Genetická variabilita v populacích

Transkript

1

2 - je nástrojem studia populační (evoluční) genetiky 1) Populace, genofond 2) Fenotypová a genotypová variabilita populací 3) Vznik a zdroje genetické variability 4) Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) 5) Odhad genetické variability populací - heterozygotnost a polymorfizmus u alozymů - polymorfizmus délky restrikčních fragmentů - variabilita nukleotidových sekvencí 6) Využití genetické variability

3 Populace skupina organizmů téhož druhu pro populační genetiku nedostačující definice 1) většinou jsou studovány jen určité skupiny jednoho druhu (nikoliv druh celý) 2) žijící v dostatečně geograficky vymezeném areálu 3) dochází k náhodné reprodukci jedinci určitého druhu vytvářejí stáda, hejna, kolonie apod. rozdělení/sdružování na (sub)populace daného druhu je dáno např. přírodními podmínkami (např. slunná a stinná místa, města) sociálním chováním (smečky vlků, tlupy goril apod.)

4 Populace budou nás zajímat právě lokální skupiny mezi sebou křížících se jedinců velkých geograficky strukturovaných populací = lokální populace (dema) - lze studovat změny alelových četností vlivem různých faktorů - evoluce Proč populace místo jedince? jedinec je nevhodnou jednotkou pro taková pozorování - jeho genotyp se během života/generace nemění - relativně krátká délka života populace nepřetržitý sled generací studujeme změny v dlouhém časovém úseku Populace v populační genetice = lokální populace = mendelovská populace = = subpopulace

5 Genofond evoluční změny = jako změny alelových četností alely jsou v gametách, po splynutí v zygotách = genový fond populace = genofond Genofond = společný soubor gamet a zygot všech jedinců populace = mendelovská populace je tedy reprodukční společenství jedinců, kteří tvoří společný genový fond Genofond u diploidních organizmů populace s N jedinci = 2N haploidních genomů, 2N genů každého lokusu (vyjma genů vázaných na pohlaví) Genetika populací zkoumá statiku a dynamiku genového fondu populací pomocí genových (alelových) četností.

6 1) Populace, genofond 2) Fenotypová a genotypová variabilita populací 3) Vznik a zdroje genetické variability 4) Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) 5) Odhad genetické variability populací - heterozygotnost a polymorfizmus u alozymů - polymorfizmus délky restrikčních fragmentů - variabilita nukleotidových sekvencí 6) Využití genetické variability

7 Fenotypová a genotypová variabilita Genetika populací je genetika = zkoumá podobnost/rozmanitost, avšak na úrovni populace při pohledu na přírodní populace je zřejmá obrovská fenotypová variabilita - - rozmanitost např. u populace člověka rozdíly ve výšce postavy, hmotnosti, barvě vlasů, kůže, očí a v mnoha dalších fyzických i psychických vlastnostech zajímá nás však rozmanitost způsobená genotypovými rozdíly mezi jedinci - genotypová variabilita a sekvenčními rozdíly na úrovni DNA sekvenční rozmanitost Obecně hovoříme o genetické variabilitě (rozmanitosti)

8 Fenotypová a genotypová variabilita existence genetické variability je nutnou podmínkou evolučních změn Ch. Darwin souvislost mezi stupněm genetické variability v populacích a rychlostí evoluce při působení přírodního výběru Ronald A. Fisher zformuloval matematicky základní teorém přírodního výběru - zavádí adaptivní hodnotu jako míru přizpůsobení se organizmů podmínkám prostředí (míra úspěchu při rozmnožování) - rychlost růstu adaptivní hodnoty je dána mírou genetické variance

9 Fenotypová a genotypová variabilita vztah mezi stupněm genetické variability a rychlostí evoluce ukazuje pokus se dvěma populacemi D. serrata Populace I Nová Guinea Populace II - Austrálie smíšená populace s vyšší genetickou rozmanitostí má i v různých podmínkách prostředí větší adaptivní hodnoty (vyšší početnost jedinců na generaci)

10 Fenotypová a genotypová variabilita přítomnost genetické rozmanitosti lze otestovat pomocí umělého výběru vybíráme jedince s požadovanou vlastností a křížíme je mezi sebou z každé generace vybereme krávy s nejvyšší dojivostí a křížíme je s býky, jejichž potomci jsou také vysoce produkční (ročně až litrů mléka) pokud se bude ve sledu generací dojivost zvyšovat ve směru výběru = ve výchozí populaci byla určitá geneticky podmíněná variabilita tohoto znaku = podstata šlechtění = šlechtit lze jen na geneticky podmíněné vlastnosti s vysokou variabilitou v populaci změny vlivem umělého výběru mohou být velmi výrazné: roční snáška slepic Leghorn 125,6 vajec (1933) 249,6 (1956) > 300 (současnost)

11 1) Populace, genofond 2) Fenotypová a genotypová variabilita populací 3) Vznik a zdroje genetické variability 4) Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) 5) Odhad genetické variability populací - heterozygotnost a polymorfizmus u alozymů - polymorfizmus délky restrikčních fragmentů - variabilita nukleotidových sekvencí 6) Využití genetické variability

12 Vznik a zdroje genetické variability Genetická variabilita jako existence mnohonásobných alel mnoha genů polymorfizmus genů = zdroj genetické rozmanitosti vznik těchto variant = mutace x udržení v populaci = selekce výhoda polymorfních genů u diploidních organizmů dávají vzniknout velkému množství variant různých genotypů při n-alelách - možných homozygotů je n - možných heterozygotů je n (n-1) / 2 - celkový počet všech možných genotypů je n (n+1) / 2 např. jediný gen HLA-B s více než 30 alelami = více než 465 genotypů čím víc genů bude polymorfních, tím více bude kombinací a tzv. vícenásobných heterozygotů (heterozygoti ve více genech)

13 Vznik a zdroje genetické variability u člověka bylo odhadnuto, že má asi 6,7 % genů v heterozygotní sestavě tedy z odhadovaných genů by to bylo asi heterozygotních genů z Mendelových principů víme, že n-hybrid dá 2 n různých typů gamet (nejsou-li ve vazbě) = teoreticky tedy může vzniknout druhů gamet, což je asi vzhledem k nepatrnému množství gamet, které může člověk za život uplatnit je to dokonce tak obrovskéčíslo, že tolik druhů gamet ještě nemohlo vzniknout ani za dobu existence člověka Zajímavost: uvádí se, že celkový počet protonů a neutronů na Zemi je odhadem ikdyž různá spojení v gametách jsou různě pravděpodobná, je tento údaj natolik vysoký, že doposud žádné dvě gamety nemohou být úplně shodné = žádní dva lidé z celého počtu žijících lidí v současnosti, minulosti či vzdálené budoucnosti nemohou být geneticky shodní (vyjma jednovaječných dvojčat)

14 Vznik a zdroje genetické variability totéž platí pro jakékoliv pohlavně se rozmnožující organizmy s jistou úrovní heterozygotnosti a polymorfizmu každý jedinec je originálem, který zaniká jeho smrtí na molekulární úrovni je tato rozmanitost ještě vyšší, protože změna může nastat v každém z 3,5 x 10 9 nukleotidů Takto obrovská rozmanitost je tedy nejenom dobrým zdrojem evoluce, ale také přístupem k popisu struktury jednotlivých populací

15 1) Populace, genofond 2) Fenotypová a genotypová variabilita populací 3) Vznik a zdroje genetické variability 4) Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) 5) Odhad genetické variability populací - heterozygotnost a polymorfizmus u alozymů - polymorfizmus délky restrikčních fragmentů - variabilita nukleotidových sekvencí 6) Využití genetické variability

16 Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) než si ukážeme, jak můžeme vypočítat velikost genetické variability v populaci, musíme si ukázat, jak lze zjistit alelové četnosti jednotlivých genů popisujeme pomocí odhadu alelové a genotypové četnosti na reprezentativnín vzorku genů Výpočet alelových četností jako základní charakteristiky popisu struktury populací: a) z počtu jedinců daných genotypů (fenotypů) b) z četností genotypů

17 Odhad genetické struktury populací Výpočet alelových četností: a) z počtu genotypů (fenotypů) Genotyp/fenotyp MM MN NN celkem Počet jedinců Počet alel M Počet alel N Celkový počet alel Četnost alely M v populaci: 120 / 200 = 0,6 Četnost alely N v populaci: 80 / 200 = 0,4 p = 0,6 q = 0,4 p + q = 1

18 Odhad genetické struktury populací p = 0,6 q = 0,4 p + q = 1!!!!! p = p 2 + 1/2 (2pq) q = q 2 + 1/2 (2pq)

19 Odhad genetické struktury populací - jednotlivé populace se mezi sebou liší v alelových četnostech = vhodná charakteristika pro popis jednotlivých populací

20 Odhad genetické struktury populací - takto lze odhadnout alelovéčetnosti nejen u polymorfních alel, ale i u vzácných mutantních alel - populace se opět liší alelovými četnostmi = různáčetnost výskytu jednotlivých dědičných onemocnění

21 Odhad genetické struktury populací Mutantní alela Polymorfní alela!!! Polymorfní lokus = pokud četnost nejčastější alely není vyšší než 95 %!!! pokud četnost nejčastější alely není vyšší než 99 %!!! Př.: 0,94 0,03 0,03 = polymorfní (četnost je < 0,95) 0,94 0,01 0,02 0,01 0,02 = polymorfní 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 = polymorfní 0,98 0,01 0,01 = mutantní (četnost je > 0,95) Cystická fibróza 0,01 0,02 Fenylketonurie 0,01 Galaktosémie 0,004 Jsou mutantní alely (0,98; 0,99; 0,996) Nejsou mutantní alely.

22 Odhad genetické struktury populací choroby či krevní skupiny u člověka popis fenotypové či genotypové variability u fenotypové variability si však musíme být jistí, že je podmíněna čistě geneticky bez vlivu prostředí takových znaků je však málo pro komplexní popis struktury populací Cepea nemoralis (páskovka hajní) ukázka genetické variability ve zbarvení a kresbě ulity pro popis genetické struktury populací je tedy fenotypová variabilita nedostatečná = větší polymorfizmus najdeme na molekulární úrovni

23 Odhad genetické struktury populací sledovat genetickou variabilitu na molekulární úrovni umožnil objev elektroforézy bílkovin - zavedli v roce 1966 Lewontin a Hubby u přírodních populací D. pseudoobscura - od určitého počtu jedinců se odebere vzorek tkáně, izolují se bílkoviny a následně se provede elektroforéza - záměna aminokyseliny u některého jedince se projeví změnou náboje a tedy rychlosti, kterou vzorek putuje v gelu - takto lze ale detekovat jen ty záměny, které vedou ke změně elektroforetické mobility

24 Odhad genetické struktury populací sledovat genetickou variabilitu na molekulární úrovni umožnil objev elektroforézy bílkovin - zviditelňuje se variabilita produktu jednotlivých alel a tím i alelová a genotypová četnost - Lewontin a Hubby u D. pseudoobscura díky tomu zjistili, že u průměrného jedince je 8 až 15 % lokusů heterozygotních - H. Harris v témže roce podobnou technikou stanovil polymorfizmus v lidských populacích

25 Odhad genetické struktury populací Hypotetický gel znázorňující monomorfizmus u monomerního enzymu. Všichni jedinci (celkem 16) mají enzym se stejnou elektroforetickou mobilitou. Hypotetický gel ukazující alozymový polymorfizmus u monomerního enzymu. Osm jedinců je homozygotních pro alelu F kódující rychle migrující enzym; dva jedinci jsou homozygotní pro druhou alelu S kódující pomalu migrující enzym; šest jedinců je heterozygotních F/S, a proto vykazují pruhy odpovídající oběma alelám.

26 Odhad genetické struktury populací u alozymů lze díky rozdílné mobilitě jednotlivých alel vypočítat alelové četnosti (obdobně jako při výpočtu z počtu genotypů, i zde jsou genotypy zviditelněny) FF 8 FS 6 SS 2 Celkem 16 p(f) = (2 x 8) + 6 / 32 = 0,6875 q(s) = (2 x 2) + 6 / 32 = 0,3125 p + q = 0, ,3125 = 1 výpočet proběhl na výběrovém vzorku jedinců = alelovéčetnosti jsou odhadem četností skutečných v celé populaci

27 Odhad genetické struktury populací správně by měl být reprezentativní vzorek velký alespoň 100 a více jedinců vypočítané hodnoty jsou pouze odhady skutečných hodnot populace, které nejsme schopni zjistit proto počítáme odhady těchto parametrů, nejlépe na několika výběrech jestliže opakujeme odhady na různých vzorcích téže populace, potom - přibližně 68 % těchto odhadů bude ležet v intervalu ±1 směrodatná odchylka - přibližně 95 % bude ležet v intervalu ±2s - a 99,7 % v intervalu ±3s - tedy 32 %, 5 % nebo 0,3 % odhadů se bude lišit od skutečné hodnoty v populaci Směrodatnou odchylku s pro odhad alelové četnosti vypočítáme jako: s = V(p) V(p) = p (1 p) / 2n

28 Odhad genetické struktury populací Výpočet alelových četností u genů s více než dvěma alelami: založen na stejných pravidlech organizmus je diploidní, takže v genotypu nese vždy dvě alely Např.: u D. willistoni bylo zjištěno 6 různých genotypů lokusu Lap-5 (gen pro leucinaminopeptidázu) Alelové četnosti lze opět vypočítat z: a) počtu genotypů b) genotypových četností

29 Odhad genetické struktury populací a) počtu genotypů p(98) = (2 x 2) = 62 / 1000 = 0,062 p(100) = (2 x 172) / 1000 = 0,596 p(103) = (2 x 54) / 1000 = 0,342 0, , ,342 = 1

30 Odhad genetické struktury populací b) genotypových četností 2 / 500 = 0, / 500 = 0,344 p(98) = 0, /2 (0,076) + 1/2 (0,040) = 0,062 p(100) = 0,596 p(103) = 0,342 0, , ,342 = 1

31 1) Populace, genofond 2) Fenotypová a genotypová variabilita populací 3) Vznik a zdroje genetické variability 4) Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) 5) Odhad genetické variability populací - heterozygotnost a polymorfizmus u alozymů - polymorfizmus délky restrikčních fragmentů - variabilita nukleotidových sekvencí 6) Využití genetické variability

32 Odhad genetické variability populací Polymorfizmus a Heterozygotnost Polymorfizmus = odhad podílu polymorfních lokusů v dané populaci Heterozygotnost = podíl heterozygotních lokusů u typického jedince populace nelze však zkoumat každý lokus každého organizmu a navíc ani neznáme celkový počet lokusů v genomu většiny organizmů opět vycházíme z reprezentativního vzorku genů nelze také použít klasickou techniku křížení gen musí být zastoupen ve dvou variantách = nezachytili bychom monomorfní geny využívá se přístupů molekulární genetiky každý gen, alela se přepíše do pořadí ak proteinu = můžeme analyzovat polymorfnost proteinů a tím genů, které je kódují

33 Odhad genetické variability populací Postup: vybere se náhodný vzorek různých proteinů, u nichž se testuje polymorfizmus = představují reprezentativní náhodný výběr ze všech strukturních genů pokud je protein u všech sledovaných jedinců stejný = gen kódující tento protein není v populaci polymorfní a naopak na základě toho pak můžeme kvantitativně odhadnout stupeň genetické variability stanovení sekvence 20 proteinů u 100 jedinců bylo však v počátcích téměř nemožné, a proto byla s výhodou využívána právě elektroforéza bílkovin rychlá a efektivní

34 Odhad genetické variability populací Polymorfizmus U červa Phoronopsis viridis bylo studováno 30 lokusů: 12 lokusů monomorfních 18 lokusů polymorfních Kvantitativní vyjádření polymorfizmu této populace: 18/30 = 0,60 Takto byly analyzovány další 3 populace: Polymorfizmus jednotlivých populací: 18/30 = 0,60 15/30 = 0,50 16/30 = 0,53 14/30 = 0,47 Průměrný polymorfizmus ze čtyř populací: (0,60 + 0,50 + 0,53 + 0,47) / 4 = 0,525

35 Odhad genetické variability populací Kritérium polymorfizmu: např. lokus se považuje za polymorfní pouze tehdy, jestliže četnost nejrozšířenější alely tohoto lokusu nepřevyšuje 0,95 těchto kritérií však existuje více, např. 99% = tím se stávají polymorfní i lokusy, které se dle předchozího kritéria jevily jako monomorfní (např. lokus s alelovou četností 0,97 a 0,03) = hodnoty polymorfizmu se pak tedy liší 95% kritérium polymorfizmu však umožňuje zaměřit se na opravdu polymorfní lokusy, tedy eliminovat vzácné alely, které jsou v populaci udržovány tzv. rekurentními mutacemi (jsou natolik škodlivé, že jsou z populace eliminovány a jejich výskyt je udržen pouze opakovaně vznikajícími mutacemi = jejich četnost tak zůstává velmi nízká)

36 Odhad genetické variability populací polymorfizmus však není úplně přesnou mírou genetické variability, např. lokus 1: 2 alely s četnostmi 0,95 a 0,05 lokus 2: 20 alel s četnostmi 0,05 na lokusu 2 je zjevně větší variabilita, avšak z hlediska 95% kritéria jsou oba lokusy hodnoceny jako polymorfní = neodráží tedy přesně míru té variability z uvedených důvodů se v současnosti více využívá pro vyjádření míry genetické variability průměrnáčetnost jedinců heterozygotních v určitých lokusech tzv. heterozygotnost populace nejdříve se stanovíčetnosti jedinců heterozygotních v každém lokusu a poté se vypočítá průměr pro všechny lokusy

37 Odhad genetické variability populací např. budeme v populaci studovat 4 lokusy četnosti heterozygotů v těchto lokusech byly 0,25 0,42 0,09 a 0 odhad heterozygotnosti populace pak bude: (0,25 + 0,42 + 0,09 + 0) / 4 = 0,19 Odhadovaná heterozygotnost populace je 19 % takto se však hodnotí velké množství lokusů a u několika populací z údajů pak lze získat tzv. průměrnou heterozygotnost Např. 0,19 0,15 0,13 0,17 průměrná heterozygotnost je 16%

38 Odhad genetické variability populací heterozygotnost je používanější, protože je přesnější - udává pravděpodobnost, že dvě alely daného lokusu náhodně vybrané z genofondu populace budou rozdílné - mnohem lépe odráží genetickou variabilitu to ovšem platí jen pro populace s náhodným oplozením problém u populací se samooplozením - většina jedinců homozygotních, přestože populace může být polymorfní různí jedinci nesou různé alely v homozygotní sestavě totéž platí pro populace s určitým podílem příbuzenského křížení údaje o polymorfizmu a heterozygotnosti se pak můžou lišit i pro jednotlivé geny (viz př.) Generace četnost Aa 1 2/4 = 1/2 2 4/16 = 1/4 3 8/64 = 1/8 4 16/256 = 1/ /1024 = 1/32 n 1/2 n

39 Odhad genetické variability populací Problémy s polymorfismem a heterozygotností u jednotlivých genů: B1B1 C1C3 A4A4 C1C3 A1A1 A3A3 C1C4 B1B1 B1B1 A2A2 C2C3 C3C4 gen A - je polymorfní (A1, A2, A3, A4) - nulová heterozygotnost, pouze homozygoti gen B - je monomorfní (pouze B1) - nulová heterozygotnost, pouze homozygoti gen C - je polymorfní (C1 až C4) - 100% heterozygotnost, pouze heterozygoti

40 Odhad genetické variability populací = pro geny, ale i pro celou populaci pak platí, že: vysoký polymorfizmus nemusí nutně znamenat velkou heterozygotnost (v populaci převažují homozygoti autogamie, inbríding)

41 Zkusme vyřešit následující problém: máme dvě různé populace každá z nich má 10 jedinců obě mají alelovéčetnosti stejné: p (A1) = 0,5 p (A2) = 0,3 p (A3) = 0,1 p (A4) = 0,1 Zapište genotypy jedinců ve dvou různých populacích tak, aby v první populaci nebyli žádní heterozygoti a ve druhé naopak byli pouze heterozygoti A1A1 A1A1 A1A1 A1A1 A1A1 A2A2 A2A2 A2A2 A3A3 A4A4 Obě populace jsou polymorfní Heterozygotností se však liší A1A2 A1A2 A1A2 A1A2 A1A2 A1A2 A1A3 A1A3 A1A4 A1A4

42 Odhad genetické variability populací problémy s podílem příbuzenského křížení nebo autogamie lze překonat výpočtem očekávané heterozygotnosti = odvozena z četnosti alel za předpokladu, že oplození je v populaci náhodné Příklad: Předpokládejme, že v populaci existují 4 alely určitého lokusu s četnostmi p 1, p 2, p 3 a p 4 0,5 0,3 0,1 0,1 Očekávaná četnost homozygotů při náhodném oplození bude: p 12 + p 22 + p 32 + p 4 2 Tedy očekávaná heterozygotnost: H oček. = 1 (p 12 + p 22 + p 32 + p 42 ) = 1 (0, , , ,1 2 ) = 0,64

43 Alozymový polymorfizmus Odhad genetické variability populací příklad v evropské populaci člověka 71 lokusů 51 monomorfních 20 polymorfních (viz tabulka) (P=0,282) Průměrná heterozygotnost 4,78 / 71 = 0,067 4,78

44 Odhad genetické variability populací Alozymový polymorfizmus Četnost alel, heterozygotnost a polymorfismus na některých lokusech Phoronopsis viridis Lokus četnost alel (pruhy na elfo) heterozygotnost polymorf pozor. oček. 95% krit. Acph-1 0,995 0,005 0,010 0,010 ne Acph-2 0,009 0,066 0,882 0,014 0,005 0,024 0,160 0,217 ano Adk-1 0,472 0,528 0,224 0,496 ano Est-2 0,008 0,992 0,017 0,017 ne Est-3 0,076 0,924 0,151 0,140 ano Est-5 0,483 0,396 0,122 0,443 0,596 ano Est-6 0,010 0,979 0,012 0,025 0,041 ne ,072 0,094 Při 95% kritériu jsou polymorfní 4 z vybraných lokusů v tabulce tedy 4/7 = 0,57 Při 99% kritériu je polymorfních 5 z vybraných lokusů v tabulce tedy 5/7 = 0,71

45 Odhad genetické variability populací Alozymový polymorfizmus Četnost alel, heterozygotnost a polymorfismus na některých lokusech Phoronopsis viridis Lokus četnost alel (pruhy na elfo) heterozygotnost polymorf pozor. oček. 95% krit. Acph-1 0,995 0,005 0,010 0,010 ne Acph-2 0,009 0,066 0,882 0,014 0,005 0,024 0,160 0,217 ano Adk-1 0,472 0,528 0,224 0,496 ano Est-2 0,008 0,992 0,017 0,017 ne Est-3 0,076 0,924 0,151 0,140 ano Est-5 0,483 0,396 0,122 0,443 0,596 ano Est-6 0,010 0,979 0,012 0,025 0,041 ne ,072 0,094 Rozdíl mezi očekávanou a pozorovanou heterozygotností je pravděpodobně způsoben podílem samooplození (P. viridis je hermafrodit)

46 Alozymový polymorfizmus Odhad genetické variability populací lokusy s větším počtem alel nemusí mít nutně větší heterozygotnost ve srovnání s lokusy s menším počtem alel Lokus četnost alel (pruhy na elfo) heterozygotnost polymorf pozor. oček. 95% krit. Acph-2 0,009 0,066 0,882 0,014 0,005 0,024 0,160 0,217 ano Adk-1 0,472 0,528 0,224 0,496 ano lokus se 2 alelami (Adk-1) má heterozygotnost vyšší než lokus se 6 alelami (Acph-2)

47 Alozymový polymorfizmus Odhad genetické variability populací pro výpočet heterozygotnosti obvykle postačí sledovat v populaci asi 20 lokusů další navýšení již výsledky zpravidla příliš významně nezmění například u člověka: 26 lokusů H = 0, lokusů H = 0,067 Srovnání alozymového polymorfizmu různých organizmů: byl stanoven u 243 populací různých druhů organizmů (rostlin i živočichů) celkový průměr všech těchto organizmů byl: H = 0,07 ± 0,05 P = 0,26 ± 0,15 u obratlovců zjištěny nižší hodnoty genetické rozmanitosti, rostliny jsou v blízkosti celkového průměru a bezobratlí mají hodnoty nejvyšší nejvariabilnější byla Drosophila hodnoty pro člověka H = 0,06 P = 0,32

48 Odhad genetické variability populací polymorfizmus 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 heterozygotnost

49 Alozymový polymorfizmus Odhad genetické variability populací alozymový polymorfizmus je tedy velmi rozšířený dokonce i u prokaryotických organizmů, např. Escherichia coli má úroveň genetického polymorfizmu 2 až 3x vyšší než jakou mají eukaryotické organizmy existují však také výjimky např. oba poddruhy Acinonyx jubatus (gepard štíhlý) jsou téměř monomorfní východoafrický A. jubatus rainey: P = 0,04 H = 0,01 jihoafrický A. jubatus jubatus: P = 0,02 H = 0, při transplantacích zjištěno, že jsou monomorfní i pro geny MHC, které jsou u ostatních savců vysoce polymorfní - ztráta rozmanitosti je způsobena dvěma vážnými poklesy početnosti populace gepardů (dnes jich žije méně než )

50 Alozymový polymorfizmus Odhad genetické variability populací studium alozymů pro odhad genetické variability má velkou nevýhodu sledujeme jen omezený počet genů výsledky nelze extrapolovat na celý genom = výsledky jsou nepřesné studované geny asi nejsou reprezentativním vzorkem genů, co se polymorfizmu týče pomocí elfo nelze zachytit všechny možné substituce ak - např. po vylepšení elfo technik bylo u myší odhaleno 2 x více alel - u genu pro xantindehydrogenázu u D. pseudoobscura takto nalezeno 37 oproti původním 6 (odhad H se tak zvýšil z 0,44 na 0,73) nicméně odhady P zůstávají nezměněny monomorfní lokusy zůstávají monomorfní = výsledky mohou být podhodnoceny

51 Alozymový polymorfizmus Odhad genetické variability populací = výsledky mohou být však také nadhodnoceny pomocí elfo jsou zkoumány enzymy z tkání a tělních tekutin (enzymy skupiny II), kterých je dostatečné množství pro analýzu enzymy skupiny I, které jsou substrátově více specifické tak zkoumány nejsou Např. u drozofily 10 enzymů skupiny II: P = 0,7 H = 0,24 11 enzymů skupiny I: P = 0,27 H = 0,04 = vzorek zkoumaných enzymů tak nemusí být dostatečně reprezentativní Pro přesnější výzkum úrovně rozmanitosti pro celý genom byla potřeba nějaká dokonalejší technika.

52 Odhad genetické variability populací Polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP) umožňuje zkoumat variabilitu přímo v nukleotidových sekvencích, která se nemusí projevit změnou v sekvenci ak lze analyzovat nekódující oblasti genomu využitím restrikčních enzymů specificky štěpí DNA dle sekvence restrikčního místa v populačních studiích se používají nejčastěji enzymy se 4 nebo 6 nukleotidovými rozpoznávacími místy v důsledku mutace ve štěpném místě nedochází ke štěpení, což lze detekovat pomocí elfo s následnou Southernovou hybridizací

53 Odhad genetické variability populací Polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP) na základě štěpení sadou restrikčních enzymů lze vypočítat odhad nukleotidového polymorfizmu a heterozygotnosti jako: vysvětlení písmenek ze vzorečků a výpočet konkrétního příkladu je součástí cvičení P nuc = 0,029 H nuc = 0,010

54 Odhad genetické variability populací Variabilita nukleotidových sekvencí sekvenční analýza díky metodě sekvencování je možné odhalit variabilitu až na úrovni jednotlivých nukleotidů podívejme se na konkrétní případ výpočtu polymorfizmu - analyzován byl DNA úsek o délce 500 nukleotidů - variabilita byla zjištěna jen v 16 místech (viz tabulka) - podíl polymorfních míst je tedy 16 / 500 = 3,2 % - odpovídá odhadu polymorfizmu, vycházíme z něj např. při vyjadřování průměrné heterozygotnosti nt sekvencí

55 Odhad genetické variability populací Variabilita nukleotidových sekvencí sekvenční analýza Výpočet heterozygotnosti výpočet podílu variabilních míst (p s ): p s = S / N S počet rozdílných nukleotidových míst N celkový počet míst p s = 3 / 10 = 0,3 Př. máme 4 DNA sekvence s 10 nukleotidy sekvence1 A A C C T G A G C A sekvence2 A A G C T G A G C A sekvence3 A A C C A G A G C A sekvence4 A A C T T G A G C A sekvence sekvence2 - - G sekvence A sekvence T

56 Odhad genetické variability populací Variabilita nukleotidových sekvencí sekvenční analýza výpočet průměrné heterozygotnosti (π): 1) Stanovíme heterozygotnost jednotlivých párových srovnání: 1 vs. 2 1 rozdíl 1/10 = 0,1 1 vs. 3 1 rozdíl 1/10 = 0,1 1 vs. 4 1 rozdíl 1/10 = 0,1 2 vs. 3 2 rozdíly 2/10 = 0,2 2 vs. 4 2 rozdíly 2/10 = 0,2 3 vs. 4 2 rozdíly 2/10 = 0,2 2) Průměrná heterozygotnost π (součet jednotlivých heterozygotností dělený počtem srovnání): π = (0,1 + 0,1 + 0,1 + 0,2 + 0,2 + 0,2) / 6 = = 0,15 Př. máme 4 DNA sekvence s 10 nukleotidy sekvence1 sekvence2 sekvence3 sekvence A A C C T G A G C A A A G C T G A G C A A A C C A G A G C A A A C T T G A G C A Jiný postup je: 1) celkový počet rozdílů vydělit počtem srovnání 9 / 6 = 1,5 2) tento průměrný počet rozdílů vydělit délkou srovnávané sekvence 1,5 / 10 = 0,15

57 1) Populace, genofond 2) Fenotypová a genotypová variabilita populací 3) Vznik a zdroje genetické variability 4) Odhad genetické struktury populací (výpočet alelových četností) 5) Odhad genetické variability populací - heterozygotnost a polymorfizmus u alozymů - polymorfizmus délky restrikčních fragmentů - variabilita nukleotidových sekvencí 6) Využití genetické variability

58 studium historie skupin organizmů Využití genetické variability studium genetické variability u geparda extrémní uniformita (alozymový polymorfizmus je 2 až 5krát menší než u jiných velkých kočkovitých šelem = pravděpodobně důsledek velmi vážného poklesu početnosti populace v nedávné minulosti (ne před více než 10 až 12 tisíci lety) naopak vysoká úroveň genetické variability u E. coli ukazuje, že i asexuální haploidní organizmy mohou být vysoce polymorfní

59 Využití genetické variability studium původu a historie skupin organizmů vyšší genetická variabilita uvnitř lokálních populacíčlověka než mezi nimi ukazuje, že jsou geneticky větší odlišnosti např. mezi Afričany navzájem než např. mezi Afričany a Evropany = zamítnutí konceptu ras 10 % celkové genetické variability člověka představují rozdíly mezi geografickými oblastmi 5 % připadá na rozdíly mezi populacemi v dané oblasti 85 % jsou rozdíly uvnitř lokálních populací

60 Využití genetické variability studium genetických vztahů mezi subpopulacemi určitého druhu na základě podobnosti alelových četností subpopulací lze odhadnout rychlosti migrace alely se přemisťují genovým tokem, lze odhadnout např. kolik migrantů do subpopulace přichází nebo kolik let migrace trvá apod.

61 studium původu Genetická variabilita v populacích Využití genetické variability vychází se z principu, že stejné alely pocházejí od společných předků - např. Ainuové ze Severního Japonska mají četné rysy podobné Evropanům (rysy obličeje, světlá kůže, ochlupení na těle) - geneticky polymorfizmus však jasně ukazuje na jejich velmi blízkou příbuznost s mongoloidními skupinami lidí např. mají alely pro krevní skupinu Diego Di a ta se téměř výhradně vyskytuje v populacích Mongoloidů

62 studium původu Genetická variabilita v populacích Využití genetické variability na základě podobností a odlišností na úrovni sekvencí lze studovat evoluční původ a historii molekulární fylogenetika - např. africký původ moderního člověka, asijský původ domorodých američanů - příbuznost mezi taxony = změny v taxonomii organizmů

63 Využití genetické variability genetický polymorfizmus jako zdroj markerů chorob a znaků je-li nějaký polymorfizmus (RFLP, SNP apod.) v těsné vazbě s genem, pak určitý typ (alela) se dědí buď se standardní nebo mutantní alelou genu zájmu = = přirozený genetický marker čím je marker polymorfnější, tím může být užitečnější: např. DNA identifikace tzv. DNA profilování = u člověka paternity, kriminalistika, katastrofy = u živočichů paternity, identifikace, odolnost či citlivost k různým faktorům apod. = stanovení způsobu oplození u rostlin a živočichů detekce blízce příbuzných jedinců = stanovení příbuznosti mezi altruisticky se chovajícími jedinci apod.

64 Využití genetické variability Další příklady z poslední doby využívá se zejména rozmanitosti v SNP e-skripta odkaz na web