Kimura Drift2 skenovat0001
40
200
100
400
500
a1
a2
z
a1
Gg
a2
d
b

substituce = nahrazení jedné alely jinou (tj. fixace nově vzniklé alely)
jestliže se jedinec během svého života nerozmnoží, označujeme to jako
jeho genetickou smrt
J.B.S. Haldane (1957):
prospěšná mutace ® fixace výhodné alely a nahrazení alely nevýhodné
dokud původní alela existuje v populaci, průměrná fitness nižší než
fitness maximální
Substituční zátěž a selekční náklady
File:J. B. S. Haldane.jpg
J.B.S. Haldane

File:J. B. S. Haldane.jpg
substituční zátěž*):   ; pokud   , L = 0
obecně
měří, do jaké míry je průměrný jedinec v populaci méně zdatný než
nejlepší genotyp
vyjadřuje pravděpodobnost, že průměrný jedinec zemře před svou
reprodukcí
*) mutační zátěž: vznik nevýhodné alely; segregační zátěž: náklady na homozygoty při
superdominanci (zvýhodnění heterozygotů)

Selekční náklady:
Nahrazení jedné alely v populaci za druhou si můžeme představit jako
„selektivní smrt“ původní alely
Čím je intenzita selekce vyšší, tím větší množství původní (nevýhodnější)
alely je v každé generaci z populace vyřazeno („zemře“)
Pokud by selekce byla příliš silná, mohla by způsobit extinkci celé
populace Þ nutná nadprodukce potomstva
např. jestliže poměr nepřeživších a přeživších alel 0,1/0,9 každý přeživší
jedinec by musel vyprodukovat o 1/9 potomků navíc,
ale jestliže poměr 0,999/0,001 ® ~1000 potomků navíc!
Haldane: horní limit selekčních nákladů » substituce 1 genu/300 generací
Þ evoluce nemůže probíhat moc rychle, selekční náklady by byly příliš
vysoké

http://bio3400.nicerweb.com/Locked/media/ch13/13_07-genetic_code.jpg
64 kodonů
20 aminokyselin

podobně M. Grunstein (1976):
evoluční rychlost histonu H4 u 2 druhů mořských ježovek
84 bp mtDNA ® 9 z 10 rozdílů synonymních
http://images.gizmag.com/hero/nissans-leather-seats-like-human-skin-4.jpg
https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSbEXZJ3IFYe5I4_F2mBefY6k4YNaQg7mLIpCn9-5A0Je4
uQKwE http://eatsomethingsexy.com/wordpress/wp-content/uploads/2010/10/seaurchin.jpg
http://www.365daysofdining.com/wp-content/uploads/sea-urchin.jpg
nadbytek synonymních nukleotidových záměn ® hlavně na 3. pozici
M. Kimura (1977): sekvence mRNA člověka a králíka ®
z 53 nukleotidových pozic 6 rozdílů, z nich jen 1 nesynonymní
´ teoreticky by pouze 24 % rozdílů mělo být synonymních

NEUTRÁLNÍ TEORIE
MOLEKULÁRNÍ EVOLUCE
Moderní syntéza: debata selekce vs. drift
začátek 60. let 20. stol. ® sekvence aminokyselin v proteinech
1966: elektroforéza proteinů
Richard Lewontin a Jack Hubby - Drosophila pseudoobscura;
Harry Harris - člověk
® vysoká úroveň polymorfismu

Data získaná do konce 60. let naznačovala, že:
Rychlost molekulární evoluce je příliš vysoká
Rozsah genetické proměnlivosti v populacích je příliš vysoký
... obojí by vyžadovalo vysoké selekční náklady Þ
polymorfismus nemůže být udržován selekcí
Evoluce na molekulární úrovni probíhá konstantním tempem
Vyšší evoluční rychlost u funkčně méně důležitých částí
molekuly, v nekódujících oblastech a v pseudogenech

Proč v populacích tak velký polymorfismus?
Motoo Kimura: protože jsou alely neutrální, trvá mnoho generací než
nová mutace dospěje k fixaci – během té doby je populace nutně
polymorfní = přechodný polymorfismus
Často během přechodu k fixaci dojde v dané alele k další mutaci Þ
v dostatečně velké populaci bude v každém okamžiku velké
množství variability
Populace je v rovnováze driftu a mutace
M. Kimura (1968)
J.L. King & T.H. Jukes (1969)
neutrální teorie
molekulární evoluce
Kimura
M. Kimura

Mol_sel.tif
rychlá fixace výhodné mutace
neutrální alela se fixuje náhodně
rychlá eliminace nevýhodné mutace
současná existence několika alel
většinou jen 1 alela v populaci

1. většina substitucí alel v populaci je neutrální (Þ drift)
skenovat0002
Základní postuláty neutrální teorie:

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. evoluční rychlost u různě důležitých proteinů se liší

Př.: transient receptor potential vanilloid (TRPV) channel protein:
3. rozdílná evoluční rychlost na různých částech proteinu
    (vazebná místa ´ strukturní oblasti)
http://www.epernicus.com/figures/1223/zoomed/1223.jpg?1243538696
vazebné oblasti jsou evolučně konzervativnější
molekula ATP

4. rozdílná evoluční rychlost na jednotlivých místech kodonu
Scan2.TIF skenovat0004


Clock2
5. rychlost evoluce daného proteinu u různých druhů
    přibližně konstantní
Kimura (1983), obratlovci, a-globin:
Wilson (1977), savci, 7 proteinů:

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 je nadhodnocený:
selekce většinou měkká, ne tvrdá
frekvenčně závislá selekce místo superdominance
selekce nepůsobí na jednotlivé lokusy odděleně (epistáze)

Mol_drift.tif
Průměrná doba fixace nové mutace
= 4Ne
středně velká populace:
frekventovanější mutace
malá populace:
mutace málo frekventované
Průměrný interval mezi fixacemi
= 1/m
V malé populaci rychlejší fixace, ale
delší interval mezi fixacemi:
Teoretické principy neutrální teorie:

Mol_drift.tif
Pravděpodobnost fixace nové mutace
= 1/(2Ne)
Průměrný počet neutrálních mutací/generaci
= 2Nem
Frekvence substituce (nahrazení jedné
alely za jinou v populaci):
1/(2Ne) ´ 2Nem = m
Þ rychlost neutrální evoluce není
závislá na Ne, ale jen na frekvenci
neutrálních mutací m !
Teoretické principy neutrální teorie:

, kde q = 4Nem
Průměrná rovnovážná heterozygotnost:
neustálý vznik nových mutací Þ zvýšení proměnlivosti
´ její eroze driftem
Þ neustálé nahrazování jedné alely za druhou
Dochází k rovnováze mutace a driftu Þ polymorfismus
(na rozdíl od rovnováhy mutace a selekce) je přechodný
Teoretické principy neutrální teorie:
větší populace Þ vyšší heterozygotnost

mutace
prospěšné
škodlivé
Neutral
Frekvence neutrálních substitucí:
Zeyl & DeVisser (2001):
kvasinka Saccharomyces cerevisiae
50 populací,
1 jedinec v každé generaci
experiment nezachycuje extrémně škodlivé mutace (letalita)
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 je 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)
Ohta
substituce i mírně škodlivých alel
http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/evolution/public/images/TOhta.JPG
v malých populacích
se chovají jako efektivně neutrální alely

Pozn.: protože q = 1/(2N), bude čitatel v rovnici zjednodušen na 1 – e^2s

Pravděpodobnost fixace neutrální,
výhodné a škodlivé mutace:
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“

Pozn.: protože q = 1/(2N), bude čitatel v rovnici zjednodušen na 1 – e^2s

Z toho plyne, že
1) všechny výhodné mutace nemusí být v populaci zafixovány
2) Naopak s malou pravděpodobností mohou být
zafixovány i škodlivé mutace

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

Závěr:
1) ve velkých populacích hraje mnohem větší roli selekce
a naopak s klesající velikostí roste relativní význam driftu
2) 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
3) To znamená, že 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?

sekvence AA a-řetězce hemoglobinu 6 druhů obratlovců:
XY = XZ
přestože kapr a žralok morfologicky podobnější, žralok je stejně vzdálen od kapra jako od člověka
Þ rozdíly v AA se kumulují konstantně v čase bez ohledu na fenotypovou evoluci
http://static.squarespace.com/static/5181d5b7e4b07b8c66ed5614/t/528eeee2e4b0fc15797f8ebf/1385098979
427/chicken.jpg http://images.yourdictionary.com/images/definitions/lg/house-mouse.jpg
http://www.warrenphotographic.co.uk/photography/bigs/04804-Common-Newt-white-background.jpg
http://www.dpi.nsw.gov.au/__data/assets/image/0015/318300/Common-carp-Pat-Tully.jpg
http://interactivemedia.seancohen.com/fa2012/Lam_Joan/web2/assignment6/sliding-horizontal-parallax/
images/shark.png http://pixabay.com/static/uploads/photo/2014/02/20/08/45/man-270415_640.png
Stejná vzdálenost člověka a myši  nebo čolka od žraloka Þ žádný vliv generačního času

obě datovací metody ukazují téměř konstantní tempo nezávislé na generačním čase
Generační, nebo absolutní čas?
Akumulace neutrálních substitucí u placentáních savců:

druhy s většími populacemi mají tendenci mít kratší generační čas
Velikost populace a generační čas:
Þ možné vysvětlení závislosti na absolutním čase: v menších populacích
dochází k substituci i mírně škodlivých alel

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7e/SNP_saturation.PNG/300px-SNP_saturation.PN
G Scan20001.TIF
Molekulární hodiny ale „netikají“ u různých skupin stejně
např. kytovci < „sudokopytníci“< primáti < myšovití hlodavci
u primátů opice Starého světa > „lidoopi“ > člověk
Problém saturace sekvencí:
® použití vhodného evolučního modelu („narovnání“ křivky)
metoda relaxovaných molekulárních hodin

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)
http://web.stanford.edu/group/hopes/cgi-bin/hopes_test/wp-content/uploads/2011/02/f_q05slippage.gif
Výsledek obrázku pro polymeraseslippage image

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