Efektivní velikost populace Wright (1931)

Podobné dokumenty
Inovace studia molekulární a buněčné biologie 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/

Genetický polymorfismus

Využití DNA markerů ve studiu fylogeneze rostlin

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

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

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. 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).

Genetika populací. KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Populační genetika Radka Reifová

Populační genetika Radka Reifová

Metody studia historie populací. Metody studia historie populací

Teorie neutrální evoluce a molekulární hodiny

Základy genetiky populací

Genetika vzácných druhů zuzmun

Teorie neutrální evoluce a molekulární hodiny

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

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

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

Populační genetika II

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

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. 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.

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

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

Chromosomy a karyotyp člověka

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

Kameyama Y. et al. (2001): Patterns and levels of gene flow in Rhododendron metternichii var. hondoense revealed by microsatellite analysis.

Mendelistická genetika

Populační genetika Radka Reifová

Tomimatsu H. &OharaM. (2003): Genetic diversity and local population structure of fragmented populations of Trillium camschatcense (Trilliaceae).

Příbuznost a inbreeding

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

Genetika kvantitativních znaků

Crossing-over. over. synaptonemální komplex

Evoluční (populační) genetika Radka Reifová

Populační genetika III. Radka Reifová

Molecular Ecology J. Bryja, M. Macholán MU, P. Munclinger - UK

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

Genotypy absolutní frekvence relativní frekvence

RIGORÓZNÍ OTÁZKY - BIOLOGIE ČLOVĚKA

Genetická variabilita v populacích

Důsledky selekce v populaci - cvičení

Genetický polymorfismus jako nástroj identifikace osob v kriminalistické a soudnělékařské. doc. RNDr. Ivan Mazura, CSc.

MENDELOVSKÁ DĚDIČNOST

Hardy-Weinbergův zákon - cvičení

Crossing-over. Synaptonemální komplex. Crossing-over a výměna genetického materiálu. Párování homologních chromosomů

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

= oplození mezi biologicky příbuznými jedinci

Genetická diverzita masného skotu v ČR

Základní pojmy obecné genetiky, kvalitativní a kvantitativní znaky, vztahy mezi geny

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

Osnova přednášky volitelného předmětu Evoluční vývoj a rozmanitost lidských populací, letní semestr

Degenerace genetického kódu

Selekce v populaci a její důsledky

Genetika přehled zkouškových otázek:


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

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

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

Metody studia historie populací

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

Populačně-genetická data

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

Metody studia historie populací. Metody studia historie populací. 1) Metody studiagenetickérozmanitosti komplexní fenotypové znaky, molekulární znaky.

Genetika populací. kvalitativních znaků

2 Inkompatibilita v systému Rhesus. Upraveno z A.D.A.M.'s health encyclopedia

Dědičnost pohlaví Genetické principy základních způsobů rozmnožování

Populační genetika II. Radka Reifová

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

Tribsch A., Schönswetter P. & Stuessy T. (2002): Saponaria pumila (Caryophyllaceae) and the Ice Age in the European Alps. American Journal of Botany

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

Genetické markery - princip a využití

Hardy-Weinbergův princip

World of Plants Sources for Botanical Courses

Genetická variabilita. rostlinných populací

Jak měříme genetickou vzdálenost a co nám říká F ST

GENETIKA Monogenní dědičnost (Mendelovská) Polygenní dědičnost Multifaktoriální dědičnost

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

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat

Příklady z populační genetiky volně žijících živočichů

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Nauka o dědičnosti a proměnlivosti

KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Genetika zvířat - MENDELU

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

Genetika kvantitativních znaků. - principy, vlastnosti a aplikace statistiky

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

MOLEKULÁRNÍ TAXONOMIE - 4

ZÁKLADY BIOLOGIE a GENETIKY ČLOVĚKA

Mendelova genetika v příkladech. Genetické markery

Co zjišťujeme u DNA ACGGTCGACTGCGATGAACTCCC ACGGTCGACTGCGATCAACTCCC ACGGTCGACTGCGATTTGAACTCCC

Genetické markery, markery DNA

Analýza DNA. Co zjišťujeme u DNA DNA. PCR polymerase chain reaction. Princip PCR PRINCIP METODY PCR

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

Migrace. 1) Jednosměrná migrace. 2) Obousměrná migrace. 3) Genový tok a historie populací. 4) Migrace a genetická odlišnost mezi populacemi

Genetika pro začínající chovatele

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

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

GENETIKA POPULACÍ ŘEŠENÉ PŘÍKLADY

Transkript:

Efektivní velikost populace Wright (1931) - velikost populace z genetického hlediska nemusí být rovna censu, někteří jedinci mohou zanechat potomků více, jiní se rozmnožování nezúčastní vůbec - to má dopad i na evoluci efektivní velikosti populace N e = velikost ideální populace, mající stejné množství NGD jako populace pozorovaná (aktuální) - může být mnohem menší, než census - velký význam pro "conservation genetics and biology" - řada faktorů : nestejný poměr pohlaví, variabilní počet potomků, periodické kolísání velikosti populace...

3 situace, kdy RGD může hrát významnou roli při evoluci populací 1. Kontinuální drift populace zůstávají malé v každé generaci variabilita ve vzorkování se snižuje obvykle se objevuje u ohrožených druhů (inbrední deprese) Genetický drift a evoluce 2. Nárazový nebo občasný drift (bottleneck) - populace je někdy snížena na takovou velikost, že RGD začne fungovat = efekt "hrdla láhve" (bottleneck) - v okamžiku snížení velikosti je mortalita náhodná - vzorek "přeživších" má jiné genetické složení a redukovanou heterozygositu v důsledku náhodnosti - pokud populace zůstane malá po dvě a více následujících generací, začíná proces 1

Bottleneck Účinek bottlenecku na genetickou variabilitu původní populace bottleneck přeživší jedinci Silné linie znázorňují populace s počátečním počtem jedinců N 0 = 2. Přerušované N 0 = 10. Růstová rychlost r = 0,1 nebo r = 1,0

Bottleneck gepard Acinonyx jubatus 1985 - překvapivý experiment, v němž nepříbuzní gepardi v zajetí přijali vzájemné kožní transplantáty - dříve rozšíření v Africe a Asii, dnes pouze v parcích - mají nemoci typické pro extrémní inbríding - 47 alozymových lokusů monomorfních, DNA studie našly diverzitu minimální; indikace dávného bottlenecku (12 tisíc let) a recentní fragmentace

Bottleneck Northern elephant seal (rypouš severní) Mirounga angustirostris - kdysi velmi početní, ale velmi lovení - v r. 1890 přežilo na kalifornském pobřeží asi 30 jedinců - díky ochranné legislativě se populace zvýšila na desítky tisíc - 55 alozymů (N=159) neprokázalo ŽÁDNOU variabilitu DNA pouze minimální variabilitu (mtdna-1%) - Southern elephant seals (rypouš sloní) mají variabilitu normální (2.3%)

3. Vliv zakladatele (founder effect) - nová populace je často založena malým počtem migrantů (analogicky bottlenecku) - tento soubor má jenom zlomek genetické variability původní populace - nové populace se budou náhodně lišit jak od původní populace, tak mezi sebou

Efekt zakladatele populace založené malým počtem jedinců mají kromě ztráty polymorfismu vyšší frekvenci dříve vzácných alel "Afrikaners Afrikánci z Holandska - autozomální dominantní choroby Huntingtonova choroba - dnes přenašečů 1 na 300, vystopována k jedinému muži z první lodi v r. 1652 Porphyria variegata - nyní 30 tisíc přenašečů, stopa k jedinému páru v r. 1688 Amišové - potomek jediného páru (1744), Ellis-Van Creveldův syndrom (trpasličí vzrůst a 6 prstů) je běžný

Populační struktura Přírodní populace jsou obvykle tvořeny menšími populacemi (subpopulacemi, démy) - vykazují populační strukturu - odděleny v důsledku ekologických (omezené zdroje, host-parazit), geografických (řeky, jezera), behaviorálních (sociální struktura) aj. bariér - démy mohou udržovat genetickou provázanost prostřednictvím výměny rozmnožujících se migrantů, výsledkem genetického toku může být homogenizace populací v důsledku vyrovnávání rozdílů v alelových četnostech - způsob migrace a doba separace mezi démy mají obrovský vliv na stupeň jejich genetické diferenciace

Wright, S. (1943) Analysis of local variability of flower color in Linanthus parryae modré (aa) nebo bílé (AA, Aa) květy (Desert snow) každý kruh představuje subpopulaci o 4000 jedincích A a relativní frekvence Z V průměrná heterozygosita ze všech subpopulací je menší než očekávaná (podle průměrné alelové frekvence) (Wahlundův efekt, Wrightův fixační index Fst)

Očekávaná vs. pozorovaná heterozygotnost jako míra populační struktury (pro genotypy: p 2 + 2pq + q 2 = 1 pro alely: p + q = 1) 2 populace které jsou reprodukčně izolované Heterozygotnost Jak bude vypadat kombinovaná populace s HWE? (po 1 generaci náhodného křížení) AA 64 1 Aa 32 18 aa 4 81 p 0.8 0.1 H (2pq) 0.32 0.18 H avg = (0.32 + 0.18)/2 = 0.25 p 0.45 H (2pq) 0.495 Podíl z celkové heterozygotnosti (z potenciální kombinované populace) patřící subpopulaci 0.495 0.25 = 0.49 0.495 Míra "populační struktury" má rozsah 0 (žádná struktura) 1 (kompletní struktura) F st

Genetická divergence mezi populacemi Fixační index F ST - index genetické diferenciace (genetické vzdálenosti - genetic distance) vhodné a často používané měřítko genetické rozdílnosti mezi populacemi, nabývá hodnot v rozmezí: F ST = 0... frekvence alel jsou v subpopulacích stejné F ST = 1... alternativní alely jsou v subpopulacích fixovány (alely směřují k fixaci, proto fixační index) Kvalitativní vodítka pro interpretaci F ST (Wright, 1978): F ST = 0-0,05... malá genetická divergence F ST = 0,05-0,15... střední genetická divergence F ST = 0,15-0,25... velká genetická divergence F ST > 0,25... velmi velká divergence

Přírodní výběr - selekce

Přírodní výběr selekce evoluce x přírodní výběr změna ve fenotypové (nebo genetické) kompozici populace v průběhu času, probíhá tedy mezi generacemi může vést k evoluci, jestliže fenotypové změny, které vyprodukoval, jsou udrženy i v následující generaci Nemusí tedy nutně vést k evoluci!

Klasifikace selekcí vzhledem k fenotypu Fitness

Selekce - fitness - omezíme se na rozdíly v životaschopnosti různých genotypů ( viability - pravděpodobnost, že jedinec přežije od okamžiku oplození do reprodukčního věku). Genotyp AA Aa aa viabilita = absolutní fitness W Relativní fitness w Selekční koeficient 0.75 0.65 0.5 0.75/0.75 = 1 0.65/0.75 = 0.87 0.5/0.75 = 0.67 s 11 = 0 s 12 = 0.13 s 22 = 0.33 standardizace pro vzájemná srovnání s = 1 - w Relativní fitness (w) relativní schopnost jedinců s různými genotypy předat své alely do příštích generací.

Modelování selekce Jak určit změnu v alelových frekvencích? Genotyp AA Aa aa Relativní fitness w AA w Aa w aa Frekvence před selekcí Příspěvek pro další generaci průměrná fitness populace (náhodného jedince) před selekcí Frekvence po selekci p 2 2pq q 2 p 2 w AA 2pqw Aa q 2 w aa w = p 2 w AA + 2pqw Aa + q 2 w aa p 2 (w AA /w) 2pq(w Aa /w) q 2 (w aa /w)

Selekce direktivní (proti recesivní alele) jedna alela nebo znak upřednostňován před druhým; tj. jedna alela je redukována, druhá bude fixována ==> snížení genetické variability Genotyp AA Aa aa Frekvence před selekcí p 2 2pq q 2 Relativní fitness Příspěvek pro další generaci Frekvence po selekci 1 1 1-s p 2 2pq q 2 (1-s) p 2 /(1-sq 2 ) 2pq/(1-sq 2 ) q 2 (1-s)/(1-sq 2 ) Průměrná fitness populace : w = p 2 + 2pq + q 2 (1 - s) = 1 - sq 2 (p 2 + 2pq + q 2 =1) Frekvence alely a po selekci : q = ½ [2pq/(1 - sq 2 )] + [q 2 (1 - s)]/(1 - sq 2 ) = [q(1 - sq)]/(1 - sq 2 ) Velikost změny alelové frekvence za jednu generaci: q = q -q q = [(-sq 2 )(1-q)]/(1 - sq 2 )

Selekce direktivní Změna frekvence alely a v průběhu jedné generace pro různé počáteční frekvence (q), existuje-li selekce proti recesivnímu genotypu aa q = (-spq 2 )/(1 - sq 2 ) - jestliže je a ve frekvenci vysoké, pak odstraňování probíhá rychle - jestliže a je v nízké frekvenci, pak je "schována" v heterozygotech, odstraňování je pomalé šipky znázorňují směr změny alelové frekvence

Selekce Výpočet změny v alelových frekvencích při různých typech selekce Hodnoty fitness Selekce s obecnou dominancí "čistící" (purifying) AA Aa aa Změna q 1 1 - hs 1 - s q = spqh [ q2h ( 1) ] 1 2hspq sq 2 Selekce proti recesivnímu znaku 1 1 1 - s Selekce pro heterozygota (overdominance) Selekce proti heterozygotovi (underdominance) 1 - s AA 1 1 - s aa 1 + s AA 1 1 + s aa q = q = pq 1 s pq s q = 1 + s spq 1 sq 2 2 ( s p s q) AA 2 AAp aa s aa q 2 ( q s p) aa AA p 2 AA + s aa q 2

Výhoda heterozygota - overdominance Balancovaný polymorfismus heterozygot má vyšší fitness než homozygoti, proto jsou obě alely v populaci udržovány prostřednictvím heterozygotního genotypu (znak srpkovité anémie) Distribuce malárie a alely Hb-S.

Nevýhoda heterozygota - underdominance Příklad - Rh systém Rh-D gen, kodominantní OK OK rodiče D- x dd => matka dd (Rh-) dítě heterozygot Dd => (Rh+)nekompatibilita - současná západoevropská populace má q = 0.35 - odhadovaná seletivní nevýhoda 5%

Mutačně-selekční rovnováha mutace - objevují se s konstantní rychlostí škodlivé alely nejsou nikdy zcela eliminovány selekce - odstraňovat škodlivé mutace resp. omezuje jejich frekvenci - tyto dvě síly působí proti sobě, v určitém okamžiku se velikost jejich účinku vyrovná q S + q M = 0 Lze odvodit následující vztahy : a) je-li a úplně recesivní: qˆ µ s b) je-li a neúplně recesivní (stupeň dominance je dán hodnotou h): qˆ µ hs

Změna frekvence alel při výskytu mutace a selekci proti recesivitě 10-5 q mu q 0,0 q q s -10-5 -2,0x10-5 0,0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 q

MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Výhody molekulárních markerů a dat : 1. Jsou skutečně genetické (interpretace je na rozdíl od dat morfologických či fyziologických mnohem jednodušší) a mohou být použity u každého organismu. 2. Metody jsou víceméně universální pro všechna organismy, vytvářejí tak srovnatelné typy dat, lze použít tutéž charakteristiku (např. ribozomální RNA sekvence, DNA barcoding pomocí COXI). 3. Odkrývají neomezené množství kvantifikovatelné variability.

MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE 4. Obsahují informace o evoluci a mohou rozlišit: homologie - přítomnost podobného fenotypového nebo genotypového znaku u různých druhů vyvinutých ze společného předka; analogie - přítomnost podobných znaků u značně odlišných druhů, které vznikly vývojem unikátním pro každý druh, tj. podobnost je důsledkem jiných faktorů než společného předka, např. konvergentní evolucí 5. Spojují řadu dříve oddělených disciplín: molekulární biologii, fylogenetiku, systematiku a taxonomii, ekologickou genetiku, konzervační biologii a jsou také aplikovatelné v klinické a soudní praxi.

Techniky Gelová elektroforéza - technika umožňující separaci směsi molekul na gelu v elektrickém poli - nalitím agarosy nebo polyakrylamidu do formy vzniká porézní gel (velikost pórů závisí na koncentraci média) - substance, jež má být rozdělena, je nanesena do jamek na jedné straně gelu a gel je vystaven el. proudu (obvykle ponořen do komory s pufrem) - migrace proteinů, RNA nebo DNA závisí na náboji/hmotnosti (malé kousky běží rychleji)

Horizontální elektroforéza

Vertikální elektroforéza

Techniky Allozymy elektroforeticky separovatelné formy téhož enzymu relativné levné, kodominantní (lze detekovat heterozygoty) detekují pouze malou část variability (jen ty změny aminokyselin, které vedou ke změně mobility v gelu)

Techniky RFLP (Restriction Fragment Lenght Polymorphism) jedinci se mohou lišit v přítomnosti/nepřítomnosti restrikčních míst určitého úseku DNA, což se projeví na délce DNA fragmentů vzniklých po působení restriktáz na danou DNA fragmenty variabilní délky jsou skutečnými alelami s Mendelovskou dědičností variabilita na úrovni DNA (detekce i neutrálních změn) ale metoda náročná na množství DNA

RFLP Restriction Fragment Lenght Polymorphism Techniky

PCR polymerase chain reaction baktérie Thermus aquaticus

PCR - polymerase chain reaction Výhoda - minimální množství templátové DNA!! 94 94 72 55 Logaritmická replikace 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1028

Techniky RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNA) technika umožňující vyšetřování DNA na polymorfismus za použití arbitrárních krátkých primerů v PCR, které náhodně naamplifikují anonymní sekvence obvykle s Mendelovskou charakteristikou dědičnosti obdobně jako RFLP data rychlé, levné, ale dominantní!!!!!

Techniky RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNA)

Techniky DNA fingerprinting použití vysoce variabilních úseků DNA pro identifikaci jednotlivců vysoce variabilní, rychlá evoluce, kodominantní relativně drahé a časové náročné na zavedení u nového druhu

Mikrosatelity primery v přiléhajících oblastech (flanking regions) -PCR amplifikace produktů o různé velikosti -elektroforetická separace produktů - genotypy identifikovány jako velikost produktu

DNA Databáze CODIS CODIS: COmbined DNA Index System obsahuje DNA profily z kriminálních skvrn a usvědčených pachatelů navrženy pro nalezení spojitosti u sériových a nevyřešených případů s již odsouzenými pachateli projekt začal v r. 1998, spojuje všech 50 států v současnosti má 150,000 DNA profilů ze skvrn a 2 miliony DNA profilů pachatelů

DNA statistika D19 AMEL D3 D8 D5 TH01 VWA D21 TPOX D13 FGA D7 D16 D18 CSF D2 Pravděpodobnost shody tohoto profilu v FBI vzorku "Caucasian" (bělošské) populace je 1 : 1.56 kvadrilionu (10 15 )

Forenzní analýza - DNA důkazy Crime Scene Investigation

Techniky DNA sekvenování určení nukleotidové sekvence DNA (nebo aminokyselinové sekvence proteinu) používá se především pro fylogenetiku a studium evoluce genů

Techniky

Species - line D. melanogaster - CR Africa D. simulans - CR Africa D. yakuba Variabilita na úrovni DNA - každý nukleotid v DNA sekvenci představuje lokus (alelu) T T A T T T G G C T T A G T T G G C G T A T C T T G C G T A G T T T G C G T G G T T G G C Poly/Div d d p p d nesynonymní (replacement) vs. synonymní (silent) Arg Gln Val Arg Gln Val AGA CAA GTA AGA CAA GTA AGA CGA GTA AGA CAG GTA polymorfismus - segregující, na dané pozici je v rámci druhu více nukleotidů divergence - znamená pozici v rámci druhu monomorfní (fixovanou) ale rozdílnou mezi druhy Arg Arg Val Arg Gln Val

MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Rychlost molekulární evoluce r rychlost evolučních změn v nukleotidových sekvencích = rychlost nukleotidových substitucí (počet nukleotidových změn/bázi/rok) r = K / (2T) K počet aminokyselinových substitucí mezi dvěma proteinovými sekvencemi (pro nukleotidy se značí - k) T doba divergence mezi dvěma sekvencemi (obvykle se odvozuje od paleontologických dat ) K µ = r = K/(2T)... rychlost nukleotidových substitucí/místo/rok

50 million years ago Rychlost molekulární evoluce Výpočet: - porovnání homologních sekvencí (uspořádat align) - určit počet rozdílných substitucí (pomocí matematických modelů), které vznikly od dob jejich divergence - hodnota se pak vydělí evolučním časem (tj. dobou jejich evoluční separace, obvykle získanou z fosilních dat) µ = r = K/(2T)... rychlost nukleotidových substitucí/místo/rok L = 10 K = 3/L = 0.3 r = 0.3/100My

Různé geny a různé části genů mají rozdílnou rychlost evoluce - obecně platí, že nejvyšších hodnot substituce obvykle dosahují sekvence s nejmenším vlivem na funkci proteinu.

MOLEKULÁRNÍ HODINY rychlost nukleotidových a aminokyselinových substitucí u různých genů různá, průměrná rychlost molekulární evoluce je poměrně jednotná z hlediska dlouhých časových úseků uniformita rychlostí byla poprvé popsána Zuckerkandlem a Paulingem (1965) a je známa jako molekulární hodiny zájem o použití makromolekul v evolučních studiích - zejména pro možnost determinace datování druhové divergence a rekonstrukci fylogeneze po objasnění některých detailů se předpoklad konstantní rychlosti používá pro odhad divergenční doby i rekonstrukci fylogenetických stromů

MOLEKULÁRNÍ HODINY Konstantní rychlost evoluce alpha-globinu. Každý bod na grafu reprezentuje dvojici druhů nebo skupinu druhů.

Neutralní teorie molekulární evoluce (M. Kimura) - spojuje drift, mutaci, selekci -změna frekvence nových neutrálních mutací v čase N e efektivní velikost populace µ mutační rychlost (2N) Alelová frekvence 1 Fixace Doba mezi fixacemi 4N e 1/µ 0 Čas vzorek

Neutrální teorie molekulární evoluce Většina změn v proteinech a na úrovni DNA, které jsou fixovány mezi druhy nebo které segregují uvnitř druhů, nemají žádný selekční význam. Rychlost substituce je rovna rychlosti neutrálních mutací. k = µ neutral Míra polymorfismu v populaci je funkcí její efektivní velikosti a neutrální mutační rychlosti θ = 4N e µ Polymorfismy jsou spíše přechodnou fází než v balancované rovnováze. Pro mutaci ovlivňující fitness selekčním koeficientem s je genetický drift určujícím faktorem, jestliže lsl<< (1/2N) (i.e. mutace je v tomto případě EFEKTIVNĚ NEUTRÁLNÍ).

Koalescentní teorie (J.F.C. Kingman) - popisuje genealogické vztahy mezi jedinci v populaci - všechny kopie genu v populaci pocházejí z jediného ancestrálního genu - podstatou koalescentní metody je, že rozdíly v DNA sekvenci jednotlivých alel daného lokusu obsahují informaci o jejich evoluci Neutrální teorie nám umožňuje odhadovat dobu koalescence, tj. umožňuje přidat do analýz časový rozměr.

Koalescentní teorie

Genealogie neutrálního lokusu minulost T 2 4N e (v průměru) T 3 T 4 současnost 1 2 3 4 5 T 5 Neutral Balancing Selection Directional Selection

MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA - rekonstruovat správné evoluční vztahy mezi organismy - odhadnout dobu divergence mezi organismy uplynulou od doby, kdy sdílely společného předka Fylogenetický strom - je matematická struktura, model evoluční historie skupiny sekvencí nebo organismů = evoluční hypotéza uzly (operační taxonomické jednotky, OTU - druhy, vyšší taxony, izolované populace téhož druhu, jedinci, nerekombinující se alely téhož genu) vnitřní uzly ancestrální data teminální = koncové uzly = recentní sekvence nebo organismy, z nichž máme data (OTU) jeden unikátní uzel = kořen stromu - předek všech sekvencí větve (definujících vztahy mezi OTU ve smyslu předek = ancestor potomek = descendant)

MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA Fylogenetický strom - zakořeněný (rooted; určitý uzel = kořen, od něhož vede unikátní cesta ke ke všem ostatním uzlům; společný předek) 1 2 A B 1 2 C D A B C D - nezakořeněný (v tom případě směr evoluce není definován) Zakořenění stromu se provádí za pomocí vnější skupiny (outgroup), což je OTU u níž máme důkaz např. paleontologický, že se oddělila dříve než zkoumané OTU.

MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA Metody rekonstrukce fylogenetického stromu a) metody matice vzdáleností (distance matrix) - pro všechny páry OTU je vypočtena evoluční vzdálenost (počet nukleotidových nebo aminokyselinových substitucí rozdělujících dvě OTU) - fylogenetický strom je konstruován na základě určitého funkčního vztahu mezi těmito vzdálenostmi (např. UPGMA, neighbor-joining NJ) b) metody maximální parsimonie (parsimonie - úspornost) - nalezení stromu, který vyžaduje co nejmenší počet evolučních změn mezi OTU druhový strom X genový strom

Evoluce genomů (změny velikosti) exon shuffling exony různých genů se vyměňují, a vytvářejí tak geny, ktere jsou mozaikou jiných genů, nové geny tedy mohou kódovat proteiny, které mají funkce smíchané z původních genů genová duplikace duplikací a následnou divergencí vznikají multigenové rodiny, tj. sady genů, které jsou velice podobné svou sekvencí ale jejich produkty mohou mít jiné funkce genomová duplikace polyplodie horizontální genový transfer na rozdíl od přenosu vertikálního (rodič- potomek) někdy dochází k přenosu mezi různými druhy (nejčastěji z bakterie na eukaryoty) repetitivní DNA sekvence vznikají především prostřednictvím transpozomů

Exon shuffling může vytvořit nové geny (např. tissue plasminogen activator TPA)

Genová duplikace

Horizontální transfer