Science Focus - Living Fossils | Science Shepherd Blog Mikroevoluce = vznik a osud genetické variability na druhové a nižší úrovni ® děje a mechanismy v populacích (i mezi populacemi) Evoluce = genetická změna populací v čase a prostoru Evoluce = změna frekvence alel v populacích Populační genetika idealizované predikce založené na obecných principech (např. mendelovská dědičnost) vysvětlení empirických výsledků (mikroevoluční mechanismy) 3 základní premisy populační genetiky: 1. DNA se replikuje ® dědičnost 2. DNA mutuje a rekombinuje ® proměnlivost 3. Fenotypy vznikají interakcí DNA a prostředí ® selekce DNA Sequencing Does increasing the value of k in k-fold coverage requires more memory? - Biology Stack Exchange Gen nedir? Gen, alela, lokus… What are single nucleotide polymorphisms? + Example DNA Array Core | Scripps Research lokus lokus alela A alela G SNP = single nucleotide polymorphism Comparison of allele sizes at three EMBRA microsatellites using... | Download Scientific Diagram a. Principle of the microsatellite (SSR) based barcoding in the case of... | Download Scientific Diagram MICROSATELLITE MARKERS AND THEIR APPLICATION IN FISHERIES | Semantic Scholar alela 144 alela 152 lokus Genotyp 144/152 • • A Haplotype at the Adiponectin Locus Is Associated With Obesity and Other Features of the Insulin Resistance Syndrome | Diabetes haplotyp (haploidní genotyp) = kombinace alel na různých částech sekvence DNA, které jsou přenášeny společně gr1.jpg t haplotyp: např. mtDNA, chr. Y lokus haplotyp alela Spektrum alelových frekvencí (site frequency spectrum = SFS, allele frequency spectrum) SNP folded = jen vzácnější alely, považované za odvozené unfolded = všechny alely, rozlišení ancestrálních a odvozených umožňuje srovnání neutrální predikce a různých typů selekce singleton 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, kombinace alel, rekombinace Populace T. Dobzhansky, E. Mayr: populace jako společný genofond (gene pool) 1.soubor sdílených genů/alel 2.soubor potenciálních gamet produkovaných všemi příslušníky populace Pozor: ne vždy jsou oba koncepty totožné! lokální populace (subpopulace, démy) globální populace, metapopulace World population evolution | Historic growth and causes - Iberdrola Schematic representation of a metapopulation model. The system is... | Download Scientific Diagram Migration: the movement of alleles between populations; means gene flow: transfer of alleles from gene pool to gene pool; mechanisms range fr… | Biology, Flow, Gene populace přírodní, experimentální, zemědělské, modelové Kromě genů/gamet lokální populace sdílejí i systém páření (system of mating) Důsledky evoluce v subpopulacích a metapopulacích můžou být zcela opačné! Pozor: populační vzorek ≠ populace! Genotypové a alelové frekvence Genotyp AA Aa aa 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 28.2.1908 Epidemiologická sekce Královské lékařské společnosti Londýn 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 (populace gamet) Populace zygot Adultní populace 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) AA fAA Aa fAa aa faa A p = fAA + ½fAa a q = faa + ½fAa AA f´AA = p2 Aa f´Aa = 2pq aa f´aa = q2 AA f´AA = p2 Aa f´Aa = 2pq aa f´aa = q2 A p´ = p2 + ½ 2pq = p a q´ = ½ 2pq + q2 = q 1 ½ 1 ½ 1 ½ 1 ½ 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 gj = S Pr.(produkce gamety j genotypem k) ´ frekvence genotypu k genotypy Frekvence gamety j v genofondu: 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! A p = 0,5 a q = 0,5 ½ ½ 1 1 Aa fAa = 1 AA fAA aa faa AA fAA = 0,25 Aa fAa = 0,50 aa faa = 0,25 1 ½ 1 ½ A p = 0,5 a q = 0,5 A p = 0,5 a q = 0,5 Pop. gamet efektivně nekonečná Þ výběr 1. gamety neovlivní výběr 2. gamety V nekonečné pop. pravděpodobnost jevu = frekvence tohoto jevu Jedinci oboupohlavní (hermafroditi, jednodomé rostliny) 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 cca. po 10 generacích rovnovážná frekvence 2/3 *) pokud u samců a samic maximální rozdíl v počáteční frekvenci alel, rovnováhy dosaženo po dvou generacích http://classconnection.s3.amazonaws.com/89/flashcards/4667089/png/brachydactyly-14423EE20494848DF9B .png Punnett http://www.dnaftb.org/images/5/Punnet.jpg brachydaktylie Pokud letální alela a recesivní ® 2 fenotypové kategorie: AA + Aa ® bez projevu choroby aa ® choroba se projeví Þ nemůžeme určit, kolik jedinců je nositelem choroby Þ frekvence přenašečů = ale předpokládáme-li HW, pak frekvence nemocných (můžeme spočítat) je q2 a proto HARDYHO-WEINBERGŮV ZÁKON p2 + 2pq : q2 není důvod pro poměr postižených a nepostižených 3:1 alela D je dominantní Př.: fenylketonurie (PKU) Phenylketonuria Není k dispozici žádný popis fotky. 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 (null alleles, 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, disasortativní páření) migrace mutace Příčiny neplatnosti H-W rovnováhy: Metodické příčiny: Neplatnost některého z předpokladů H-W modelu: nulové alely (null alleles, allelic dropout) Snížení heterozygotnosti: selekce proti heterozygotům nenáhodné páření (inbreeding, asortativní páření) strukturovanost populace (rozdílné frekvence alel, Wahlundův efekt) 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 ´ 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, 2. = populace gamet) 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 (např. mtDNA) k rekombinaci může dojít i uvnitř genu ~ jako mutace (tj. vznik nové alely) H-W NA VÍCE LOKUSECH Vztah D a rekombinace r : r D klesá v závislosti na r Pozor! Vazebná nerovnováha nemusí přesně odrážet fyzickou 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 1,7´, myš 1,3´) 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?) podle škodlivosti/prospěšnosti účinku: prospěšné škodlivé neutrální podle rozsahu: genové/bodové chromozomové genomové zpětné mutace: frekvence zpravidla 10´ nižší DNA Mutations Do Not Occur Randomly – Discovery Transforms Our View of Evolution 1. substituce (transice, transverze) Bodové mutace Transition transverze Þ purin-purin, pyrimidin-pyrimidin Þ problém s párováním Þ oprava 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 -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) Genomové mutace Distribution of fitness effects (DFE) RNA virus (Sanjuan et al., PNAS 2004) letální mutace neutrální mutace prospěšné mutace Distribution of fitness effects (DFE) kvasinka (Eyre-Walker and Keightley, Nature 2007) Fisherův koncept hyperkoule: čím větší dopad mutace na fitness, tím vyšší pravděpodobnost, že je škodlivá m 2r Mutační rychlost (m) mutace náhodné co do účinku, nenáhodné co do pozice a rychlosti člověk: 1,1-2,3´10-8/bp/generaci Þ 10-10/bp/replikaci E. coli: ~ 10-9/bp/replikaci negativní korelace mezi mutační rychlostí a velikostí genomu: různé typy mutací – různé rychlosti, např. transice > transverze mutační „hotspots“: CpG u živočichů (metylovaný C ® T); TpT prokaryot „SOS reakce“ bakterií (reakce na poškození DNA), „contingency loci“, minisatelity (VNTR), mikrosatelity (STR) mtDNA > jad. DNA (u člověka řádově 1000´) 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, chřipka, covid) – absence opravných mechanismů Þ ~ 1 000 000 ´ vyšší frekvence mutací paraziti, protilátky, imunoglobuliny > m somatických mutací samci > samice: člověk 6´, hlodavci, liška: 2´ … více buněčných dělení v zárodečných buňkách Mutační rychlost (m) 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 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 10-8/bp/generaci: p = 0,5 za 69´106 generací! RNA viry: 10-4/bp/gen. ® 6900 generací Mutační modely: infinite allele model (m. nekonečných alel): každá mutace = nová alela; infinite site model (m. nekonečných pozic): jen jedna mutace na pozici finite site model (m. konečných pozic) stepwise mutation model (SMM; „krokový“ model) – mikrosatelity Computing Genetic Distances birth-death model (m. „narození-smrt“): „narození“ = duplikace, „smrt“ = pseudogenizace, subfunkcionalizace, neofunkcionalizace RESEARCH | ASSIS LAB Mutační modely: