indian 1 monroe halle_berry Snipes lucy_liu_014 426px-Robert_Redford_2005 Jackie_Chan_2002-portrait_edited 401px-Morgan_Freeman%2C_2006 whoopi-goldberg 45745715_Oldaboriginalmanweb Evoluce jako dvoustupňový proces: 1. proměnlivost mezi jedinci v populaci 2. změny v zastoupení jednotlivých variant z generace na generaci http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2e/Charles_Darwin_seated_crop.jpg R.A. Fisher Míra zvýšení reprodukční zdatnosti libovolného organismu v libovolném čase je rovna jeho genetické proměnlivosti v tomto čase. Þ genetická proměnlivost je pro evoluci klíčová http://www.pbs.org/wgbh/evolution/library/06/1/images/l_061_01_l.jpg https://online.science.psu.edu/sites/default/files/biol011/Fig-6-1-Mendel-Cross-Breeding.jpg http://4.bp.blogspot.com/-pw-Y1VIiQJ8/ULWDHK0e3SI/AAAAAAAAMPw/9uY43HvMRO4/s1600/mendel+experiments. jpg Biometrikové: kontinuální proměnlivost mnoho genů často silný vliv prostředí http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/BigPictures/Galton_2.jpeg F. Galton http://image.slidesharecdn.com/b1topic1-continuousanddiscontinuousvariation-140413152151-phpapp02/9 5/4-b1-topic-1-continuous-and-discontinuous-variation-1-638.jpg?cb=1397461750 Paradox: pro evoluční biology důležité studovat fenotypové projevy × pro genetiky snazší studovat přímo molekuly Zdroje fenotypové proměnlivosti: rozdíly v genotypu rozdíly v podmínkách prostředí maternální vlivy (paternální vlivy) http://static.topyaps.com/wp-content/uploads/2013/02/Evolution-The-Modern-Synthesis-Julain-S.-Huxle y.jpg George Udny Yule Proč v populacích nepozorujeme poměr 3:1? Reginald C. Punnett: brachydaktylie http://www.dnaftb.org/images/5/Punnet.jpg B b B b bb Bb Bb BB •gen … dodnes problém s vymezením •lokus … zde = gen nebo jakýkoli molekulární znak •alely = alternativní formy genu (dnes širší význam – úsek DNA) •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 Relativní četnosti = frekvence: genotypové: P (fAA), Q (fAa), R (faa) alelové (genové): p (A), q (a) P + Q + R = 1 p + q = 1 3.1.jpg Evoluce probíhá v populacích… T. Dobzhansky, E. Mayr: populace jako společný genofond (gene pool) » soubor sdílených alel nebo gamet lokální populace (subpopulace, démy) globální populace, metapopulace http://www.webpages.uidaho.edu/wlf448/2010/Lab/Metapopfigure-lab11.jpg Evoluce probíhá v populacích… populace přírodní, experimentální, zemědělské, modelové Lokální populace sdílejí i systém páření/párování (system of mating) T. Dobzhansky, E. Mayr: populace jako společný genofond (gene pool) » soubor sdílených alel nebo gamet lokální populace (subpopulace, démy) globální populace, metapopulace foto_011 Modelové populace – Hardy-weinbergovská p. Vlastnosti: diploidní pohlavní rozmnožování diskrétní generace 2 alely, segregace 1:1 stejné frekvence alel u obou pohlaví Vlastnosti: náhodné oplození (panmixie) velmi velká (efektivně nekonečná) velikost žádná migrace žádná mutace žádná selekce Modelové populace – Hardy-weinbergovská p. Proč v přírodě nepozorujeme mendelovské poměry 3:1? Godfrey Harold Hardy File:Ghhardy@72.jpg http://classconnection.s3.amazonaws.com/89/flashcards/4667089/png/brachydactyly-14423EE20494848DF9B .png R. C. Punnett http://www.dnaftb.org/images/5/Punnet.jpg 1908 HARDYHO-WEINBERGŮV PRINCIP Godfrey Harold Hardy (1877-1947) File:Ghhardy@72.jpg File:Wilhelm Weinberg.jpg Wilhelm Weinberg (1862-1937) p2 + 2pq + q2 = 1 1. Četnosti alel z generace na generaci stálé = Hardyho-Weinbergova rovnováha 2. HW rovnováhy dosaženo již 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 PRINCIP 2_3 heterozygoti nejfrekventovanější při p = q = 0,5 fAa se snižuje rychlostí 2pq faa rychlostí q2 Þ zvyšování fAa / faa ® vzácná alela „schována“ v heterozygotním stavu Frekvence vzácných alel Možné příčiny neplatnosti H-W rovnováhy: Metodické příčiny: Neplatnost některého z předpokladů H-W populace: nulové alely, allelic dropout Snížení heterozygotnosti: selekce proti heterozygotům nenáhodné křížení (inbreeding, pozitivní asortativní páření) strukturovanost populace (rozdílné frekvence alel, srv. Wahlundův efekt) Zvýšení heterozygotnosti: selekce podporující heterozygoty nenáhodné křížení (outbreeding, negativní asortativní páření) migrace mutace GENETICKÁ PROMĚNLIVOST V POPULACÍCH Metody studia genetické proměnlivosti: elektroforéza proteinů + - analýza restrikčních fragmentů (Southern blotting, RFLP, DNA fingerprinting) PCR, sekvenování, NGS, mikrosatelity ... Finger Polymorfismus a polytypie File:Heliconius mimicry.png Polymorfismus: podíl polymorfních lokusů (P) velikost populačního vzorku většinou omezená Þ hranice 5% (P0.05) nebo 1% (P0.01) počet alel na lokus (A; allele diversity, allele richness) průměrná skutečná heterozygotnost (Ho) průměrná očekávaná heterozygotnost (He) = genová diverzita nukleotidový polymorfismus (q) nukleotidová diverzita (p) Otázka rozsahu proměnlivosti v přírodních populacích: [USEMAP] T.H. Morgan, H. Muller: „klasický“ model proměnlivost omezená [USEMAP] A. Sturtevant, T. Dobzhansky: „rovnovážný“ model proměnlivost normou GENETICKÁ PROMĚNLIVOST V PŘÍRODNÍCH POPULACÍCH HZ GENETICKÁ PROMĚNLIVOST V PŘÍRODNÍCH POPULACÍCH 1966: Harry Harris – člověk; Richard Lewontin, John Hubby – D. pseudoobscura mikrosatelity, minisatelity → vysoké mutační tempo, vysoká variabilita otázka reprezentativnosti PROMĚNLIVOST NA VÍCE LOKUSECH linkage blízkost lokusů = vazba platnost předpokladů H-W Þ ustavení vazebné rovnováhy tento proces může být pomalý Þ do té doby vazebná nerovnováha koeficient vazebné nerovnováhy D vztah D a rekombinace r : Příčiny vazebné nerovnováhy: absence rekombinace (např. inverze) nenáhodnost oplození selekce recentní mutace vzorek směsí 2 druhů s různými frekvencemi recentní splynutí 2 populací náhodný genetický posun (drift) vazebná nerovnováha nemusí být mezi lokusy na stejném chromozomu! 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 Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci F = pravděpodobnost, že jedinec zdědil obě alely téhož genu od jednoho předka (má obě alely IBD) Inbrední populace = taková, u níž pravděpodobnost autozygotnosti v důsledku křížení mezi příbuznými > v panmiktické populaci F = pravděpodobnost, že jedinec zdědil obě alely téhož genu od jednoho předka (má obě alely IBD) 0 £ F £ 1 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 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 https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRrssmFeh7wn0T398Ran4c-D_jeePD616jl_Ow9d9qVdTN OfC5- http://oregonstate.edu/instruct/css/330/six/images/doublecross2.gif kmen Vandoma, Zimbabwe (tzv. „Pštrosí lidé“): ektrodaktylie mormoni v Hilldale (Utah) a Colorado City (Arizona) amazonští indiáni šlechtické rody 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 Karel II. Španělský: nepřirozeně velká hlava, deformovaná čelist, slabé tělo, potíže s chůzí a další defekty, mentální a psychické poruchy, impotence, neplodnost František I. Rakouský: u některých potomků mentální retardace, hydrocefalie, záchvaty, některé nebyly schopny samostatného života Soubor:Carlos II.jpg Soubor:Francesco I.jpg 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) Inbrední deprese u člověka: Maria_Theresia_as_child heteróze (hybrid vigour) František Štěpán Lotrinský Marie Terezie http://www.farmwest.com/images/client/BreedingCorn%20Fig%206.JPG Soubor:Joseph II Portrait with crown.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 vazebnou 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 vazebné 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