Typy selekce. Positive Balancing Background

Transkript

1 SELEKCE

2 Typy selekce Positive Balancing Background

3 Positive selection neutral positive Výhodná varianta Rychlé šíření Společný předek nedávno selective sweep

4 Selective sweep, hitchhiking

5 Detekce selekce Korelace s prostředím, kliny, problematické, hlavně extrémní případy Proporce funkčních změn (HKA, Ka/Ks - McDonald-Kreitman test) Srovnání rozdílů populací, F ST, srovnání s neutrálními markery Snížená diverzita (Tajima s D a jiné testy) Haplotypové bloky a vazebná nerovnováha

6 Kandidátní geny korelace prostředí x fenotyp x genotyp

7 pytlouš Chaetodipus intermedius Hoekstra, Nachman et al. Tmavé a světlé zbarvení Odpovídá barvě prostředí (tmavé zbarvení na lávě)

8 Arizona Korelace zbarvení s prostředím i na malé škále mtdna nekoreluje se zbarvením Sekvenování kandidátních genů (známých z inbredních myší) melanocortin-1 receptor MC1R Záměna 4 aminokyselin Jednoduchá dědičnost alel a zbarvení Nové Mexiko Jiné mutace Nekorelují se zbarvením jiné geny Rapidní konvergentní evoluce

9 Peromyscus polionotus Mc1r a Agouti Steiner et al. 2007, 2009 Agouti zásadní i změna exprese Jen u části světlých populací U pobřeží Atlantiku jiné mechanismy Interakce Mc1r a Agouti

10 MC1R u člověka, mamuta, jeskynních teter a dalších U člověka zrzavé vlasy a neschopnost se opálit Zbarvení krav, koňů a psů Výskyt dvou odlišných variant u mamutů

11 Storz et al Peromyscus maniculatus α-globin a nadmořská výška

12

13 Koljušky Eda lokus and lateral plates U sladkovodních opakované vytažení jedné alely a rozšíření pomocí selective sweep

14 Koljušky Chan et al Redukce pánve a exprese PitX1 asi nezávislé delece v regulační oblasti

15 Tetra Astyanax mexicanus Oca2 Albinismus Různé delece i regulace exprese konvergence

16 Srovnání ortologních genů myši a potkana Ka/Ks Poměr nesynonymních (Ka) a synonymních (Ks) mutací Alignment sekvencí stejného genu u více druhů rozdíly (mutace) jen některé mutace změní aminokyselinu Korekce (rozdílné metody, MEGA, PAML) jen 25 % možných záměn nezmění aminokyselinu některé typy mutací častější zpětné a konvergentní mutace (hlavně u více odlišných sekvencí) Většinou Ka/Ks << 1, selekce eliminuje změny, purifying selection protein se nemění Ka/Ks >> 1 positive selection, MHC, reprodukční proteiny Různé části proteinu mohou být pod různou selekcí (ABS u MHC)

17 Reprodukční proteiny Skladování a využití gamet po kopulaci Kontakt gamet Fertilizace Často rapidní adaptivní evoluce (nejrychlejší hned po MHC)

18 SEMG2 u primátů Dorus et al Semenogelin, kovalentní vazba koagulace, rozštípání proteasou kallikrein 3 uvolnění spermií ze sraženiny ω = d N /d S Koreluje s počtem sexuálních partnerů, velikostí testes, mírou koagulace

19 MHC = main histocompatibility complex Komplex genů (transmembránových receptorů) odpovědných za aktivaci adaptivní složky imunitního sytému. ENDOGENNÍ ANTIGENY Oblast rozeznávající antigen EXOGENNÍ ANTIGENY VŠECHNY JADERNÉ BUŇKY ANTIGEN PRESENTUJÍCÍ BUŇKY Třída I Třída II = dendritické buňky, makrofágy, B-lymfocyty..

20 Maintenance of allelic polymorphism natural selection? Disease based mechanisms (host-parasite interactions) overdominance hypothesis (=heterozygote advantage) heterozygotes resist a broader array of pathogens than homozygotes negative frequency dependent selection hypothesis (=rare allele advantage) cycling of fitness values of different genotypes in both hosts and pathogens Reproductive mechanisms (sexual selection) může být i jen jako vyvarování se inbreedingu

21 Identification of MHC alleles often duplicated and highly heterozygous direct sequencing of PCR products is not possible 1. PCR of a MHC fragment 2. cloning into the vector 3. sequencing of a number of clones 4. Screening - SSCP

22 SSCP: single stranded conformational polymorphism Allele 1 FAM... CGCTTCAGG GCGAAGTCC...HEX Allele 2 FAM... CGCTTAAGG GCGAATTCC...HEX

23 SSCP: single stranded conformational polymorphism

24 Alternativa NGS Přesná detekce Odhalení více (i vzácných) alel

25 Promerová et al. 2011

26 Gallinago media bekasina větší Ekblom et al Druhý exon classiib genes nejpolymorfnější část proteinu odpovědného za vazbu antigenu Separace alel sekvenování 119 jedinců, 27 alel U jedince až tři různé alely recentní duplikace genu nepreferují s odlišným MHC ani počet alel nebo heterozygotnost nerozhoduje s určitými alelami MHC častěji spárovaní

27 Gasterosteus aculeatus Milinski et al. Recentně duplikované MHC (class IIB genes) Většina jedinců má průměrný počet alel Jedinci s průměrným počtem alel nejméně parazitování preferují tak, aby optimalizovali počet alel, spočítají vlastní alely a dle vlastního počtu volí optimálního

28 Limitace kandidátních genů Hit or miss Regulace exprese Epistáze Vliv více genů

29 Další přístupy QTL (vhodné spíše pro laboratorní chovy) Celogenomové analýzy Transkripce Proteiny

30 (Skoro) celé genomy SNPs Vybraná místa v genomu, kde je variabilita Záměny v jednom nukleotidu Ascertainment bias (zkreslení, výběr na základě variability omezeného vzorku) Člověk: milióny SNPs z různých populací ve veřejných databázích (HapMap 3 milióny, Perlegen 1.6 miliónu)

31 Kompletní sekvence genomů Zatím většinou jeden genom na druh mezidruhová srovnání pomocí dn/ds Člověk the 1000 genome project

32 Detekce selekce u (celo)genomových dat Sliding window Problém s průkazností Populačně genetický model a simulace (nutno znát demografickou historii!) Empirická distribuce Odchylky od genomového půměru druhy s vysokým Ne větší prostor pro selekci Drosophila značná část genomu pod selekcí

33

34 Detekce selekce (ze sekvencí) Různé metody různé výsledky Artefakty metod (různá kvalita dat) Ascertainment bias (platí u SNPs, vybrány markery polymorfní v jedné populaci jinde může být jiná situace) Různá škála (dávná či nedávná minulost)

35 Mezidruhová srovnání Phylogenetic shadowing srovnání divergence daného úseku s divergencí v průměru puryfying selection menší divergence dn/ds (Ka/Ks) specielní případ: mezidruhová divergence versus vnitrodruhový polymorfismus testy: MK (jeden gen) a HKA (více genů) Silná selekce v dávné minulosti, před miliónem let a více nesynonymní synonymní

36 FOXP2 Enard et al Schopnost artikulovat Nesynonymní versus synonymní mutace

37 Srovnání 6ti savčích genomů Kosiol et al. 2008

38 Eusocialita u včel a příbuzných (Woodard et al. 2011) Pyrosekvenování transkriptomů Geny se zrychlenou evolucí

39 Populační data Změna spektra mutací frekvence vzácných alel, Tajima s D, positive versus balancing selection testů je spousta, např. Fu and Li s F, Fay and Wu s H před 200 tisíci lety a méně

40 Tajima s D Positive více vzácných alel Balancing více středně četných

41 1 segregující místo párová srovnání: 4x rozdíl, 2x shoda 1 segregující místo párová srovnání: 3x rozdíl, 3x shoda

42 Tajima s D Srovnání hodnot dvou odhadů genetické diverzity, θw a π π - nukleotidová diverzita, vychází z párových srovnání Θw - vychází z počtu segregujících míst Test založený na statistice D = (π - θw)/var(d) Pro neutrální sekvence: θw = π. D = 0. Při nadbytku vzácných alel θw > π. D < 0. (pozitivní selekce či populační expanze) Při nadbytku středně četných alel π > θw. D > 0. (balancing selekce či bottleneck)

43 Chápani a malpy Geny pro barevné vidění L-M opsiny Balancing selection

44 CLSPN

45 Populační data Selective sweep Lokální redukce variability

46 Lokus 3 prodělal selective sweep

47 Díky vazbě (LD) lze sledovat selekci i pomocí markerů (např. mikrosatelitové lokusy) v blízkosti selektovaného genu Lokálně selektované varianty (stopy lokální adaptace) vykazují větší rozdíly mezi populacemi Využití F ST

48 Srovnání s neutrálními markery F ST outliers Salmo salar (Landry & Bernatchez 2001) Mikrosatelity a MHC (class IIB gene) Vyšší párové F ST pro MHC

49 (Celo)genomová data Diferenciace populací, F ST selekce vyšší F ST outliers (empirický odhad) před 80 tisíci lety a méně

50 LD (bloky) Populační data Vazebná nerovnováha (haplotypové bloky) méně než let

51 Admixture mapping Populační data Admixture mapping výhodné oblasti překonávají snadněji hranice populací Portoričané často africké HLA (MHC) méně než 500 let Africký, evropský, americký původ

52

53 Příklady positivní selekce (Vitti et al. 2012)

54 C21orf34 Pickrell et al Putative uncharacterized protein

55 Exprese Sledování jednotlivých genů Celogenomové metody (celý transkriptom) Microarrays 454 a jiné next generation techniky Nutnost izolace RNA často problém Přepis na stabilnější cdna

56 Real-time PCR Kvantifikace DNA při amplifikaci Většinou srovnání s jiným genem I pro parazitémie či koncentrace templátů

57 Sledování exprese genů microarrays Sledování exprese mnoha (tisíce) genů najednou Založeno na hybridizaci Sleduje se rozdíl vůči kontrole

58 oligo x cdna microarrays Oligo microarrays Syntetizované proby, lepší výsledky, jen u organismů se známým genomem cdna microarrays využití ESTs (mrna je přepsána zpět na DNA) EST = expressed sequence tags osekvenovaná část cdna, jasně označí o jaký gen se jedná (review Bouck & Vision 2007, Mol. Ecol.)

59 Populus trichocarpa x deltoides a Malacosoma disstria bourovec Ralph et al cdna microarray genů > ¾ genomu Po 24 hodinách 1191 genů up-regulated 537 down-regulated Obrana: endochitinázy, inhibitory proteáz Signální funkce Transport, metabolismus, regulace transkripce

60 svaly Kontrakce svalů Syntéza proteinů játra Energetický metobolismus Coregonus

61 Nástup sekvenačních technik Next generation sequencing Sekvenování celých transkriptomů Zjištění exprese i mutací najednou Lze dobře i u nemodelových organismů

62 Transkriptom štěnice Bai et al Rezistence k insekticidům potvrzení přes Real Time PCR Wolbachia

63 Studium proteinů

64 Proteiny Chromatografie Elektroforézy Hmotnostní spektrometrie Protilátky MALDI

65 Coregonus lavaretus a salinita Papakostas et al Ryby z různých salinit množeny za různých podmínek Identifikace proteinů pomocí hmotnostní spektrometrie