VZNIK GENETICKÉ PROMĚNLIVOSTI Důsledek H-W principu: při platnosti předpokladů H-W populace k udržení polymorfismu stačí náhodné oplození a mendelovská dědičnost ALE! reálné populace se od modelové situace zpravidla liší: • velikost populace omezená • oplození nemusí být náhodné • migrace • selekce • vznik nových alel mutací HLAVNI MIKROEVOLUCNI MECHANISMY: • mutace • (transpozice) • rekombinace • migrace (tok genů) • nenáhodné křížení • přírodní výběr (selekce) • náhodný genetický posun (drift) (bottleneck, efekt zakladatele) • molekulární tah (molecular drive) • spontánní x indukované • v zárodečných buňkách x somatické • podle škodlivosti/prospěšnosti účinku: prospěšné škodlivé neutrální MUTACE Podle rozsahu • genové (bodové) • chromozomové • genomové Bodové • substituce (tranzice, transverze) / synonymní nesynonymní (záměnové) GTC -> GTA Val -> Val GTC -> TTC Val -> Phe AAG -> TAG Lys -» ochre (stop) měnící smysl (missense) nesmyslné (nonsense) Bodové inzerce ACGGT -> ACAGGT -i delece ACGGT->AGGT J čtecího rámce zpětné mutace: frekvence zpravidla 10x nižší rekurentní (opakované) mutace mutační tlak: např. při frekvenci alely A1 = 0,500: po 1. generaci -» zvýšení na 0,5000495 -70 000 generací -> 0,750 ... dalších -70 000 generací -> 0,875 => změna četnosti alely mutací velmi pomalá Chromozómové (chr. přestavby) inverze pericentrické paracentrické translokace fúze a disociace (robertsonské translokace) reciproké translokace celých ramen (WART) MftftAAAAAAAA aa AO AA AA AA An aa aa a* aa AA myš domácí Chromozómové (chr. přestavby) delece duplikace inzerce Genomové • -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 • -ploidie (Polyploidie) - především rostliny - u živočichů méně (bezobratlí, ryby, obojživelníci) - během evoluce obratlovců došlo ke 2 kolům duplikace celého genomu (2R-hypotéza) - poluploidní jedinci zpravidla větší (zvýšený objem buněk) - liché násobky genomu -> problémy v meióze =^> reprodukční bariéra autopolyploidie: kombinace dvou stejných genomů - fúze buněk - endoreplikace - abortivní buněčný cyklus alopolyploidie: kombinace dvou různých genomů - fúze diploidních gamet - Polyspermie Náhodnost a rychlost mutací (jli) • mutace náhodné co do účinku, nenáhodné co do pozice a rychlosti • tranzice > transverze • mutační „hotspots": CpG u živočichů (metylovaný C -» T); TpT prokaryot „SOS reakce" bakterií, minisatelity (VNTR), mikrosatelity (STR) • mtDNA > jad. DNA • pohlavní chromozomy > autozomy: Y >Z >A >X >W • vliv blízkosti počátku replikace, centromery, telomery, repetitivních sekvencí, intenzity transkripce • studenokrevní živočichové: > t ^> > • RNA viry (HIV) • parazité • protilátky, imunoglobuliny > [i somatických mutací • samci > samice: člověk 6x, hlodavci, liška: 2x ... více buněčných dělení v zárodečných buňkách Adaptivní (směrované) mutace? CD (S(((((() RFimMRlNACF mutace -» nové alely rekombinace -> nové genotypy Heteroduplex Štěpení Holidayovy struktury Vytvoření zlomu na jednom chromosomu. Invaze řetězce do homologního chromosomu. Spojení řetezců homologních chromsomů. Holidayova struktura Migrace Holidayovy struktury. Vytvoření heteroduplexu. Nerekombinantní genotyp Rekombinantní genotyp - genová konverze genová konverze REKOMRINACF 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 chr., druhové rozdíly - např. u cibule naopak) malé chromozomy: > frekvence rekombinací rekombinační „hotspots": - u člověka -25 000 - chybí u Drosophila a Caenorhabditis elegans - častý vznik a zánik - zánik 1 místa často kompenzován zvýšenou aktivitou sousedního místa 3" 3 5 - 5 3 - u -—- 2 5 - c o 2 - rc rekombinací (člověk 1,7x, myš 1,3x) • 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?) 4,000-, 0 10 20 30 40 50 Number of chromosome arms Evoluční důsledky Rekombinace a polymorfismus: absence rekombinace =^> vazbová nerovnováha • selective sweep; hitchhiking - častější výskyt vzácných alel • background selection ztráta polymorfismu rekombinace: malá populace MIGRACE ÍTOK fiPNU\ Míra toku genů, m: = podíl genových kopií, který se do populace dostal v dané generaci imigrací z jiných populací Modely: ostrovní model (island model) stepping stone - jednorozměrný - dvourozměrný O O O O isolation by distance Linanthus parryae MIGRACE /TOK fiPNUl Metody odhadu: 1. přímé • zpětný odchyt (capture-mark-recapture, CMR) „toe clipping", speciální barvy, genetické značení ... podhodnocení, nezachycení dálkových migrací • dálkové sledování pohybu - telemetrie vysílačky, antény ... nákladnější, časová náročnost 2. nepřímé • molekulární markery, populačně-genetické modely Sewall Wright - F-statistika: FST = 1/(4A/m + 1) => Nm = (1/FST -1)/4 ... Nm = počet migrantů na generaci maximum likelihood Důsledky toku genů: genetická homogenizace subpopulací, zabraňující jejich genetické divergenci (x u mnoha druhů migrace velmi omezená) Př.: výskyt melanických forem můr v Anglii drsnokřídlec březový (Biston betularia) zejkovec dvojzubý (Odontoptera [Gonodontis] bidentata) príbuzenské krížení fINRRPPniNfil • Př.: opakované samooplození (samosprašnost): výchozí generace - HW rovnováha: 1/4 AA, 1/2 Aa, 1/4 aa 1. generace samooplození: 3/8 AA, 2/8 Aa, 3/8 aa 2. generace samooplození: 7/16 AA, 2/16 Aa, 7/16 aa • inbreedingem se mění frekvence genotypů, frekvence alel se nemění • inbreeding postihuje všechny lokusy • vzniká vazbová nerovnováha Koeficienty inbreedingu, F 1. rodokmenový F pravděpodobnost autozygotnosti 2. démový F snížení heterozygotnosti (i. jako odchylka od panmixie) 1. Rodokmenový inbreeding: autozygotnost: • alely identické původem (identical by descent, IBD) • vždy homozygot alozygotnost: • buď heterozygot, nebo homozygot, kde alely identické stavem (identical by state, IBS) Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci F = (1/2)' (1 + FA) 0 indikace silného inbreedingu • x prům. F|S = -0,291 =^> indikace silného vyhýbání se inbreedingu! anabaptisté z Velkých plání (USA): • malá skupina protestantů z Tyrolských Alp • navzdory striktnímu dodržování tabu incestu F = 0,0255 =^> jedna z nejvíce inbredních známých skupin lidí • příčinou malý počet zakladatelů Genetické důsledky inbreedingu: • zvýšení frekvence homozygotů • zvýšení rozptylu fenotypového znaku • vazbová nerovnováha Opakované zpětné krížení Generace (t) Genetické důsledky inbreedingu: • inbrední deprese výskyt chorob, snížení plodnosti nebo životaschopnosti šlechtické rody, uzavřené sekty (Amišové), Indiáni, ostrovy ... Rudolf II. Marie Terezie Pozor! Ne vždy musí být inbreeding škodlivý (např. řada druhů vyšších rostlin je samosprašná). Navíc důsledky inbreedingu se mohou lišit v rámci jednoho druhu v závislosti na vnějším prostředí. A DOPTAT IX/MI PARFNI = vyšší pravděpodobnost páření mezi jedinci se stejným fenotypem • příčinou může být preference partnera se stejným fenotypem, ale mohou existovat i jiné příčiny př.: fytofágní hmyz - jedinci žijící na různých druzích hostitelské rostliny můžou dospívat v odlišnou dobu =^> častější páření jedinců se stejným fenotypem (život na hostiteli) bez aktivní preference partnera • =^> jde pouze o pozitivní fenotypovou korelaci • asortativní páření způsobuje úbytek heterozygotů • asortativní páření způsobuje vazbovou nerovnováhu (LD) A DOPTAT I X/Ml PAŘENI Rozdíly mezi inbreedingem a asortativním pářením: • působí pouze na lokus(y) spojené s preferovaným fenotypem x inbreeding ovlivňuje všechny lokusy • as. páření je mocnou evoluční silou (silná LD na více lokusech) x inbreeding pouze zesiluje LD tam, kde byla už na počátku, a to jen v případě samooplození (samosprašnosti), v ostatních případech rekombinace „úspěšnější" -» redukce LD NEGATÍVNI ASORTATIVNI (DISASORTATIVNI) PAŘENI • = preference partnera s odlišným fenotypem • výsledkem intermediární frekvence alel a vazbová nerovnováha • př. preference samců s odlišným MHC (myš, člověk) - důvodem zřejmě snaha o co nejvariabilnější imunitní systém