Efektivní velikost populace Wright (1931)

Transkript

1 Efektivní velikost populace Wright (1931) - velikost populace z genetického hlediska nemusí být rovna censu, někteří jedinci mohou zanechat potomků více, jiní se rozmnožování nezúčastní vůbec - to má dopad i na evoluci efektivní velikosti populace N e = velikost ideální populace, mající stejné množství NGD jako populace pozorovaná (aktuální) - může být mnohem menší, než census - velký význam pro "conservation genetics and biology" - řada faktorů : nestejný poměr pohlaví, variabilní počet potomků, periodické kolísání velikosti populace...

2 3 situace, kdy RGD může hrát významnou roli při evoluci populací 1. Kontinuální drift populace zůstávají malé v každé generaci variabilita ve vzorkování se snižuje obvykle se objevuje u ohrožených druhů (inbrední deprese) Genetický drift a evoluce 2. Nárazový nebo občasný drift (bottleneck) - populace je někdy snížena na takovou velikost, že RGD začne fungovat = efekt "hrdla láhve" (bottleneck) - v okamžiku snížení velikosti je mortalita náhodná - vzorek "přeživších" má jiné genetické složení a redukovanou heterozygositu v důsledku náhodnosti - pokud populace zůstane malá po dvě a více následujících generací, začíná proces 1

3 Bottleneck Účinek bottlenecku na genetickou variabilitu původní populace bottleneck přeživší jedinci Silné linie znázorňují populace s počátečním počtem jedinců N 0 = 2. Přerušované N 0 = 10. Růstová rychlost r = 0,1 nebo r = 1,0

4 Bottleneck gepard Acinonyx jubatus překvapivý experiment, v němž nepříbuzní gepardi v zajetí přijali vzájemné kožní transplantáty - dříve rozšíření v Africe a Asii, dnes pouze v parcích - mají nemoci typické pro extrémní inbríding - 47 alozymových lokusů monomorfních, DNA studie našly diverzitu minimální; indikace dávného bottlenecku (12 tisíc let) a recentní fragmentace

5 Bottleneck Northern elephant seal (rypouš severní) Mirounga angustirostris - kdysi velmi početní, ale velmi lovení - v r přežilo na kalifornském pobřeží asi 30 jedinců - díky ochranné legislativě se populace zvýšila na desítky tisíc - 55 alozymů (N=159) neprokázalo ŽÁDNOU variabilitu DNA pouze minimální variabilitu (mtdna-1%) - Southern elephant seals (rypouš sloní) mají variabilitu normální (2.3%)

6 3. Vliv zakladatele (founder effect) - nová populace je často založena malým počtem migrantů (analogicky bottlenecku) - tento soubor má jenom zlomek genetické variability původní populace - nové populace se budou náhodně lišit jak od původní populace, tak mezi sebou

7 Efekt zakladatele populace založené malým počtem jedinců mají kromě ztráty polymorfismu vyšší frekvenci dříve vzácných alel "Afrikaners Afrikánci z Holandska - autozomální dominantní choroby Huntingtonova choroba - dnes přenašečů 1 na 300, vystopována k jedinému muži z první lodi v r Porphyria variegata - nyní 30 tisíc přenašečů, stopa k jedinému páru v r Amišové - potomek jediného páru (1744), Ellis-Van Creveldův syndrom (trpasličí vzrůst a 6 prstů) je běžný

8 Populační struktura Přírodní populace jsou obvykle tvořeny menšími populacemi (subpopulacemi, démy) - vykazují populační strukturu - odděleny v důsledku ekologických (omezené zdroje, host-parazit), geografických (řeky, jezera), behaviorálních (sociální struktura) aj. bariér - démy mohou udržovat genetickou provázanost prostřednictvím výměny rozmnožujících se migrantů, výsledkem genetického toku může být homogenizace populací v důsledku vyrovnávání rozdílů v alelových četnostech - způsob migrace a doba separace mezi démy mají obrovský vliv na stupeň jejich genetické diferenciace

9 Wright, S. (1943) Analysis of local variability of flower color in Linanthus parryae modré (aa) nebo bílé (AA, Aa) květy (Desert snow) každý kruh představuje subpopulaci o 4000 jedincích A a relativní frekvence Z V průměrná heterozygosita ze všech subpopulací je menší než očekávaná (podle průměrné alelové frekvence) (Wahlundův efekt, Wrightův fixační index Fst)

10 Očekávaná vs. pozorovaná heterozygotnost jako míra populační struktury (pro genotypy: p 2 + 2pq + q 2 = 1 pro alely: p + q = 1) 2 populace které jsou reprodukčně izolované Heterozygotnost Jak bude vypadat kombinovaná populace s HWE? (po 1 generaci náhodného křížení) AA 64 1 Aa aa 4 81 p H (2pq) H avg = ( )/2 = 0.25 p 0.45 H (2pq) Podíl z celkové heterozygotnosti (z potenciální kombinované populace) patřící subpopulaci = Míra "populační struktury" má rozsah 0 (žádná struktura) 1 (kompletní struktura) F st

11 Genetická divergence mezi populacemi Fixační index F ST - index genetické diferenciace (genetické vzdálenosti - genetic distance) vhodné a často používané měřítko genetické rozdílnosti mezi populacemi, nabývá hodnot v rozmezí: F ST = 0... frekvence alel jsou v subpopulacích stejné F ST = 1... alternativní alely jsou v subpopulacích fixovány (alely směřují k fixaci, proto fixační index) Kvalitativní vodítka pro interpretaci F ST (Wright, 1978): F ST = 0-0,05... malá genetická divergence F ST = 0,05-0,15... střední genetická divergence F ST = 0,15-0,25... velká genetická divergence F ST > 0,25... velmi velká divergence

12 Přírodní výběr - selekce

13 Přírodní výběr selekce evoluce x přírodní výběr změna ve fenotypové (nebo genetické) kompozici populace v průběhu času, probíhá tedy mezi generacemi může vést k evoluci, jestliže fenotypové změny, které vyprodukoval, jsou udrženy i v následující generaci Nemusí tedy nutně vést k evoluci!

14 Klasifikace selekcí vzhledem k fenotypu Fitness

15 Selekce - fitness - omezíme se na rozdíly v životaschopnosti různých genotypů ( viability - pravděpodobnost, že jedinec přežije od okamžiku oplození do reprodukčního věku). Genotyp AA Aa aa viabilita = absolutní fitness W Relativní fitness w Selekční koeficient /0.75 = /0.75 = /0.75 = 0.67 s 11 = 0 s 12 = 0.13 s 22 = 0.33 standardizace pro vzájemná srovnání s = 1 - w Relativní fitness (w) relativní schopnost jedinců s různými genotypy předat své alely do příštích generací.

16 Modelování selekce Jak určit změnu v alelových frekvencích? Genotyp AA Aa aa Relativní fitness w AA w Aa w aa Frekvence před selekcí Příspěvek pro další generaci průměrná fitness populace (náhodného jedince) před selekcí Frekvence po selekci p 2 2pq q 2 p 2 w AA 2pqw Aa q 2 w aa w = p 2 w AA + 2pqw Aa + q 2 w aa p 2 (w AA /w) 2pq(w Aa /w) q 2 (w aa /w)

17 Selekce direktivní (proti recesivní alele) jedna alela nebo znak upřednostňován před druhým; tj. jedna alela je redukována, druhá bude fixována ==> snížení genetické variability Genotyp AA Aa aa Frekvence před selekcí p 2 2pq q 2 Relativní fitness Příspěvek pro další generaci Frekvence po selekci s p 2 2pq q 2 (1-s) p 2 /(1-sq 2 ) 2pq/(1-sq 2 ) q 2 (1-s)/(1-sq 2 ) Průměrná fitness populace : w = p 2 + 2pq + q 2 (1 - s) = 1 - sq 2 (p 2 + 2pq + q 2 =1) Frekvence alely a po selekci : q = ½ [2pq/(1 - sq 2 )] + [q 2 (1 - s)]/(1 - sq 2 ) = [q(1 - sq)]/(1 - sq 2 ) Velikost změny alelové frekvence za jednu generaci: q = q -q q = [(-sq 2 )(1-q)]/(1 - sq 2 )

18 Selekce direktivní Změna frekvence alely a v průběhu jedné generace pro různé počáteční frekvence (q), existuje-li selekce proti recesivnímu genotypu aa q = (-spq 2 )/(1 - sq 2 ) - jestliže je a ve frekvenci vysoké, pak odstraňování probíhá rychle - jestliže a je v nízké frekvenci, pak je "schována" v heterozygotech, odstraňování je pomalé šipky znázorňují směr změny alelové frekvence

19 Selekce Výpočet změny v alelových frekvencích při různých typech selekce Hodnoty fitness Selekce s obecnou dominancí "čistící" (purifying) AA Aa aa Změna q hs 1 - s q = spqh [ q2h ( 1) ] 1 2hspq sq 2 Selekce proti recesivnímu znaku s Selekce pro heterozygota (overdominance) Selekce proti heterozygotovi (underdominance) 1 - s AA s aa 1 + s AA s aa q = q = pq 1 s pq s q = 1 + s spq 1 sq 2 2 ( s p s q) AA 2 AAp aa s aa q 2 ( q s p) aa AA p 2 AA + s aa q 2

20 Výhoda heterozygota - overdominance Balancovaný polymorfismus heterozygot má vyšší fitness než homozygoti, proto jsou obě alely v populaci udržovány prostřednictvím heterozygotního genotypu (znak srpkovité anémie) Distribuce malárie a alely Hb-S.

21 Nevýhoda heterozygota - underdominance Příklad - Rh systém Rh-D gen, kodominantní OK OK rodiče D- x dd => matka dd (Rh-) dítě heterozygot Dd => (Rh+)nekompatibilita - současná západoevropská populace má q = odhadovaná seletivní nevýhoda 5%

22 Mutačně-selekční rovnováha mutace - objevují se s konstantní rychlostí škodlivé alely nejsou nikdy zcela eliminovány selekce - odstraňovat škodlivé mutace resp. omezuje jejich frekvenci - tyto dvě síly působí proti sobě, v určitém okamžiku se velikost jejich účinku vyrovná q S + q M = 0 Lze odvodit následující vztahy : a) je-li a úplně recesivní: qˆ µ s b) je-li a neúplně recesivní (stupeň dominance je dán hodnotou h): qˆ µ hs

23 Změna frekvence alel při výskytu mutace a selekci proti recesivitě 10-5 q mu q 0,0 q q s ,0x10-5 0,0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 q

24 MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Výhody molekulárních markerů a dat : 1. Jsou skutečně genetické (interpretace je na rozdíl od dat morfologických či fyziologických mnohem jednodušší) a mohou být použity u každého organismu. 2. Metody jsou víceméně universální pro všechna organismy, vytvářejí tak srovnatelné typy dat, lze použít tutéž charakteristiku (např. ribozomální RNA sekvence, DNA barcoding pomocí COXI). 3. Odkrývají neomezené množství kvantifikovatelné variability.

25 MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE 4. Obsahují informace o evoluci a mohou rozlišit: homologie - přítomnost podobného fenotypového nebo genotypového znaku u různých druhů vyvinutých ze společného předka; analogie - přítomnost podobných znaků u značně odlišných druhů, které vznikly vývojem unikátním pro každý druh, tj. podobnost je důsledkem jiných faktorů než společného předka, např. konvergentní evolucí 5. Spojují řadu dříve oddělených disciplín: molekulární biologii, fylogenetiku, systematiku a taxonomii, ekologickou genetiku, konzervační biologii a jsou také aplikovatelné v klinické a soudní praxi.

26 Techniky Gelová elektroforéza - technika umožňující separaci směsi molekul na gelu v elektrickém poli - nalitím agarosy nebo polyakrylamidu do formy vzniká porézní gel (velikost pórů závisí na koncentraci média) - substance, jež má být rozdělena, je nanesena do jamek na jedné straně gelu a gel je vystaven el. proudu (obvykle ponořen do komory s pufrem) - migrace proteinů, RNA nebo DNA závisí na náboji/hmotnosti (malé kousky běží rychleji)

27 Horizontální elektroforéza

28 Vertikální elektroforéza

29 Techniky Allozymy elektroforeticky separovatelné formy téhož enzymu relativné levné, kodominantní (lze detekovat heterozygoty) detekují pouze malou část variability (jen ty změny aminokyselin, které vedou ke změně mobility v gelu)

30 Techniky RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism) jedinci se mohou lišit v přítomnosti/nepřítomnosti restrikčních míst určitého úseku DNA, což se projeví na délce DNA fragmentů vzniklých po působení restriktáz na danou DNA fragmenty variabilní délky jsou skutečnými alelami s Mendelovskou dědičností variabilita na úrovni DNA (detekce i neutrálních změn) ale metoda náročná na množství DNA

31 RFLP Restriction Fragment Lenght Polymorphism Techniky

32 PCR polymerase chain reaction baktérie Thermus aquaticus

33 PCR - polymerase chain reaction Výhoda - minimální množství templátové DNA!! Logaritmická replikace

34 Techniky RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNA) technika umožňující vyšetřování DNA na polymorfismus za použití arbitrárních krátkých primerů v PCR, které náhodně naamplifikují anonymní sekvence obvykle s Mendelovskou charakteristikou dědičnosti obdobně jako RFLP data rychlé, levné, ale dominantní!!!!!

35 Techniky RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNA)

36 Techniky DNA fingerprinting použití vysoce variabilních úseků DNA pro identifikaci jednotlivců vysoce variabilní, rychlá evoluce, kodominantní relativně drahé a časové náročné na zavedení u nového druhu

37 Mikrosatelity primery v přiléhajících oblastech (flanking regions) -PCR amplifikace produktů o různé velikosti -elektroforetická separace produktů - genotypy identifikovány jako velikost produktu

38 DNA Databáze CODIS CODIS: COmbined DNA Index System obsahuje DNA profily z kriminálních skvrn a usvědčených pachatelů navrženy pro nalezení spojitosti u sériových a nevyřešených případů s již odsouzenými pachateli projekt začal v r. 1998, spojuje všech 50 států v současnosti má 150,000 DNA profilů ze skvrn a 2 miliony DNA profilů pachatelů

39 DNA statistika D19 AMEL D3 D8 D5 TH01 VWA D21 TPOX D13 FGA D7 D16 D18 CSF D2 Pravděpodobnost shody tohoto profilu v FBI vzorku "Caucasian" (bělošské) populace je 1 : 1.56 kvadrilionu (10 15 )

40 Forenzní analýza - DNA důkazy Crime Scene Investigation

41 Techniky DNA sekvenování určení nukleotidové sekvence DNA (nebo aminokyselinové sekvence proteinu) používá se především pro fylogenetiku a studium evoluce genů

42 Techniky

43

44 Species - line D. melanogaster - CR Africa D. simulans - CR Africa D. yakuba Variabilita na úrovni DNA - každý nukleotid v DNA sekvenci představuje lokus (alelu) T T A T T T G G C T T A G T T G G C G T A T C T T G C G T A G T T T G C G T G G T T G G C Poly/Div d d p p d nesynonymní (replacement) vs. synonymní (silent) Arg Gln Val Arg Gln Val AGA CAA GTA AGA CAA GTA AGA CGA GTA AGA CAG GTA polymorfismus - segregující, na dané pozici je v rámci druhu více nukleotidů divergence - znamená pozici v rámci druhu monomorfní (fixovanou) ale rozdílnou mezi druhy Arg Arg Val Arg Gln Val

45 MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Rychlost molekulární evoluce r rychlost evolučních změn v nukleotidových sekvencích = rychlost nukleotidových substitucí (počet nukleotidových změn/bázi/rok) r = K / (2T) K počet aminokyselinových substitucí mezi dvěma proteinovými sekvencemi (pro nukleotidy se značí - k) T doba divergence mezi dvěma sekvencemi (obvykle se odvozuje od paleontologických dat ) K µ = r = K/(2T)... rychlost nukleotidových substitucí/místo/rok

46 50 million years ago Rychlost molekulární evoluce Výpočet: - porovnání homologních sekvencí (uspořádat align) - určit počet rozdílných substitucí (pomocí matematických modelů), které vznikly od dob jejich divergence - hodnota se pak vydělí evolučním časem (tj. dobou jejich evoluční separace, obvykle získanou z fosilních dat) µ = r = K/(2T)... rychlost nukleotidových substitucí/místo/rok L = 10 K = 3/L = 0.3 r = 0.3/100My

47 Různé geny a různé části genů mají rozdílnou rychlost evoluce - obecně platí, že nejvyšších hodnot substituce obvykle dosahují sekvence s nejmenším vlivem na funkci proteinu.

48 MOLEKULÁRNÍ HODINY rychlost nukleotidových a aminokyselinových substitucí u různých genů různá, průměrná rychlost molekulární evoluce je poměrně jednotná z hlediska dlouhých časových úseků uniformita rychlostí byla poprvé popsána Zuckerkandlem a Paulingem (1965) a je známa jako molekulární hodiny zájem o použití makromolekul v evolučních studiích - zejména pro možnost determinace datování druhové divergence a rekonstrukci fylogeneze po objasnění některých detailů se předpoklad konstantní rychlosti používá pro odhad divergenční doby i rekonstrukci fylogenetických stromů

49 MOLEKULÁRNÍ HODINY Konstantní rychlost evoluce alpha-globinu. Každý bod na grafu reprezentuje dvojici druhů nebo skupinu druhů.

50 Neutralní teorie molekulární evoluce (M. Kimura) - spojuje drift, mutaci, selekci -změna frekvence nových neutrálních mutací v čase N e efektivní velikost populace µ mutační rychlost (2N) Alelová frekvence 1 Fixace Doba mezi fixacemi 4N e 1/µ 0 Čas vzorek

51 Neutrální teorie molekulární evoluce Většina změn v proteinech a na úrovni DNA, které jsou fixovány mezi druhy nebo které segregují uvnitř druhů, nemají žádný selekční význam. Rychlost substituce je rovna rychlosti neutrálních mutací. k = µ neutral Míra polymorfismu v populaci je funkcí její efektivní velikosti a neutrální mutační rychlosti θ = 4N e µ Polymorfismy jsou spíše přechodnou fází než v balancované rovnováze. Pro mutaci ovlivňující fitness selekčním koeficientem s je genetický drift určujícím faktorem, jestliže lsl<< (1/2N) (i.e. mutace je v tomto případě EFEKTIVNĚ NEUTRÁLNÍ).

52 Koalescentní teorie (J.F.C. Kingman) - popisuje genealogické vztahy mezi jedinci v populaci - všechny kopie genu v populaci pocházejí z jediného ancestrálního genu - podstatou koalescentní metody je, že rozdíly v DNA sekvenci jednotlivých alel daného lokusu obsahují informaci o jejich evoluci Neutrální teorie nám umožňuje odhadovat dobu koalescence, tj. umožňuje přidat do analýz časový rozměr.

53 Koalescentní teorie

54 Genealogie neutrálního lokusu minulost T 2 4N e (v průměru) T 3 T 4 současnost T 5 Neutral Balancing Selection Directional Selection

55 MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA - rekonstruovat správné evoluční vztahy mezi organismy - odhadnout dobu divergence mezi organismy uplynulou od doby, kdy sdílely společného předka Fylogenetický strom - je matematická struktura, model evoluční historie skupiny sekvencí nebo organismů = evoluční hypotéza uzly (operační taxonomické jednotky, OTU - druhy, vyšší taxony, izolované populace téhož druhu, jedinci, nerekombinující se alely téhož genu) vnitřní uzly ancestrální data teminální = koncové uzly = recentní sekvence nebo organismy, z nichž máme data (OTU) jeden unikátní uzel = kořen stromu - předek všech sekvencí větve (definujících vztahy mezi OTU ve smyslu předek = ancestor potomek = descendant)

56 MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA Fylogenetický strom - zakořeněný (rooted; určitý uzel = kořen, od něhož vede unikátní cesta ke ke všem ostatním uzlům; společný předek) 1 2 A B 1 2 C D A B C D - nezakořeněný (v tom případě směr evoluce není definován) Zakořenění stromu se provádí za pomocí vnější skupiny (outgroup), což je OTU u níž máme důkaz např. paleontologický, že se oddělila dříve než zkoumané OTU.

57 MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA Metody rekonstrukce fylogenetického stromu a) metody matice vzdáleností (distance matrix) - pro všechny páry OTU je vypočtena evoluční vzdálenost (počet nukleotidových nebo aminokyselinových substitucí rozdělujících dvě OTU) - fylogenetický strom je konstruován na základě určitého funkčního vztahu mezi těmito vzdálenostmi (např. UPGMA, neighbor-joining NJ) b) metody maximální parsimonie (parsimonie - úspornost) - nalezení stromu, který vyžaduje co nejmenší počet evolučních změn mezi OTU druhový strom X genový strom

58 Evoluce genomů (změny velikosti) exon shuffling exony různých genů se vyměňují, a vytvářejí tak geny, ktere jsou mozaikou jiných genů, nové geny tedy mohou kódovat proteiny, které mají funkce smíchané z původních genů genová duplikace duplikací a následnou divergencí vznikají multigenové rodiny, tj. sady genů, které jsou velice podobné svou sekvencí ale jejich produkty mohou mít jiné funkce genomová duplikace polyplodie horizontální genový transfer na rozdíl od přenosu vertikálního (rodič- potomek) někdy dochází k přenosu mezi různými druhy (nejčastěji z bakterie na eukaryoty) repetitivní DNA sekvence vznikají především prostřednictvím transpozomů

59 Exon shuffling může vytvořit nové geny (např. tissue plasminogen activator TPA)

60 Genová duplikace

61

62 Horizontální transfer