Inbreeding, heterozygotnost a fitness

Transkript

1 Inbreeding, heterozygotnost a fitness Děsivé vraždy jejich pozadí je však ještě hrůznější (Purpurové řeky příbuzenského křížení)

2

3 Ouborg et al. 2006

4 výnos Inbrední deprese Inbrední jedinci by měli mít nižší fitness (měřeno jako reprodukční úspěch nebo schopnost přežívat) Klesá heterozygotnost Efekt škodlivých recesivních alel Známo z laboratorního křížení zakládání inbredních kmenů (extrémní příklady) Malé populace větší riziko inbreedingu Genetic rescue heterosis (hybrid vigour) inbrední koeficient

5 N e /N (někdy i mnohem méně)

6 Demografie Odhady N e Poměr pohlaví, variance repr. úspěchu, změny N Genetika Více vzorků (z různé doby) Jeden vzorek LD HW Frekvence alel Koalescenční přístupy

7 Studium v přírodě je obtížné malé populace, nebo po projití hrdlem lahve Nejlépe dlouhověká a polygynní zvířata

8 Nejednoznačné výsledky dvojice příbuzných druhů Eubalaena glacialis a E. australis Eubalaena australis velryba jižní Téměř vyhubeny E. australis se vzpamatovala, E. gracialis nikoliv Eubalaena glacialis velryba černá Arctocephalus pusillus lachtan jihoafrický V jižní Africe okolo 2 miliónů V Austrálii méně než 10 tisíc Arctocephalus pusillus

9 Druhy prošlé bottleneckem Acinonyx jubatus Druhy s výrazným snížení genetické variability Prošly hrdlem lahve Prokázané snížení variability (mtdna, alozymy) gepardi snížení o více než 90 % Přesto se počty výrazně zvedly Purging Mirounga angustirostris rypouš severní

10 homozygotnost Alternativa Inbreding a fitness konkrétních jedinců Počet generací inbreedingu Idea: potomci příbuzných rodičů horší fitness Problém obvykle neznám rodokmen (a ani ho nejsem schopen rekonstruovat) genotyp (heterozygotnost) jako odhad inbreedingu (příbuznosti rodičů)

11 Rana temporaria ve Skandinávii Lesbarreres et al mikrosatelitových lokusů Přežívání mláďat pozitivně korelováno s heterozygotností Stejný vztah ve 4 populacích Genetic variability-fitness correlations

12 Korekce přes frekvenci heterozygotů na lokusu BB AB AB AB Lokus 1 H O 0.15 Lokus 2 H O 0.85 CC BC CD AB BC CD AD BC AD AC AC AC AD AB CD DD AD AC AB standardizovaná (vážená) heterozygotnost

13 Identity by state Stejné alely na lokusu Aa Bb Cc 2 příčiny: Identity by state IBS (stejný stav) AB Ab CA ca Identity by descent IBD (stejný původ) Pozoruji vždy identity by state Zjištuji pravděpodobnost pro IBD Jde o recentní IBD! Všechny alely mají společný původ, byť třeba hodně dávný. Identity by descent Aa Bb Vzácnější alely od obou rodičů IBD AB Ab

14 Stejná alela na lokusu - korekce přes frekvenci alel na lokusu Frekvence B 0,1 Frekvence A 0,9 BB AB AB Sdílení alely A může být jen náhoda Sdílení alely B větší pravděpodobnost, že si rodiče byli příbuzní

15 IR internal relatedness Sdílení alely na lokusu Váženo přes frekvenci alely Vzácnější alely mají větší váhu H počet homozygotních lokusů N počet lokusů f i frekvence i-té alely Program RELATEDNESS Mac, makra v Excelu, GENHET pro R

16 Problém s homozygotními imigranty BB AB BB BB BB BB AB BB BB BB BB BB BB BB AB AB

17 Arctocephalus gazella lachtan antarktický Hoffman et al. 04, 07 Skoro vyhuben Filopatrie, vysoká variance reprodukčního úspěchu Samice aktivně vyhledávají nepříbuzné heterozygotní samce (s vyšším IR) Silný vliv jednoho lokusu it is difficult to imagine how a female could detect genome-wide relatedness Samci s nižším IR (tedy vyšší heterozygotností) vyšší reprodukční úspěch Konzistentní přes lokusy Dva lokusy ale mají výrazně větší vliv

18 Velikost alel Doposud jsme pracovali jen s identitou alel (stejné x různé) Nešlo by ale něco vyčíst i z rozdílu délek alel (počtu opakování)? Rodiče nepříbuzní CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT TCTTTCTTTCTTTC Rodiče příbuzní CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT

19 Mean d 2 mean d 2 1 n n i 1 ( ia ib ) 2 i a a i b jsou délky alel na lokusu i (v počtu repeatů) n lokusů Větší rozdíl v délce alel svědčí o menší příbuznosti předků jedince. Standardizace vydělením nejvyšší hodnotou ( hodnoty 0 až 1)

20 Acrocephalus arundinaceus Hansson et al Silná filopatrie Jižní Švédsko, populace založena v roce mikrosatelitových lokusů d 2, srovnání návratnosti sourozenců (největší úmrtnost v prvním roce) Vrací se jedinci s vyšším d 2

21 Problém Indikují podobně dlouhé alely na jednom lokusu bližšího společného předka než alely rozdílných délek? k zodpovězení je nutno znát něco o evoluci mikrosatelitů (tedy jak vznikají nové alely)

22 Teoretické mutační modely Dva extrémy IAM infinitive allele model (Při mutaci ztráta nebo získání libovolného počtu opakování. Vždy vzniká nová alela, která doposud v populaci nebyla) CTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT SMM stepwise mutation model (Mutace způsobeny pouze ztrátou nebo získáním jediného opakování motivu. Mutací může vzniknout alela, která je již v populaci přítomna) pro msat asi vhodné předpokládat nutno však ověřit! CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTT

23 Další modely TPM two phase model (ztráta nebo zisk X opakování, při X=1 získáme SMM) K-allele model (V populaci je přesně K myslitelných alel. Alela s konstantní pravděpodobností mutuje ke stavu jedné z K-1 dalších alel.) A další

24 Proč je tolik alel? (microsatellite instability) Nerovnoměrný (Unequal) crossing-over (díky špatnému alignmentu) Sklouznutí polymerázy při replikaci Slip-strand mispairing (slippage) (při replikaci nejprve polymeráza sklouzne a vyrobí odlišný počet opakujícího se motivu mikrosatelitu, při alignmentu je pak část opakování vykloněna mimo dvoušroubovici, flanking regions tedy párují)

25 Opravné mechanismy 1. Proofreading (Kontroluje se párování bazí těsně za replikační vidlicí, kličky vytvořené při slip-strand mispairing nejsou ve větší vzdálenosti rozpoznány) Zřejmě má jen malý vliv Má šanci ovlivnit jen mikrosatelity s krátkým motivem (1-2 bp) a s malým počtem opakování 2. Mismatch repear Větší efekt Klíčová role při udržování stability mikrosatelitů Opět záleží na délce motivu (delší změny jsou hůř rozpoznány)

26 Brownův pohyb Simulace náhodné evoluce mikrosatelitů Pohyb opilého námořníka Browna po molu 1 krok vpřed 1 krok náhodně vlevo nebo vpravo Výchylky od rovného směru se postupně zvětšují Dlouhé molo pravděpodobný pád do moře

27 Výsledek 5ti pokusů opilého Browna dojít od hospody k majáku. maják y hospoda x

28 Aplikace na evoluci mikrosatelitů Krok vlevo ztráta jedné repeat unit Krok vpravo nabytí jedné repeat unit Náhoda Random walking (Brownův pohyb) Náhodné přidávání a odebírání jednotek opakování vede k neúměrnému prodloužení či zkrácení Proti tomu svědčí častý výskyt stejných mikrosatelitových lokusů u příbuzných druhů proces prodlužování a zkracování asi není zcela náhodný

29 Bias (skutečná data) Kratší mikrosatelity (s malým počtem opakování motivu) mají zřejmě tendenci se spíše prodlužovat (slabě převládají adice nad delecemi) Delší mikrosatelity se spíše zkracují (náchylnější k velkým delecím) Delší mikrosatelity rychleji mutují (díky více opakováním je vyšší pravděpodobnost pro SSM) Obtížné ke studiu mutační rychlost je malá

30 Evoluce mikrosatelitů - závěr Mechanismy evoluce mikrosatelitů stále nepříliš objasněny Stepwise mutation model SMM platí jen omezeně

31 Mean d 2 Lze použít jen pokud platí stepwise mutation model (alely se liší jen počtem opakování motivu, např. u tetranukleotidového mikrosatelitu vždy přesně jen o násobky 4) Nelze tedy u složených mikrosatelitů! Např. (CA) n (C) n Nelze při výskytu indels ve flanking regions (delece a inserce v oblastech ohraničujících mikrosatelitový lokus)

32 flanking regions

33 Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? Rodokmeny z rodokmenů se usoudí, zda se kříží příbuzní, inbrední koeficient F, pozor na různé významy a definice! Heterozygotnost (průměrná heterozygotnost přes více lokusů) SH standardizovaná heterozygotnost vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu HL homozygosity by loci (Aparicio et al. 2006) vážení přes variabilitu (očekávanou het. lokusů) IR internal relatedness ( příbuznost dle alel na daném lokusu = shoda alel vážená přes frekvenci alely) d 2 rozdíl velikosti alel lze opět vážit (standardizovat) přes průměrné rozdíly

34 SH, IR a d 2 navzájem korelovány Amos et al Dataset: Tuleňi, kulohlavci, 3 druhy albatrosů Diomedea exulans Thalassarche chrysostoma IR a SH Mikrosatelity, reprodukční úspěch IR a SH naznačují selekci pro maximálně odlišné partnery Halichoerus grypus Thalassarche melanophrys Globicephala melas

35 Rozdíl heterozygotnosti (a IR) a d 2 Heterozygotnost (a IR) je ovlivněna především nedávnou historií (recentní výběr partnerů v populaci) d 2 asi odráží hlubší historii populace (migrace mezi populacemi, smíšení dříve oddělených populací)

36 Co měříme? Hansson 2010 d 2 heterozygotnost SH - vliv více lokusů d 2 silný vliv vysoce variabilních lokusů

37 d 2 Často vyjde Zajímavé výsledky Problematická interpretace Možný vliv jen několika lokusů Recent admixture, LD (vazba na konkrétní geny) třeba testovat

38 Ficedula albicollis Merilä et al 2003 Dlouhodobě sledovaná populace - témeř 10 let 3 mikrosatelitové lokusy Lifetime reproductive success Lifetime fledging success Jasný vztah s d 2 jednoho lokusu

39 Problémy Publikační zkreslení (publication bias) Negativní výsledky se většinou nepublikují. Dostatečná data (počet lokusů a jedinců) Odhad celkové heterozygotnosti Celková heterozygotnost ( general effect ) Vazba na konkrétní lokusy ( local effect ) Při použití alozymů i přímý efekt studovaného lokusu Rozlišení general effect od local effect - shoda přes lokusy Náhodně vytvořená skupina lokusů dává stejné výsledky jako lokusy zbylé.

40 Rákosníci vliv konkrétních lokusů Skokani celogenomový efekt

41 Vliv konkrétního lokusu Marker v blízkosti genu selective sweep Ale možný i vliv mikrosatelitového lokusu Hammock & Young 2005, Microtus ochrogaster msat. v 5 oblasti avpr1a, vasopressin 1a receptor modifikuje expresi a ovlivňuje chování

42 Lampila et al Parus montanus 8 msat lokusů Mimopárová mláďata heterozygotnější

43 Emberiza schoeniclus Kleven & Lifjeld mikrosatelitových lokusů SH a d 2 Samci úspěšní v mimopárových kopulacích x podvedení samci Mláďata z mimopárových kopulací x párová mláďata Žádný rozdíl v heterozygotnosti a d 2

44 Cyanistes caeruleus Foester et al mláďat, 5-7 mikrosatelitových lokusů, SH, IR, d 2 SH a IR korelovány, d 2 slabé korelace a nic nevysvětluje SH koreluje se zbarvením samců Mimopároví otci Sousedi větší a starší než podvedení samci Cizinci zvýšení heterozygotnosti

45 bias BIAS Wetzel & Westneat 2009 Mimopárová jsou heterozygotnější Stejné lokusy pro paternitu i heterozygotnost Srovnání heterozygotnosti vnitro- a mimopárových mláďat Simulace bias Mimopárová zdánlivě heterozygotnější Efekt vzácných alel Řešení: Dostatek lokusů Různé sety lokusů

46 Rangifer tarandus CÔTÉ et al msat lokusů 306 samic, žaludky Nematoda: Ostertagia gruehneri and Marshallagia marshalli žádný vztah heterozygotnosti (nebo d 2 ) a promořeností parazity

47 Jeleni na ostrově Rum Slate & Pemberton 2002 Jedinci z let 1970 až mikrosatelitových lokusů, 364 jedinců, SH, Mean d 2 Heterozygotnost: pozitivní ale slabá korelace mezi lokusy Mean d 2 : korelace není Malá korelace mezi SH a Mean d 2 Heterozygotnost vysvětluje porodní váhu Mean d 2 nikoliv Žádný efekt na přežívání mláďat Dostatečný počet lokusů a jedinců!

48 Chapman & Sheldon 2011 Parus major 26 lokusů Sýkory se známým rodokmenem Heterozygotnost nemá vliv na nic Žádné korelace příbuznosti přes rodokmeny a heterozygonosti

49 Srovnání sekvenačních (10 intronů) a msat (10-27) dat Väli et al šelmy Slabé korelace pro populace Žádné korelace pro jedince (π - nucleotide diversity, average number of nucleotide differences per site)

50 heterozygosity fitness correlations metaanalýza Chapman et al Žalostné výsledky Publication bias Vysvětlení 1% variance fenotypu Málo vzorků, málo markerů

51 SH a inbreeding Slate et al. 2004, Pemberton 2004 Jak dobře heterozygotnost měří inbreeding? 101 mikrosatelitových lokusů u 590 ovcí se známým rodokmenem Vztah existuje, ale je překvapivě slabý Pokud možno použít raději rodokmeny

52 771 SNPs Santure et al. 2010

53 Zajímavá alternativa Santure et al Nejprve rekonstrukce rodokmenu z genetických dat (Colony) Pak odhad příbuznosti Lepší výsledky než přímý odhad inbreedingu na základě heterozygotnosti Problém potřeba mít více generací

54 Simulace a lidé Balloux et al Korelace silné až při ~200 lokusech Slabá korelace mezi heterozygotností na různých lokusech (400 markerů v různých lidských populacích, 1000 jedinců z 52 populací) Pozitivní výsledky znamenají pravděpodobněji: vazbu na konkrétní lokusy pod selekcí Extrémní případy např. silná polygamie, výrazná strukturovanost populace Výrazná linkage dissequilibria recentně založené populace několika málo jedinci lokusy ve vazbě (málo generací na rozbití vazby rekombinací) Odpovídá u jelenů a rákosníků

55 Olano-Marin et al modřinek 79 msat lokusů (v exprimovaných i neutrálních oblastech) Pozitivní vliv heterozygotnosti neutrálních lokusů na přežívání, velikost snůšky, paternity spíš celogenomové efekty, inbreeding Negativní vliv heterozygotnosti funkčních (exprimovaných) lokusů na líhnutí spíš lokální efekty

56 1192 zebřiček, 11 fenotypovývh znaků spojených s fitness 11 msat, 1359 SNPs, rodokmen (5 generací)

57 11 msat korelace jako stovky SNPs Lepší než F z rodokmenů Pozor! Zebřička má specifický genom, málo rekombinace!

58 Závěr Heterozygotnost jako odhad inbreedingu může fungovat hlavně v extrémních případech (např. populace po bottlenecku, velké rozdíly ve fitness) Jinak hrozí, že i stovky lokusů neukážou skoro nic Je třeba odlišit vliv celkové heterozygotnosti od vlivu jednotlivých genů Mám-li štěstí, mohu se strefit na lokus s local effect Je dobré vědět i něco o genomu (rekombinaci) u sledovaného druhu