MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE Kimura Drift2 skenovat0001 40 200 100 400 500 a1 a2 z a1 Gg a2 d b Genetická zátěž a selekční náklady jestliže ne všichni jedinci v populaci mají optimální fitness, wav < wmax genetická zátěž populace L: L = 1-wav jestliže wav = 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 NEUTRÁLNÍ TEORIE MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE 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 File:J. B. S. Haldane.jpg J.B.S. Haldane jestliže wmax = 1, 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) Þ vysoká zátěž A (p, w = 1), A’ (q, w = 1-s) ® poměr nepřeživších/přeživších v každé generaci = sq/(1 - sq) Þ 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 celkové selekční náklady = suma přes všechny lokusy: 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 Þ polymorfismus neudržován selekcí – přechodný polymorfismus Konstantnost molekulární evoluce Vyšší evoluční rychlost u funkčně méně důležitých částí molekuly Neutral1 Přechodný polymorfismus: Neutral1 • selekce • neutrální mutace rychlá fixace výhodné mutace náhodná fixace nevýhodné alely rychlá eliminace nevýhodné mutace současná existence několika alel většinou jen 1 alela v populaci Motoo Kimura (1968) J.L. King & T.H. Jukes (1969) neutrální teorie: Kimura M. Kimura 1. většina mutací, které se projeví v evoluci, je neutrální (Þ drift) Neutral skenovat0002 Neutral 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. rozdílná evoluční rychlost u různě důležitých proteinů neutrální teorie: skenovat0004 3. rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu (vazebná místa ´ strukturní oblasti) neutrální teorie: Clock2 4. rozdílná evoluční rychlost na jednotlivých místech kodonu 5. rychlost evoluce daného proteinu u různých druhů přibližně konstantní 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 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 ´ průměrný počet neutrálních mutací: 1/(2Ne) ´ 2Nem = m Þ rychlost neutrální evoluce nezávisá na Ne, ale jen na m! Drift2 středně velká populace: frekventovanější mutace malá populace: mutace málo frekventované , kde q = 4Nem Teoretické principy neutrální teorie: 3. Průměrná doba mezi následujícími neutrálními mutacemi = 1/m 4. Doba fixace = 4Ne generací 5. Průměrná rovnovážná heterozygotnost: větší populace Þ vyšší heterozygotnost neustálý vznik nových mutací Þ zvýšení proměnlivosti ´ její eroze driftem Þ neustálé nahrazování jedné alely za druhou ® rovnováha mutace a driftu Þ polymorfismus (na rozdíl od rovnováhy mutace a selekce je přechodný) mutace prospěšné škodlivé Neutral Frekvence neutrálních mutací: Zeyl & DeVisser (2001): kvasinka Saccharomyces cerevisiae 50 replikací populace experiment nezachycuje extrémně škodlivé mutace bimodální rozdělení mutací Hetero Skutečná heterozygotnost nižší, než předpokládá NT Test neutrální teorie: rozsah heterozygotnosti heterozygotnost podle NT Heterozygotnost Vzhledem k obrovskému rozsahu populačních velikostí, 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): v malých populacích se chovají jako neutrální (= efektivně neutrální alely) Ohta Pravděpodobnost fixace neutrální, výhodné a škodlivé mutace: P = 1 – e-4Nesq 1 – e-4Nes q = frekvence alely, s = selekční koeficient pravděpodobnost fixace neutrální mutace = q nebo 1/(2N) v době vzniku pravděpodobnost fixace výhodné mutace ve velké populaci » 2s 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 = 1000? neutrální mutace (s = 0): P = 0,05% výhodná mutace (s = 0,01): P = 20% výhodná mutace (s = 0,001): P = 2% škodlivá mutace (s = -0,001) P = 0,004% čím víc s ® 0, tím vyšší „neutralita“ 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 = 2.10-17% 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 Clock2 Molekulární hodiny Zuckerkandl & Pauling (1962-65) rychlost substitucí AA nebo nukleotidů je konstantní efekt generační doby: závislost na absolutním nebo generačním čase? Molekulární hodiny skenovat0003 EVOLUCE GENOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) Prokaryota: 6´105 – 107 bp (20´) nejmenší: Mycoplasma (celkem ca. 400 genů) největší: někt. G+ bakterie, sinice Eukaryota: 8,8´106 – 6,9´1011 bp (80 000´) EVOLUCE GENOMU http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/80/Genome_Sizes.png EVOLUCE GENOMU Velikost genomu a cytoplazmatický poměr (C-value): C-value = množství DNA v haploidním genomu (pg, bp) žádný vztah ke složitosti organismu nebo počtu genů velké rozdíly i u příbuzných organismů: Paramecium caudatum (8 600 000 kb) ´ P. aurelia (190 000 kb) člověk: ca. 6´109 bp (~ 6,5 pg DNA) ´ Amoeba proteus: 2,9´1011 bp, Polychaos dubium: 6,7´1011 bp Þ C-value paradox (C-value enigma) Kolik genů obsahuje genom člověka? před 2001 (hrubá verze sekvence lidského genomu) odhady od 50 000 po > 140 000 (max. 212 278) genů Int. Human Genome Sequencing Consortium 2001: 30 000 – 40 000 protein kódujících genů IHGSC 2004: 20 000 – 25 000 protein kódujících genů Ensembl – květen 2012: 21 065 genů Ensembl – leden 2013: 20 848 genů 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 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): repetitivní DNA je „sobecká“ Susumu Ohno (1972): pojem „junk DNA“ význam pojmu „junk“ = „harampádí“ (např. garáž plná h.), ne „odpad“ („garbage“) ... François Jacob (1977): evoluční dráteničina (fušeřina) = „evolutionary tinkering“ Þ v budoucnu může nabýt funkci http://www.nap.edu/books/0309084768/xhtml/images/p20005c54g234001.jpg