Evoluční genetika II. Radka Reifová

Transkript

1 Evoluční genetika II Radka Reifová

2 Literatura An Introduction to Population Genetics. Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin (v knihovně) Elements of Evolutionary Genetics (2010) Brian Charlesworth and Deborah Charlesworth (v knihovně). Population Genetics and Microevolutionary Theory (2006) Alan R. Templeton (v knihovně). Principles of Population Genetics (různá vydání) Daniel L. Hartl, Andrew G. Clark (v knihovně) Genetics of Populations (různá vydání) Philip W. Hedrick (v knihovně) Conservation and the genetics of populations. Fred W. Allendorf, Gordon H. Luikart, Sally N. Aitken Evoluční biologie. Jaroslav Flegr. 2009

3 Neutrální teorie evoluce a molekulární hodiny Genové genealogie a fylogeneze Speciace

4 Teorie neutrální evoluce konec 60. a začátek 70. let 20. stol. Ukazuje jaká bude genetická variabilita v populaci a jaká bude rychlost evoluce v případě, že mutace jsou neutrální a na populaci působí pouze genetický drift. Mottoo Kimura

5 Mutační rychlost (μ) frekvence nových mutací na generaci μ = 0.01 (1 mutace na 100 jedinců na 1 generaci) Mutační rychlost v lidském genomu ~ (na bázi a na generaci) necelých 100 nových nukleotidových substitucí v celém genomu na jedince.

6 K většině mutací dochází při replikaci DNA Většina nukleotidových substitucí vzniká v samčí germinální linii (více replikací DNA) (male-driven evolution). Počet nově vzniklých nukleotidových substitucí vzrůstá s věkem otce (paternal age effect). Rozdíl v mutační rychlosti mezi autosomy a pohlavními chromosomy. Chr Y, Z: vyšší mutační rychlost než autosomy. X, W nižší. Campbell and Eicher, 2013

7 Je odlišná pro různé typy mutací Mutační rychlost Tranzice vznikají častěji než transverze; rozsáhlejší mutace obecně méně časté; mutační hotspots CpG u živočichů, mikrosatelity. Je odlišná pro různé lokusy v rámci genomu Mutační rychlost cca 10 x větší na mt DNA než v jaderné DNA; velmi varíruje také v rámci jaderné DNA; ovlivněna např. mírou transkripce dané sekvence, blízkostí k replikačnímu počátku. Liší se u různých organismů Ovlivněna celkovou velikostí genomu, životními strategiemi organismů (velikost těla, intenzita bazálního metabolismu, dlouhověkost ) Lynch et al. 2010

8 Genetická diverzita (genetický polymorfismus) (θ) Pro neutrální mutace platí: Polymorfní (segregující) místo θ = 4N e μ Míra genetického polymorfismu v populaci závisí přímoúměrně na mutační rychlosti a velikosti populace.

9 Empirické odhady genetického polymorfismu (θ) v populaci 1. Proporce polymorfních míst (θ, θ W, θ S ) 2. Nukleotidová diverzita (průměrná heterozygozita) (π) Polymorfní (segregující) místo

10 Odhad nukleotidové diverzity (π)

11 Odhad proporce polymorfních míst (θ, θ W, θ S ) θ = p s /k k počet sekvencí θ = 0.3/4 = Za předpokladu neutrality by měli být oba odhady stejné. Programy: DnaSP

12 Ellegren and Galtier, 2016 Genetická diverzita organismů silně závisí na životních strategiích organismů (r,k).

13 Rychlost molekulární evoluce a molekulární hodiny Evoluční/substituční/fixační rychlost = počet nových mutací x pravděpodobnost jejich fixace k = 2N e μ 1 = μ 2N e N e efektivní velikost populace μ mutační rychlost pravděpodobnost fixace nové mutace počet nových mutací v populaci Rychlost neutrální evoluce je ovlivněna pouze mutační rychlostí. Nezávisí na efektivní velikosti populace. Za předpokladu neměnné mutační rychlosti se je rychlost neutrální evoluce konstantní. Molekulární hodiny.

14 Molekulární hodiny a odhad doby divergence dvou druhů Genetická divergence = substituční rychlost x čas D = 2μt Počet mutací, které vzniknou za určitý čas. Pro neutrální sekvence vzrůstá genetická divergence lineárně s časem. t

15 Odhad genetické divergence ze sekvenčních dat AGTGAGTCGTCAGTACTGCTG ACTTAGCCGTGAGTACAGCTA 6 D = = 0,2857 (28,57%) 21 Proporce nukleotidových míst, které se liší mezi dvěma sekvencemi DNA.

16 Saturace mutací Po určité době divergence přestane stoupat. Je to kvůli mnohočetným substitucím ve stejné pozici. Došlo k saturaci. Odhad divergence vzdálených sekvencí je podhodnocený. Nutno korigovat pomocí nukleotidových substitučních modelů.

17 Kalibrace molekulárních hodin Tj. odhad substituční rychlosti Provádí se na základě známé doby divergence některých taxonů na základě např. paleontologických dat. Substituční rychlost pro sekvenci genu cytochromu b (mt DNA) u savců a ptáků cca 0,01. Tzn. 2% divergence ~ 1 mil let. D = 2μt

18 Substituční rychlost je velmi variabilní u různých druhů Substituční rychlosti pro cytochrom b u ptáků. Pravidlo 2% divergence ~ 1 mil let, neplatí!

19 Proč se substituční rychlost liší u různých druhů? Velkou část variability v substituční rychlosti vysvětlí variabilita ve velikosti těla.

20 Proč je substituční rychlost vyšší u organismů s malou tělesnou velikostí? Hypotéza generační doby Druhy s malou tělesnou velikostí mají obvykle kratší generační dobu. Za určitý časový interval se víckrát rozmnoží, v germinální linii proběhne celkově více buněčných dělení v přepočtu na jeden rok. Pokud většina mutací vzniká při replikaci, je u nich zvýšená mutační a tím pádem i substituční rychlost (na rok). 25 let 1 generace 25 generací

21 Metabolická hypotéza Mutační rychlost a tím pádem substituční rychlost je ovlivněná rychlostí metabolismu. Při vyšší rychlosti metabolismu, vyšší oxidativní stres. Druhy s malou velikostí mají rychlejší substituční rychlost. Vysvětlí proč teplokrevní mají vyšší substituční rychlost než studenokrevní.

22 Hypotéza dlouhověkosti Dlouhověké druhy si vyvinuly mechanismy, jak se bránit mutačnímu stresu. Mají účinnější DNA reparační mechanismy. Mohou se tak dožít vysokého věku. vysoký metabolismus dlouhověcí nízký metabolismus krátkověcí Velryba grónská

23 Téměř neutrální teorie evoluce neutrální mutace působí na ně drift škodlivé / výhodné mutace působí na ně selekce mírně škodlivé / výhodné mutace působí na ně drift i selekce Pokud 2s = 1/2N e, selekce a drift na osud alely stejný vliv. Tomoko Ohta (Téměř) neutrální mutace: 2s < 1/2N e O jejich osudu rozhoduje více drift než selekce Mírně škodlivé/výhodné mutace se v malých populacích chovají jako neutrální, kdežto ve velkých jako škodlivé.

24 Téměř neutrální teorie evoluce předpovídá rychlejší evoluční rychlost v malých populacích Většina mutací škodlivých. V malých populacích se fixuje více škodlivých mutací než ve velkých. Druhy s malými populacemi mají rychlejší substituční rychlost než druhy s velkými populacemi. Rychlejší evoluce pohlavních chromosomů ve srovnání s autosomy.

25 Problémy molekulárních hodin. 1. Mutační a tím pádem i substituční rychlost není konstantní. Liší se u různých taxonů. 2. Evoluční rychlost není zcela nezávislá na velikosti populace.

26 Genové genealogie fylogeneze

27 Genové genealogie Popisují vztahy mezi alelami v populaci napříč generacemi

28 Genové genealogie

29 Genové genealogie

30 Genové genealogie

31 Genové genealogie

32 Genové genealogie Nejbližší společný předek vybraných linií Most Recent Common Ancestor (MRCA) Mitochondriální Eva = MRCA pro současnou lidskou mt DNA Adam pro chromosom Y = MRCA pro současný lidský chromosom Y

33 Genové genealogie Obvykle neznáme, ale můžeme je rekonstruovat díky mutacím A G T C A C C G G G T T T T A

34 Proces koalescence je ovlivněn demografickými faktory

35 Proces koalescence je ovlivněn selekcí

36 Změny ve velikosti lidské populace Karmin et al. 2015

37 genealogie versus fylogeneze (genový strom versus druhový strom)

38 Rekonstrukce fylogeneze Maximální parsimonie Strom s minimálním počtem mutací Sekvence Distanční metody Strom se vytvoří na základě odhadnutých genetických vzdálenosti mezi všemi dvojicemi sekvencí. Metoda maximální věrohodnosti and Bayesiánské metody Strom, který s největší pravděpodobností vysvětlí data.

39 genealogie versus fylogeneze (genový strom versus druhový strom)

40 Sortování linií polyfilie parafilie monofilie druh 1 druh 2

41 Rychlost sortování linií závisí na Ne. U velkých populací je proces pomalejší než u malých. Pomocí molekulárních hodin odhadujeme dobu divergence sekvencí, ne druhů. U blízce příbuzných druhů s velkými Ne může být odhad divergence na základě molekulárních hodin výrazně nadhodnocen. divergence sekvencí divergence druhů

42 Průměrná doba fixace neutrální mutace t = 4N e generací pro chrx: t = 3N e pro chry, mt DNA: t = 1N e U druhů s velkou N e může přetrvávat neutrální polymorfismus několik milionů let. Vysvětluje proč je ve velkých populacích velké množství polymorfismu.

43 Ancestrální polymorfismus Příbuzné druhy mohou sdílet polymorfismus, který zdědily od společného předka.

44 Fylogeneze ptáků založená na celogenomových sekvencích 48 zástupců všech ptačích řádů. Rychlá radiace na přelomu druhohor a třetihor po velkém vymírání. Problém se stanovením správného štěpení linií kvůli nekompletnímu sortování linií. Jarvis et al. Science 2014

45 Speciace

46 Speciace REPRODUKČNÍ BARIÉRA Biologická koncepce druhu (Ernst Mayr, 1942) Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně plodně kříží a jsou reprodukčně izolované od jiných takových skupin.

47 Typologická koncepce druhu Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně podobají a odlišují se určitými znaky od jedinců jiného druhu. Kryptické druhy Polytypické druhy dorsal ventral M F M F Čtyři kryptické druhy motýlů rodu Perichares Konipas luční, poddruhy

48 Speciace

49 Alopatrická speciace Geografické oddělení populací. Rozrůznění vlivem mutací, driftu a selekce. Po opětovném kontaktu se jedinci mezi populacemi už spolu nedokáží plodně křížit. AAbb aabb aabb AaBb Dobzhansky-Muller model A a B jsou nekompatibilní. Nebyly spolu v evoluci testovány.

50 Dvě pravidla speciace Týkají se vnitřní postzygotické reprodukční bariéry (hybriní sterilita a neživotaschopnost) Haldaneovo pravidlo Pokud je v mezidruhovém křížení jedno pohlaví sterilní či neživotaschopné, pak je to pohlaví heterogametické (XY, ZW) Coynovo pravidlo Na vznik hybridní sterility má relativně velký vliv chromosom X(Y) ve srovnání s autosomy.

51 Sympatrická speciace Pokud na populaci působí disruptivní selekce. Problém s vytvořením reprodukční izolace za přítomnosti genového toku. Pravděpodobná pokud zároveň dochází k pozitivnímu asortativnímu páření mezi jedinci se stejným fenotypem.

52 Sympatrická speciace častá u parazitického hmyzu Kyjatka hrachová (Acyrthosiphon pisum) vrtule (Rhagoletis pomonella) hloh jablka jetel luční vojtěška Přeskokem na nového hostitele. K páření a kladení vajíček dochází na hostitelské rostlině, na které jedinci sami vyrostli. Zajistí pozitivní asortativní páření.

53 Sympatrická speciace změnou ploidie 2n 4n Častá u rostlin. Duplikace genomu vytvoří okamžitou reprodukční izolaci. Hybridní jedinci (3n) problém s meiózou. Sterilita.

54 Corvus corone Corvus cornix Hybridní zóny Mus musculus domesticus Mus musculus musculus Luscinia megarhynchos Luscinia luscinia Bombina bombina Bombina variegata

55 Polopropustná reprodukční bariéra

56 Polopropustná reprodukční bariéra Genový koncept druhu (Chung-I Wu, 2001) Druh je tvořen skupinou geneticky kompatibilních jedinců. Reprodukční bariéra se nemusí týkat celého genomu, ale může být udržována celkem malým počtem genů.

57 Vznik adaptací pomocí mezidruhové hybridizace (adaptivní introgrese) Mezidruhová introgrese genů podmiňujících Mullerovské mimikry u motýlů rodu Heliconius The Heliconius Genome Consorcium. Nature. 2012

58 Adaptivní introgrese u Homo sapiens Neafrická lidská populace zdědila 2-4% genomu od neandrtálců. V Tibetské populaci mutace v genu EPAS1 usnadňuje život ve vysokých nadmořských výškách. Původem z neandrtálců. Adaptivní introgrese se také týká genů ovlivňujících kvalitu kůže a srsti. Některé alely získané od neandrtálců způsobují choroby (např. obezitu, deprese).

59 Speciace hybridizací Nový druh vzniká hybridizací mezi dvěma různými rodičovskými druhy. Polyploidní hybridní speciace Provázena duplikací genomu hybridního druhu. Duplikace genomu (1) odstraní případné poruchy v meióze u hybridů, pokud se rodičovské druhy liší ploidií. (2) vytvoří reprodukční bariéru mezi hybridy a rodičovskými druhy. Častá u rostlin. ~ 15% krytosemenných roslin vzniklo polyploidní hybridní speciací.

60 Nedochází ke změnám ploidie. Homoploidní hybridní speciace Vzácná. Hybridi mívají problém s fertilitou. Nejsou reprodukčně izolované od rodičovských druhů. Reprodukční izolace se může vytvořit ekologickou diferenciací a/nebo prostorovým oddělením.

61 Homoploidní hybridní speciace u živočichů Případ italského vrabce Vznikl hybridizací mezi vrabcem domácím a vrabcem pokřovním. Není F1 hybrid, ale jednotliví jedinci mají různou část genomu jednoho či druhého rodičovského druhu. Hybridní populace byla nějakou dobu v geografické izolaci, tím postupně vznikla reprodukční izolace vůči rodičovským druhům.

62 Hybridogeneze Skokan zelený je F1 hybrid. Při gametogenezi F1 hybrida zničen genom jednoho z rodičů. Křížením s rodičovským druhem, jehož genom byl zničen, vzniká opět F1 hybrid. skokan skřehotavý skokan krátkonohý skokan zelený