Evoluční (populační) genetika Radka Reifová

Transkript

1 Evoluční (populační) genetika Radka Reifová Prezentace ke stažení: v záložce Courses

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

3 Nejdůležitější milníky evoluční 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 J. B. S. Haldane Sewall Wright

4 Nejdůležitější milníky evoluční 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

5 Nejdůležitější milníky evoluční genetiky OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNÍCH TECHNOLOGIÍ (od 90. let 20. století) Příliv ohromného množství sekvenčních dat. Kombinace teoretického aparátu a skutečných sekvenčních dat umožňuje studovat, jak probíhala evoluce organismů v minulosti. Populační genetika Fylogeografie Speciace Fylogenetika Komparativní genomika

6 Data: sekvence genomů 1995 Haemophilus influenze, 1. osekvenovaná bakterie 1996 Saccharomyces cerevisiae, 1. osekvenovaný eukaryotický organimus 1998 Caenorhabditis elegans, 1. osekvenovaný mnohobuněčný organismus 2000 Drosophila melanogaster 2001 Homo sapiens 2002 Mus musculus 2005 Pan troglodytes 2010 Homo neanderthalensis Dnes známé sekvence kompletních genomů u několika stovek druhů živočichů a rostlin

7 Genome 10K Project (2009) Cílem osekvenovat druhů obratlovců. 5K Project (2011) Cílem osekvenovat genomy druhů členovců. Avian Phylogenomics Project Cílem osekvenovat genomy všech zhruba druhů ptáků. Thousand Genomes Project Cílem osekvenovat genomů v lidské populaci a detekovat genetické polymorfismy.

8 Data Sekvenování transcriptomu (RNA) RAD sekvenování (náhodné krátké oblasti genomu) Cílené sekvenování (exony, určitý chromosom, vybrané geny) Amplikonové sekvenování (PCR produkty)

9 Frekvence alel a genotypů v populaci Hardy-Weinbergův zákon

10 Hardy-Weinbergův zákon p 2 + 2pq + q 2 = 1 Godfrey Hardy Umožňuje odhadnout frekvence alel v populaci, když známe frekvence genotypů a naopak. 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 1 A 2 2pq frekvence genotypu A 2 A 2

11 Hardy-Weinbergův zákon Nejvíce heterozygotů v populaci při stejné frekvenci obou alel. 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 Kdy platí Hardy-Weinbergův zákon Náhodné křížení mezi jedinci (panmiktická populace). Populace není geograficky strukturovaná, tzn. frekvence alel stejné v různých místech. Všechny genotypy mají stejnou zdatnost (fitness), tzn. na populaci nepůsobí selekce. Populace je dostatečně velká. Nepůsobí na ní genetický drift.

14 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

15 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.

16 Hardy-Weinbergův zákon Příklad: Usvědčení podezřelého z vraždy Genotyp podezřelého je identický s genotypem DNA zanechané na místě zločinu. Lze podezřelého na základě tohoto genetického testu usvědčit z vraždy? Lokus Genotyp A,B A,B A,A

17 Usvědčení podezřelého z vraždy 1. Musíme znát frekvence alel v populaci A A A B B Pomocí HW odhadneme frekvence genotypů v populaci 1 A,B 2 x ( x ) = (6.89%) 2 A,B 2 x ( x ) = (8.41%) 3 A,A 2 x ( x ) = (0.84%) 3. Vypočítáme pravděpodobnost výskytu genotypu ve třech lokusech v populaci x x = (0.0049%, 1/20408)

18 Mechanismy způsobující odchylku od H-W rovnováhy Nenáhodné (asortativní) křížení Pozitivní asortativní křížení 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).

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

20 Negativní asortativní křížení 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

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

22 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 0,05 velmi malá či žádná diferenciace F ST 0,05 0,15 mírná diferenciace F ST 0,15 0,25 velká genetická diferenciace F ST 0,25 1 extrémně velká diferenciace

23 příklad: V populaci 1 a 2 byly zjištěny následující počty genotypů. Jaké je F ST mezi populacemi? AA Aa aa Populace Populace Frekvence A v populaci 1: f A1 = ( /2) / 60 = 0,5 Frekvence A v populaci 2: f A2 = ( /2) / 60 = 0,375 H T = (f A1 + f A2 )(1- ((f A1 +f A2 )/2)) = 0,492 H S = f A1 (1-f A1 ) + f A2 (1-f A2 ) = 0,484 F ST = (H T -H S )/H T = 0,016

24 Selekce Odstranění určitých genotypů z populace. aa aa AA Aa AA AA Aa aa Aa Aa Aa aa AA Aa aa Aa Aa aa Aa Aa aa Aa Genetický drift V malých populacích, přebytek či nedostatek určitých genotypů vzhledem k H-W rovnováze vlivem náhody. AA AA Aa aa aa Aa Aa Aa Selekce a drift mění nejen frekvence genotypů, ale i frekvence alel v populaci. Nenáhodné křížení mění frekvence genotypů v populaci, ne však frekvence alel.

25 Mechanismy měnící frekvence alel v populaci

26 mutace migrace drift selekce University of California Museum of Paleontology's Understanding Evolution (

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

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

29 Efektivní velikost populace (N e ) Vyjadřuje velikost ideální panmiktické populace, ve které by genetické procesy (např. změny ve frekvenci alel vlivem genetického driftu) probíhaly 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.

30 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.

31 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 Harémy u rypouše sloního

32 Faktory ovlivňující efektivní velikost populace Rozptyl v počtu potomků mezi jedinci 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. Pokud je rozptyl menší, N e je vyšší než skutečný počet jedinců v populaci.

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

34 Selekce mutace škodlivé neutrální výhodné negativní selekce genetický drift pozitivní selekce

35 Adaptace

36 Fitnes (biologická zdatnost) Schopnost jedince předat své geny do dalších generací. Relativní fitnes (w) Udává rozdíly ve fitnes mezi jednotlivými genotypy. Genotyp s maximální fitnes, w = 1. Genotyp s minimální fitnes (letální), w = 0. Selekční koeficient (s) Udává pokles ve fitnes genotypu vzhledem k maximální fitnes. Letální mutace, s = 1. Neutrální mutace, s = 0. V některých případech s udává naopak selekční výhodu určitého genotypu. AA Aa aa w = s

37 Populačně genetické modely selekce Ukazují dynamiku změn ve frekvenci genotypů a alel v populaci působením selekce. Parametry modelů Relativní fitnes (w) Selekční koeficient (s) Koeficient dominance (h) Udává míru dominance mezi alelami. h = 0 či 1 úplná dominance. 0 < h < 1 neúplná dominance. h < 0 overdominance (heterozygot má největší fitnes). h > 1 underdominance (heterozygot má nejmenší fitnes). AA Aa aa w = hs 1 - s

38 Negativní selekce proti recesivní mutaci (a) Vede ke snížení frekvence recesivní alely (a) a zvýšení frekvence dominantní alely (A). Nedojde však k vymizení recesivní alely. Recesivní alela je chráněna proti vymizení z populace tím, že je při nízké frekvenci ukryta v heterozygotech (Aa). Lidské choroby často způsobeny recesivními mutacemi (např. cystická fibróza, fenylketonurie atd.)

39 Negativní selekce proti dominantní mutaci (A) Vede k úplnému vymizení dominantní alely A a k fixaci recesivní alely a. Letální dominantní choroby jsou vzácnější než recesivní. Většinou se projevují v pozdějším reprodukčním věku, tzn. neovlivňují fitnes nositele (př. Huntingtonova choroba).

40 Pozitivní selekce ve prospěch dominantní, recesivní a neúplně dominantní mutace Haldaneovo síto. Většina výhodných mutací v populaci je dominantní. Snadněji se zafixují.

41 Industriální melanismus u drsnokřídlece březového (Biston betularia) V 19 st. v době průmyslové revoluce způsobující znečištění ovzduší se v Anglii objevila tmavá variant drsnokřídlece březového. V druhé polovině 20. století došlo ke zlepšení ovzduší, tmavá forma začala ubývat. Tmavá varianta způsobena inzercí transpozonu do genu cortex okolo roku van t Hof et al. 2016

42 Selekce proti heterozygotům (underdominance) Vede fixaci alely s vyšší frekvencí v populaci. Pokud původní frekvence alel 50%, jsou v populaci udržovány obě alely. To je však v reálných populacích nestabilní, protože dříve či později dojde k převaze jedné alely působením genetického driftu.

43 Selekce ve prospěch heterozygotů (overdominance) V populaci se dlouhodobě udržují obě alely. Pokud fitnes homozygotů AA a aa je stejná, v populaci se udržuje stejná frekvence obou alel (za této situace je v populaci nejvíc heterozygotů).

44 Rezistence vůči malárii Mutace v hemoglobinu mohou způsobit resistenci vůči malárii. Srpkovitá anémie. Způsobena recesivní mutací. Recesivní homozygoti nepřežijí. Heterozytoti jsou v pořádku, navíc jsou imunní proti malárii. Proto častý výskyt této choroby v tropické Africe. Srpkovitá anémie Distribuce malárie

45 Selekce udržující polymorfismus v populaci (balancing selekce) Selekce ve prospěch heterozygotů Frekvenčně závislá selekce Cyklická selekce Křivka obecná (Loxia curvirostra) zobák překřížený na obě strany k otevírání levotočivých a pravotočivých šišek Cichlida (Perissodus microlepsis) tlamu natočenou napravo či nalevo podle toho, ze které strany ožírá šupiny ryb

46 Genetický draft genetic hitchiking Evoluční osudy genů ležících na stejném chromosomu nejsou nezávislé. Vzájemně se ovlivňují. Změna ve frekvenci alely v populaci díky genetické vazbě s jinou alelou (výhodnou či nevýhodnou)

47 Selekční vymetení ( selective sweep ) snížení genetické variability v okolí výhodné mutace. Zároveň dojde ke zvýšení míry vazebné nerovnováhy v okolí výhodné mutace.

48 Selekce na pozadí ( background selection ) Odstranění alel z populace díky genetické vazbě s nevýhodnou mutací. Vede ke snížení genetické variability, není však tak výrazné, jako u selekčního vymetení.

49 Vazebná nerovnováha ( linkage disequilibrium ) Vyjadřuje skutečnost, že se určité kombinace alel ve dvou či více lokusech v populaci vyskytují častěji či méně často než by odpovídalo jejich náhodné kombinaci. A A a B b a A b A A B b a B B a A b a B b a b B A A a B a B A b A A b B a B B a A b a B b a b b haplotyp y AB. 25% ab. 25% ab. 25% Ab. 25% AB. 40% ab. 40% ab. 10% Ab. 10% VAZEBNÁ ROVNOVÁHA VAZEBNÁ NEROVNOVÁHA

50 Vazebná nerovnováha (D) D = pozorované očekávané frekvence kombinace alel (haplotypů) Očekávané frekvence kombinace alel (tj. náhodné kombinace) jsou dané pouze frekvencí alel v populaci. haplotyp očekávané frekvence AB p 1 q 1 8% ab p 2 q 2 48% Ab p 1 q 2 32% ab p 2 q 1 12% p 1 frekvence alely A p 2 frekvence alely a q 1 frekvence alely B q 2 frekvence alely b 40% 60% 20% 80% D = 0 D > 0 či D < 0 vazebná rovnováha vazebná nerovnováha

51 Vazebná nerovnováha (D) Míra vazebné nerovnováhy závisí nepřímoúměrně na míře rekombinace (r) a efektivní velikosti poulace (N e ). Vazebná nerovnováha způsobená vzájemnou vazbou genů po čase v populaci vymizí. D = 1 4N e r Populační rekombinační rychlost

52 Selective sweeps v lidské populaci Laktázová persistence V lidské populaci vzniklo nezávisle několik mutací v LCT genu (kóduje laktázu), které umožňují trávit mléko i v dospělostí. Souvisí s rozšířením pastevectví. s = ~1,4-15% (jeden z nejsilněji selektovaných lokusů v lidském genomu). Výskyt laktázové perzistence

53 Zbarvení pleti Geny ovlivňující zbarvení pleti u lidí: HERC2, SLC45A2, TYR Silná selekce ve prospěch světlejší pleti v Evropě. Selekční koeficient 2 10% na generaci.

54 Mezi pozitivně selektovanými geny jsou i geny podmiňující různé lidské choroby CFTR gen (cystická fibróza) ALMS1 gen (Alstromův syndrom) GBA gen (Gaucherova choroba) PCDH15 (Uscherův syndrom) atd. Jak může frekvenci mutací způsobujících lidské choroby ovlivňovat pozitivní selekce? 1. Mutace způsobující chorobu jsou recesivní a v heterozygotním stavu přinášejí nějakou výhodu (balancing selekce). 2. V historii došlo ke změně ve směru působení selekce