VZNIK GENETICKÉ PROMĚNLIVOSTI
dna dna11 DNA


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
File:Jaguar head shot.jpg File:Black jaguar.jpg

 mutace
 (transpozice)
 rekombinace
 migrace (tok genů)
 nenáhodné oplození
 přírodní výběr (selekce)
 náhodný genetický posun (drift) + bottleneck, efekt zakladatele
 molekulární tah (molecular drive)
HLAVNÍ MIKROEVOLUČNÍ MECHANISMY:

MUTACE
 spontánní ´ indukované
 v zárodečných buňkách ´ somatické
 podle škodlivosti/prospěšnosti účinku:
  prospěšné
  škodlivé
  neutrální
File:Portulaca grandiflora mutant1.jpg File:Pyrene adduct.jpg

substituce (tranzice, transverze)
MUTACE
Podle rozsahu
 genové (bodové)
 chromozomové
 genomové
Bodové
TsTv
synonymní     nesynonymní (záměnové)
měnící smysl (missense)
nesmyslné (nonsense)
GTC ® GTA
 Val  ®  Val
GTC ® TTC
 Val  ®  Phe
AAG ® TAG
 Lys  ® ochre (stop)

indels ® posunutí čtecího
                  rámce
}
Þ změna frekvence alely mutací velmi pomalá
inzerce ACGGT ® ACAGGT
delece ACGGT ® AGGT
Bodové mutace
zpětné mutace: frekvence zpravidla 10´ 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

inverze
  pericentrické
  paracentrické
Chromozomové mutace (chr. přestavby)
inverze Rb

Chromozomové mutace (chr. přestavby)
fúze a disociace
  (robertsonské translokace)
  reciproké translokace celých ramen (WART)
Mus1 Mus2
myš domácí
Rb
translokace

 delece
 duplikace
 inzerce
Types-of-mutation Types-of-mutation
Chromozomové mutace (chr. přestavby)

Genomové mutace
-zomie (monozomie, trizomie)
- většinou neslučitelné se životem
- monozomie: jediná životaschopná = X0 (Turnerův syndrom)
- trizomie: nerovnováha dávky genů (zvýšená exprese trizomického
  páru)
- životaschopné trizomie : XXY, XXX, XYY, Patau syndrom (chr. 13),
  Edwardsův s. (chr. 18), Downův s. (chr. 21)

-ploidie (polyploidie)
- především rostliny
- u živočichů méně (bezobratlí, ryby, obojživelníci)
- během evoluce obratlovců došlo ke 2 kolům duplikace celého
  genomu (2R-hypotéza)
- polyploidní jedinci zpravidla větší (zvýšený objem buněk)
- liché násobky genomu ® problémy v meióze Þ reprodukční bariéra
                (ne vždy – např. triploidní skokani)
autopolyploidie: kombinace dvou stejných genomů
- fúze buněk
- endoreplikace
- abortivní buněčný cyklus
alopolyploidie: kombinace dvou různých genomů
- fúze diploidních gamet
- polyspermie
Genomové mutace

Náhodnost a rychlost mutací (m)
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 Þ > m
RNA viry (HIV)
paraziti
protilátky, imunoglobuliny
> m somatických mutací
samci > samice: člověk 6x, hlodavci, liška: 2x … více buněčných dělení
  v zárodečných buňkách

Adaptivní (směrované) mutace?
Max Delbrück, Salvador Luria (1943):
   fluktuační test
File:Max Delbruck.jpg File:Salvador E. Luria teaching at MIT.jpg

mutace ® nové alely
rekombinace ® nové genotypy (výjimkou vnitrogenové rekombinace)
REKOMBINACE
Vytvoření zlomu na jednom chromozomu.
Invaze řetězce do homologního chromozomu.
Spojení řetězců homologních chromozomů. Holidayův spoj
Migrace Holidayova spoje. Vytvoření heteroduplexu.
Štěpení Holidayova spoje
Heteroduplex

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
rozdíly v různých částech chromozomu (poblíž centromer a telomer apod.,
   rozdíly mezi organismy)
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
REKOMBINACE

rozdíly v míře rekombinace mezi pohlavími:
  - Haldaneovo-Huxleyovo pravidlo: pokud jedno pohlaví nerekombinuje,
    jde o pohlaví heterogametické
  - pokud rekombinují 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 chromozomů
  - korelace s počtem ramen: více rekombinací v karyotypech s velkým množstvím
    chrom. ramen (aspoň 1 c-o/rameno, aby nedocházelo k aneuploidiím?)

Rekombinace
a polymorfismus:
Evoluční důsledky rekombinace:
Rekombinace
absence rekombinace
   Þ vazbová nerovnováha
selective sweep (selekční smetení)
  - hitchhiking
  - častější výskyt vzácných alel
background selection
® ztráta polymorfismu

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
isolation by distance
  Linanthus parryae
ital7439
MIGRACE (TOK GENŮ)
File:Linanthus demissus 1.jpg

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; GPS systémy
   ... nákladnější, časová náročnost
2. nepřímé
molekulární markery, populačně-genetické modely
   Sewall Wright – F-statistika: FST = 1/(4Nm + 1) Þ Nm = (1/FST - 1)/4
   … Nm = počet migrantů na generaci
   programy s využitím maximální věrohodnosti (maximum likelihood)
   nebo bayesiánského přístupu
MIGRACE (TOK GENŮ)

Migrace
Důsledky toku genů:
genetická homogenizace subpopulací,
   zabraňující jejich genetické divergenci
u mnoha druhů migrace velmi omezená
Př.: výskyt melanických forem
       můr v Anglii

zejkovec dvojzubý
(Odontoptera [Gonodontis] bidentata)
drsnokřídlec březový (Biston betularia)
Migrace

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)
IBD - IBS

1. Rodokmenový inbreeding:
F = (1/2)n+1 (1 + FA)
0 £ F £ 1
Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti
  v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci
http://www.wikiskripta.eu/images/c/ca/Inbreedingcoef.png
F = pravděpodobnost, že jedinec zdědil obě alely téhož genu od jednoho
      předka (má obě alely IBD)
n = počet kroků v genealogii

1. Rodokmenový inbreeding:
http://www.genetic-genealogy.co.uk/images/image113.gif
a) Amenhotep I. a Ahotep II. 25%
b) Ames 37.5%
c) Hatšepsut 25%
d) The rest of the individuals in the pedigree are not inbred, i.e. F = 0.

 F-statistika:
koeficient inbreedingu FIS
  snížení HZ v subpopulaci v důsledku
  příbuzenského křížení
fixační index FST
  snížení HZ v důsledku strukturace
  populace
snížení HZ v celé populaci
T
I
S
FIS = (HS - HI)/HS -1 £ FIS £ +1
FST = (HT - HS)/HT 0 £ FST £ +1
FIT = (HT - HI)/HT
(1- FIS) (1- FST) = 1- FIT
File:Sewall Wright.jpg
S. Wright
2. Koeficient inbreedingu jako odchylka od panmixie:
FIS = (He – Ho)/He -1 £ FIS £ +1
Ho= skutečná heterozygotnost
He= očekávaná heterozygotnost

Rozdíly mezi F a FIS:
F je individuální, FIS je skupinový
Gazella spekei, St. Louis ZOO:
 1♂ + 3♀ (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 Þ indikace silného inbreedingu
 ´ prům. FIS = -0,291 Þ indikace silného vyhýbání se inbreedingu!
hutterité (anabaptisté = novokřtěnci) z Velkých plání v USA a Kanadě:
malá skupina protestantů z Tyrolských Alp
navzdory striktnímu dodržování tabu incestu F = 0,0255 Þ
                                                       jedna z nejvíce inbredních známých skupin
lidí
příčinou malý počet zakladatelů
G. spekei

inbred
Genetické důsledky inbreedingu:
 zvýšení frekvence homozygotů
 zvýšení rozptylu fenotypového znaku
 vazbová nerovnováha

Leavenworthia alabamica
Size
inbrední deprese
  výskyt chorob, snížení plodnosti
   nebo životaschopnosti
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.
Genetické důsledky inbreedingu:
http://minicattle.com/images/minikent_02.jpg
http://www.bob-owens.com/wp-content/uploads/2012/10/P1010696-e1349299746589.jpg
https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRrssmFeh7wn0T398Ran4c-D_jeePD616jl_Ow9d9qVdTN
OfC5-

inbrední deprese u člověka:
amišové: hemofilie B, anémie, pletencová dystrofie, Ellis-Van Creveldův syndrom
  (zakrslost, polydaktylie), poruchy vývoje nehtů, defekty zubů
kmen Vandoma, Zimbabwe (tzv. „Pštrosí lidé“): ektrodaktylie
mormoni v Hilldale (Utah) a Colorado City (Arizona)
amazonští indiáni
šlechtické rody
Rudolf2
Rudolf II. a jeho syn Julius Caesar, markýz d’Austria
http://de.academic.ru/pictures/dewiki/68/Deux_pieds_1_an.jpg Soubor:Levob 05.jpg

inbrední deprese u člověka:
amišové: hemofilie B, anémie, pletencová dystrofie, Ellis-Van Creveldův syndrom
  (zakrslost, polydaktylie), poruchy vývoje nehtů, defekty zubů
kmen Vandoma, Zimbabwe (tzv. „Pštrosí lidé“): ektrodaktylie
mormoni v Hilldale (Utah) a Colorado City (Arizona)
amazonští indiáni
šlechtické rody
Karel II.: nepřirozeně velká hlava, deformovaná čelist, slabé tělo, potíže s chůzí a další defekty,
              mentální a psychické poruchy, impotence, neplodnost
František I.: u potomků mentální retardace, hydrocefalie, záchvaty, některé nebyly schopny
    samostatného života
Soubor:Carlos II.jpg
Karel II. Španělský
Soubor:Francesco I.jpg
František I.
http://zputimi.webz.cz/svejk/flanderka17.jpg http://www.postavy.cz/foto/pepek-vyskoc-foto.jpg

Maria_Theresia_as_child
“hybrid vigour”
  (heteróze)
František Štěpán Lotrinský
Marie Terezie
http://www.farmwest.com/images/client/BreedingCorn%20Fig%206.JPG Soubor:Joseph II Portrait with
crown.jpg

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 Þ častější páření jedinců
  se stejným fenotypem (život na hostiteli) bez aktivní preference
  partnera
Þ 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 × inbreeding
  ovlivňuje všechny lokusy
as. páření je mocnou evoluční silou (silná LD na více lokusech)
  ´ inbreeding pouze zesiluje LD tam, kde byla už na počátku, a to jen
  v případě samooplození (samosprašnosti), v ostatních případech
  rekombinace „úspěšnější“ ® redukce LD
NEGATIVNÍ ASORTATIVNÍ (DISASORTATIVNÍ) PÁŘENÍ
= 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