MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE NEUTRÁLNÍ TEORIE MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Genetická zátěž a selekční náklady • jestliže ne všichni jedinci v populaci mají optimální fitness, wav < wmax genetická zátěž populace L: L = 1-wav • jestliže wav = wmax , L= 0 • měří, do jaké míry je průměrný jedinec v populaci méně zdatný než nejlepší genotyp • vyjadřuje pravděpodobnost, že průměrný jedinec zemře před svou reprodukcí • jestliže se jedinec během svého života nerozmnoží, označujeme to jako jeho genetickou smrt Genetická zátěž může mít několik forem, např. • mutační zátěž • substituční zátěž • segregační zátěž Substituční zátěž • Haldane (1957): • prospěšná mutace ® fixace výhodné alely a nahrazení alely nevýhodné • dokud původní alela existuje v populaci, průměrná fitness nižší než fitness optimální J.B.S. Haldane L w — w max max • jestliže wmax = 1, L = 1 — w Selekční náklady: • Předpokládejme osud substituce během 3 generací: genetická smrt všech jedinců bez výhodné mutace během prvních dvou generací (kromě jednoho v 1. generaci, aby se mutantní jedinec mohl rozmnožit), ve 3. generaci genetická smrt všech jedinců bez obou výhodných alel) => vysoká zátěž • A (p, w = 1), A' (q, w = 1-s) ® poměr nepřeživších/přeživších v každé generaci = sq/(1 - 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 • celkové selekční náklady = suma přes všechny lokusy: C = ^ —S—— ^1 - sq Horní limit selekčních nákladů: • Haldane: substituce 1 genu/300 generací Segregační zátěž: • superdominance (zvýhodnění heterozygotů) ® náklady na homozygoty 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 • Rychlost molekulární evoluce příliš vysoká (vysoké selekční náklady) • Rozsah genetické proměnlivosti v populacích příliš vysoký (vysoká substituční zátěž => polymorfismus neudržován selekcí -přechodný polymorfismus • Konstantnost molekulární evoluce • Vyšší evoluční rychlost u funkčně méně důležitých částí molekuly Přechodný polymorfismus rychlá fixace výhodné mutace 0 1 • selekce í í r\ r-v/ I r% r\ r> i Ss v ^^^^ Sy C as ► rychlá eliminace nevýhodné mutace Motoo Kimura (1968) J.L. King & T.H. Jukes (1969) • neutrální teorie: 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální drift) neutrální teorie: 2. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů fibrinopeptidy 8,3 pankreatická ribonukleáza 2,1 lyzozym 2,0 alfa-globin 1,2 inzulin 0,44 cytochrom c 0,3 histon H4 0,01 neutrální teorie: 3. rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu (vazebná místa x strukturní oblasti) 4. rozdílná evoluční rychlost na jednotlivých místech kodonu 5. rychlost evoluce daného proteinu u různých druhů přibližně konstantní • převážně se netýká morfologických, fyziologických a behaviorálních znaků • nemůže vysvětlit vznik adaptací • mnoho škodlivých mutací, ty však rychle eliminovány selekcí • selekce působí i na molekulární úrovni, avšak většina mutací má velmi malý účinek na fitness => důležitá role driftu Haldaneův odhad selekčních nákladů nadhodnocený: • selekce většinou měkká • frekvenčně závislá selekce místo superdominance • selekce nepůsobí na jednotlivé lokusy odděleně Teoretické principy neutrální teorie: 1. Pravděpodobnost fixace nové mutace = 1/(2Ne) 2. Frekvence substitucí: • pravděpodobnost fixace x průměrný počet neutrálních mutací: 1/(2Ne) x = m rychlost neutrální evoluce nezávisá na Ne, ale jen na //! středně velká populace: frekventovanější mutace malá populace: mutace málo frekventované K-4N. ♦K +1 Teoretické principy neutrální teorie: 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/// 4. Doba fixace = 4Ne generací 0 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: -, kde 0 = 4Ne/ • větší populace => vyšší heterozygotnost • neustálý vznik nových mutací = zvýšení proměnlivosti x její eroze driftem = neustálé nahrazování jedné alely za druhou ® rovnováha mutace a driftu = polymorfismus (na rozdíl od rovnováhy mutace a selekce je přechodný) • kvasinka Saccharomyces cerevisiae • 50 replikací populace • experiment nezachycuje extrémně škodlivé mutace bimodální rozdělení mutací škodlivé 1 Ď 64 n ?í> 0 76 I I prospěšné I 0.84 0.88 0.92 0.96 1 1.04 1.08 Competitive ratio of mutant lines to initial genotype Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti heterozygotnost O 0,5 1 Očekávaná heterozygotnost • Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, rozsah heterozygotností příliš malý Odchylky měření rozsahu heterozygotnosti od predikcí se snažila vysvětlit Tomoko Ohtová: • mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM): v malých populacích se chovají jako neutrální (= efektivně neutrální alely) neutralismus mírně škodlivé mutace o + - o + Pravděpodobnost fixace neutrální, výhodné a škodlivé mutace: 1 _ Q-4NeSq P = 1 _ e-4NeS q = frekvence alely, s = selekční koeficient pravděpodobnost fixace neutrální mutace = q nebo 1/(2N) v době vzniku pravděpodobnost fixace výhodné mutace ve velké populaci » 2s Př.: Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 1000? • neutrální mutace (s = 0): • výhodná mutace (s = 0,01): • výhodná mutace (s = 0,001): • škodlivá mutace (s = -0,001) Z toho plyne, že P = 0,05% P = 20% P = 2% P = 0,004% čím víc s ® 0, tím vyšší „neutralita" všechny výhodné mutace nemusí být v populaci zafixovány i škodlivé mutace mohou být s malou pravděpodobností zafixovány Př.: Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 10 000? neutrální mutace (s = 0): výhodná mutace (s = 0,01): výhodná mutace (s = 0,001): škodlivá mutace (s = -0,001) P = 0,005% P = 20% P = 2% P = 2.10-17% ve velké populaci je P výhodné alely stejná jako v malé, ale pro škodlivou alelu P ® 0 Z uvedeného plyne: • ve velkých populacích hraje mnohem větší roli selekce • existuje nepřímá úměra mezi škodlivostí mutace a velikostí populace: čím se škodlivost alely blíží nule, tím větší může být populace, ve které se může fixovat (drift převýší negativní selekci) a naopak, čím je selekce proti škodlivé mutaci silnější, tím menší musí být populace, aby drift hrál určující roli • v malých populacích se mírně škodlivé mutace chovají jako efektivně neutrální Molekulární hodiny Zuckerkandl & Pauling (1962-65) • rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní 0 100 200 300 400 50(1 Čas (miliony let) Molekulární hodiny Marsupials (outgroup) Rodents Primates Artiodactyis Branch lengths are proportional to the number of nucleotide substitutions per 100 base pairs. Nonsynonymous substitution has been slowest in the primate lineage. EVOLUCE GENOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) Prokaryota: • 6x105-107 (20x) • nejmenší: Mycoplasma (celkem ca. 400 genů) • největší: někt. G+ bakterie, sinice Eukaryota: • 8,8x106 - 6,9x10" (80 000x) • 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) Spřažená evoluce a molekulární tah Genové shluky a genové rodiny: • ribozomální DNA • globinové geny ... mezi a1 a a2 genem je akumulováno velmi málo rozdílů ... ... ve skutečnosti je daná duplikace starší než 300 milionů let dvojice druhů lidoopů se vzájemně liší ~ 2,5 AA substitucemi v a1 i a2 genu ... a2 ô 500 současné geny vznikly sérií duplikací = molekulární hodiny v tomto případě neplatí, geny se nevyvíjí nezávisle - evoluce je spřažená Gabriel Dover (1982): Molekulární tah (molecular drive) • mechanismus odlišný od selekce a driftu Mechanismy spřažené evoluce: 1. nestejnoměrný crossing-over O 1 2 3~f- X 12 3 Ur 2 3~f- 1 1 2 3 ztráta kopie získání kopie získání mutantní kopie ztráta normální kopie získání mutantní kopie o—i i i i atd. ■ ■ ■ %jl %t^B a a a a 2. sklouznutí nukleotidového řetězce (slippage) 3. genová konverze Závěr: • důsledkem nestejnoměrného crossing-overu a sklouznutí řetězce je změna počtu kopií • důsledkem nestejnoměrného c-o a genové konverze je homogenizace sekvencí 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)