Genetika kvantitativních znaků Dynamika populací prof. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. urban@mendelu. cz EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEÍE a TĚLOVÝCHOVY m INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Cíle genetiky populací v popsat frekvence alel a genotypů • popsat změny frekvencí alel a genotypů v čase (genetické změny v populacích) • analyzovat faktory vedoucí ke změnám alelových a genotypových frekvencí • určit, jak tyto faktory mění frekvence alel a genotypů EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY OP VzdáLAvAiy IM) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Výjimky H.-W. předpokladů • Působí selekce, migrace (tok genů), mutace • Malá populace (drift) a inbríding • Vazba • Geny umístěné na pohlavních chromozomech INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Procesy narušující genetickou rovnováhu Stochastické (náhodné) změny - nelze určit směr, ale jen velikost změn četnosti alel a genotypů ano - náhodný (genetický) drift, náhodné změny v migraci, ve směru a intenzitě selekce Systematické (nenáhodné, soustavné) změny - lze určit směr a velikost změny v četnosti alel a genotypů - opakované mutace, jednosměrné migrace, dlouhodobý selekční tlak 7^.T^B ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVMWMW EVROPSKÁ UNIE 1 mláoeíe a tělovýchovy im n«uu™™r»(>™i ^na** EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY OP VzdáLAvAiy w INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolu Financova na Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Vliv selekce na četnost autozomálních genů Selekce přírodní a umělá; pozitivní a negativní Když jsou různé skupiny jedinců lišící se svým fitness FITNESS -pravděpodobnost, že se určitý genotyp zúčastní na genové výstavbě další generace (adaptivní hodnota genotypu, reprodukční způsobilost): W (0-1) Složky: životaschopnost (jak dlouho), páření (kolikrát), plodnost (kolik) SELEKČNÍ KOEFICIENT-síla, intenzita působící na každý genotyp, snižující jeho fitness : S (0-1) odezva na selekci, když jsou genetické rozdíly mezi skupinami jedinců EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OPViMMiM MLÁOEÍE a TĚLOVÝCHOVY P» * m INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Vliv selekce na četnost autozomálních genů s+W=l 5=1-W W=l-s > Pravděpodobnost produkce gamet nesoucí alelu a: P(aa) = f(aa).Waa = q2.(l-s) EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OPViMMiM MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY pw * w INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Selekce přes jednu generaci I RODIČE Genotypy Alely AA Aa aa A a frekvence W 0,36 1,00 0,48 0,95 0,16 0,30 0,60 0,40 Po selekci frekvence 0,36 0,456 0,048 W = 0,864 Přepočet na 100% frekvence 0,4167 0,5278 0,0555 0,6806 0,3194 Průměrný fitness populace: W=P2.WAA+2Pq.WAa+q2.Waa INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky 7^.T^B ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVMWMW ^.^^jT EVROPSKÁ UNIE 1 mláoeíe a tělovýchovy im u*to«*nneim*M ^na** Selekce přes jednu generaci II Frekvence AA Aa aa HWE před 0,36 0,48 0,16 ANO po 0,4167 0,5278 0,0555 NE Rodiče AA Aa aa AA x AA 0,1736 0,1736 AAx Aa 0,4398 0,2199 0,2199 AA x aa 0,0463 0,0463 Aa x Aa 0,2785 0,0696 0,1393 0,0696 Aa x aa 0,0586 0,0293 0,0293 aa x aa 0,0031 0,0031 Potomci 0,4632 0,4348 0,1020 Ap = +0,0806 Aq = -0,0806 Alely - frekvence u rodičů před selekcí f(A)=P f(a)= q Alely - frekvence u rodičů po selekci f(A)=p' f(a)= q' Alely - frekvence u potomků f(A)=Pi f(a)=qt HWE-ANO Potomci A a 0,6806 0,3194 A 0,6806 0,4632 0,2174 a 0,3194 0,2174 0,1020 AA Aa aa 0,4632 0,4348 0,1020 EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY OP VzdáLAvAiy w INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Př. změny letálních alel v homozygotním genotypu Rodičovská populace v rovnováze (úplná dominance): . p2 (AA) + 2pq (Aa) + q2 (aa)= 1 WflcI=0,00 SflcI=1,00 Úplná selekce na genotyp aa pro další plemenitbu v populaci rodičů jen genotypy p2 (AA) + 2pq (Aa) Frekvence alel v generaci bude: • alelaA- alelaa: 1 <7o n 1 1 Pí = <7i = 1 + Q o " 1 + q o Změna četnosti alel mezi generací rodičů a potomků Aq = q,-q0 = Qn Q0 1 + „i 1 + = -qI EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, mláoeíe a tělovýchovy m INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Úplná selekce (s = 1) vůči genotypu recesivního hornozygota v průběhu 1000 generací Generace frekvence p frekvence q 2pq □ 0,5 0,5 0,25 0,50 II 0,25 1 0,67 0,33 0,45 0,44 0,12 2 0,75 0,25 0,56 0,38 0,06 3 0,80 0,20 0,64 0,32 0,04 4 0,833 0,167 0,694 0,278 0,028 5 0,857 0,143 0,734 0,245 0,020 10 0,917 0,083 0,841 0,152 0,007 40 0,976 0,024 0,953 0,047 0,001 70 0,986 0,014 0,972 0,028 0,0002 100 0,9902 0,0098 0,9805 0,0194 0,0001 200 0,9950 0,0050 0,9900 0,0100 0,00003 1000 0,9990 0,0010 0,9980 0,0020 0,000001 EVROPSKÁ UNIE E DO ROZVOJE VZDĚLÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Vliv migrace na změnu četnosti alel - gene flow Přemístění genotypů z jedné populace do druhé: Emigrace, Imigrace začlenění nového zvířete z jiné populace zakoupení nového plemeníka a jeho začlenění do plemenitby import nových plemen (na zušlechtění, ...) Př.: model pevnina —> ostrov nij - koeficient migrace (podíl migrantů vzhledem k velikosti nové smíšené populace) / m, = — N • pmi - frekvence alely /\ v imigrující populaci (na pevnině) • pQ - frekvence alely A v původní populaci (ostrov) • (1 - /říj) - relativní četnost jedinců v původní populaci (ostrov) • p, a ostrov fW = Po f(a) = p0 s státním rozpočtem české republiky Změna četnosti alel při migraci Závisí na : četnosti imigrantů, četnosti i migrujících alel a alel v původní populaci Ap = p1-p0 = m,(pm(-p0) ^q = q,-q0=m,{qmi-q0) > Genetická rovnováha nastane, když genové četnosti původní populace se vyrovnají s četnostmi imigrující populace: p0 = pmi nebo q0 = qm] INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Vliv genové mutace na změnu četnosti alel Chemická změna v genu, v sekvenci bazí Obvykle fatální (W = 0;s = 1,0) Běžně nemají velký význam (10-5-10-8) Významnejšou mutace opakující se Jejich vliv probíhá současně se selekcí 7^.T^B ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVMWMW EVROPSKÁ UNIE 1 mláoeíe a tělovýchovy pn u*to«*nneim*M ^na** EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY OP VzdáLAvAiy w INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Vliv genové mutace na změnu četnosti alel < to 8 OJ Četnost mutace A■ = 1 x 10" 50 000 100 000 150 000 200 000 Počet generací EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEÍE a TĚLOVÝCHOVY m INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Opakovaná jednosměrná mutace (nevratná) alela ^1 mutuje intenzitou u na alelu a ■ četnost alel: pQ ; q0=(1-p0) nové četnosti alel • A ... • a ... Pi=P0-uPo qi = q0+up0=(i-p1) • změna četnosti alel za 1 generaci Ap=(PrP0) = (Po ~uPo)-Po= -"P ^=(qi-q0) = (Qo+uPo)-Qo=+uP o o Změna četnosti alel je závislá na počáteční četnosti alel a na intenzitě přímé mutace EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY £_! m INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Zpětná mutace mutace A -> a mutace a^> A p,=p0-up0+vq0 Po u Qo D = p-2pq(1-F)/2 D = p2(1-F) + Fp d = p2{'\-F) + Fp = p2 +Fpq r = q2{]-F) + Fq = q2 + Fpq INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky pravděpodobnost, že geny zŮstóviioj Pravděpodobnost, že se geny stanou 3l)02ygotninavzdory inbreedingu autQzygotnf v důsledku Inbreedingu Inbreedingu [F] aa 7^.T^B ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVoHUMW ^.^^jT EVROPSKAUNIE ■ m láo e íe a tělovýchovy WO HMOIWKHChwnt ^na** Vliv příbuzenské plemenitby I Základní efektem je zvyšování četností homozygotních genotypů na úkor heterozygotů =^> F « index fixace alely Četnost genotypů při inbrídingu, za 1 generaci AA Aa aa t \ \ [p2 + Fpq] + [2pg.(1 - F)] + [q2 + Fpq] = 1,00 INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Vliv příbuzenské plemenitby II Vzrůstá počet homozygotních genotypů a snižuje se počet heterozygotů Heterozygotnost Het=HetHW(1-F) = 2pq(1-F) F ~ heterozygotní deficit vVelikost změn je dána: • hodnotou F • velikostí počátečních frekvencí alel Alelové frekvence se neměnil > Inbrední deprese INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky 7^.T^B ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVMWMW EVROPSKÁ UNIE 1 mládeže a tělovýchovy im n«uu™™r»(>™i ^na** H!ff O (i) 7^.T^B ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVoHUMW ^.^^jT EVROPSKAUNIE ■ m láo e íe a tělovýchovy WO UMipU ^na** Projevy inbrední deprese Snižuje plodnost - velikost vrhu a kvalita spermií Zvyšuje výskyt genetických onemocnění Nižší porodnost Vyšší mortalita mláďat Nižší růstová intenzita Menší velikost dospělých jedinců Ztráta či nedostatečnost funkce imunitního systému EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OPViMMiM mláoeíe a tělovýchovy P» * m INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Náhodný genový (genetický) drift (posun) Náhodný (stochastický) evoluční proces Změny četnosti alel v malých populacích v důsledku náhodného výběru vzorku mezi gametami, chyba výběru Čím menší výběr, tím větší je jeho chyba Variabilita alelových četností v následující generaci c2 _p(1-p) (p;<7) n směrodatná odchylka: Sn. = + 2N I EVROÍ. Jeho velikost je dána velikostí populace a četností alel - nelze kontrolovat směr!!! ancována n fondem republiky ! X>-...... * * £ * ; <* * ^ 0 V l| • • Identical by descent (IBD) - identické podle původu ~ vztah k inbrídingu -oje vzdělAvAní TFRKTVO SkOI STVl OPVMilwíni h^^lS Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem , , ^_ _ ^« ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OPViMMiM J^^^x,- r EVROPSKÁ UNIE 9^^^ ■ mláoeíe a tělovýchovy p™ Knuuumwsrw™! mna*1 a státním rozpočtem Ceske republiky Účinek genetického driftu po jednu generaci i ~ Velikost Počet Směrodatná očekáván7' ři s.»=±tl^7 P°P"lace 9amet odchylka £e%ap3ep. INI ^ INI S p ± 2s >CL> _ o vní p = q = 0,5 5 10 0,16 0,18-0,82 % J 50 100 0,05 0,40-0,60 a. £ 500 1000 0,016 0,468-0,532 fo___ f— >LO -= > Ä .sd, p = 0,3 q = 0,7 I § 5 10 0,145 0,01 -0,59 f f 50 100 0,046 0,208-0,392 I ° 500 1000 0,0145 0,271 -0,329 EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY OP VzdáUkvJLd investice do rozvoje vzdělávání Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Příklad simulace GD 1. Y Počáteční frekvence alely/A je p = 0,5 Y Počáteční frekvence alely a je q = 0,5 Y Velikost populace N = 5 Y Počet generací 1-100 Generace Frekvence >A Frekvence £-F 2N 1 0,5 0,5 2 0,406139182974861 0,593860817025^39 3 0,0963863334649935 0,903613666535007 4 0,00 1,00 eliminace alely A |y| fixace alely a JO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNI Tato prezentace je spolufinancována ■ 1--i inu 7^^^ ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ. OPVMilwíni Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky EVROPSKÁ UNIE a.oeíe a tělovýchovy pr* konhufrtCWCbopfWťt ^JVA** Příklad simulace GD II. Y Počáteční frekvence alely/A je p = 0,5 Y Počáteční frekvence alely a je q = 0,5 Y Velikost populace je N = 100 Y Počet generací 1 -100 Generace Frekvence A Frekvence a 1 0,5 0,5 2 0,568280861725784 0,431719138274216 3 0,575873980370522 0,424126019629478 4 0,334372396138572 0,666562760386143 99 0,0194424676540079 0,980557532345992 100 0,0293774019006036 0,970622598099396 |V/|ř | ^em/í, INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNI |Vy|*|— a» lkal Tato presentace je s pol u financova na %VIV <ř Evropským sociálním fondem EVROPSKÁ UNIE ^ — —^^m M •»! i INI O I IT r-v a i , w or\*_/l_£S i V 1, vr *cua«iraiu ^ — m^r ^B^F mi ÁnFŕF a TŕL nvínHnw m kntfuinn«*«h«xt«i ^ttA^ s státním rozpočtem české republiky Závěr GD v ztráta genetické diverzity a fixace alel v populacích, a z toho vyplývající redukce evolučního potenciálu v diverzifikace mezi populacemi pocházejících ze stejného zdroje (fragmentování populací) v GD znásobuje účinnost přirozené selekce EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY OP VzdáLAvAiy w INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolu Financova na Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Drift jako příčina inbrídingu fixace ► homozygotnost inbríding drift v malých populacích protože se alely stávají identické podle původu (IBD) Populace v generaci t-1 Populace v generaci t 2N alel OOOOOOOOOOOOO IBD oooooooooooo EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEÍE a TĚLOVÝCHOVY t TU. INVESTICE DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky Genetika populací - závěr Výsledky lze využít: Porovnání plemen a linií, druhy Zkoumání procesu evoluce Záměrná šlechtitelská práce Předcházení nadměrnému inbrídingu Ochrana genových rezerv Kvalitativní znaky (gen ~ znak) Kvantitativní znaky (geny v anonymitě davu) EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁOEřE a TĚLOVÝCHOVY i_! m INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem s státním rozpočtem české republiky