Populační genetika Radka Reifová

Transkript

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

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

4 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 Sewall Wright Mutace, migrace, drift, selekce J. B. S. Haldane

5 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

6 Nejdůležitější milníky populační genetiky OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNÍCH TECHNOLOGIÍ (od 90. let 20. století) Sangerova metoda, next-generation sekvenování. Příliv ohromného množství sekvenčních dat. Kombinace teoretického aparátu a skutečných sekvenčních dat umožňuje studovat, jak probíhala evoluce organismů v minulosti. Populační genetika Speciační genetika Molekulární evoluce Fylogenetika

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

8 Frekvence alel a genotypů v populaci

9 Panmiktická populace Populace, ve které se jedinci párují zcela náhodně. Bez ohledu na genotyp/fenotyp jedinců. Nehraje roli vzdálenost mezi jedinci. Neprobíhá selekce.

10 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 2 A 2 2pq frekvence genotypu A 1 A 2 Platí v dostatečně velké panmiktické populaci. Kde neprobíhá selekce. Stačí jedna generace náhodného křížení, aby se ustavila HW rovnováha.

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

12 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.

13 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

14 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.

15 Mechanismy způsobující odchylku od HW rovnováhy Nenáhodné (asortativní) párování Pozitivní asortativní párování 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).

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

17 Koeficient příbuznosti Pravděpodobnost, že s příbuzným jedincem sdílíme stejnou alelu určitého genu (zděděnou od společného předka). Rodič potomek: 1/2 Sourozenci: 1/2 Prarodič vnuk: 1/4 Sestřenice, bratranec: 1/8 Jednovaječná dvojčata: 1

18 Negativní asortativní párování 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

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

20 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 1

21 Příklad Jaké je F ST mezi dvěma populacemi? Počty genotypů AA Aa aa Populace Populace Frekvence alel p q 0,5 0,5 0,7 0,3 H T = 2pq = 2. 0,6. 0,4 = 0,48 H S = p 1 q 1 + p 2 q 2 = 0,25 + 0,21 = 0,46 F ST = H T H T H S F ST = 0,0416

22 Mechanismy měnící frekvence alel v populaci

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

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

25 Efektivní velikost populace (N e ) Vyjadřuje velikost ideální panmiktické populace, ve které genetické procesy (např. genetický drift) probíhají 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 (není selekce).

26 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.

27 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

28 Faktory ovlivňující efektivní velikost populace Rozptyl v počtu potomků mezi jedinci (selekce) 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.

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

30 Mutace jako zdroj genetické variability Bodové/genové mutace Genomové mutace Chromosomové mutace

31 Mutace Buněčný metabolismus Záření Chemické mutageny Chyby při replikaci Reparační mechanismy DNA

32 Mutační rychlost (μ) frekvence nových mutací na generaci μ = 0.01 (1 mutace na 100 jedinců na 1 generaci) Mutační rychlost (pro nukleotidové substituce) u lidí je cca (necelých 100 nových nukleotidových substitucí v celém genomu na jedince)

33 Mutační rychlost Je odlišná pro různé typy mutací rozsáhlejší mutace obecně méně časté mutační hotspots : CpG u živočichů, mikrosatelity. tranzice vznikají častěji než transverze mikrosatelit

34 Mutační rychlost Je odlišná pro různé geny v rámci genomu Ovlivněna např. mírou transkripce dané sekvence, blízkostí k replikačnímu počátku, pozicí nukleozomu. Mutační rychlost u živočichů cca 10 x větší na mt DNA než v jaderné DNA

35 Liší se u různých organismů velikost genomu Mutační rychlost životní strategie (velikost těla, intenzita metabolismu, dlouhověkost, efektivní velikost populace ) Lynch et al. 2016

36 Mutační rychlost v germinální linii a somatických tkáních

37 Většinu mutací dědíme od otců 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). Rozdíl v mutační rychlosti mezi autosomy a pohlavními chromosomy. Campbell and Eicher, 2013

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

39 Ellegren and Galtier, 2016 Genetická diverzita organismů závisí na životních strategiích organismů

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

41 Odhad nukleotidové diverzity (π)

42 Odhad proporce polymorfních míst (θ) θ = S / n / H k H k-1 = S počet segregujících míst n počet nukleotidů v sekvenci k počet sekvencí H k-1 harmonické číslo θ = 3 / 10 / 1,83 = 0,164 Za předpokladu neutrality by měly být oba odhady genetické diverzity stejné. Programy: DnaSP

43 Teorie neutrální evoluce Konec 60. a začátek 70. let 20. stol. Ukazuje jak bude vypadat genetická variabilita v populaci a jaká bude rychlost evoluce v případě, že mutace jsou neutrální a působí na ně pouze genetický drift. Mottoo Kimura

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

45 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.

46 Molekulární hodiny a odhad doby divergence dvou druhů Genetická divergence = substituční rychlost x čas D = 2μt Počet mutací, kterými se liší dva taxony. Pro neutrální sekvence vzrůstá genetická divergence lineárně s časem. t

47 Odhad genetické divergence ze sekvenčních dat AGTGAGTCGTCAGACTGCTG ACTTAGCCGTGAGACAGCTA 6 D = = 0,3 (30%) 20 Proporce nukleotidových míst, kterými se liší dva taxony.

48 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.

49 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

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

51 Molekulární hodiny Striktní molekulární hodiny Substituční rychlost homogenní napříč fylogenezí. Relaxované molekulární hodiny Berou v potaz možnou variabilitu v substituční rychlosti mezi liniemi. Ho and Duchene, 2014