NÁHODNÝ GENETICKY
POSUN /DRIFT!
HW: nekonečně velká populace
x v reálném světě velikost populace omezená náhodné procesy, neadaptivní evoluce
Proč náhoda?
• při konečném počtu opakování pravděpodobnost jevu * jeho frekvenci (srv. H-W princip)
• pokus s hody 10 mincí (1x, 20x) -» odchylky od P= 0,5, rozdíly mezi hody
Náhodný výběr gamet z genofondu (= „sampling error"):
výběr 2N gamet výběr 2N gamet
P0 Po Pl Pl Pl Pí
Výsledkem náhodného výběru je kolísání relativních četností
mezi generacemi = „random walk"
Užší molo
Modelování driftu
1.0 0.9 — O.ř 0.7 — 0.6 — P(A) 0.5
0.4 — 0.3 0.2 — 0.1 — 0.0
T"
20
'T---------n
40 60
Generation
1 populace 2N = 2000
._r_
SO
100
větší kolísání frekvence mezi generacemi
1 populace
2N = 20
fixace/extinkce alely dříve
100
Generation
Kolísání frekvencí mezi generacemi silnější v malých populacích
(~ opilejší námořník).
Modelování driftu
některé alely se fixují...
t r
40 60 Generation
5 populací 2N = 20
jiné z populace mizí
100
Generation
Závěr #1: Konečným výsledkem je buď fixace, nebo extinkce alely.
Závěr #2: Pravděpodobnost fixace alely je rovna její frekvenci. Pravděpodobnost fixace nově vzniklé alely u diploidů = 1/(2/V)
Závěr #3: Průměrná doba fixace/extinkce = 4N.
Závěr #4: Důsledkem driftu je ztráta variability v démech.
v každé generaci nový výběr z genofondu o změněné frekvenci
0 20 40 60 80 100
Generation
Závěr #5: Drift vede k divergenci mezi démy.
• Peter Buri (1956)
• 107 populací D. melanogaster
• nulová generace: 16 heterozygotích jedinců bw75/bw (brown eyes) v každé populaci
• v každé generaci náhodný výběr 8 samců a 8 samic
• 19 generací
Evoluce selektivně neutrálních znaků je náhodná
darwinovská evoluce: „survival of fittest"
neutrální evoluce: „survival of luckiest"
Efektivní velikost populace
Velikost populace (A/):
• = celkový počet jedinců v populaci
• z evolučního hlediska však důležitý jen počet rozmnožujících se jedinců Efektivní velikost populace (A/e):
• = průměrný počet jedinců v populaci, kteří přispívají svými geny do další generace
Faktory snižující Ne ve srovnání s N:
• překrývající se generace
• velký rozptyl v počtu potomků mezi jedinci
• rozdílný počet rozmnožujících se samců a samic
• kolísání velikosti populace mezi generacemi
Podobně jako u inbreedingu neexistuje jediná efektivní velikost!!
Každý genetický znak vyžaduje vlastní A/e
• Pro geny na autozomech, pohlavních chromozomech a mtDNA existuje odlišná efektivní velikost populace:
- Y, W, mtDNA:  % Ne     1 Ne
Inbreedingová efektivní velikost, Nf
• akumulace IBD, tj. říká něco o tom, jak se v čase mění pravděpodobnost identity původem
• vliv počtu jedinců v parentálnípopulaci I \
autozomy: X, Z:
Ne     4 Ne
% Ne       3 Ne
2
Varianční efektivní velikost, Nef
měřena pomocí variance mezi generacemi nebo mezi démy vlivem driftu, tj. říká nám, do jaké míry budou divergovat frekvence alel mezi izolovanými populacemi
vztah k počtu jedinců v generaci potomků
Vliv kolísání populační velikosti:
efektivní velikost lze aproximovat jako harmonický průměr velký vliv malých N
N v = e v		t	
	1	1 + +	1 +
		A 2	
		t
	1	1 1 +          + +
	N 0	TV,     " N,_
na rozdíl od Nevzávislost na rodičovské generaci
Vliv vychýleného poměru pohlaví:
předchozí výpočty a aproximace předpokládaly stejný počet samců a samic
přispívajících svými geny do dalších generací
Nm = počet rozmnožujících se samců, Nf = počet samic
čím větší odchylky od vyrovnaného poměru pohlaví, tím nižší Ne
z uvedeného vztahu vyplývá, že pokud se v populaci bude rozmnožovat pouze jeden samec, bude Ne * 4 bez ohledu na celkový počet jedinců
vliv poměru pohlaví na Ne odlišný pro
různé genetické znaky
Vliv vychýleného poměru pohlaví:
• př.: rypouš sloní: v harému poměr pohlaví 1:40 x efektivní poměr 1:4-5 díky nevěrám a krátké době dominance samce (1-2 roky)
Geny pod selekcí:
• Jestliže na gen působí selekce, je rozptyl v počtu potomků mezi jedinci v populaci vysoký (jedinci s výhodnou alelou zanechají více potomstva)
• ^> Ne pro tento gen nižší než pro gen selektivně neutrální
KOALESCENCE
• vlivem driftu některé alely z populace mizí =^> při absenci mutace nakonec všechny kopie genu mají společného předka
• „forward" přístup
• můžeme postupovat i zpět v čase - „backward" přístup -» cesta v čase zpět až do okamžiku „splynutí" všech kopií genu = koalescence
• nejrecentnější společný předek (MRCA = most recent common ancestor)
Wrightuv-Fisheruv model:
čas
Koalescence a efektivní velikost populace
z teorie koalescence plyne několik zajímavých důsledků:
v malé populaci koalescence rychlejší než ve velké
=^> můžeme odhadovat Ne
můžeme však odhadovat i změny Ne v čase
Time
(a) Constant
zmenšující se populace
(b) Declining
(c) Expanding
rostoucí
populace
EFEKT HRDLá LAHVE /ROTTLEMECK\ a
EFEKT 7AKLADATELE /FOUNDER EFFECT)
snížení velikosti populace
Original population
Bottlenecking event
Surviving population
snížení variability závisí na růstu
populace
vlivem bottlenecku se sníží variabilita
rozsah této redukce závisí na snížení Ne a délce trvání bottlenecku
míra snížení variability odlišná pro různé genetické znaky (autozomy, mtDNA, Y...) - různá Ne!
variabilita snížena
více při silnějším
bottlenecku
Efekt hrdla láhve:
Efekt zakladatele:
• kolonizace nového území (např. ostrova)
• vlivem nízkého počtu zakladatelů (i jedna březí samice) -» náhodný posun ve frekvencích alel
-> snížení variability
• jiné podmínky prostředí -» speciace
Příklady efektu zakladatele a bottlenecku
I. gepard
• 30 jedinců Acinonyx jubatus reineyi z V Afriky, 49 proteinových lokusů: pouze 2 lokusy polymorfní (P = 0,04), průměrná heterozygotnost Ho = 0,01
• 98 jedinců A. j. jubatus z J Afriky: P = 0,02, Ho = 0,0004!
• jihoafričtí jedinci bez problémů přijímají kožní transplantáty východoafrického poddruhu =^> monomorfie pro MHC
• předpokládán silný bottleneck v minulosti
II. křeček zlatý
• 1930: Israel Aharoni (Hebrew Univ., Jerusalem) - samice s mláďaty
• únik několika jedinců z chovu
• 1931: transport několika potomků do Británie; 1937: soukromí chovatelé
• Současné genetické analýzy včetně mtDNA    všichni v zajetí chovaní zlatí křečci potomky jedné samice, pravděpodobně z roku 1930
• většinou jako příklad bottlenecku, ale jde spíš o efekt zakladatele
Příklady efektu zakladatele a bottlenecku
III. člověk
a) vesnice Salinas v horách Dominikánské republiky:
• Altagracia Carrasco -» 7 potomků s minimálně 4 ženami
- Carrasco heterozygotní pro substituci T^Cv5. exonu genu pro 5-oc-reduktázu 2 =^> TGG (Trp) -> CGG (Arg) na 246. pozici proteinu
- enzym katalyzuje změnu testosteronu na DHT (dihydrotestosteron)
- nízká aktivita mutantního enzymu u homozygotů vede k tomu, že chlapci mají testes, ale ostatní znaky dívčí
- v pubertě zvýšená produkce testosteronu => změna v muže
b) Tristan da Cunha:
• 1816 vojenská posádka •1917 posádka zrušena;
skotský desátník William Glass
zakládá se svou rodinou malou kolonii (celkem 20 jedinců) -» efekt zakladatele
• během 80 let 2 výrazné bottlenecky: -1851: příjezd misionáře; 1853: Glassova smrt
- 1856: odplutí 25 Glassových potomků do Ameriky
- odjezd dalších 45 lidí s misionářem 103 jed. (1855) -> 33 (1857)... 1. bottleneck
2. bottleneck
- 1857-1884: růst populace => konzervace změn vyvolaných předchozím bottleneckem
- 1884-1891: utonutí 15 mužů, zbyli pouze 4 dospělí, z nich 2 velmi staří („Island of Widows") -» odplutí mnoha vdov s dětmi
106 jed. (1884) -> 59 (1891)... 2. bottleneck
následující růst opět „konzervoval" změny
1. bottleneck
růst populace
Vztah driftu a migrace
Generace    O 50 110
menší migrace
Migrace a drift mají protichůdné účinky: drift zvyšuje divergenci mezi démy x migrace démy „homogenizuje"
Vlah driftu a eolokro
závislost fitness na frekvenci alely:
adaptivní krajina
Pojem adaptivní krajiny má 2 vzájemně nekompatibilní významy:
1. Pole kombinací alel: hodnota fitness přiřazena genotypu
• N genotypů -» N + 1 dimenzí
• diskontinuální povrch, populace = shluk bodů
2. Pole průměrných frekvencí alel
• počet dimenzí = počet sad alelových frekvencí
• kontinuální povrch
Teorie přesunující se rovnováhy (Shifting balance theory, SBT)
Předpoklady:
• prostředí se mění =^> populace v neustálém pohybu
• mutace =^> nové rozměry, nové cesty vzhůru
• malé populace (drift) =^> možnost sestupu do adaptivního údolí
3 fáze SBT:
1. dočasné snížení fitness vlivem driftu v lokální populaci -» možnost přiblížení do oblasti atrakce vyššího vrcholu
n r.1 i
3 fáze SBT:
2. intradémová selekce -» „tažení" populace směrem k novému vrcholu
3. interdémová selekce -» šíření příslušníků dému na vyšším vrcholu do ostatních démů
Celý proces viděn jako vychylování rovnováhy mezi driftem,
intradémovou a interdémovou selekcí
2 pohledy na evoluci v populacích:
R.A. Fisher
malé lokální populace velké panmiktické populace
kombinace selekce, driftu a migrace mutace a selekce
epistáze, pleiotropie, aditivní účinky genů,
závislost účinků alel na kontextu účinky alel nezávislé na kontextu
speciace jako vedlejší produkt lokálních adaptací v epistatických systémech
disruptivní nebo lokálně divergentní selekce