File:Sewall Wright.jpg Soubor:Two cheetahs together.jpg DRIFT NÁHODNÝ GENETICKÝ POSUN (DRIFT) Kimura HW: nekonečně velká populace ´ v reálném světě velikost populace omezená náhodné procesy, neadaptivní evoluce Sampling Náhodný výběr gamet z genofondu (= „sampling error“): Výsledkem náhodného výběru je kolísání relativních četností mezi generacemi = „random walk“ Proč náhoda? • při konečném počtu opakování pravděpodobnost jevu ¹ jeho frekvenci (srv. H-W princip) • pokus s hody 10 mincí (1´, 20´) ® odchylky od P = 0,5, rozdíly mezi hody nový-1 What shall we do with a drunken Roman, what shall we do with a drunken Roman… Škyt! „random walk“ moře molo ? ? Žbluňk! Šířka mola N N Žbluňk! Užší molo nevíme, kam spadne můžeme předpokládat, že spadne doleva! 1 populace 2N = 20 1 populace 2N = 2000 fixace/extinkce alely dříve větší kolísání frekvence mezi generacemi Modelování driftu Kolísání frekvencí mezi generacemi silnější v malých populacích (~ opilejší námořník). 5 populací 2N = 2000 5 populací 2N = 20 některé alely se fixují... ... jiné z populace mizí Závěr #1: Konečným výsledkem je buď fixace, nebo extinkce alely. Závěr #2: Pravděpodobnost fixace alely je rovna její frekvenci. Závěr #3: Průměrná doba fixace/extinkce = 4N. Pravděpodobnost fixace nově vzniklé alely u diploidů = 1/(2N) Závěr #4: Důsledkem driftu je ztráta variability v démech. Modelování driftu v každé generaci nový výběr z genofondu o změněné frekvenci ... tyto výběry jsou v jednotlivých démech nezávislé 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 Drift5 v první generaci většina populací okolo hodnoty p = 0,5 nakonec většina populací s p = 0, nebo p = 1 postupná divergence populací Drift7 Drift5 Drift7 DRIFT matematická simulace (difúzní aproximace) simulace při počáteční frekvenci p = 0,1 skenovat0001 Evoluce selektivně neutrálních znaků je náhodná darwinovská evoluce: „survival of fittest“ neutrální evoluce: „survival of luckiest“ Efektivní velikost populace Podobně jako u inbreedingu neexistuje jediná efektivní velikost!! Velikost populace (N): • = celkový počet jedinců v populaci • z evolučního hlediska však důležitý jen počet rozmnožujících se jedinců • Efektivní velikost populace (Ne): • = 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 Každý genetický znak vyžaduje vlastní Ne • Pro geny na autozomech, pohlavních chromozomech a mtDNA existuje odlišná efektivní velikost populace: - autozomy: Ne 4 Ne - X, Z: ¾ Ne 3 Ne - Y, W, mtDNA: ¼ Ne 1 Ne Inbreedingová efektivní velikost, Nef • akumulace IBD, tj. říká něco o tom, jak se v čase mění pravděpodobnost identity původem • vliv počtu jedinců v parentální populaci 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 • Þ velký vliv malých N harmonický průměr na rozdíl od Nen závislost 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 Sexratio čím větší odchylky od vyrovnaného poměru pohlaví, tím nižší Ne vliv poměru pohlaví na Ne odlišný pro různé genetické znaky z uvedeného vztahu vyplývá, že pokud se v populaci bude rozmnožovat pouze jeden samec, bude Ne » 4 bez ohledu na celkový počet jedinců Vliv vychýleného poměru pohlaví: Elephant-Seal-3645 seal5 • př.: rypouš sloní: v harému poměr pohlaví 1:40 ´ efektivní poměr 1:4-5 díky nevěrám a krátké době dominance samce (1-2 roky) • Jestliže na gen působí selekce, je rozptyl v počtu potomků mezi jedinci v populaci vysoký (jedinci s výhodnou alelou zanechají více potomstva) • Þ Ne pro tento gen nižší než pro gen selektivně neutrální Geny pod selekcí: KOALESCENCE • vlivem driftu některé alely z populace mizí Þ 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) Koalescence1 Wrightův-Fisherův model: Koalescence2 Koalescence3 koalescence MRCA vzorku Koalescence a efektivní velikost populace • z teorie koalescence plyne několik zajímavých důsledků: • v malé populaci koalescence rychlejší než ve velké • Þ můžeme odhadovat Ne • můžeme však odhadovat i změny Ne v čase zmenšující se populace rostoucí populace EFEKT HRDLA LÁHVE (BOTTLENECK) a EFEKT ZAKLADATELE (FOUNDER EFFECT) Bottleneck snížení velikosti populace snížení variability závisí na růstu populace variabilita snížena více při silnějším bottlenecku • 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! Efekt hrdla láhve: skenovat0001 Efekt hrdla láhve: skenovat0001 bottleneck N = 1000 N =4 N = 1000 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 Þ monomorfie pro MHC • předpokládán silný bottleneck v minulosti Cheetah II. křeček zlatý File:Golden hamster front 1.jpg • 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 ® C v 5. exonu genu pro 5-a-reduktázu 2 Þ 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 Þ změna v muže • ve vesnici vysoká frekvence výskytu, zvláštní termín guevedoces (= „penis ve 12“) [USEMAP] DHT 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 Þ 103 jed. (1855) ® 33 (1857) ... 1. bottleneck - 1857-1884: růst populace Þ 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 Þ 106 jed. (1884) ® 59 (1891) ... 2. bottleneck - následující růst opět „konzervoval“ změny Population of Tristan, 1821-1900 File:Tristan Map.png 1. bottleneck růst populace 2. bottleneck Vztah driftu a migrace Obrázek1 větší migrace menší migrace Migrace a drift mají protichůdné účinky: drift zvyšuje divergenci mezi démy ´ migrace démy „homogenizuje“ Vtah driftu a selekce • závislost fitness na frekvenci alely: adaptivní krajina Sewall Wright 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 Adaptivní krajina wright.jpg S. Wright Lanscape Vtah driftu a selekce selekce „táhne“ populaci vzhůru 3 fáze SBT: 1. dočasné snížení fitness vlivem driftu v lokální populaci ® možnost přiblížení do oblasti atrakce vyššího vrcholu Teorie přesunující se rovnováhy (Shifting balance theory, SBT) Předpoklady: • prostředí se mění Þ populace v neustálém pohybu • mutace Þ nové rozměry, nové cesty vzhůru • malé populace (drift) Þ možnost sestupu do adaptivního údolí 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: S. Wright 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 disruptivní nebo lokálně divergentní lokálních adaptací v epistatických selekce systémech File:Sewall Wright.jpg File:R. A. Fischer.jpg