Drift6.jpg http://trailblazing.royalsociety.org/photos/1922SA.jpg
https://faculty.etsu.edu/gardnerr/mathbio/wright1.gif
http://www.bcx.org/blogs/animalblog/2011/20110331_Group_Of_Spekes_Gazelle_San_Diego_Zoo.jpg
http://www.marymeetsdolly.com/blog/uploads/SickleCell_1222183673073.jpg
http://www.crownheights.ch/blog/images/amish-ch%20(22).jpg Migrace.jpg

Mikroevoluce = vznik a osud genetické variability na druhové
a nižší úrovni ® děje a mechanismy v populacích
Evoluce = genetická změna populací v čase a prostoru
Evoluce = změna frekvence alel v populacích
3 základní premisy populační genetiky:
1.DNA se replikuje
2.DNA mutuje a rekombinuje
3.Fenotypy vznikají interakcí DNA a prostředí

GENETICKÁ ARCHITEKTURA
dna
Hardy.jpg
http://img3.wikia.nocookie.net/__cb20071105010240/psychology/images/d/df/Wilhelm_Weinberg.jpg
http://www.nybooks.com/media/img/illustrations/mendel_gregor-19851010.2_png_380x600_crop_q85.png
http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/images/dna-mutation.gif
http://img.bhs4.com/40/d/40d2cd1f795d67030c514b3a2c973ae39bd8c1ae_large.jpg

Genetická architektura:
počet lokusů (popř. jejich pozice v genomu)
počet alel na lokus
frekvence mutací (mutační rychlost)
způsob a pravidla dědičnosti
jeden lokus – např. autozom, X, Y, mtDNA
více lokusů – smíšený zp. dědičnosti, z. kombinace alel, rekombinace

Co je to vlastně populace?
T. Dobzhansky, E. Mayr:
populace jako společný genofond (gene pool)
1.soubor sdílených genů
2.soubor potenciálních gamet produkovaných
všemi příslušníky populace
lokální populace (subpopulace, démy)
globální populace, metapopulace
populace přírodní, experimentální, zemědělské, modelové
Kromě genů/gamet lokální populace sdílejí i
systém páření/párování (system of mating)

•gen … dodnes problém s vymezením
•lokus … zde = gen
•alely = alternativní formy genu (dnes širší význam)
•genom = soubor všech genů jedince (jaderný, mitochondriální...)
•genotyp = soubor alel jednoho nebo více genů jedince
•
•haplotyp (haploidní genotyp) = kombinace alel na různých částech sekvence DNA, které jsou
přenášeny společně
http://kidshealth.org/kid/talk/qa/headers_97314/what_gene1.jpg

Genotypové a alelové frekvence
Genotyp A1A1 A1A2 A2A2 Celkem
Četnost n1       n2        n3        N
Frekvence P=n1/N Q=n2/N R=n3/N
       p = (2n1 + n2)/2N                q = (n2 + 2n3)/2N
Relativní četnosti = frekvence: genotypové: P (GAA), Q (GAa), R (Gaa)
           alelové (genové): p (A), q (a)
P + Q + R = 1
p + q = 1
3.1.jpg

http://www.cell.com/cms/attachment/597950/4690620/gr1.jpg
William E. Castle
Proč v přírodě nepozorujeme mendelovské poměry 3:1?
[USEMAP]
G. H. Hardy
Reginald C. Punnett
brachydaktylie

Godfrey Harold Hardy
(1877-1947)
File:Ghhardy@72.jpg File:Wilhelm Weinberg.jpg
Wilhelm Weinberg
(1862-1937)
1908

Hardyho-Weinbergův model
Mechanismy produkce gamet (genetická architektura):
diploidní organismy
jeden autozomální lokus
2 alely
žádné mutace
mendelovská segregace (1:1)
Mechanismy spojování gamet (populační struktura):
systém páření - náhodné oplození (panmixie)
velikost populace - nekonečná
genetická výměna - žádná (absence toku genů)
věková struktura - žádná (diskrétní generace)
Mechanismy vývoje fenotypů:
všechny genotypy mají stejné fenotypy z hlediska schopnosti
replikace DNA (absence selekce)

Adultní populace
mechanismus produkce gamet (z. o segregaci)
Genofond (pop. gamet)
Populace zygot
Adultní pop. další generace
Genofond příští generace
mechanismus spojení gamet (náhodné oplození)
mechanismus vývoje fenotypu (žádný účinek na
viabilitu, repr. úspěšnost nebo fertilitu)
mechanismus produkce gamet (z. o segregaci)

Pr. produkce gamety A z AA = 1 ... z Aa = ½  ... z aa = 0
Pr. produkce gamety a z AA = 0 ... z Aa = ½  ... z aa = 1
známe-li zákony dědičnosti, z frekvencí genotypů můžeme vypočítat frekvence alel
frekvence gamety typu j v genofondu
gj = S Pr.(produkce gamety j genotypem k) x frekvence genotypu k
genotypy
různé adultní populace mohou produkovat stejný genofond gamet
Þ genotypové frekvence nejsou jedinečně určeny frekvencemi gamet
Þ musíme přidat další informaci ® populační struktura (panmixie)!

Pop. gamet efektivně nekonečná Þ výběr 1. gamety neovlivní výběr
      2. gamety
V nekonečné pop. pravděpodobnost jevu = frekvence tohoto jevu
3.2.jpg
p2 + 2pq + q2 = 1
Hardyho odvození:


Párování

Frekvence páru

Pravděpodobnost zygot

AA
Aa
aa
AA x AA
GAA x GAA = GAA2
1
0
0
AA x Aa
GAA x GAa = GAAGAa
1/2
1/2
0
Aa x AA
GAa x GAA = GAaGAA
1/2
1/2
0
AA x aa
GAA x Gaa = GAAGaa
0
1
0
aa x AA
Gaa x GAA = GaaGAA
0
1
0
Aa x Aa
GAa x GAa = GAa2
1/4
1/2
1/4
Aa x aa
GAa x Gaa = GAaGaa
0
1/2
1/2
aa x Aa
Gaa x GAa = GaaGAa
0
1/2
1/2
aa x aa
Gaa x Gaa = Gaa2
0
0
1
Weinbergovo odvození:
G’AA= GAA2 +1/2[2GAAGAa] + 1/4GAa2 = [GAA + 1/2GAa]2 = p2
G’Aa= 1/2[2GAAGAa] + 2GAAGaa + 1/2GAa2 + 1/2[GAaGaa] = 2[GAA + 1/2GAa][Gaa + 1/2GAa] = 2pg
G’aa= 1/4GAa2 + 1/2[2GAaGaa] + Gaa2 = [Gaa + 1/2GAa]2 = q2
při náhodném párování Pr. 2 genotypů v páření = součin jejich frekvencí

1. Frekvence alel z generace na generaci stálé
     = Hardyho-Weinbergova rovnováha
2. HW rovnováhy dosaženo už po 1 generaci náhodného křížení
Zobecnění:
geny vázané na X:
samice: p2 + 2pq + q2
samci: p + q
více alel:
  3 alely: p2 + q2 + r2 + 2pq + 2pr + 2qr

  obecně pi2 + 2pij
HARDYHO-WEINBERGŮV ZÁKON

HARDYHO-WEINBERGŮV ZÁKON
http://classconnection.s3.amazonaws.com/89/flashcards/4667089/png/brachydactyly-14423EE20494848DF9B
.png
Punnett
http://www.dnaftb.org/images/5/Punnet.jpg
brachydaktylie
p2 + 2pq : q2
není důvod pro poměr postižených/nepostižených = 3:1
Recesivní letální alela a ® 2 fenotypové kategorie:
AA + Aa ® bez projevu choroby
aa ® choroba se projeví
Þ nemůžeme určit, kolik jedinců je nositelem choroby
Þ   frekvence nositelů choroby =
ale předpokládáme-li HW, pak frekvence nemocných (můžeme spočítat) je  q2  a

3.3.jpg
heterozygoti nejfrekventovanější při p = q = 0,5
Q (GAa) se snižuje rychlostí 2pq
R (Gaa) rychlostí q2 Þ zvyšování Q/R ® vzácná alela „schována“
             v heterozygotním stavu
Frekvence vzácných alel:

Příčiny neplatnosti H-W rovnováhy:
 Metodické příčiny:
 Neplatnost některého z předpokladů H-W modelu:
nulové alely
„allelic dropout“
Snížení heterozygotnosti:
selekce proti heterozygotům
nenáhodné páření (inbreeding, asortativní páření)
strukturovanost populace (rozdílné frekvence alel, Wahlundův efekt)
Zvýšení heterozygotnosti:
selekce podporující heterozygoty
nenáhodné páření (outbreeding, negativní asortativní páření)
migrace
mutace

H-W NA VÍCE LOKUSECH
blízkost lokusů = vazba
frekvence rekombinací r
místo 3 genotypových kategorií ® 10
1 lokus ® jedinec může předat jen gamety získané od rodičů
více lokusů ® může předat i jiné, např:
rodiče AB x ab ® AB/ab …. gamety AB, ab s Pr. = ½(1 - r)
ale i gamety Ab, aB (s Pr. ½r), které se u rodičů nevyskytují
Þ 2 definice genofondu (1. = soubor genů sdílených v populaci,
2. populace potenciálních gamet produkovaných všemi adultními jedinci)
nejsou v případě rekombinace ekvivalentní
Může dojít k evoluci?
nutno znát, jak je genofond definován!

H-W NA VÍCE LOKUSECH
Př.: frekvence gamety AB v počátečním genofondu (gAB) a následující
generaci (g’AB):
g’AB = gAB – rD kde D = gABgab – gAbgaB   = vazbová nerovnováha
… podobně i pro ostatní typy gamet
jestliže r > 0 (tj. dochází k rekombinaci) a D ¹ 0 (existuje vazba)
pak platí gxy ¹ g’xy Þ dochází k evoluci!
naopak při r = 0 multilokusový model = jednolokusový
k rekombinaci může dojít i uvnitř genu ~ jako mutace (tj. vznik nové alely)

vztah D a rekombinace r :
Linkage.jpg Linkage_2.jpg
vazba mezi nejvzdálenějšími markery
absence vazby mezi nejbližšími markery
D klesá v závislosti na r

Příčiny vazbové nerovnováhy:
 absence rekombinace (např. inverze)
 nenáhodnost oplození
 selekce
 recentní mutace
 vzorek směsí 2 druhů s různými frekvencemi
 recentní splynutí 2 populací
 omezená velikost populace (náhodné kolísání frekvencí alel)
PROMĚNLIVOST NA VÍCE LOKUSECH
vazbová nerovnováha nemusí být mezi lokusy na stejném chromozomu!

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 chromozomy,
  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
Centromeres are more recombinogenic than telomeres

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:
Důsledkem je buď
selekční smetení (selective sweep)
pozitivní selekce
častější výskyt vzácných alel
nebo
selekce na pozadí (background selection)
negativní selekce
Þ lokální ztráta polymorfismu
absence rekombinace Þ hitchhiking (genetický draft)

podle škodlivosti/prospěšnosti účinku: prospěšné
  škodlivé
  neutrální
File:Pyrene adduct.jpg http://evolution.berkeley.edu/evosite/evo101/images/dna-mutation.gif
MUTACE
podle rozsahu: genové/bodové
chromozomové
genomové
zpětné mutace: frekvence zpravidla 10´ nižší

1. substituce (transice, transverze)
Bodové mutace
3.2.tif
2x méně možných transicí, ale ve skutečnosti mnohem víc (2–10x) než transverzí
nekódující oblasti
synonymní
nesynonymní (záměnové)
měnící smysl (missense)
nesmyslné (nonsense)
= „tiché“ (silent) substituce
GTC ® GTA
 Val  ®  Val
GTC ® TTC
 Val  ®  Phe
AAG ® TAG
 Lys  ® ochre (stop)
Control region

rekurentní (opakované) mutace ® mutační tlak:
   např. při frekvenci alely A = 0,5 a N = 10 000:
   po 1. generaci ® zvýšení na 0,50005
   ~70 000 generací ® 0,750 ... dalších ~70 000 generací ® 0,875
= indels ® posunutí čtecího
                    rámce
2.
  inzerce ACGGT ® ACAGGT
  delece ACGGT ® AGGT
Þ změna frekvence alely mutací velmi pomalá
Bodové mutace

rekurentní (opakované) mutace ® mutační tlak:
počáteční frekvence A = p0 (= 1)
mutace A ® a
frekvence A v čase t = pt
mutační rychlost = m (např. 10-4)
pt = p0 (1 – m)t
po 1000 generacích: p = 0,90
po 10 000 generacích: p = 0,37
po 20 000 generacích: p = 0,14
doba nutná ke snížení frekvence A na polovinu t1/2
t1/2 = ln(1/2)/ ln(1 – m) » 0,6931/ m
Þ při m = 10-4 t1/2 » 6931 generací; při m = 10-5 t1/2 » 69 310 generací;
    při m = 10-6 t1/2 » 693 100 generací atd.

inverze
  pericentrické
  paracentrické
translokace
fúze a disociace
  (robertsonské translokace)
  reciproké translokace celých ramen (WART)
delece
duplikace
inzerce
Chromozomové mutace (chr. přestavby)

-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
Genomové mutace

Genomové mutace
-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)

Mutační rychlosti (m)
mutace náhodné co do účinku, nenáhodné co do pozice a rychlosti
transice > 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), 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

Joshua a Esther Lederberg (1952): replica plating
*
 = kolonie s odpovídající si polohou na původní misce
*
*
působení streptomycinu
působení streptomycinu