sekvence AA a-řetězce hemoglobinu 6 druhů obratlovců:






sekvence AA a-řetězce hemoglobinu 6 druhů obratlovců:
XY = XZ
přestože kapr a žralok morfologicky podobnější, žralok je stejně vzdálen od kapra jako od člověka
Þ rozdíly v AA se kumulují konstantně v čase bez ohledu na fenotypovou evoluci
http://static.squarespace.com/static/5181d5b7e4b07b8c66ed5614/t/528eeee2e4b0fc15797f8ebf/1385098979
427/chicken.jpg http://images.yourdictionary.com/images/definitions/lg/house-mouse.jpg
http://www.warrenphotographic.co.uk/photography/bigs/04804-Common-Newt-white-background.jpg
http://www.dpi.nsw.gov.au/__data/assets/image/0015/318300/Common-carp-Pat-Tully.jpg
http://interactivemedia.seancohen.com/fa2012/Lam_Joan/web2/assignment6/sliding-horizontal-parallax/
images/shark.png http://pixabay.com/static/uploads/photo/2014/02/20/08/45/man-270415_640.png

Clock2
Zuckerkandl and Pauling (1962, 1965): molekulární hodiny
... do té doby přesvědčení, že fenotypová a molekulární variabilita
musí odrážet změny prostředí nebo šířku ekologické niky
rychlost evoluce pro daný protein přibližně konstantní
srovnání rozdílů mezi a a b globinem

Pozor: molekulární hodiny nejsou metronom!
akumulace substitucí v čase
5 nezávislých realizací Poissonova procesu:

Molekulární hodiny „netikají“ u různých skupin stejně
např. kytovci < „sudokopytníci“< primáti < myšovití hlodavci
u primátů opice Nového světa > opice Starého světa > „lidoopi“ > člověk
ptáci:

Rozdíly v rychlosti „tikání“ hodin
velikost těla? generační doba?
http://images.yourdictionary.com/images/definitions/lg/house-mouse.jpg
http://www.sdwhalewatch.com/wp-content/uploads/2014/05/Fin-Whale.png

Rozdíly v rychlosti „tikání“ hodin
velikost populace? ... souvisí s velikostí těla
E. coli

http://images.yourdictionary.com/images/definitions/lg/house-mouse.jpg
http://www.sdwhalewatch.com/wp-content/uploads/2014/05/Fin-Whale.png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Shark_fish_chondrichthyes.jpg
http://www.warrenphotographic.co.uk/photography/bigs/04804-Common-Newt-white-background.jpg
Nedokáže ale vysvětlit, proč substituční rychlost
obecně vyšší u teplokrevných organismů
Rozdíly v rychlosti „tikání“ hodin

Rozdíly v rychlosti „tikání“ hodin
metabolismus?
mutační (a tím i substituční) rychlost dána především rychlostí
metabolismu (rychlejší metabolismus Þ vyšší oxidativní stres)
Þ menší druhy = rychlejší metabolismus = rychlejší hodiny
Vysvětluje, proč teplokrevní mají vyšší
substituční rychlost než studenokrevní
výjimky: např. ptáci mají na svou
velikost nízkou substituční
rychlost

Rozdíly v rychlosti „tikání“ hodin
délka života?
Dlouhověké druhy si vyvinuly mechanismy, jak se bránit oxidativnímu
stresu Þ méně mutací Þ nižší substituční rychlost
Gillooly et al. (2005): hodiny vztaženy na jednotku
metabolické energie adjustované na hmotnost
Při změně funkce genu nebo po jeho duplikaci se mění
rychlost hodin

Pozor při využívání molekulárních hodin:
Rozdíly v substitučních rychlostech mezi skupinami
  organismů
Správná kalibrace: např. pro Metazoa často jen jeden
kalibrační bod – savci-ptáci
Intervaly spolehlivosti často velmi široké

Kromě mezidruhové divergence (sekvence AA) i
vnitrodruhová variabilita (elektroforéza proteinů)
do 60.-70. let 2 školy:

http://www.liu.se/forskning/scientium/members/linda-helmfors/1.317729/drosophilamelanogaster.jpg
[USEMAP]
Thomas Henry Morgan, Hermann J. Muller: „klasická škola“
inbrední kmeny D. melanogaster, var. ovlivňující morfologické znaky
(barva očí, struktura křídelní žilnatiny)
® variabilita omezená
T.H. Morgan
H.J. Muller

http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7167/images/nature06324-f1.2.jpg
Alfred Sturtevant, Theodosius Dobzhansky: „rovnovážná škola“
přírodní populace octomilek, struktura proužků obřích chromozomů
(chrom. inverze)
® vysoká variabilita, balancující selekce
File:Theodosius Dobzhansky,.jpg
A. Sturtevant
T. Dobzhansky
1966: Harris – člověk
  Lewontin and Hubby – D. pseudoobscura
  Johnson et al. – Drosophila
20–30 % lokusů
polymorfních
http://www.dnalc.org/content/c16/16286/16286_sturtevant49.jpg

Motoo Kimura (1968)
J.L. King a T.H. Jukes (1969)
Kimura ukázal, že evoluce neutrálních genů nezávisí
na velikosti populace ® jak je to možné?
Důvodem to, že NT nepojednává jen o driftu, ale o rovnováze mezi
driftem a mutací
Oboje pozorování – vysokou úroveň vnitrodruhové variability
a rychlou a konstantní evoluci mezi druhy
(molekulární hodiny) – se snaží vysvětlit
neutrální teorie molekulární evoluce
M. Kimura

Mol_drift.tif
Průměrná doba fixace nové mutace
= 4Ne
středně velká populace:
frekventovanější mutace
malá populace:
mutace málo frekventované
Průměrný interval mezi fixacemi
= 1/m
V malé populaci rychlejší fixace, ale
delší interval mezi fixacemi:

Mol_drift.tif
Pravděpodobnost fixace nové mutace
= 1/(2Ne)
Průměrný počet neutrálních mutací
= 2Nem
Frekvence substituce (nahrazení jedné
alely za jinou v populaci):
1/(2Ne) ´ 2Nem = m
Þ rychlost neutrální evoluce
    nezávislá na Ne, ale jen na m

Z toho plyne, že
drift je důležitým evolučním mechanismem nejen v malých,
ale i ve velkých populacích
Proč v populacích tak velký polymorfismus?
Kimura: protože jsou alely neutrální, trvá mnoho generací, než nová
mutace dospěje k fixaci – během té doby je populace nutně
polymorfní = přechodný polymorfismus
Často během přechodu k fixaci dojde v dané alele k další mutaci Þ
v dostatečně velké populaci bude v každém okamžiku velké
množství variability.
Populace je v rovnováze driftu a mutace

Mol_sel.tif
rychlá fixace výhodné mutace
neutrální alela se fixuje náhodně
rychlá eliminace nevýhodné mutace
současná existence několika alel
většinou jen 1 alela v populaci

Rovnovážná heterozygotnost:
mutace: model nekonečných alel (infinite-alleles model) – každou mutací
vzniká zcela nová alela
v tomto modelu identity by descent (IBD) = identity by state (IBS)
(stejná alela nemůže vzniknout 2´ nezávisle)
k výpočtu pravděpodobnosti autozygotnosti (viz Inbreedingová efektivní
velikost populace [Drift II, snímky 6 a 7]) přidáme mutaci
jediná možnost, jak být IBD nebo IBS = žádná mutace: (1 – m)
2 gamety Þ (1 – m) ´ (1 – m) = (1 – m)2
Þ prům. Pr. [IBD v gen. t] = Pr. [IBD s driftem] ´ Pr. [0 mutací v obou gametách]:

Časem rovnováha drift–mutace ® drift zvyšuje IBD, mutace snižuje
v reálných populacích místo N ® NeF
Rovnovážná průměrná Pr. IBD = očekávaná homozygotnost při
náhodném oplození Þ očekávaná rovnovážná heterozygotnost
H = 1 – F
q = 4NeFm = poměrná síla mutace (m) ve vztahu k driftu (1/NeF):

Vztah mezi rovnovážnou očekávanou heterozygotností podle
modelu nekonečných alel a poměru rychlosti neutrálních mutací
a genetického driftu (q)
q = 4NeFm
H = q/(q + 1)

Mutační rychlost podle neutrální teorie:
Velká část mutací škodlivých/letálních (® eliminace selekcí)
občas pozitivní (® eliminace selekcí), zbytek neutrální:

RNA virus
kvasinka
SARS-CoV-2 – Wikipedie

Rozdílná mutační rychlost různých proteinů:
Mutační rychlost podle neutrální teorie:
hemoglobin funkčně důležitější

Rozdílná mutační rychlost různých proteinů:



Rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu (vazebná místa ´ strukturní oblasti)
Př.: indol-3-glycerolfosfát syntetáza (IGPS)
Problém: toto předpovídá i teorie selekce!!
Mutační rychlost podle neutrální teorie:
The active site found by PatchFinder in the IGPS enzyme (PDB ID: 1lbl).... | Download Scientific
Diagram
Nimrod et al., Bioinformatics (2004)
aktivní místo
Rozdílná evoluční rychlost na jednotlivých místech kodonu

Problém: toto předpovídá i teorie selekce!!
Rozdílná evoluční rychlost
na jednotlivých místech kodonu
Mutační rychlost podle neutrální teorie:
mutační rychlost na jednu bázi je konstantní
´ různá míra omezení mění rychlost neutrálních mutací

Problémy neutrální teorie:
70.–80. léta: problém s důkazem NT – absence dat
problém odhadu NeF
problém odhadu (normální) mutační rychlosti – ještě horší pro frekvenci
neutrálních mutací!
Þ možnost nastavení hodnot m a NeF tak, aby bylo možno vysvětlit
jakoukoli rychlost mezidruhové evoluce nebo vnitrodruhové
variability za předpokladu neutrality
Þ NT bylo obtížné testovat ® viz Fisher (1930’s): čím větší účinek
mutace má, tím vyšší pravděpodobnost, že bude škodlivá

Hetero
Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT
Rozsah heterozygotnosti:
heterozygotnost podle NT
Predikce NT: skutečná heterozygotnost je stejná jako očekávaná

Heterozygotnost
Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí
je rozsah heterozygotností příliš malý
Rozsah heterozygotnosti v závislosti na Ne
Predikce NT: protože m konstantní, veškerá proměnlivost očekávané
heterozygotnosti by měla být vysvětlena efektivní velikostí populace

Klíčovým parametrem NT je frekvence neutrálních mutací...
... ale co je to vlastně „neutrální mutace“?
Tomoko Ohta
Tomoko Ohtová:
mírně škodlivé mutace
(slightly deleterious mutations)
jestliže |s| < 1/(2Ne), bude
o jejich osudu rozhodovat
více drift než selekce
= Nearly neutral theory

Pr. fixace alely ve vztahu k Pr. fixace neutrální alely driftem
Jestliže 4Nes < 1, mutace je efektivně neutrální


Nepřímá úměra mezi škodlivostí mutace a velikostí populace:
čím se škodlivost alely blíží nule, tím větší může být populace, ve které se může fixovat a naopak,
čím je selekce proti škodlivé mutaci silnější, tím menší musí být populace, aby drift hrál určující
roli
.... blíž v přednášce o selekci!
Téměř neutrální teorie evoluce a rychlejší
evoluce chromozomu X?
menší Ne pro chr. X než pro autozomy
http://i1-news.softpedia-static.com/images/news2/A-History-of-the-Sex-Chromosomes-2.jpg
Mírně škodlivé mutace se v malých populacích chovají jako
efektivně neutrální