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 HLAVNÍ MIKROEVOLUČNÍ MECHANISMY: 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) Podle rozsahu genové (bodové) chromozomové genomové Bodové mutace: 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 zpětné mutace: frekvence zpravidla 10´ nižší rekurentní (opakované) mutace ® mutační tlak: např. při frekvenci alely A = 0,5; 2N = 2000: po 1. generaci ® p(A) = 1001 Þ zvýšení frekvence na 0,5005 100 generací ® 0,55 ... inverze pericentrické paracentrické Chromozomové mutace (chr. přestavby) inverze Rb fúze a disociace (robertsonské translokace) Rb translokace Mus1 Mus2 myš domácí http://www.naturephoto-cz.com/photos/andera/house-mouse-xxx1235.jpg http://images.slideplayer.com/2/685195/slides/slide_64.jpg fúze a disociace reciproké translokace celých ramen (WART) Rb translokace myš domácí http://www.naturephoto-cz.com/photos/andera/house-mouse-xxx1235.jpg delece duplikace inzerce Types-of-mutation Types-of-mutation Genomové mutace -somie (monosomie, trisomie) většinou neslučitelné se životem monosomie: jediná životaschopná = X0 (Turnerův syndrom) trisomie: 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 – např. triploidní skokani) 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 vliv blízkosti počátku replikace, centromery, telomery, repetitivních sekvencí, intenzity transkripce studenokrevní živočichové: > teplota Þ > m RNA viry (HIV) paraziti 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 (výjimkou vnitrogenové 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 rozdíly v různých částech chromozomu (poblíž centromer a telomer apod., rozdíly mezi organismy) 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 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 Rekombinace a polymorfismus: EVOLUČNÍ DŮSLEDKY REKOMBINACE: pozitivní selekce: selective sweep (selekční smetení) hitchhiking (draft) častější výskyt vzácných alel negativní selekce: background selection ® ztráta polymorfismu Míra toku genů (migration rate), m = podíl genových kopií, který se do populace dostal v dané generaci imigrací z jiných populací m m tok genů zvyšuje variabilitu v dému tok genů ´ žádná migrace migrace na velké vzdálenosti ´ žádný tok genů 1. přímé zpětný odchyt (capture-mark-recapture, CMR) stříhání prstů, speciální barvy, tetování, štítky, kroužky, límce, genetické značení METODY ODHADU TOKU GENŮ: http://www.71ranch.com/images/glossary/tag5.jpg http://www.dickinsonlonghorn.net/longhorn_info/management_tips/Images/Branding-CU-1009-033.jpg http://www.photomecan.eu/_data/section-1/1321_b-krouzek.jpg http://www.dosits.org/images/dosits/PilotWhaleinNCwithDTag_Ari_400.jpg http://image.slidesharecdn.com/humberheadcmrtalk-140630165931-phpapp02/95/capturemarkrecapture-cmr- as-a-method-for-species-monitoring-at-a-landscape-scale-3-638.jpg?cb=1404165669 http://image.slidesharecdn.com/humberheadcmrtalk-140630165931-phpapp02/95/capturemarkrecapture-cmr- as-a-method-for-species-monitoring-at-a-landscape-scale-3-638.jpg?cb=1404165669 http://im.novinky.cz/mynews/815/28154-top_foto1-sdyf7.jpg http://conservationmedia.com/wp-content/photo/Telemetry_980px.jpg 1. Přímé metody dálkové sledování pohybu – telemetrie vysílačky, antény; GPS systémy ... nákladnější, časová náročnost http://www.selmy.cz/data/images/clanky/MarkoInGalichnik01.JPG http://www.spaceoffice.nl/blobs/spaceplaza/upload/images/wolf_with_radiocollar.jpg http://extras.mnginteractive.com/live/media/site36/2011/0801/20110801__animal-wandering~p1.jpg Riziko podhodnocení toku genů!! 2. Nepřímé metody molekulární markery modely toku genů programy s využitím maximální věrohodnosti (maximum likelihood) nebo bayesiánského přístupu disperze (dispersal): vzdálenost rodičů a potomků http://www.evolution-textbook.org/content/free/figures/16_EVOW_Art/04_EVOW_CH16.jpg Ostrovní model může být i asymetrický: http://media.indiedb.com/images/games/1/11/10298/cycladic-islands-IIa.png A) Ostrovní model (island model) continent-island model island model S. Wright (F-statistika): FST = 1/(4Nm + 1) Þ Nm = (1/FST ‒ 1)/4 … Nm = počet migrantů na generaci B) Modely izolace vzdáleností (isolation by distance) diskontinuální = stepping stone model http://www.apsnet.org/edcenter/advanced/topics/PopGenetics/Article%20Images/pop_figure_07.jpg 1D stepping-stone model 2D stepping-stone model http://fbcatown.com/filerequest/1631 ital7439 http://www.fla-keys.com/img/footer_floridakeys_500.png B) Modely izolace vzdáleností (isolation by distance) kontinuální Linanthus parryae (jirnicovité, Polemoniaceae), Mohavská poušť (Kalifornie) T. Dobzhansky, Sewall Wright L. parryae http://calphotos.berkeley.edu/imgs/512x768/0000_0000/0108/1668.jpeg File:Linanthus demissus 1.jpg http://eolspecies.lifedesks.org/image/view/1686/_original http://eolspecies.lifedesks.org/image/view/1607/_original 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) biston_betularia_ha3_2507_t biston_betularia_hs5_1004_t drsnokřídlec březový (Biston betularia) Migrace Bez názvu - 1.jpg Geografická škála klina Difúze neutrálních alel v důsledku toku genů mezi démy Dém 1 Dém 2 Dém 1 Dém 2 při počátečním kontaktu klina „schodovitá“ Geografická škála Bez názvu - 2.jpg Geografická škála Bez názvu - 4.jpg Geografická škála Bez názvu - 6.jpg Geografická škála Bez názvu - 8.jpg http://www.bio.miami.edu/~cmallery/150/mendel/sf10x1a.jpg Př.: opakované samooplození (např. samosprašnost): výchozí generace (HWE): 1/4 AA, 2/4 Aa, 1/4 aa 1. gen. samooplození: 3/8 AA, 2/8 Aa, 3/8 aa 2. gen. samooplození: 7/16 AA, 2/16 Aa, 7/16 aa 3. gen. samooplození: 15/16 AA, 2/32 Aa, 15/16 aa KOEFICIENTY INBREEDINGU 1. Rodokmenový, F: = pravděpodobnost autozygotnosti autozygotnost: alely identické původem (identical by descent, IBD), vždy homozygot alozygotnost: buď heterozygot, nebo homozygot, kde alely identické stavem (identical by state, IBS) IBD - IBS F = (1/2)n+1 (1 + FA) 0 £ F £ 1 Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci http://www.wikiskripta.eu/images/c/ca/Inbreedingcoef.png F = pravděpodobnost, že jedinec zdědil obě alely téhož genu od jednoho předka (má obě alely IBD) n = počet kroků v genealogii http://www.genetic-genealogy.co.uk/images/image113.gif a) Amenhotep I. a Ahotep II. 25% b) Ames 37.5% c) Hatšepsut 25% d) Ostatní v rodokmenu nejsou inbrední, tj. F = 0 FIS = (He – Ho)/He -1 £ FIS £ +1 Ho= skutečná heterozygotnost He= očekávaná heterozygotnost 2. Démový koeficient inbreedingu, FIS: = odchylka od HW rovnováhy Pozor, F a FIS neměří totéž! F je individuální, FIS je skupinový Př.: hutterité (anabaptisté = novokřtěnci) z Velkých plání v USA a Kanadě navzdory striktnímu dodržování tabu incestu jde o jednu z nejvíce inbredních skupin lidí (F = 0,0255) příčinou malý počet zakladatelů (protestanti z Tyrolska a Korutan, 16. st.) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Anneken_Hendriks.jpg inbred Genetické důsledky inbreedingu: inbreedingem se mění frekvence genotypů (zvýšení frekvence homozygotů) ´ frekvence alel se nemění postihuje všechny lokusy vzniká vazbová nerovnováha Obrázek1.jpg Leavenworthia alabamica Size inbrední deprese výskyt chorob, snížení plodnosti nebo životaschopnosti 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. Fenotypové důsledky inbreedingu: http://minicattle.com/images/minikent_02.jpg http://www.bob-owens.com/wp-content/uploads/2012/10/P1010696-e1349299746589.jpg https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRrssmFeh7wn0T398Ran4c-D_jeePD616jl_Ow9d9qVdTN OfC5- Inbrední deprese u člověka: amišové: hemofilie B, anémie, pletencová dystrofie, Ellis-Van Creveldův syndrom (zakrslost, polydaktylie), poruchy vývoje nehtů, defekty zubů http://de.academic.ru/pictures/dewiki/68/Deux_pieds_1_an.jpg http://zena-in.cz/media/2011/02/02/4cecb9c64c80.jpg http://is.muni.cz/do/rect/el/estud/pedf/js14/grafomot/web/pics/02-03-07-polydaktylie.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0f/Lancaster_County_Amish_03.jpg kmen Vandoma, Zimbabwe (tzv. „Pštrosí lidé“): ektrodaktylie mormoni v Hilldale (Utah) a Colorado City (Arizona) amazonští indiáni šlechtické rody Karel II. Španělský: nepřirozeně velká hlava, deformovaná čelist, slabé tělo, potíže s chůzí a další defekty, mentální a psychické poruchy, impotence, neplodnost František I.: u potomků mentální retardace, hydrocefalie, záchvaty, některé nebyly schopny samostatného života Soubor:Carlos II.jpg Soubor:Francesco I.jpg Inbrední deprese u člověka: Inbrední deprese u člověka: Rudolf2 Rudolf II. ´ hraběnka Kateřina Stradová ® Julius Caesar (Juan d’Austria) Soubor:Levob 05.jpg http://zputimi.webz.cz/svejk/flanderka17.jpg http://www.postavy.cz/foto/pepek-vyskoc-foto.jpg schizofrenie, deviace, násilné sklony (včetně vražd) Maria_Theresia_as_child “hybrid vigour” (heteróze) František Štěpán Lotrinský Marie Terezie http://www.farmwest.com/images/client/BreedingCorn%20Fig%206.JPG Soubor:Joseph II Portrait with crown.jpg File:Sewall Wright.jpg Sewall Wright - F-statistika: I S T FIS (= koeficient inbreedingu) ® snížení HZ v subpopulaci v důsledku příbuzenského křížení FIS = (HS ‒ HI)/HS -1 £ FIS £ +1 FST (= fixační index) ® snížení HZ v důsledku strukturování populace FST = (HT ‒ HS)/HT 0 £ FST £ +1 FIT ® snížení HZ v důsledku strukturování populace i inbreedingu FIT = (HT ‒ HI)/HT (1 ‒ FIS) (1 ‒ FST) = 1 ‒ FIT File:Sewall Wright.jpg = 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) 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 http://i.istockimg.com/file_thumbview_approve/15482487/3/stock-photo-15482487-disgusted-young-woman -sticking-out-tongue.jpg http://andthatswhyyouresingle.com/wp-content/uploads/2012/09/Happy-woman-Fotolia_12331389_Subscript ion_XXL.jpg = preference partnera s odlišným fenotypem výsledkem intermediární frekvence alel, zeslabování vazbové nerovnováhy př. preference samců s odlišným MHC (myš, člověk) http://www.nature.com/nri/journal/v7/n7/images/nri2103-f2.jpg http://i.huffpost.com/gen/1400676/thumbs/o-SWEATY-MEN-facebook.jpg MHC