MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Genetická zátěž a selekční náklady • Jestliže ne všichni jedinci v populaci mají optimální fitness, w < wopt genetická zátěž populace, L = \-w • měří, do jaké míry je průměrný jedinec v populaci méně zdatný než nejlepší genotyp • L vyjadřuje pravděpodobnost, že průměrný jedinec zemře před svou reprodukcí • genetické smrti • Jestliže w = H>opt, L= 0, jestliže všichni až na jednoho w = 0, L= 1 • Prospěšná mutace —» genetická zátěž = substituční zátěž: fixace výhodné alely a nahrazení alely nevýhodné - dokud původní alela existuje v populaci, prům. fitness nižší než optimální wopt - w Wopt Genetická zátěž a selekční náklady • Selekční náklady (Haldane, 1957): • pokud substituce během 3 generací: genetická smrt všech jedinců bez výhodné mutace během prvních dvou generací (kromě lvi. generaci, aby se mutantní jedinec mohl rozmnožit), ve 3. generaci gen. smrt všech jedinců bez obou výhodných alel) => vysoká zátěž • A (/?, w = 1), A9 ( potomstvo navíc, např. jestliže poměr 0,1/0,9 každý přeživší —» 11/9 potomstva, ale jestliže poměr 0,999/0,001 —» 1000 potomstva navíc sq • horní limit selekčních nákladů —> Haldane: substituce 1 genu/300 generací • segregační zátěž: super dominance => znevýhodnění homozygotů • problém vysokého polymorfismu Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce • Moderní syntéza, debata selekce vs. drift • začátek 60. let 20. stol. —» sekvence AA • 1966: Lewontin & Hubby - D. pseudoobscura; Harris - člověk —» rozsáhlý polymorfismus 1. Rychlost molekulární evoluce příliš vysoká (vysoké selekční náklady) 2. Rozsah genetické proměnlivosti v populacích příliš vysoký (vysoká substituční zátěž => polymorfismus neudržován selekcí, je přechodný) Molekulární evoluce ad 2) genetická proměnlivost - selekce vs. drift 5/5 O O) O 0 0 výhodné/nevýhodné mutace r> + r> * r\ í r\ í r\ Cas neutrální mutace Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce • Moderní syntéza, debata selekce vs. drift • začátek 60. let 20. stol. —» sekvence AA • 1966: Lewontin & Hubby - D. pseudoobscura; Harris - člověk —» rozsáhlý polymorfismus N) 1. Rychlost molekulární evoluce příliš vysoká (vysoké selekční náklady) 2. Rozsah genetické proměnlivosti v populacích příliš vysoký (vysoká substituční zátěž => polymorfismus neudržován selekcí, je přechodný) 3. Konstantnost molekulární evoluce 4. Vyšší rychlost evoluce u funkčně méně důležitých částí f 1 molekuly • Motoo Kimura (1968) neutrální teorie • j.L. King & T.H. Jukes (1969) molekulární evoluce x měkká selekce, frekvenčně závislá s., s. nepůsobí na jednotlivé lokusy odděleně Haldaneovy selekční náklady nadhodnocené Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (=> drift) selekcionismus neutrnlismus Zeyl & DeVisser (2001) 10 i 9 1 C C Cü E 6 Í 5 1 w 4 I 3 1 0 4- škodlivé i i.Q \J_ O** U.IJtŕ Competitive ratio of mutant lines to initial genotype prospešné 0.88 0.92 0.96 Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (=> drift) selekcionismus neutrnlismus 2. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů Počet substitucí aminokyselin na 100 molekul fíbrinopeptidy n q n \z i* a q í i r* \z ék 8,3 JJťllllVI dllUlVťl ribonukleáza 24 lyzozym 2,0 alfa-globin 1,2 inzulín 0,44 cytochrom c 0,3 histon H4 0,01 Doba divergence (miliony let) Molekulární evoluce Neutrální teorie molekulární evoluce 3. Rozdílná evoluční rychlost na různých částech molekuly (vazebná místa x strukturní oblasti) 4. Rozdílná rychlost na jednotlivých místech kodonu 5. Rychlost evoluce daného proteinu u různých organismů přibližně konstantní • převážně se netýká morfologických, fyziologických a behaviorálních znaků • nemůže vysvětlit vznik adaptací • mnoho mutací škodlivých, ty však eliminovány selekcí • selekce působí i na molekulární úrovni, avšak většina mutací má velmi malý účinek na fitness => drift hraje výraznou roli Molekulární evoluce Teoretické principy neutrální teorie 1. Frekvence nové mutace: p0 = l/(2Ne) => pravděpodobnost její fixace = l/(2Ne) 2. Rychlost fixací nezáleží na Ne: pravděpodobnost fixace l/(27Ve) průměrný počet neutrálních mutací v každé generaci = 27VejLi l/(27Ve) x 2A^e|LL = ji =^> rychlost fixací rovna jli 5fi O > o Cas W5 O i 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/ jll we střední, « mutace % 4. Doba fixace = 47Ve generací frekventovanější < 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: e , kde 0 = 47Ve|i frekventované o (9+1 §9 A O JVe malé, | mutace málo ^ 3 0 Cas větší populace —> vyšší heterozygotnost neustálý přítok nových mutací —> zvýšení proměnlivosti x eroze driftem => neustálé nahrazování jedné alely za jinou = rovnováha mutace a driftu teorie molekulární evoluce Molekulární evoluce Test heterozygotnosti Očekávaná heterozygotnost Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT i 0.25 r 0.20 h I 0.15 O | 0.10 0.05 h ♦ • • • • ' 4 6 8 10 Velikost populace (log) 12 14 • Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, rozsah heterozygotnosti příliš malý neutralismus mírně škodlivé mutace Tomoko Ohtová: mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM) teorie molekulární evoluce Molekulární evoluce 10 Zeyl & DeVisser (2001) CO 7 43 7 C Í 6 co 15 o I 3 I HUH I I 1 "" *~ T T r™n-------1— 0.6 0.64 0.68 0.72 0.76 0.6 0.84 0.88 0.92 O.jS 1 Competitive ratio of mutant lines to initial genotype i i .04 1.08 neutralismus mírně škodlivé mutace Tomoko Ohtová: mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM) Molekulární hodiny ťnrp Molekulární evoluce • 1962 Zuckerkandl & Pauling: rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní • efekt generační doby —» závislost na absolutním čase x generačním čase 0.9 0.81 V 0.7 s *-* r v. 0.6 íp £ +J 0.5 4* >V 0.4 >* w 1 0.3 "Ö T A 0.2 0.1 h 0 100 200 300 400 Čas (miliony let) 500 Molekulární evoluce EVOLUCE GENOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) Prokaryota: • 6xl05 - 107 (20x) • nejmenší: Mycoplasma (celkem ca. 400 genů) • největší: někt. G+ bakterie, sinice Eukaryota: • 8,8xl06- 6,9xlOn (80 OOOx) • žádný vztah ke složitosti organismu nebo počtu genů • velké rozdíly i u příbuzných organismů: Paramecium caudatum (8 600 000 kb) x P. aurelia (190 000 kb) EVOLUCE GENOMU Molekulární evoluce Spřažená evoluce Genové shluky a genové rodiny G„ a2 ô ß 500 Mechanismy spřažené evoluce: 1. nestejnoměrný crossing-over 400 2. sklouznutí nukleotidového řetězce (slippage) 3. genová konverze —> homogenizace sekvencí 1. a 2. mění počet kopií, homogenizace obou chromozomů 3. nemění počet kopií, homogenizace jednoho chromozomu Dover (1982): Molekulární drive (tah) = mechanismus spřažené evoluce genových shluků a rodin různými mechanismy horizontálního přenosu DNA a driftem Molekulární evoluce EVOLUCE GENOMU Repetitivní DNA: 1. Vysoce repetitivní = satelitní 2. Středně repetitivní = minisatelity, mikrosatelity 3. Transpozabilní elementy, retroelementy (SINE, LINE) Proč existuje repetitivní DNA? • nějaká funkce • Doolittle a Sapienza, Orgel a Crick (1980): sobecká DNA (selfish, junk)