MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Kimura Drift2 skenovat0001 40 200 100 400 500 a1 a2 z a1 Gg a2 d b 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 NEUTRÁLNÍ TEORIE MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE 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 File:J. B. S. Haldane.jpg J.B.S. Haldane • jestliže wmax = 1, 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) Þ vysoká zátěž • A (p, w = 1), A’ (q, w = 1-s) ® poměr nepřeživších/přeživších v každé generaci = sq/(1 - sq) Þ 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: 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 Þ polymorfismus neudržován selekcí – přechodný polymorfismus • Konstantnost molekulární evoluce • Vyšší evoluční rychlost u funkčně méně důležitých částí molekuly Neutral1 Přechodný polymorfismus: Neutral1 • selekce • neutrální mutace rychlá fixace výhodné mutace náhodná fixace nevýhodné alely rychlá eliminace nevýhodné mutace současná existence několika alel většinou jen 1 alela v populaci • Motoo Kimura (1968) • J.L. King & T.H. Jukes (1969) • neutrální teorie: Kimura M. Kimura 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (Þ drift) Neutral skenovat0002 Neutral Grafika2 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 2. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů • neutrální teorie: skenovat0004 3. rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu (vazebná místa ´ strukturní oblasti) • neutrální teorie: Clock2 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 Þ 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 ´ průměrný počet neutrálních mutací: 1/(2Ne) ´ 2Nem = m Þ rychlost neutrální evoluce nezávisá na Ne, ale jen na m! Drift2 středně velká populace: frekventovanější mutace malá populace: mutace málo frekventované , kde q = 4Nem Teoretické principy neutrální teorie: 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/m 4. Doba fixace = 4Ne generací 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: • větší populace Þ vyšší heterozygotnost • neustálý vznik nových mutací Þ zvýšení proměnlivosti ´ její eroze driftem Þ neustálé nahrazování jedné alely za druhou ® rovnováha mutace a driftu Þ polymorfismus (na rozdíl od rovnováhy mutace a selekce je přechodný) mutace prospěšné škodlivé Neutral Frekvence neutrálních mutací: Zeyl & DeVisser (2001): • kvasinka Saccharomyces cerevisiae • 50 replikací populace • experiment nezachycuje extrémně škodlivé mutace bimodální rozdělení mutací Hetero • Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti heterozygotnost podle NT Heterozygotnost • Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, rozsah heterozygotností příliš malý Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti 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) Ohta Pravděpodobnost fixace neutrální, výhodné a škodlivé mutace: P = 1 – e-4Nesq 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 Z toho plyne, že • 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 = 1000? • neutrální mutace (s = 0): P = 0,05% • výhodná mutace (s = 0,01): P = 20% • výhodná mutace (s = 0,001): P = 2% • škodlivá mutace (s = -0,001) P = 0,004% čím víc s ® 0, tím vyšší „neutralita“ Př.: Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 10 000? • neutrální mutace (s = 0): P = 0,005% • výhodná mutace (s = 0,01): P = 20% • výhodná mutace (s = 0,001): P = 2% • škodlivá mutace (s = -0,001) 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 Clock2 Molekulární hodiny Zuckerkandl & Pauling (1962-65) • rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní • efekt generační doby: závislost na absolutním nebo generačním čase? Molekulární hodiny skenovat0003 EVOLUCE GENOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) Prokaryota: • 6´105 – 107 (20´) • nejmenší: Mycoplasma (celkem ca. 400 genů) • největší: někt. G+ bakterie, sinice Eukaryota: • 8,8´106 – 6,9´1011 (80 000´) • žádný vztah ke složitosti organismu nebo počtu genů • velké rozdíly i u příbuzných organismů: Paramecium caudatum (8 600 000 kb) ´ P. aurelia (190 000 kb) Spojená evoluce a molekulární tah Genové shluky a genové rodiny: • ribozomální DNA • globinové geny 40 200 100 400 500 a1 a2 z e Gg a2 d b současné geny vznikly sérií duplikací dvojice druhů lidoopů se vzájemně liší ~ 2,5 AA substitucemi v a1 i a2 genu ... ... mezi a1 a a2 genem je akumulováno velmi málo rozdílů ... ... ve skutečnosti je daná duplikace starší než 300 milionů let Þ molekulární hodiny v tomto případě neplatí, geny se nevyvíjí nezávisle – evoluce je spojená Mechanismy spojené evoluce: Gabriel Dover (1982): Molekulární tah (molecular drive) • mechanismus odlišný od selekce a driftu 1. nestejnoměrný crossing-over 1 2 3 1 2 3 ´ 2 3 1 1 2 3 3 ztráta kopie získání kopie ´ ´ ´ získání mutantní kopie ztráta normální kopie získání mutantní kopie ... atd. ... 2. sklouznutí nukleotidového řetězce (slippage) 3. genová konverze File:Conversion and crossover.jpg 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)