Drift6.jpg http://trailblazing.royalsociety.org/photos/1922SA.jpg https://faculty.etsu.edu/gardnerr/mathbio/wright1.gif http://www.bcx.org/blogs/animalblog/2011/20110331_Group_Of_Spekes_Gazelle_San_Diego_Zoo.jpg http://www.marymeetsdolly.com/blog/uploads/SickleCell_1222183673073.jpg http://www.crownheights.ch/blog/images/amish-ch%20(22).jpg Migrace.jpg genetika speciace Fst, Dxy, islands of divergence Mikroevoluce = vznik a osud genetické variability na druhové a nižší úrovni ® děje a mechanismy v populacích Evoluce = genetická změna populací v čase a prostoru Evoluce = změna frekvence alel v populacích 3 základní premisy populační genetiky: 1.DNA se replikuje 2.DNA mutuje a rekombinuje 3.Fenotypy vznikají interakcí DNA a prostředí Populační genetika idealizované predikce založené na obecných principech (např. mendelovská dědičnost) vysvětlení empirických výsledků (mikroevoluční mechanismy) •gen = jednotka dědičné informace … dodnes problém s vymezením •lokus = pozice genu nebo části sekvence •alela = alternativní forma sekvence DNA na daném lokusu •genom = soubor všech genů jedince (jaderný, mitochondriální...) •genotyp = soubor alel jednoho nebo více lokusů jedince • •haplotyp (haploidní genotyp) = kombinace alel na různých částech sekvence DNA, které jsou přenášeny společně http://kidshealth.org/kid/talk/qa/headers_97314/what_gene1.jpg Genetická architektura: počet lokusů (popř. jejich pozice v genomu) počet alel na lokus frekvence mutací (mutační rychlost) způsob a pravidla dědičnosti jeden lokus – např. autozom, X, Y, mtDNA více lokusů – smíšený zp. dědičnosti, z. kombinace alel, rekombinace Co je to vlastně populace? T. Dobzhansky, E. Mayr: populace jako společný genofond (gene pool) 1.soubor sdílených genů/alel 2.soubor potenciálních gamet produkovaných všemi příslušníky populace lokální populace (subpopulace, démy) globální populace, metapopulace populace přírodní, experimentální, zemědělské, modelové Kromě genů/gamet lokální populace sdílejí i systém páření (system of mating) Populační vzorek ≠ populace! Genotypové a alelové frekvence Genotyp A1A1 A1A2 A2A2 Celkem Četnost n1 n2 n3 N Frekvence fAA =n1/N fAa =n2/N faa =n3/N p = (2n1 + n2)/2N q = (n2 + 2n3)/2N Relativní četnosti = frekvence: genotypové: P (fAA), Q (fAa), R (faa) alelové (genové): p (A), q (a) fAA + fAa + faa = 1 p + q = 1 3.1.jpg Proč v přírodě nepozorujeme mendelovské poměry 3:1? http://www.thomasmore.edu/library/images/mendel_photo.jpg https://online.science.psu.edu/sites/default/files/biol011/Fig-6-2-F2-Generation.jpg http://www.dnaftb.org/images/5/Punnet.jpg Proč v přírodě nepozorujeme mendelovské poměry 3:1? [USEMAP] G. H. Hardy http://classconnection.s3.amazonaws.com/89/flashcards/4667089/png/brachydactyly-14423EE20494848DF9B .png Reginald C. Punnett brachydaktylie G. Udny Yule Měli bychom pozorovat 3´ víc lidí postižených než nepostižených! brachydaktylie = dominantní mendelovský znak Godfrey Harold Hardy (1877-1947) File:Ghhardy@72.jpg File:Wilhelm Weinberg.jpg Wilhelm Weinberg (1862-1937) 1908 Hardyho-Weinbergův model Mechanismy produkce gamet (genetická architektura): diploidní organismy jeden autozomální lokus 2 alely žádné mutace mendelovská segregace (1:1) Mechanismy spojování gamet (populační struktura): systém páření ® náhodné oplození (panmixie) velikost populace ® nekonečná genetická výměna ® žádná (absence toku genů) věková struktura ® žádná (diskrétní generace) Mechanismy vývoje fenotypů: všechny genotypy mají stejné fenotypy z hlediska schopnosti replikace DNA (absence selekce) Adultní populace mechanismus produkce gamet (z. o segregaci) Genofond (pop. gamet) Populace zygot Adultní pop. další generace Genofond příští generace mechanismus spojení gamet (náhodné oplození) mechanismus vývoje fenotypu (žádný účinek na viabilitu, repr. úspěšnost nebo fertilitu) mechanismus produkce gamet (z. o segregaci) Pr. produkce gamety A z AA = 1 ... z Aa = ½ ... z aa = 0 Pr. produkce gamety a z AA = 0 ... z Aa = ½ ... z aa = 1 známe-li zákony dědičnosti, z frekvencí genotypů můžeme vypočítat frekvence alel frekvence gamety typu j v genofondu gj = S Pr.(produkce gamety j genotypem k) x frekvence genotypu k genotypy různé adultní populace mohou produkovat stejný genofond gamet Þ genotypové frekvence nejsou jedinečně určeny frekvencemi gamet*) Þ musíme přidat další informaci ® populační struktura (panmixie)! *) matematicky: ze 2 proměnných nelze odvodit 3 proměnné! Pop. gamet efektivně nekonečná Þ výběr 1. gamety neovlivní výběr 2. gamety V nekonečné pop. pravděpodobnost jevu = frekvence tohoto jevu 3.2.jpg p2 + 2pq + q2 = 1 Hardyho odvození: Párování Frekvence páru Pravděpodobnost zygot AA Aa aa AA x AA fAA x fAA = fAA2 1 0 0 AA x Aa fAA x fAa = fAAfAa 1/2 1/2 0 Aa x AA fAa x fAA = fAafAA 1/2 1/2 0 AA x aa fAA x faa = fAAfaa 0 1 0 aa x AA faa x fAA = faafAA 0 1 0 Aa x Aa fAa x fAa = fAa2 1/4 1/2 1/4 Aa x aa fAa x faa = fAafaa 0 1/2 1/2 aa x Aa faa x fAa = faafAa 0 1/2 1/2 aa x aa faa x faa = faa2 0 0 1 Weinbergovo odvození: f’AA= fAA2 + 1/2fAAfAa + 1/2fAafAA + 1/4fAa2 = [fAA + 1/2fAa]2 = p2 f’Aa= 1/2[2fAAfAa] + 2fAAfaa + 1/2fAa2 + 1/2[fAafaa] = 2[fAA + 1/2fAa][faa + 1/2fAa] = 2pq f’aa= 1/4fAa2 + 1/2[2fAafaa] + faa2 = [faa + 1/2fAa]2 = q2 při náhodném párování Pr. 2 genotypů v páření = součin jejich frekvencí (a + b)2 = a2 + 2ab + b2 1. Frekvence alel z generace na generaci stálé = Hardyho-Weinbergova rovnováha 2. HW rovnováhy dosaženo už po 1 generaci náhodného křížení Zobecnění: geny vázané na X: samice: p2 + 2pq + q2 samci: p + q více alel: 3 alely: p2 + q2 + r2 + 2pq + 2pr + 2qr obecně pi2 + 2pij HARDYHO-WEINBERGŮV ZÁKON http://classconnection.s3.amazonaws.com/89/flashcards/4667089/png/brachydactyly-14423EE20494848DF9B .png Punnett http://www.dnaftb.org/images/5/Punnet.jpg brachydaktylie p2 + 2pq : q2 není důvod pro poměr postižených a nepostižených 3:1 Recesivní letální alela a ® 2 fenotypové kategorie: AA + Aa ® bez projevu choroby aa ® choroba se projeví Þ nemůžeme určit, kolik jedinců je nositelem choroby Þ frekvence nositelů choroby = ale předpokládáme-li HW, pak frekvence nemocných (můžeme spočítat) je q2 a HARDYHO-WEINBERGŮV ZÁKON Př.: fenylketonurie (PKU) frekvence výskytu PKU v České republice je 1 : 9000, tj. zhruba 0,00011. Jaké procento lidí jsou tzv. přenašeči? Vyjdeme-li z HW zákona, je frekvence homozygotů faa = q2, frekvence alely a je tudíž q = Ö0,00011 = 0,01049. 2pq = 2(1 – q)q = 0,02076. To znamená, že v České republice se vyskytují zhruba 2 % přenašečů fenylketonurie. K roku 2011 10 562 214 občanů Þ u nás přibližně 220 tisíc přenašečů PKU 3.3.jpg heterozygoti nejfrekventovanější při p = q = 0,5 fAa se snižuje rychlostí 2pq faa rychlostí q2 Þ zvyšování fAa/faa ® vzácná alela „schována“ v heterozygotním stavu Frekvence vzácných alel: Příčiny neplatnosti H-W rovnováhy: Metodické příčiny: Neplatnost některého z předpokladů H-W modelu: nulové alely „allelic dropout“ Snížení heterozygotnosti: selekce proti heterozygotům nenáhodné páření (inbreeding, asortativní páření) strukturovanost populace (rozdílné frekvence alel, Wahlundův efekt) Příčiny neplatnosti H-W rovnováhy: Metodické příčiny: Neplatnost některého z předpokladů H-W modelu: nulové alely „allelic dropout“ Snížení heterozygotnosti: selekce proti heterozygotům nenáhodné páření (inbreeding, asortativní páření) strukturovanost populace (rozdílné frekvence alel, Wahlundův efekt) Zvýšení heterozygotnosti: selekce podporující heterozygoty nenáhodné páření (outbreeding, negativní asortativní páření) migrace mutace H-W NA VÍCE LOKUSECH blízkost lokusů = vazba frekvence rekombinací r místo 3 genotypových kategorií ® 10 1 lokus ® jedinec může předat jen gamety získané od rodičů více lokusů ® může předat i jiné, např: rodiče AB x ab ® AB/ab …. gamety AB, ab s Pr. = ½(1 - r) ale i gamety Ab, aB (s Pr. ½r), které se u rodičů nevyskytují Þ 2 definice genofondu (1. = soubor genů sdílených v populaci, 2. populace potenciálních gamet produkovaných všemi adultními jedinci) nejsou v případě rekombinace ekvivalentní Může dojít k evoluci? nutno znát, jak je genofond definován! Př.: frekvence gamety AB v počátečním genofondu (gAB) a následující generaci (g’AB): g’AB = gAB – rD kde D = gABgab – gAbgaB = vazebná nerovnováha … podobně i pro ostatní typy gamet jestliže r > 0 (tj. dochází k rekombinaci) a D ¹ 0 (existuje vazba) pak platí gxy ¹ g’xy Þ dochází k evoluci! naopak při r = 0 multilokusový model ® jednolokusový k rekombinaci může dojít i uvnitř genu ~ jako mutace (tj. vznik nové alely) H-W NA VÍCE LOKUSECH vztah D a rekombinace r : Linkage.jpg D klesá v závislosti na r Pozor! vazebná nerovnováha nemusí přesně odrážet fyzickou blízkost/vzdálenost lokusů!! Linkage_2.jpg vazba mezi nejvzdálenějšími markery! absence vazby mezi nejbližšími markery! Laurie et al. (2007): pokles D se vzdáleností u člověka a myši člověk: 1 cM ~ 1 Mb myš: 1 cM ~ 2 Mb Příčiny vazebné nerovnováhy: absence rekombinace (např. inverze) nenáhodnost oplození selekce recentní mutace vzorek směsí 2 druhů s různými frekvencemi recentní splynutí 2 populací omezená velikost populace (náhodné kolísání frekvencí alel) vazebná nerovnováha nemusí být mezi lokusy na stejném chromozomu! 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 obecně častější u centromery, méně u telomer (neplatí pro všechny chromozomy, druhové rozdíly – např. u cibule naopak) malé chromozomy > frekvence rekombinací rekombinační „hotspots“: - u člověka ~25 000 - chybí u Drosophila melanogaster a Caenorhabditis elegans - častý vznik a zánik - zánik 1 místa často kompenzován zvýšenou aktivitou sousedního místa Centromeres are more recombinogenic than telomeres rozdíly v míře rekombinace mezi pohlavími: - Haldaneovo-Huxleyovo pravidlo: pokud jedno pohlaví nerekombinuje, jde o pohlaví heterogametické - pokud rekombinují obě pohlaví, u samic většinou více 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: Důsledkem je buď selekční smetení (selective sweep) pozitivní selekce častější výskyt vzácných alel nebo selekce na pozadí (background selection) negativní selekce Þ lokální ztráta polymorfismu absence rekombinace Þ hitchhiking (genetický draft) http://3.bp.blogspot.com/-BXOrTGd69rs/TtXmz0c2Z8I/AAAAAAAAAh0/qwrAgxAtWYU/s1600/HernandezFig1_an.pn g http://evolscientist.com/QtzlFig3.jpg http://www.nature.com/scitable/content/24827/schaffner_positiveselection-f1_FULL.jpg podle škodlivosti/prospěšnosti účinku: prospěšné škodlivé neutrální File:Pyrene adduct.jpg http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/images/dna-mutation.gif podle rozsahu: genové/bodové chromozomové genomové zpětné mutace: frekvence zpravidla 10´ nižší 1. substituce (transice, transverze) Bodové mutace 3.2.tif 2x méně možných transicí, ale ve skutečnosti mnohem víc (2–10x) než transverzí nekódující oblasti synonymní nesynonymní (záměnové) měnící smysl (missense) nesmyslné (nonsense) = „tiché“ (silent) substituce GTC ® GTA Val ® Val GTC ® TTC Val ® Phe AAG ® TAG Lys ® ochre (stop) Control region = indels ® posunutí čtecího rámce 2. inzerce ACGGT ® ACAGGT delece ACGGT ® AGGT inverze pericentrické paracentrické translokace fúze a disociace (robertsonské translokace) reciproké translokace celých ramen (WART) delece duplikace inzerce Chromozomové mutace (chr. přestavby) -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 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) rekurentní (opakované) mutace ® mutační tlak: počáteční frekvence A = p0 (= 1) mutace A ® a frekvence A v čase t = pt mutační rychlost = m (např. 10-4) p1 = p0(1 – m) p2 = p1(1 – m) = p0(1 – m)(1 – m) = p0(1 – m)2 ... pt = p0 (1 – m)t Mutation.jpg po 1000 generacích: p = 0,90 po 10 000 generacích: p = 0,37 po 20 000 generacích: p = 0,14 pt = p0 (1 – m)t doba nutná ke snížení frekvence A na polovinu = t1/2 t1/2 = ln(1/2)/ ln(1 – m) » 0,6931/ m Þ při m = 10-4 t1/2 » 6931 generací; při m = 10-5 t1/2 » 69 310 generací; při m = 10-6 t1/2 » 693 100 generací atd. Þ změna frekvence alely mutací velmi pomalá Mutační rychlost (m) mutace náhodné co do účinku, nenáhodné co do pozice a rychlosti transice > 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 Joshua a Esther Lederberg (1952): replica plating * = kolonie s odpovídající si polohou na původní misce * * stejná kolonie ještě před působením streptomycinu = selekce! selekce, nebo adaptivní mutace?