molekulární 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~ /u, 2ju (částečná dominance) • genetické smrti • Selekční náklady (Haldane, 1957): r - V s^ A (p, w = 1), A9 ( poměr nepřeživších/přeživších ^1-sq v každé generaci = sql{\ - sq) => potomstvo navíc, např. jestliže poměr 0,1/0,9 každý přeživší —» 11/9 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: L,------------ Wopt • Jestliže w = wopt, L= 0, jestliže všichni až na jednoho w = 0, L= 1 Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evol uce • Moderní syntéza, debata selekce vs. drift • začátek 60. let 20. stol. —» sekvence AA • 1966: Lewontin & Hubby - D. pseudoobscura; Harris - člověk —» rozsáhlý polymorfismus S> 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 4. Vyšší rychlost evoluce u funkčně méně důležitých částí 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 Haldaneovy selekční náklady nadhodnocené Molekulární evoluce ad 2) genetická proměnlivost - selekce vs. drift o a ** 'S 0 o výhodné/nevýhodné mutace r^rfr * r\ í a í r\ Cas • neutrální mutace r Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární ^ výluce 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (=> drift) selekcionismus Neutralismus 2. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů Počet substitucí aminokyselin na 100 molekul fibrinopeptidy 8,3 pankreatická 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 jNeutrální 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 Molekulární evoluce Ti^retj^kó principy neutrální teorie 1. Frekvence nové mutace: p0 = l/(27Ve) => pravděpodobnost její fixace = l/(27Ve) 2. Rychlost fixací nezáleží na Ne: pravděpodobnost fixace l/(27Ve) průměrný počet neutrálních mutací v každé generaci = 2Ne\i £L 1/(27V) x 2Nai = [i =^> rychlost fixací rovna [i O 53 Cas ví O g i 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/ |i Nt střední, mutace % 4. Doba fixace = 4N generací frekventovanější < 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: e , kde G = 47Ve|Li frekventované o 0 + 1 % i o Ne malé, 5 mutace málo ^ < 0 Cas --------► ^' i i 1 / í/]i 1 /- .^. Cas větší populace —> vyšší heterozygotnost neustálý přítok nových mutací —> zvýšení proměnlivosti x eroze driftem => neustálé nahrazování jedné alely za jinou = rovnováha mutace a driftu Neutrální teorie molelkuJíirnl evoJuse Molekulární evoluce Test heterozygotnosti i 0,5 Očekávaná heterozygotnost Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT i 025 r 0.20 h 1 015 o % 0.10 0.05 h • * • • _«_L • «rft* • wz Lt________LA________L X 4 6 S 10 Velikost populace (log) 12 14 Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, rozsah heterozygotnosti příliš malý neutralismus mírné škodlivé mutace Tomoko Ohtová: mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM) Moleki J /Tlí hodiny hha.L ^ fhMHJt *.......W™ ^ H......... Molekulární evoluce • 1962 Zuckerkandl & Pauling: rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní • efekt generační doby —» závislost na absolutním čase x generačním čase t 0.9 0.8 \ V 0.7 s +* 33 0.6 ÜB sS w 0.5 0/ >rv o 0.4 s^ w g 0.3 "tí ca A 0.2 0.1 o 100 200 300 400 Čas (miliony let) 500 Molekulární evoluce EVOLUCE GENOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) Prokaryota: • 6xl05 - 107 (20x) • nejmenší: Mycoplasma (celkem ca. 400 genů) • největší: někt. G+ bakterie, sinice Eukaryota: • 8,8xl06- 6,9xlOn (80 OOOx) • žádný vztah ke složitosti organismu nebo počtu genů • velké rozdíly i u příbuzných organismů: Paramecium caudatum (8 600 000 kb) x P. aurelia (190 000 kb) EVOLUCE OENOMU Molekulární evoluce Spřažená evoluce Genové shluky a genové rodiny G„ oc2 ô 500 Mechanismy spřažené evoluce: 1. nestejnoměrný crossing-over 400 2. sklouznutí nukleotidového řetězce (slippage) 3. genová konverze —> homogenizace sekvencí 1. a 2. mění počet kopií, homogenizace obou chromozomů 3. nemění počet kopií, homogenizace jednoho chromozomu ß Dover (1982): Molekulární drive (tah) = mechanismus spřažené evoluce genových shluků a rodin různými mechanismy horizontálního přenosu DNA a driftem Molekulární evoluce EVOLUCE OENOMU Repetitivní DNA: 1. Vysoce repetitivní = satelitní 2. Středně repetitivní = minisatelity, mikrosatelity 3. Transpozabilní elementy, retroelementy (SINE, LINE) Proč existuje repetitivní DNA? • nějaká funkce • Doolittle a Sapienza, Orgel a Crick (1980): sobecká DNA (selfish, junk)