MOLEKULÁRNI EVOLUCE Genetická zátěž a selekční náklady » Jestliže ne všichni jedinci v populaci mají optimální fitness, w < wopt genetická zátěž populace, L * Škodlivé mutace —» genetická zátěž = mutační zátěž: rovnováha mutace - selekce, q = ju/s, L « //, 2// (částečná dominance) » genetické smrti ► Selekční náklady (Haldane, 1957): r - V S(* A (/?, w=l), A9 ( poměr nepřeživších/přeživších ^1-sq v každé generaci = sq/(l - sq) =^> potomstvo navíc, např. jestliže poměr 0,1/0,9 každý přeživší —» 1 1/9 potomstva, ale jestliže poměr 0,999/0,001 —» 1000 potomstva navíc ► horní limit selekčních nákladů —» Haldane: substituce 1 genu/300 generací _ Wopt - W * Prospěšná mutace —» genetická zátěž = substituční zátěž: ^ =---------- Wopt » Jestliže w = w0Vt,L= 0, jestliže všichni až na jednoho w = 0, L= 1 Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce • Moderní syntéza, debata selekce vs. drift • začátek 60. let 20. stol. —» sekvence AA • 1966: Lewontin & Hubby - D. pseudoobscura; Harris - člověk —» rozsáhlý polymorfismus 1. Rychlost molekulární evoluce příliš vysoká (vysoké selekční náklady) 2. Rozsah genetické proměnlivosti v populacích příliš vysoký (vysoká substituční zátěž =^> polymorfismus neudržován selekcí, je přechodný) 3. Konstantnost molekulární evoluce 4Nu H =----------- 4. Vyšší rychlost evoluce u funkčně méně důležitých částí ^Nu +1 ľ 1 molekuly • Motoo Kimura (1968) neutrální teorie • J.L. King & T.H. Jukes (1969) molekulární evoluce x měkká selekce, frekvenčně závislá s., s. nepůsobí na jednotlivé lokusy odděleně Molekulární evoluce Ad 2) genetická proměnlivost - selekce vs. drift i m o d 73 0 0 výhodné/nevýhodné mutace r^/> ' T r\^ r\ - r\ Cas neutrální mutace Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (^> drift) selekcionismus neutralismus 0 + - 0 + 2. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů Počet substitucí aminokyselin na 100 molekul fibrinopeptidy ncirilíVAíiíiplííi 8,3 IJťlllIVI CťllUIVťl ribonukleáza 2,1 lyzozym 2,0 alfa-globin 1,2 inzulín 0,44 cytochrom c 0,3 histon H4 0,01 Doba divergence (miliony let) Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce 3. Rozdílná evoluční rychlost na různých částech molekuly (vazebná místa x strukturní oblasti) 4. Rozdílná rychlost na jednotlivých místech kodonu 5. Rychlost evoluce daného proteinu u různých organismů přibližně konstantní • převážně se netýká morfologických, fyziologických a behaviorálních znaků • nemůže vysvětlit vznik adaptací • mnoho mutací škodlivých, ty však eliminovány selekcí • selekce působí i na molekulární úrovni, avšak většina mutací má velmi malý účinek na fitness =^> drift hraje výraznou roli Molekulárni evoluce Teoretické principy neutrální teorie pravděpodobnost její fixace = 1/27V 1. Četnost nové mutace: p0 = \I2NÍ 2. Rychlost fixací nezáleží na 7Ve: pravděpodobnost fixace l/27Ve průměrný počet neutrálních mutací v každé generaci = 2Ne\i 1/27V x 27Vu = [i => rychlost fixací rovna [i 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/ fx 4. Doba fixace = 47Ve generací 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: e 6 + \ , kde e = 47V u o s % o a i 53 o Cas -----------► ^! i P' / l/^i r As a /^ Cas vetší populace -» vyssí heterozygotnost neustálý přítok nových mutací -» zvýšení proměnlivosti x eroze driftem => neustálé nahrazování jedné alely za druhou = rovnováha mutace a driftu Neutrální teorie molekulární evoluce Molekulární evoluce Test heterozygotnosti Očekávaná heterozygotnost Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT i 0.25 r 0.20 - 5 0.15 h o M >, N g 0.10 I H 0.05 « » ' LS______l±______I____ _L 4 ó 8 10 Velikost populace (log) 12 1-1 • Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, rozsah heterozygotnosti příliš malý neutralismus mírně škodlivé mutace Tomoko Ohtová: mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM) Molekulární hodiny íW **#■ fíhvW K'"1.....K^K— Hiiii:hii Molekulární evoluce 1962 Zuckerkandl & Pauling: rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní efekt generační doby —» závislost na absolutním čase x generačním čase 200 300 400 Cas (miliony let.) 500 Molekulární evoluce Doba divergence: A = Klít, kde K = -ln(l-D)