Evoluční genetika KBI/GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Evoluční teorie Evoluční teorii vyslovil Ch. Darwin v díle O původu druhů (1859), kde ukazoval, že druhy se postupně měnily v dlouhých časových periodách. Dokumentoval zde také rozštěpení některého druhu v jiné 2 nebo více oddělených druhů a naopak zánik jiných druhů. Jeho teorie byla pro mnoho lidí nepřijatelná, protože zastávali názor stvoření druhů Bohem a jejich neměnitelnost.

Přírodní výběr Darwin předpokládal, že jedinci s dobře vyvinutými znaky mohou lépe přežívat a mají v průměru více potomků než ostatní jedinci. V důsledku nestejného příspěvku do další generace se tak znaky, které zlepšují existenci a reprodukci, stávají u daného druhu četnějšími. V průběhu mnoha generací se pak znaky postupně mění a dochází tak k vývoji druhů přírodní výběr.

Umělý výběr Darwin si dobře uvědomoval, jak umělá selekce mění znaky domestikovaných druhů. Rozpoznal jeho význam při vytváření nových plemen skotu, psů, drůbeže, kultivarů rostlin atd. Při 5-leté cestě na britské lodi Beagle do J. Ameriky si všímal mnoha zajímavostí při pozorování přírody. Nejznámější jsou jeho pozorování různých druhů pěnkav na Galapágách, u kterých předpokládal jejich příbuznost.

Nedostatky Darwinovy teorie Tato teorie nenabídla žádné vysvětlení původu variability mezi jedinci a její dědičnost. Až znovuobjevení Mendelových zákonů na začátku 20. st. poskytlo hledané vysvětlení, že znaky jsou určovány geny (různé alely) a geny jsou přenášeny z rodičů na potomstvo prostřednictvím gamet rodičů. Analýza genetického přenosu pomocí experimentálních křížení a rodokmenů v rámci populace dala vznik evoluční genetice (1930 R. A. Fischer).

Genetická variabilita

Fenotypová variabilita V rostlinné říši se projevuje fenotypová variabilita různou barvou květů, u živočichů zase různou barvou srsti (savci), peří (ptáci) nebo kresby na křídlech (motýli). Napříč druhy se objevují různé druhy polymorfizmu: Světlé a tmavé formy motýla drsnokřídlece březového ve Velké Británii. Bílé nebo modré květy letničky Limanthus parryae (pouštní sníh) v Mojavské poušti v Severní Americe. Polymorfizmus krevních skupin u člověka různé antigeny červených krvinek.

Chromozomová variabilita Fenotypová variabilita bývá odrazem genetické v. Polytenní chromozomy octomilky dávají vědcům možnost studovat variabilitu na úrovni chromozomální. Tyto ch. nesou různé pruhy, jejichž uspořádání se vyskytuje různé v různých oblastech, ale i obdobích. Pro udržování těchto polymorfizmů v přírodě hraje významnou úlohu stabilizující výběr.

Variabilita struktury bílkovin Variabilita proteinů byla objevena v r. 1966 R. C. Lewontinem, J. L. Hubbim a H. Harrisem v přírodních populacích pomocí gelové elektroforézy v rámci aminokyselinového složení. Gelová elektroforéza separuje makromolekuly na základě jejich velikosti a náboje. Např. proteiny z pletiv rostliny trojčetu Trillium pusillum obsahují enzym izocitrátdehydrogenázu, která byla v různých rostlinách separována elektroforézou. Zjistilo se, že existují různé formy tohoto enzymu (alozymy), kódované různými alelami genu.

Polymorfní proteiny Alozymy patří mezi proteiny, které se od sebe liší 1 nebo více aminokys. v jejich celkovém pořadí. Pokud se 2 z těchto variant vyskytují v populaci více než v 1 %, pak jsou polymorfní. Proteiny, které elekroforetickou variabilitu nevykazují jsou monomorfní. Nerozpustné, hydrofobní proteiny, které jsou často vázány na membrány se nedají analyzovat pomocí elektroforézy.

Variabilita nukleotidových sekvencí Variabilita proteinů nám, ale zcela neodkrývá variabilitu genetické informace (DNA). Např. člověk má ve svém genomu asi 78 % negenové DNA a tak vědci museli vyvinout metody, které ji vyhodnocují. Touto metodou je sekvenování DNA, kde mohou genetici odhalit i polymorfizmy, které se neprojeví ve struktuře proteinů mlčící polymorfizmus. Mezi nové technologie, které zkoumají variabilitu DNA patří t. genových čipů.

Molekulární evoluce Její podstatou je přenos molekul DNA z rodičů na potomky. Tento přenos genetických informací však není bezchybný, ale dochází k mutacím přenos pozměněné molekuly DNA. Dochází pak k akumulaci mutací a sekvence nukleotidů se mění. Molekuly DNA podobně jako fosilie obsahují informace o historii života, protože každá dnešní DNA prodělala mutace, rekombinace, selekci a drift genů.

Výhody molekulární evoluce Analýza sekvencí DNA nebo následných proteinů má své výhody oproti tradičním metodám studia evoluce (srovnávací anatomie, fyziologie a embryologie), protože sekvence DNA a proteinů sleduje jednoduchá pravidla dědičnosti. Údaje o molekulárních sekvencích jsou jednoduše dosažitelné a je možné je podrobit kvantitativní analýze, která je přímočařejší než morfologické údaje. Nakonec molekulárně sekvenční data umožňují porovnat evoluční vztahy mezi vzdálenými org.

Nevýhody molekulární evoluce Nevýhodou je nedostupnost sekvencí DNA a proteinů z vyhynulých org. Výjimečně byly získány vzorky těchto molekul z fosílií org. starých několik tisíc let. Dalším problémem je pochybnost, zda molekulárně sekvenční data vždy odpovídají na otázky evoluce fenotypu. Evoluční vztahy mezi org. jsou shrnuty v diagramech fylogenetické stromy.

Fylogenetické stromy Fylogenetické stromy, které pouze ukazují vztahy mezi org. bez časové osy nezakořeněné stromy. Pokud je ukázána souvislost mezi org. a vztažena k časové ose zakořeněný strom. U obou typů se rodokmen štěpí na jednotlivé větve a terminální větve jsou zakončeny sledovanými org. Větvení stromu představuje společného předka org. Potomci společných předků DNA nebo proteinů se nazývají homologní, i když se mohou výrazně odlišovat.

Konstrukce fylogenetických stromů Dvě sekvence, které jsou si podobné, ale jsou odvozeny z odlišných sekvencí předka, se nazývají analogní. Metody konstrukce fylogenetických stromů ze sekvencí DNA nebo proteinů mají tato pravidla: Seřazení sekvencí, které umožňují jejich srovnání Zjištění rozsahu podobnosti nebo rozdílnosti mezi každými 2 sekvencemi Seskupování sekvencí na základě podobnosti Umístění sekvencí do vrcholů stromů.

Princip úspornosti Tento princip znamená, že nejlepší fylogenetický strom, je ten, který vyžaduje k vysvětlení stromových sekvencí ze společného předka nejméně mutací. Fylogenetické stromy vypovídají o evolučních vztazích mezi sekvencemi DNA nebo proteinů, ale můžeme určit i dobu a rychlost s jakou sekvence vznikaly.

Rychlost molekulární evoluce K získání údajů o rychlosti m. evoluce je nutné určit průměrný počet aminokys. Změn, které se odehrály od doby, kdy došlo k rozštěpení ze společného předka. Tato rychlost je průměrným počtem změn na aminokys. místě děleným celkovým časem, po který se 2 linie vyvíjely. Byla zjištěna konstantnost rychlosti evoluce různých proteinů. To znamená, že aminokys. substituce fungují v evolučním čase jako hodiny.

Molekulární hodiny Rychlost molekulární evoluce se však ve skutečnosti mezi jednotlivými liniemi různí. Když fungují molekulární hodiny a známe rychlost evoluce, pak můžeme určit dobu, kdy došlo oddělení 2 linií ze společného předka. Tento přístup byl použit při datování oddělení člověka a šimpanze od společného předka, protože fosilní nálezy jsou vzácné. Bylo zjištěno, že k oddělení došlo před 5-6 mil. lety.

Variabilita evoluční rychlosti Pozorované rychlosti evoluce aminokys. sekvencí se od sebe značně liší až v rozsahu 3 řádů. K extrémům patří např. fibrinopeptid (srážení krve), který se vyvíjí rychlostí > než 8 aminokys. substitucí v určitém místě za 1 mild. let. Opačným extrémem jsou histony, které se vyvíjejí pouze 0,01 specifických aminokys. substitucí za 1 mild. let. Variabilitu evoluční rychlosti lze také pozorovat u studovaných sekvencí DNA. Sekvence DNA v pseudogenech (beze smyslu) mají nějvyšší evoluční rychlost. Naopak nukleotidy v 1. a 2. pozicích kodonu funkčního genu se vyvíjejí rychlostí mnohem menší.

Mutace Mutace jsou základem všech nukleotidových a aminokys. substitucí, které se v evoluci odehrávají. Experimentálně zjištěné mutační rychlosti jsou v řádu 10-9 až 10-8 změn na určitý nukleotid každou generaci. Tyto rychlosti odrážejí chyby ve fci polymerázy a chemická poškození DNA. Tato rychlost by byla vyšší, kdyby bb. nebyly vybaveny opravnými mechanismy pro DNA.

Molekulární a fenotypová evoluce Změna na molekulární úrovni však nezaručuje změnu ve fenotypu. Např. krokodýli, žraloci a ostrorepi (živé fosílie) nashromáždili podobné množství aminokys. a nukleotidových změn jako jiné, ale vysoce diverzifikované skupiny živočichů (ptáci, savci a hmyz). Toto pozorování naznačuje, že mnoho nukleotidových a aminokys. substitucí má málo vliv na fenotypovou evoluci.

Evoluce nových fenotypů Fenotypová evoluce zřejmě často souvisí s duplikacemi genů: Globinové g. živočichů mihule pouze 1 druh hemoglobinového g., ale žraloci a čelistnaté ryby už mají 2 druhy těchto g. a u člověka je nahloučeno 7 α- globinových g. na ch. 16 a 6 β-globinových g. na ch. 11. výsledné polypeptidy jsou funkční v různých periodách života. Přeskupování exonů geny se skládají z exonů dříve přítomných v různých g. Strukturní a časové změny v expresi genů např. homeoboxové g. změnou místa a času jejich exprese u octomilky jedinec má přídatné přívěsky na hlavě nebo hrudi.