1) primární sekvence proteinů Sanger 1955: sekvence inzulinu 1960’s: sekvence dalších aminokyselin ® divergence mezi druhy, rychlost evoluce Biology Pictures: Human Insulin Sequence 2) elektroforéza proteinů ® vnitrodruhový polymorfismus SPIFE High Resolution Protein Electrophoresis Blood serum protein electrophoresis electrophoretogram Stock Vector | Adobe Stock sekvence AA a-řetězce hemoglobinu 6 druhů obratlovců: Introduction 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 ... do té doby přesvědčení, že fenotypová a molekulární variabilita musí odrážet změny prostředí nebo šířku ekologické niky Ch16 lecture reconstructing and using phylogenies rychlost evoluce pro daný protein přibližně konstantní LECTURE PRESENTATIONS For CAMPBELL BIOLOGY, NINTH EDITION Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert. - ppt download Zuckerkandl a Pauling (1962, 1965): molekulární hodiny duplikace globinů na a a b podjednotku ® potom nezávislá evoluce srovnání rozdílů mezi a a b globinem: evoluce běží konstantním tempem Pozor: molekulární hodiny nejsou metronom! akumulace mutací v čase 5 nezávislých realizací Poissonova (mutačního) procesu: Např. jestliže k mutaci dojde v průměru jednou týdně (třeba u viru chřipky nebo HIV), pak za 12 týdnů bude očekávaný počet mutací 12. ALE: 95 % linií bude mít mezi 6 a 18 mutacemi. 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 K čemu jsou nám molekulární hodiny? Např.: Kdy žil společný předek gorily a člověka? ? Genetic Common Ancestry Concept for Evolution of Primates Stock Image - Image of genetics, gene: 41774569 sekvence DNA gorily sekvence DNA člověka Jak ale zjistíme čas? Nutná kalibrace Why we're closer than ever to a timeline for human evolution | Evolution | The Guardian Akademon Kalibrace pomocí přímých odhadů mutační rychlosti? sekvence z rodokmenů rodič: AAGCTTCATAAGTTTCCAG potomek: AAGCTTCTTAAGTTTCCAG ALE: v některých případech (např. mtDNA) rychlejší evoluce na na kratších evolučních škálách = time dependence of molecular evolution koalescence uvnitř druhů doba mezi vnitrodruhovými koalescencemi a speciací koalescenční historie před speciací kromě letálních mutací » mutační rychlost » rychlost substitucí alel ~ A-B ~ A-C ~ A-D Subramanian & Lambert: Time Dependency of Molecular Evolutionary Rates? Yes and No (Genome Biology and Evolution, 2011) lokusy pod selekcí ® časová závislost neutrální lokusy ® bez časové závislosti 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 na jednu bázi je konstantní ´ různá míra omezení mění rychlost neutrálních mutací Mutační rychlost podle neutrální teorie: 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