Populační genetika Radka Reifová

Podobné dokumenty
Evoluční (populační) genetika Radka Reifová

Populační genetika Radka Reifová

Populační genetika Radka Reifová

Populační genetika II. Radka Reifová

Teorie neutrální evoluce a molekulární hodiny

Teorie neutrální evoluce a molekulární hodiny

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Populační genetika II

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Konzervační genetika INBREEDING. Dana Šafářová Katedra buněčné biologie a genetiky Univerzita Palackého, Olomouc OPVK (CZ.1.07/2.2.00/28.

Základy genetiky populací

Genotypy absolutní frekvence relativní frekvence

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Genetika populací. KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Drift nejen v malých populacích (nebo při bottlenecku resp. efektu zakladatele)

Genetika vzácných druhů zuzmun

Genetika populací. kvalitativních znaků

Hardy-Weinbergův zákon - cvičení

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

RIGORÓZNÍ OTÁZKY - BIOLOGIE ČLOVĚKA

Důsledky selekce v populaci - cvičení

GENETIKA POPULACÍ ŘEŠENÉ PŘÍKLADY

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

MENDELOVSKÁ DĚDIČNOST

= oplození mezi biologicky příbuznými jedinci

Cvičeníč. 9: Dědičnost kvantitativních znaků; Genetika populací. KBI/GENE: Mgr. Zbyněk Houdek

Selekce v populaci a její důsledky

Mikroevoluce = vznik a osud genetické variability na druhové a nižší úrovni děje a mechanismy v populacích

GENETIKA Monogenní dědičnost (Mendelovská) Polygenní dědičnost Multifaktoriální dědičnost

Genetika kvantitativních znaků

Genetický polymorfismus

1. Téma : Genetika shrnutí Název DUMu : VY_32_INOVACE_29_SPSOA_BIO_1_CHAM 2. Vypracovala : Hana Chamulová 3. Vytvořeno v projektu EU peníze středním

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Pojem plemeno je používán pro rasy, které vznikly záměrnou činností člověka, např. plemena hospodářských zvířat.

Příbuznost a inbreeding

Detekce selekce na molekulární úrovni a genetická podstata adaptací

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a Státním rozpočtem ČR InoBio CZ.1.07/2.2.00/

Fisher M. & al. (2000): RAPD variation among and within small and large populations of the rare clonal plant Ranunculus reptans (Ranunculaceae).

Detekce selekce na molekulární úrovni a genetická podstata adaptací

Základy genetiky 2a. Přípravný kurz Komb.forma studia oboru Všeobecná sestra

ZÁKLADY BIOLOGIE a GENETIKY ČLOVĚKA

Molekulární podstata adaptací a detekce selekce na molekulární úrovni

Coalesce spojit se, splynout, sloučit se. Didaktická simulace Coalescence = splynutí linií

Genetika přehled zkouškových otázek:

Mendelistická genetika

Chromosomy a karyotyp člověka

Úvod do obecné genetiky

Genetika populací. Doposud genetika na úrovni buňky, organizmu

Sylabus témat ke zkoušce z lékařské biologie a genetiky. Struktura, reprodukce a rekombinace virů (DNA viry, RNA viry), význam v medicíně

Metody studia historie populací. Metody studia historie populací

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Využití DNA markerů ve studiu fylogeneze rostlin

Evoluční genetika II. Radka Reifová

NUKLEOVÉ KYSELINY. Základ života

Genetika kvantitativních znaků. - principy, vlastnosti a aplikace statistiky

Opakování z minula. Ideální populace (Fischer Wright model) Hardy-Weinberg principle odchylky: inbreeding, asortativní křížení, pop.

Metody studia historie populací

Mgr. et Mgr. Lenka Falková. Laboratoř agrogenomiky. Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat Mendelova univerzita

Populačně-genetická data

Genetická diverzita masného skotu v ČR

"Učení nás bude více bavit aneb moderní výuka oboru lesnictví prostřednictvím ICT ". Základy genetiky, základní pojmy

II. ročník, zimní semestr 1. týden OPAKOVÁNÍ. Úvod do POPULAČNÍ GENETIKY

Nauka o dědičnosti a proměnlivosti

Základní genetické pojmy

Crossing-over. over. synaptonemální komplex

Cvičení č. 8. KBI/GENE Mgr. Zbyněk Houdek

P1 AA BB CC DD ee ff gg hh x P2 aa bb cc dd EE FF GG HH Aa Bb Cc Dd Ee Ff Gg Hh

Evoluce přírodním výběrem:

Genetická variabilita v populacích

PŘÍLOHA č. 1 SEZNAM ZKRATEK A MYSLIVECKÝCH A GENETICKÝCH POJMŮ

World of Plants Sources for Botanical Courses

Velikost genomu a mutační rychlost

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Tok GI v buňce. Genetický polymorfizmus popis struktury populací. Organizace genetického materiálu. Definice polymorfismu

ANALÝZA DAT V R 7. KONTINGENČNÍ TABULKA. Mgr. Markéta Pavlíková Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky MFF UK.

Heritabilita. Heritabilita = dědivost Podíl aditivního rozptylu na celkovém fenotypovém rozptylu Výpočet heritability

Genetické mapování. v přírodních populacích i v laboratoři

Působení genů. Gen. Znak

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Využití molekulárních markerů v systematice a populační biologii rostlin. 12. Shrnutí,

Vypracované otázky z genetiky

- Definice inbreedingu a jeho teorie

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Základní škola a Mateřská škola G.A.Lindnera Rožďalovice. Za vše mohou geny

Gymnázium a Střední odborná škola pedagogická, Čáslav, Masarykova 248

BIO: Genetika. Mgr. Zbyněk Houdek

Populační genetika III. Radka Reifová

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Dynamika populací. s + W = 1

Biologie - Oktáva, 4. ročník (humanitní větev)

Genetika pro začínající chovatele

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Biologie - Oktáva, 4. ročník (přírodovědná větev)

6. Kde v DNA nalézáme rozdíly, zodpovědné za obrovskou diverzitu života?

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a Státním rozpočtem ČR InoBio CZ.1.07/2.2.00/

Transkript:

Populační genetika Radka Reifová Prezentace ke stažení: http://web.natur.cuni.cz/~radkas v záložce Courses

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

Nejdůležitější milníky populační 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

Nejdůležitější milníky populační 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

Nejdůležitější milníky populační genetiky OBJEV A ROZVOJ SEKVENAČNÍCH TECHNOLOGIÍ (od 90. let 20. století) Sangerova metoda (sekvenování jednotlivých DNA fragmentů separátně), Next-generation sekvenování (paralelní sekvenování několika miliónů DNA fragmentů). Kombinace teoretického aparátu a skutečných sekvenčních dat umožňuje studovat, jak probíhala evoluce organismů v minulosti.

Sekvenční data Sekvence celých genomů Sekvence transkriptomů (RNA seq) Cílené sekvenování specifických genů Sekvence náhodných úseků v genomu (ddrad seq)

mutace Zdroj genetické variability v populaci migrace drift Mechanismy měnící frekvence alel v populaci selekce University of California Museum of Paleontology's Understanding Evolution (http://evolution.berkeley.edu).

Mutace Genové mutace bodové mutace: substituce, inzerce, delece Chromosomové mutace přestavby chromosomů: inverze, translokace, rozsáhlejší inzerce, delece Genomové mutace změny v počtu chromosomů: aneuploidie, polyploidie

Z hlediska vlivu na fenotyp rozlišujeme mutace škodlivé neutrální výhodné

Mutační rychlost (μ) frekvence nových mutací na generaci μ = 0.01 (1 mutace na 100 jedinců na 1 generaci) Mutační rychlost v lidském genomu ~ 1.10-8 (na bázi a na generaci) necelých 100 nových nukleotidových substitucí v celém genomu na jedince.

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). Campbell and Eicher, 2013

Mutační rychlost Je odlišná pro různé typy mutací Rozsáhlejší mutace obecně méně časté Tranzice vznikají častěji než transverze Je různá v různých oblastech genomu Mutační rychlost cca 10 x větší na mt DNA než v jaderné DNA Velmi se liší také mezi různými geny v jaderné DNA; ovlivněna např. mírou transkripce dané sekvence, blízkostí k replikačnímu počátku. Liší se u různých organismů Ovlivněna životními strategiemi organismů (velikost těla, intenzita bazálního metabolismu, dlouhověkost ) Ovlivněna celkovou velikostí genomu,

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

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

Odhad nukleotidové diverzity (π)

Odhad proporce polymorfních míst (θ, θ W, θ S ) θ = p s /k k počet sekvencí θ = 0.3/4 = 0.075 Za předpokladu neutrality by měli být oba odhady stejné. Program: DnaSP

Frekvence alel a genotypů v populaci Hardy-Weinbergův zákon

Hardy-Weinbergův zákon p 2 + 2pq + q 2 = 1 Godfrey Hardy 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 Platí v dostatečně velké populaci, kde dochází k náhodnému křížení mezi jedinci (panmiktická populace).

Hardy-Weinbergův zákon Nejvíce heterozygotů v populaci při stejné frekvenci obou alel. Přetrvávání škodlivých recesivních mutací v populaci. Vzácné alely skryty v heterozygotech.

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.

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

Testování odchylky od Hardy-Weinbergovy rovnováhy Odhad frekvence alel Genotypy Pozorované počty MM 165 MN 562 NN 339 celkem 1066 2 x 165 + 562 M = 2 x 1066 N = 1 - M = 0.5816 = 0.4184 Odhad očekávaných počtů genotypů MM 1066 x (0.4184) 2 = 186.61 MN 1066 x 2(0.4184)(0.5816)= 518.80 NN 1066 x (0.5816) 2 = 360.58 Výpočet rozdílů pozorovaných a očekávaných počtů genotypů MM 165 186.61 = -21.6 MN 562 518.80 = 43.2 NN 339 360.58 = -21.6 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) 2 186.61 Chi-square test + (43.2)2 518.80 (-21.6) + 2 = 7.39 360.58 df = 3-1-1=1 p < 0.01 Populace není v HW rovnováze.

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).

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

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

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

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

příklad: V populaci 1 a 2 byly zjištěny následující počty genotypů. Jaké je F ST mezi populacemi? AA Aa aa Populace 1 20 20 20 Populace 2 15 15 30 Frekvence A v populaci 1: f A1 = (20 + 20/2) / 60 = 0,5 Frekvence A v populaci 2: f A2 = (15 + 15/2) / 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

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.

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 1 2 3 Genotyp A,B A,B A,A

Usvědčení podezřelého z vraždy 1. Musíme znát frekvence alel v populaci 1 2 3 A 0.2118 A 0.1811 A 0.0918 B 0.1626 B 0.2321 2. Pomocí HW odhadneme frekvence genotypů v populaci 1 A,B 2 x (0.2118 x 0.1626) = 0.0689 (6.89%) 2 A,B 2 x (0.1811 x 0.2321) = 0.0841 (8.41%) 3 A,A 2 x (0.0918 x 0.0918) = 0.0084 (0.84%) 3. Vypočítáme pravděpodobnost výskytu genotypu ve třech lokusech v populaci 0.0698 x 0.0841 x 0.0084 = 0.000049 (0.0049%, 1/20408)

Mechanismy měnící frekvence alel v populaci

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.

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

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.

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.

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

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.

Odhady efektivní velikosti populace u různých druhů ~ 30 000 ~ 2 000 000 ~ 10 000 ~ 1 000 000 ~ 100 000

Selekce mutace škodlivé neutrální výhodné negativní selekce genetický drift pozitivní selekce

Fitnes (biologická zdatnost) Schopnost jedince předat své geny do dalších generací. Relativní fitnes (w) Relativní 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 Letální mutace, s = 1. Neutrální mutace, s = 0. AA Aa aa w = 1 1 1 - s

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 = 1 1 - hs 1 - s

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

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

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

Selekce proti heterozygotům (underdominance) Vede fixaci alely s vyšší frekvencí v populaci.

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).

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 1900-2002

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

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)

Selekční vymetení ( selective sweep ) snížení genetické variability v okolí výhodné mutace.

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.

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

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.