VZNIK GENETICKÉ PROMĚNLIVOSTI
Důsledek H-W principu:
při platnosti předpokladů H-W populace k udržení polymorfismu stačí náhodné oplození a mendelovská dědičnost
ALE!
reálné populace se od modelové situace zpravidla liší:
• velikost populace omezená
• oplození nemusí být náhodné
• migrace
• selekce
• vznik nových alel mutací
HLAVNI MIKROEVOLUCNI MECHANISMY:
• mutace
• (transpozice)
• rekombinace
• migrace (tok genů)
• nenáhodné křížení
• přírodní výběr (selekce)
• náhodný genetický posun (drift)
(bottleneck, efekt zakladatele)
• molekulární tah (molecular drive)
• spontánní x indukované
• v zárodečných buňkách x somatické
• podle škodlivosti/prospěšnosti účinku: prospěšné
škodlivé neutrální
MUTACE
Podle rozsahu
genové (bodové)
chromozomové
genomové
Bodové
• substituce (tranzice, transverze)
synonymní nesynonymní (záměnové)
GTC ® GTA Val ® Val
GTC ® TTC
Val ® Phe AAG ® TAG
Lys ® ochre (stop)
měnící smysl (missense)
nesmyslné (nonsense)
Bodové
• inzerce        ACGGT ® ACAGGT i
• delece ACGGT ® AGGT } indels ®čSJoľlho,;;|mce
• zpětné mutace: frekvence zpravidla 10x nižší
• rekurentní (opakované) mutace ® mutační tlak: např. při frekvenci alely A1 = 0,500:
po 1. generaci ® zvýšení na 0,5000495
~70 000 generací ® 0,750 ... dalších ~70 000 generací ® 0,875
=> změna četnosti alely mutací velmi pomalá
Chromozómové (chr. přestavby)
inverze
pericentrické
paracentrické
translokace
• fúze a disociace (robertsonské translokace) reciproké translokace celých ramen (WART)
myš domácí
Chromozómové (ehr. přestavby)
deleee
duplikaee
inzeree
Genomové
■zomie (monozomie, trizomie)
- většinou neslučitelné se životem
- monozomie: jediná životasehopná = X0 (Turnerův syndrom)
- trizomie: nerovnováha dávky genů (zvýšená exprese trizomiekého páru)
- životasehopné trizomie : XXY, XXX, XYY, Patau syndrom (ehr. 13), Edwardsův s. (ehr. 18), Downův s. (ehr. 21)
Genomové
• -ploidie (polyploidie)
- především rostliny
- u živočichů méně (bezobratlí, ryby, obojživelníci)
- během evoluce obratlovců došlo ke 2 kolům duplikace celého genomu (2R-hypotéza)
- poluploidní jedinci zpravidla větší (zvýšený objem buněk)
- liché násobky genomu ® problémy v meióze => reprodukční bariéra
autopolyploidie: kombinace dvou stejných genomů
- fúze buněk
- endoreplikace
- abortivní buněčný cyklus
alopolyploidie: kombinace dvou různých genomů
- fúze diploidních gamet
- polyspermie
Náhodnost a rychlost mutací (| )
• mutace náhodné co do účinku, nenáhodné co do pozice a rychlosti
• tranzice > transverze
• mutační „hotspots": CpG u živočichů (metylovaný C ® T); TpT prokaryot „SOS reakce" bakterií, minisatelity (VNTR), mikrosatelity (STR)
• mtDNA > jad. DNA
• pohlavní chromozomy > autozomy: Y >Z >A >X >W
• vliv blízkosti počátku replikace, centromery, telomery, repetitivních sekvencí, intenzity transkripce
• studenokrevní živočichové: > t => > |m
• RNA viry (HIV)
• parazité
• protilátky, imunoglobuliny > m somatických mutací
• samci > samice: člověk 6x, hlodavci, liška: 2x ... více buněčných dělení v zárodečných buňkách
Náhodnost a rychlost mutací (|u)
mutační rychlost pravděpodobně kompromisem mezi mutační zátěží (modře) a cenou za mutační opravy (fialově)
Adaptivní (směrované) mutace?
CD ««««<)
REKOMBINACE
• mutace ® nové alely
• rekombinace ® nové genotypy
u mnoha organismů crossing-over důležitý pro správný průběh meiózy (aspoň 1 c-o na chromozom, jinak vznik aneuploidií) ženy s > c-o ® > dětí děti starších žen —> > rekombinací obecně častější u centromery, méně u telomer (neplatí pro všechny chr., druhové rozdíly - např. u cibule naopak) malé chromozomy: > frekvence rekombinací rekombinační „hotspots":
- u člověka ~25 000
- chybí u Drosophila a Caenorhabditis elegans
- častý vznik a zánik
- zánik 1 místa často kompenzován
zvýšenou aktivitou sousedního místa
• rozdíly v míře rekombinace mezi pohlavími:
- Haldaneovo-Huxleyovo pravidlo: pokud jedno pohlaví nerekombinuje, jde o pohlaví heterogametické
- pokud obě pohlaví, u samic většinou > rekombinací (člověk 1,7x, myš 1,3x)
• rozdíly mezi druhy:
- druhy s více malými chromozomy ® více rekombinací než druhy s menším počtem velkých chromozomoů
- více rekombinací v karyotypech s velkým množstvím chrom. ramen (aspoň 1 c-o /chromozomové rameno, aby nedocházelo k aneuploidiím?)
4.000
0 10 20 30 40
Number of chromosome arms
Evoluční důsledky rekombinace:
velká populace
Rekombinace a polymorfismus:
absence rekombinace
=> vazbová nerovnováha
selective sweep; hitchhiking - častější výskyt vzácných alel
background selection
® ztráta polymorfismu
MIGRACE (TOK GENU)
Míra toku genů, m:
= podíl genových kopií, který se do populace dostal v dané generaci imigrací z jiných populací
Modely: ostrovní model
(island model)
stepping stone
-jednorozměrný - dvourozměrný
O O O O
isolation by distance
Linanthus parryae
MIGRACE (TOK GENŮ)
Metody odhadu:
1. přímé
• zpětný odchyt (capture-mark-recapture, CMR) „toe clipping", speciální barvy, genetické značení ... podhodnocení, nezachycení dálkových migrací
• dálkové sledování pohybu - telemetrie vysílačky, antény
... nákladnější, časová náročnost
2. nepřímé
• molekulární markery, populačně-genetické modely
Sewall Wright - F-statistika: FST = 1/(4Nm + 1) => Nm = (1/FST -1)/4 ... Nm = počet migrantů na generaci maximum likelihood
Důsledky toku genů:
(a)
genetická homogenizace subpopulací, zabraňující jejich genetické divergenci (x u mnoha druhů migrace velmi omezená)
Meols
Liverpool (centrum)
Manchester (centrum) ~| Stockport
Wrexham Hawarden
Mold
Loggerheads
Llanbedr Ruthin Pwyllglas
Clegyr Mawr
Př.: výskyt melanických forem můr v Anglii
drsnokřídlee březový (Biston betularia)
zejkovee dvojzubý
(Odontoptera [Gonodontis] bidentata)
PŘÍBUZENSKÉ KŘÍŽENÍ (INBREEDING)
• Př.: opakované samooplození (samosprašnost):
výchozí generace - HW rovnováha: 1/4 AA, 1/2 Aa, 1/4 aa
1. generace samooplození: 3/8 AA, 2/8 Aa, 3/8 aa
2. generace samooplození: 7/16 AA, 2/16 Aa, 7/16 aa
• inbreedingem se mění frekvence genotypů, frekvence alel se nemění
• inbreeding postihuje všechny lokusy
• vzniká vazbová nerovnováha
Koeficienty inbreedingu, F
1. rodokmenový F pravděpodobnost autozygotnosti
2. démový F
snížení heterozygotnosti (i. jako odchylka od panmixie)
1. Rodokmenový inbreeding: autozygotnost:
• alely identické původem (identical by descent, IBD)
• vždy homozygot alozygotnost:
• buď heterozygot, nebo homozygot, kde alely identické stavem (identical by state, IBS)
Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci
F = (1/2)' (1 + FA) G £ F £ 1
2. Koeficient inbreedingu jako odchylka od panmixie: F|S = 1 - Ho/He       -1 £ FIS £ +1
F-statistika:
• koeficient inbreedingu snížení HZ v subpopulaci v důsledku příbuzenského křížení
• fixační koeficient snížení HZ v důsledku strukturace
populace
FST = (HT - HS)/HT        0 £ FST £ +1
• snížení HZ v celé populaci
F|t = (Ht - H|)/Ht (1 - fis) (1- fst) = 1- fit
S. Wright
I
G. spekei
Rozdíly mezi F a FIS:
• F je individuální, FIS je skupinový
Gazella spekei, St. Louis ZOO:
• 1M + 3F (1969-1972) z Afriky
• 1982: všechny původní gazely mrtvé
• protože zakladatelem stáda jen 1 samec, všichni potomci nutně inbrední bez ohledu na systém páření
• prům. F = 0,149 => indikace silného inbreedingu
• x prům. FIS = -0,291 = indikace silného vyhýbání se inbreedingu!
anabaptisté z Velkých plání (USA):
• malá skupina protestantů z Tyrolských Alp
• navzdory striktnímu dodržování tabu incestu F = 0,0255 ==
• == jedna z nejvíce inbredních známých skupin lidí
• příčinou malý počet zakladatelů
T. Müntzer
Genetické důsledky inbreedingu:
• zvýšení frekvence homozygotů
• zvýšení rozptylu fenotypového znaku
• vazbová nerovnováha
Opakované zpětné křížení
Generace (t)
Genetické důsledky inbreedingu:
Marie Terezie
Pozor! Ne vždy musí být inbreeding škodlivý (např. řada druhů vyšších rostlin je samosprašná). Navíc důsledky inbreedingu se mohou lišit v rámci jednoho druhu
v závislosti na vnějším prostředí.
ASORTATIVNÍ PÁŘENÍ
= vyšší pravděpodobnost páření mezi jedinci se stejným fenotypem
• příčinou může být preference partnera se stejným fenotypem, ale mohou existovat i jiné příčiny
př.: fytofágní hmyz - jedinci žijící na různých druzích hostitelské rostliny můžou dospívat v odlišnou dobu == častější páření jedinců se stejným fenotypem (život na hostiteli) bez aktivní preference partnera
• => jde pouze o pozitivní fenotypovou korelaci
• asortativní páření způsobuje úbytek heterozygotů
• asortativní páření způsobuje vazbovou nerovnováhu (LD)
ASORTATIVNÍ PÁŘENÍ
Rozdíly mezi inbreedingem a asortativním pářením:
• působí pouze na lokus(y) spojené s preferovaným fenotypem
• as. páření je mocnou evoluční silou (silná LD na více lokusech)
x inbreeding pouze zesiluje LD tam, kde byla už na počátku, a to jen v případě samooplození (samosprašnosti), v ostatních případech rekombinace „úspěšnější" likvidací LD
NEGATÍVNI ASORTATIVNÍ (DISASORTATIVNI) PARENÍ
• = preference partnera s odlišným fenotypem
• výsledkem intermediární frekvence alel a vazbová nerovnováha
• př. preference samců s odlišným MHC (myš, člověk) - důvodem zřejmě snaha o co nejvariabilnější imunitní systém