MOLEKULÁRNI EVOLUCE NEUTRÁLNI TEORIE MOLEKULÁRNI EVOLUCE Genetická zátěž a selekční náklady • jestliže ne všichni jedinci v populaci mají optimální fitness, wav < wmax genetická zátěž populace L: L = i-wav • jestliže = Wmax , L= 0 • měří, do jaké míry je průměrný jedinec v populaci méně zdatný než nejlepší genotyp • vyjadřuje pravděpodobnost, že průměrný jedinec zemře před svou reprodukcí • jestliže se jedinec během svého života nerozmnoží, označujeme to jako jeho genetickou smrt Genetická zátěž může mít několik forem, např. • mutační zátěž • substituční zátěž • segregační zátěž Substituční zátěž • Haldane (1957): • prospěšná mutace fixace výhodné alely a nahrazení alely nevýhodné • dokud původní alela existuje v populaci, průměrná fitness nižší než fitness optimální J.B.S. Haldane • jestliže wmax = 1, L = 1 - w Selekční náklady: • Předpokládejme osud substituce během 3 generací: genetická smrt všech jedinců bez výhodné mutace během prvních dvou generací (kromě jednoho v 1. generaci, aby se mutantní jedinec mohl rozmnožit), ve 3. generaci genetická smrt všech jedinců bez obou výhodných alel) => vysoká zátěž • A (p, w = 1), A (q, w = 1-s) poměr nepřeživších/přeživších v každé generaci = sq/(1 - sq) = potomstvo navíc, např. jestliže poměr 0,1/0,9 každý přeživší 1 1/9 potomstva, ale jestliže poměr 0,999/0,001 1000 potomstva navíc Zsq - 1 - sq Horní limit selekčních nákladů: • Haldane: substituce 1 genu/300 generací Segregační zátěž: • superdominance (zvýhodnění heterozygotů) — náklady na homozygoty 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 • Rychlost molekulární evoluce příliš vysoká (vysoké selekční náklady) • Rozsah genetické proměnlivosti v populacích příliš vysoký (vysoká substituční zátěž => polymorfismus neudržován selekcí -přechodný polymorfismus • Konstantnost molekulární evoluce • Vyšší evoluční rychlost u funkčně méně důležitých částí molekuly Přechodný polymorfismus: • Motoo Kimura (1968) • J.L. King & T.H. Jukes (1969) • neutrální teorie: 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (=> drift) M. Kimura • neutrální teorie: 2. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů 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 • neutrální teorie: 3. rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu (vazebná místa x strukturní oblasti) 4. rozdílná evoluční rychlost na jednotlivých místech kodonu 5. rychlost evoluce daného proteinu u různých druhů přibližně konstantní 0 100 200 300 400 500 Čas (miliony let) • prevážne 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 => důležitá role driftu Haldaneův odhad selekčních nákladů nadhodnocený: • selekce většinou měkká • frekvenčně závislá selekce místo superdominance • selekce nepůsobí na jednotlivé lokusy odděleně Teoretické principy neutrální teorie: 1. Pravděpodobnost fixace nové mutace = 1/(2Ne) 2. Frekvence substitucí: • pravděpodobnost fixace x průměrný počet neutrálních mutací: 1/(2We) x 2NeM = j => rychlost neutrální evoluce nezávisá na Ne, ale jen na ji! středně velká populace: frekventovanější mutace H-4N.-H* malá populace: mutace málo frekventované Teoretické principy neutrální teorie: 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/// 4. Doba fixace = 4A/e generací e 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: -, kde e = 4Nf^ e +1 • větší populace => vyšší heterozygotnost • neustálý vznik nových mutací => zvýšení proměnlivosti x její eroze driftem => neustálé nahrazování jedné alely za druhou -— rovnováha mutace a driftu => polymorfismus (na rozdíl od rovnováhy mutace a selekce je přechodný) Frekvence neutrálních mutací: Zeyl & DeVisser (2001): kvasinka Saccharomyces cerevisiae 50 replikací populace experiment nezachycuje extrémně škodlivé mutace prospěšné 10.8a 0.92 0.! Competitive ratio of mutant lines to initial genotype Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti heterozygotnost Očekávaná heterozygotnost • Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti • Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, rozsah heterozygotností příliš malý Odchylky měření rozsahu heterozygotnosti od predikcí se snažila vysvětlit Tomoko Ohtová: • mírně škodlivé mutace (slightly deleterious mutations, SDM): v malých populacích se chovají jako neutrální (= efektivně neutrální alely) neutralismus mírně škodlivé mutace 0 + - 0 + Pravděpodobnost fixace neutrální, výhodné a škodlivé mutace: • q = frekvence alely, s = selekční koeficient • pravděpodobnost fixace neutrální mutace = q nebo 1/(2/V) v době vzniku • pravděpodobnost fixace výhodné mutace ve velké populaci « 2s Př.: Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 1000? neutrální mutace (s = 0): P = 0,05% výhodná mutace (s = 0,01): P výhodná mutace (s = 0,001): P škodlivá mutace (s = -0,001) P 20% čím víc s 0, tím vyssi „neutralita" 2% 0,004% Z toho plyne, že všechny výhodné mutace nemusí být v populaci zafixovány i škodlivé mutace mohou být s malou pravděpodobností zafixovány Př.: Jaká je pravděpodobnost fixace mutace v populaci o Ne = 10 000? neutrální mutace (s = 0): P = 0,005% výhodná mutace (s = 0,01): P = 20% výhodná mutace (s = 0,001): P = 2% škodlivá mutace (s = -0,001) P = 2.1017% ve velké populaci je P výhodné alely stejná jako v malé, ale pro škodlivou alelu P — 0 Z uvedeného plyne: • ve velkých populacích hraje mnohem větší roli selekce • 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 • v malých populacích se mírně škodlivé mutace chovají jako efektivně neutrální Molekulární hnriinv Zuckerkandl & Pauling (1962-65) • rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní • efekt generační doby: závislost na absolutním nebo generačním čase? 0 100 200 300 400 500 Čas (miliony let.) Molekulární hodiny FX/HI UCP 6FNOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) Prokaryota: • 6x105 - 107 (20x) • nejmenší: Mycoplasma (celkem ca. 400 genů) • největší: někt. G+ bakterie, sinice Eukaryota: • 8,8x106 - 6,9x1011 (80 000x) • 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) Spřažená evoluce a molekulární tah Genové shluky a genové rodiny: • ribozomální DNA • globinové geny dvojice druhů lidoopů se vzájemně liší ~ 2,5 AA substitucemi v a1 i a2 genu a1 a2 6 a2 ô P mezi a1 a a2 genem je akumulováno velmi molekulární hodiny v tomto případě neplatí, geny se nevyvíjí nezávisle - evoluce je spřažená Gabriel Dover (1982): Molekulární tah (molecular drive) • mechanismus odlišný od selekce a driftu Mechanismy spřažené evoluce: 1. nestejnoměrný crossing-over o 2 i* X 1~l 2 3 O ztráta kopie 2 3 1 m 2 získání kopie získání mutantní kopie r X (M O X ztráta normální kopie X získání mutantní kopie atd. ... 2. sklouznutí nukleotidového řetězce (slippage) 3. genová konverze — / \ Gene conversion Crossover Závěr: • důsledkem nestejnoměrného crossing-overu a sklouznutí řetězce je změna počtu kopií • důsledkem nestejnoměrného c-o a genové konverze je homogenizace sekvencí 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)