VZNIK GENETICKÉ PROMĚNLIVOSTI
dna dna11 DNA


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
File:Jaguar head shot.jpg File:Black jaguar.jpg

• mutace
• (transpozice)
• rekombinace
• migrace (tok genů)
• nenáhodné oplození
• přírodní výběr (selekce)
• náhodný genetický posun (drift)
  (bottleneck, efekt zakladatele)
• molekulární tah (molecular drive)
HLAVNÍ MIKROEVOLUČNÍ MECHANISMY:

MUTACE
• spontánní ´ indukované
• v zárodečných buňkách ´ somatické
• podle škodlivosti/prospěšnosti účinku:
  prospěšné
  škodlivé
  neutrální
File:Portulaca grandiflora mutant1.jpg File:Pyrene adduct.jpg

• substituce (tranzice, transverze)
MUTACE
Podle rozsahu
• genové (bodové)
• chromozomové
• genomové
Bodové
TsTv
synonymní     nesynonymní (záměnové)
měnící smysl (missense)
nesmyslné (nonsense)
GTC ® GTA
 Val  ®  Val
GTC ® TTC
 Val  ®  Phe
AAG ® TAG
 Lys  ® ochre (stop)

indels ® posunutí
                čtecího rámce
}
Þ změna frekvence alely mutací velmi pomalá
• inzerce ACGGT ® ACAGGT
• delece ACGGT ® AGGT
Bodové
• zpětné mutace: frekvence zpravidla 10´ 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

• inverze
  pericentrické
  paracentrické
• translokace
• fúze a disociace
  (robertsonské translokace)
  reciproké translokace celých ramen (WART)
Rb Mus1 Mus2
myš domácí
Chromozomové (chr. přestavby)
inverze Rb

• delece
• duplikace
• inzerce
Chromozomové (chr. přestavby)
Types-of-mutation Types-of-mutation
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)

• -ploidie (polyploidie)
- především rostliny
- u živočichů méně (bezobratlí, ryby, obojživelníci)
- během evoluce obratlovců došlo ke 2 kolům duplikace celého
  genomu (2R-hypotéza)
- polyploidní jedinci zpravidla větší (zvýšený objem buněk)
- liché násobky genomu ® problémy v meióze Þ reprodukční bariéra
                (ne vždy – skokani)
Genomové
autopolyploidie: kombinace dvou stejných genomů
- fúze buněk
- endoreplikace
- abortivní buněčný cyklus
alopolyploidie: kombinace dvou různých genomů
- fúze diploidních gamet
- polyspermie

Náhodnost a rychlost mutací (m)
• 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 Þ > m
• RNA viry (HIV)
• parazité
• protilátky, imunoglobuliny
• > m somatických mutací
• samci > samice: člověk 6x, hlodavci, liška: 2x … více buněčných dělení
  v zárodečných buňkách

Adaptivní (směrované) mutace?
Max Delbrück, Salvador Luria (1943):
   fluktuační test
File:Max Delbruck.jpg File:Salvador E. Luria teaching at MIT.jpg

• mutace ® nové alely
• rekombinace ® nové genotypy (výj. vnitrogenomové rekombinace)
REKOMBINACE
Vytvoření zlomu na jednom chromozomu.
Invaze řetězce do homologního chromozomu.
Spojení řetězců homologních chromozomů. Holidayův spoj
Migrace Holidayova spoje. Vytvoření heteroduplexu.
Štěpení Holidayova spoje
Heteroduplex

• 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
REKOMBINACE

• rozdíly v míře rekombinace mezi pohlavími:
  - Haldaneovo-Huxleyovo pravidlo: pokud jedno pohlaví nerekombinuje,
    jde o pohlaví heterogametické
  - pokud rekombinují obě pohlaví, u samic většinou > 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?)

Rekombinace
a polymorfismus:
Evoluční důsledky rekombinace:
Rekombinace
absence rekombinace
   Þ vazbová nerovnováha
• selective sweep; hitchhiking
  - častější výskyt vzácných alel
• background selection
® ztráta polymorfismu

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
• isolation by distance
  Linanthus parryae
ital7439
MIGRACE (TOK GENŮ)
File:Linanthus demissus 1.jpg

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; GPS systémy
   ... nákladnější, časová náročnost
2. nepřímé
• molekulární markery, populačně-genetické modely
   Sewall Wright – F-statistika: FST = 1/(4Nm + 1) Þ Nm = (1/FST - 1)/4
   … Nm = počet migrantů na generaci
   programy s využitím maximální věrohodnosti (maximum likelihood)
   nebo bayesovského přístupu
MIGRACE (TOK GENŮ)

Migrace
Důsledky toku genů:
• genetická homogenizace subpopulací,
   zabraňující jejich genetické divergenci
   (´ u mnoha druhů migrace velmi
   omezená)
Př.: výskyt melanických forem
       můr v Anglii

zejkovec dvojzubý
(Odontoptera [Gonodontis] bidentata)
drsnokřídlec březový (Biston betularia)
Migrace

PŘÍBUZENSKÉ KŘÍŽENÍ
(INBREEDING)
• 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)
Pedigree
F = (1/2)i (1 + FA)
0 £ F £ 1
Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti
  v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci

 F-statistika:
• koeficient inbreedingu
  snížení HZ v subpopulaci v důsledku
  příbuzenského křížení
• fixační koeficient
  snížení HZ v důsledku strukturace
  populace
• snížení HZ v celé populaci
T
I
S
FIS = (HS - HI)/HS -1 £ FIS £ +1
FST = (HT - HS)/HT 0 £ FST £ +1
FIT = (HT - HI)/HT
(1- FIS) (1- FST) = 1- FIT
File:Sewall Wright.jpg
S. Wright
2. Koeficient inbreedingu jako odchylka od panmixie:
FIS = (He – Ho)/He -1 £ FIS £ +1
Ho= skutečná heterozygotnost
He= očekávaná heterozygotnost

Rozdíly mezi F a FIS:
• F je individuální, FIS je skupinový
Gazella spekei, St. Louis ZOO:
• 1♂ + 3♀ (1969-1972) z Afriky
• 1982: všechny původní gazely mrtvé
• protože zakladatelem stáda jen 1 samec,
  všichni potomci nutně inbrední bez ohledu na systém páření
• prům. F = 0,149 Þ indikace silného inbreedingu
• ´ prům. FIS = -0,291 Þ indikace silného vyhýbání se inbreedingu!
anabaptisté z Velkých plání (USA):
• malá skupina protestantů z Tyrolských Alp
• navzdory striktnímu dodržování tabu incestu
  F = 0,0255 Þ jedna z nejvíce inbredních známých skupin lidí
• příčinou malý počet zakladatelů
G. spekei

inbred
Genetické důsledky inbreedingu:
• zvýšení frekvence homozygotů
• zvýšení rozptylu fenotypového znaku
• vazbová nerovnováha

Leavenworthia
alabamica
Size Rudolf2 Maria_Theresia_as_child
• “hybrid vigour”
  (heteróze)
Rudolf II.
Marie Terezie
Genetické důsledky inbreedingu:
• inbrední deprese
  výskyt chorob, snížení plodnosti
   nebo životaschopnosti
  šlechtické rody, uzavřené sekty
   (Amišové), Indiáni, ostrovy ...
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.

ASORTATIVNÍ PÁŘENÍ
= 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 Þ častější páření jedinců
  se stejným fenotypem (život na hostiteli) bez aktivní preference
  partnera
• Þ jde pouze o pozitivní fenotypovou korelaci
• asortativní páření způsobuje úbytek heterozygotů
• asortativní páření způsobuje vazbovou nerovnováhu (LD)

ASORTATIVNÍ PÁŘENÍ
Rozdíly mezi inbreedingem a asortativním pářením:
• působí pouze na lokus(y) spojené s preferovaným fenotypem × inbreeding
  ovlivňuje všechny lokusy
• as. páření je mocnou evoluční silou (silná LD na více lokusech)
  ´ inbreeding pouze zesiluje LD tam, kde byla už na počátku, a to jen
  v případě samooplození (samosprašnosti), v ostatních případech
  rekombinace „úspěšnější“ ® redukce LD
NEGATIVNÍ ASORTATIVNÍ (DISASORTATIVNÍ) PÁŘENÍ
• = 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