší pleti v Evropě. Selekční koeficient 2 10% na generaci.