Kimura Drift2 skenovat0001 40 200 100 400 500 a1 a2 z a1 Gg a2 d b substituce = nahrazení jedné alely jinou (tj. fixace nově vzniklé alely) jestliže se jedinec během svého života nerozmnoží, označujeme to jako jeho genetickou smrt J.B.S. Haldane (1957): prospěšná mutace ® fixace výhodné alely a nahrazení alely nevýhodné dokud původní alela existuje v populaci, průměrná fitness nižší než fitness maximální Substituční zátěž a selekční náklady File:J. B. S. Haldane.jpg J.B.S. Haldane File:J. B. S. Haldane.jpg substituční zátěž*): ; pokud , L = 0 obecně měří, do jaké míry je průměrný jedinec v populaci méně zdatný než nejlepší genotyp vyjadřuje pravděpodobnost, že průměrný jedinec zemře před svou reprodukcí *) mutační zátěž: vznik nevýhodné alely; segregační zátěž: náklady na homozygoty při superdominanci (zvýhodnění heterozygotů) Selekční náklady: Nahrazení jedné alely v populaci za druhou si můžeme představit jako „selektivní smrt“ původní alely Čím je intenzita selekce vyšší, tím větší množství původní (nevýhodnější) alely je v každé generaci z populace vyřazeno („zemře“) Pokud by selekce byla příliš silná, mohla by způsobit extinkci celé populace Þ nutná nadprodukce potomstva např. jestliže poměr nepřeživších a přeživších alel 0,1/0,9 každý přeživší jedinec by musel vyprodukovat o 1/9 potomků navíc, ale jestliže poměr 0,999/0,001 ® ~1000 potomků navíc! Haldane: horní limit selekčních nákladů » substituce 1 genu/300 generací Þ evoluce nemůže probíhat moc rychle, selekční náklady by byly příliš vysoké NEUTRÁLNÍ TEORIE MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Moderní syntéza: debata selekce vs. drift začátek 60. let 20. stol. ® sekvence aminokyselin v proteinech 1966: elektroforéza proteinů Richard Lewontin a Jack Hubby - Drosophila pseudoobscura; Harry Harris - člověk ® polymorfismus v přírodních populacích Data získaná do konce 60. let naznačovala, že: Evoluce na molekulární úrovni probíhá konstantním tempem Evoluce na molekulární úrovni probíhá konstantním tempem srovnání rozdílů AA mezi a- a b-globinem Data získaná do konce 60. let naznačovala, že: Rychlost molekulární evoluce je relativně vysoká Rozsah genetické proměnlivosti v populacích je příliš vysoký ... obojí by vyžadovalo vysoké selekční náklady Þ polymorfismus nemůže být udržován selekcí Proč v populacích tak velký polymorfismus? Motoo 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 M. Kimura (1968) J.L. King & T.H. Jukes (1969) neutrální teorie molekulární evoluce Kimura M. Kimura skenovat0002 1. většina substitucí alel v populaci je neutrální (Þ drift) Základní postuláty neutrální teorie: rychlá fixace výhodné mutace rychlá eliminace nevýhodné mutace neutrální alela se fixuje náhodně současná existence několika alel většinou jen 1 alela v populaci Grafika2 fibrinopeptidy 8,3 pankreatická ribonukleáza 2,1 lyzozym 2,0 alfa-globin 1,2 inzulin 0,44 cytochrom c 0,3 histon H4 0,01 2. evoluční rychlost u různě důležitých proteinů se liší 2. evoluční rychlost u různě důležitých proteinů se liší Př.: transient receptor potential vanilloid (TRPV) channel protein: 3. rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu (vazebná místa ´ strukturní oblasti) http://www.epernicus.com/figures/1223/zoomed/1223.jpg?1243538696 vazebné oblasti jsou evolučně konzervativnější molekula ATP 4. rozdílná evoluční rychlost na jednotlivých místech kodonu... http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch13/13_07-genetic_code.jpg 64 kodonů... ... ale 20 aminokyselin všechny nesynonymní! Evolutionary Genetics - ppt download skenovat0004 ... a v různých částech genomu podobně M. Grunstein (1976): evoluční rychlost histonu H4 u 2 druhů mořských ježovek 84 bp mtDNA ® 9 z 10 rozdílů synonymních http://images.gizmag.com/hero/nissans-leather-seats-like-human-skin-4.jpg https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSbEXZJ3IFYe5I4_F2mBefY6k4YNaQg7mLIpCn9-5A0Je4 uQKwE http://eatsomethingsexy.com/wordpress/wp-content/uploads/2010/10/seaurchin.jpg http://www.365daysofdining.com/wp-content/uploads/sea-urchin.jpg nadbytek synonymních nukleotidových záměn ® hlavně na 3. pozici M. Kimura (1977): sekvence mRNA člověka a králíka ® z 53 nukleotidových pozic 6 rozdílů, z nich jen 1 nesynonymní ´ teoreticky by pouze 24 % rozdílů mělo být synonymních Clock2 5. rychlost evoluce daného proteinu u různých druhů přibližně konstantní Kimura (1983), obratlovci, a-globin: Wilson (1977), savci, 7 proteinů: převážně se netýká morfologických, fyziologických a behaviorálních znaků nemůže vysvětlit vznik adaptací mnoho škodlivých mutací, ty však rychle eliminovány selekcí selekce působí i na molekulární úrovni, avšak většina mutací má velmi malý účinek na fitness Þ důležitá role driftu Haldaneův odhad selekčních nákladů je nadhodnocený: selekce většinou měkká, ne tvrdá frekvenčně závislá selekce místo superdominance selekce nepůsobí na jednotlivé lokusy odděleně (epistáze) Podle neutrální teorie rychlost molekulární evoluce závisí jen na rychlosti neutrálních mutací m, ne na velikosti populace Jak je to možné? Rychlost molekulární evoluce: V malé populaci rychlejší fixace, ale menší počet mutací Þ delší interval mezi fixacemi větší populace: za generaci více mutací průměrná doba fixace = 4Ne průměrný interval mezi fixacemi = 1/m větší populace: za generaci větší počet mutací, ale fixace pomalejší menší populace: fixace rychlejší, ale menší počet mutací Pravděpodobnost fixace nové mutace = 1/(2Ne) Průměrný počet neutrálních mutací/generaci = 2Nem Frekvence substituce (nahrazení jedné alely za jinou v populaci): 1/(2Ne) ´ 2Nem = m Þrychlost neutrální evoluce není závislá na Ne, ale jen na frekvenci neutrálních mutací m , kde q = 4Nem Průměrná rovnovážná heterozygotnost: neustálý vznik nových mutací Þ zvýšení proměnlivosti ´ její eroze driftem Þ neustálé nahrazování jedné alely za druhou Dochází k rovnováze mutace a driftu Þ polymorfismus (na rozdíl od rovnováhy mutace a selekce) je přechodný větší populace Þ vyšší heterozygotnost mutace prospěšné škodlivé Frekvence neutrálních substitucí: Zeyl & DeVisser (2001): kvasinka Saccharomyces cerevisiae 50 populací, 1 jedinec v každé generaci experiment nezachycuje extrémně škodlivé mutace (letalita) bimodální rozdělení mutací kvasinka RNA viry Hetero Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti heterozygotnost podle NT Heterozygotnost Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí je rozsah heterozygotností příliš malý Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti Odchylky měření rozsahu heterozygotnosti od predikcí se snažila vysvětlit Tomoko Ohtová: mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM) Ohta substituce i mírně škodlivých alel http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/evolution/public/images/TOhta.JPG v malých populacích se chovají jako efektivně neutrální alely Pozn.: protože q = 1/(2N), bude čitatel v rovnici zjednodušen na 1 – e^2s Pravděpodobnost fixace neutrální, výhodné a škodlivé mutace: Př.: Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 1000? neutrální mutace (s = 0): P = 0,05 % výhodná mutace (s = 0,01): P = 2 % výhodná mutace (s = 0,001): P = 0,2 % škodlivá mutace (s = -0,001) P = 0,004 % čím víc s ® 0, tím vyšší „neutralita“ Z toho plyne, že 1) všechny výhodné mutace nemusí být v populaci zafixovány 2) Naopak s malou pravděpodobností mohou být zafixovány i škodlivé mutace Pozn.: protože q = 1/(2N), bude čitatel v rovnici zjednodušen na 1 – e^2s Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 10 000? neutrální mutace (s = 0): P = 0,005 % výhodná mutace (s = 0,01): P = 2 % výhodná mutace (s = 0,001): P = 0,2 % škodlivá mutace (s = -0,001) P » 0 % ve velké populaci je P výhodné alely stejná jako v malé, ale pro škodlivou alelu P ® 0 Závěr: 1) ve velkých populacích hraje mnohem větší roli selekce a naopak s klesající velikostí roste relativní význam driftu 2) existuje nepřímá úměra mezi škodlivostí mutace a velikostí populace: čím se škodlivost alely blíží nule, tím větší může být populace, ve které se může fixovat (drift převýší negativní selekci) a naopak, čím je selekce proti škodlivé mutaci silnější, tím menší musí být populace, aby drift hrál určující roli 3) To znamená, že v malých populacích se mírně škodlivé mutace chovají jako efektivně neutrální Clock2 MOLEKULÁRNÍ HODINY Zuckerkandl & Pauling (1962-65) rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní 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 Stejná vzdálenost člověka a myši nebo čolka od žraloka Þ žádný vliv generačního času obě datovací metody ukazují téměř konstantní tempo nezávislé na generačním čase Generační, nebo absolutní čas? Akumulace neutrálních substitucí u placentáních savců: druhy s většími populacemi mají tendenci mít kratší generační čas Velikost populace a generační čas: Þ možné vysvětlení závislosti na absolutním čase: v menších populacích dochází k substituci i mírně škodlivých alel http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7e/SNP_saturation.PNG/300px-SNP_saturation.PN G Scan20001.TIF Molekulární hodiny ale „netikají“ u různých skupin stejně např. kytovci < „sudokopytníci“< primáti < myšovití hlodavci u primátů opice Starého světa > „lidoopi“ > člověk Problém saturace sekvencí: ® použití vhodného evolučního modelu („narovnání“ křivky) metoda relaxovaných molekulárních hodin SPOJENÁ EVOLUCE A MOLEKULÁRNÍ TAH ribozomální DNA globinové geny 40 200 100 400 500 a1 a2 z e Gg a2 d b současné geny vznikly sérií duplikací dvojice druhů lidoopů se vzájemně liší ~ 2,5 AA substitucemi v a1 i a2 genu ... ... mezi a1 a a2 genem je akumulováno velmi málo rozdílů ... ... ve skutečnosti je daná duplikace starší než 300 milionů let Þ molekulární hodiny v tomto případě neplatí, geny se nevyvíjí nezávisle – evoluce je spojená Mechanismy spojené evoluce: Gabriel Dover (1982): Molekulární tah (molecular drive) mechanismus odlišný od selekce a driftu 1. nestejnoměrný crossing-over 1 2 3 1 2 3 ´ 2 3 1 1 2 3 3 ztráta kopie získání kopie ´ ´ ´ získání mutantní kopie ztráta normální kopie získání mutantní kopie ... atd. ... 2. sklouznutí nukleotidového řetězce (slippage) 3. genová konverze File:Conversion and crossover.jpg Závěr: důsledkem nestejnoměrného crossing-overu a sklouznutí řetězce je změna počtu kopií důsledkem nestejnoměrného c-o a genové konverze je homogenizace sekvencí