Molekulski sat i Molekulski sat i genealogija gena genealogija gena
Molekulski sat iMolekulski sat igenealogija genagenealogija gena
Molekulski satMolekulski sat
• geni evoluiraju dovoljno konstantnom stopom da se mogu koristiti pri proceni vremena divergencije populacija i drugih taksona
• ukoliko evolucione promene taksona vode njihovoj divergenciji i ukoliko se evolucione linije menjaju istom i konstantnom stopom → broj razlika između dva taksona (populacije, vrste, rodovi,...) direktan pokazatelj vremena odvajanja od zajedničkog pretka
• opseg vremena divergencije
Slabosti molekulskogSlabosti molekulskogsatasata
• Različite stope mutacija
• Vreme generacija različitih vrsta– Npr. molekulski sat glodara kuca 2-3 puta brže od
molekulskog sata primata
““lokalni molekulski satlokalni molekulski sat”” za grupu za grupu srodnih taksonasrodnih taksona
• Primer ψη-globinskog pseudogena kod 5 vrsta primata (čovek, šimpanza, gorila, orangutan i rezus majmun)– Prosečna stopa zamene nukleotida u nekoj evolucionoj
liniji može se proceniti ukoliko imamo podatke o apsolutnom vremenu divergencije
– Najstariji fosil superfamilije Cercopithecoidea star 25 My- to je minimalno vreme divergencije Macaca i hominoidea
Primer:Primer: ψηψη--globinskiglobinskipseudogenpseudogen
• sekvencirano 10 000 baza• 457 nukleotidnih zamena u ev. liniji ka rezus majmunu• broj nukl. zamena u evolucionoj liniji ka čoveku =
= 76+14+70+150 = 31076
92
14
94
70
199
150
457
Homo
Pan
Gorilla
Pongo
Macaca
Primer: Primer: ψηψη--globinski pseudogenglobinski pseudogen
- stopa zamene nukleotida u evol. liniji ka Macaca =
= 457/10000bp/25My = 1.83∙10-3 na 1 My = 1.83∙10-9 po godini
- stopa zamene nukleotida u evol. liniji koja je vodila ka Homo od zajedničkog pretka svih Cercopithecoidea =
= 310/10000bp/25My = 1.24∙10-3 na 1 My
- prosečna stopa nukleotidnih zamena u svakoj evolucionoj liniji
r = (457+310)/2 = 383.5/10000/25My = 1.534∙10-3 na 1 My
Vreme divergencije (t) na osnovu molekulskog sata (r) D = 2rt
t = D / 2r
Proporcija razlika u sekvenci
Evoluciona istorija polimorfizama- genealogija gena i teorija slivanja -
Genealogija genaGenealogija gena -- logikalogika
• Postupak vraćanja unazad kroz vreme i pronalaženje predačkih varijanti gena u prethodnim generacijama
• „ispadanje gena“ ili „ispadanje mutacija“ (engl. gene dropping, mutation dropping) unazad kroz vreme
• Linije gena će se spajati (slivati) uvek kada dve jedinke imaju istog roditelja
• DNK sekvence su nasleđene od roditelja i biće identične u potomstvu ukoliko se nije desila mutacija
• Mutirana kopija potiče od nekog predačkog gena u prethodnoj generaciji→ n alela jednog gena u generaciji t potiče od n-1 alela u generaciji t-1, oni od n-2 alela u generaciji t-2, itd.
Obrnuta priObrnuta priččaa
• Na početku beše 10 alela: A B C D E F G H J K
• Nosioci A ne ostave potomstvo, E mutira u E1 (nova varijanta): B C D E E1 F G H J K
• U narednim generacijama se sve to ponavlja, neki se gube, novi nastaju (ako je populacija konstantne brojnosti, postojaće konstantan broj različitih alela – novi se generišu, stari eliminišu - “ravnoteža drifta i mutacija” ).
• Nakon više generacija: B B2 B4 E1 E3 K2 K3 K5 K7 K8
• Varijante od samo 3 početna alela.
• Kako vreme odmiče, sve je veća verovatnoća da ostanu varijante samo jednog originalnog tipa.
GenealogijaGenealogijagenagena
• Genealogija gena u sadašnjoj populaciji se „sliva“ (ukorenjuje, engl. coalesce) unazad do jednog zajedničkog pretka (MRCA).
• populacija se u svakoj generaciji unazad sastoji od potomaka sve manjeg i manjeg broja originalnih predačkih kopija gena.
• gledajući unazad kroz vreme, sve kopije gena u generaciji tpredstavljaju potomačke kopije jednog jedinog gena.
TMRCA TMRCA
-- TTime to ime to MMost ost RRecent ecent CCommon ommon AAncestor ncestor --
• broj generacija potreban za slivanje sekvenci do predačke varijante gena
1
2 2
11
2
1
j
NNjtP
- k predačkih alela iz jedne populacije vodi poreklo od k-1 alela prethodne generacije, a oni od k-2 predačkih alela, itd. - Npr. 2 alela uzorkovano u populaciji veličine N (ukupno 2N alela)- verovatnoća da su 2 alela identična po poreklu (IBD) je- verovatnoća da 2 alela nisu IBD je
- Verovatnoća da 2 alela imaju zajedničkog pretka u j-toj generaciji je:
Raspodela verovatnoća (t je promenljiva) ima oblik geometrijske raspodele (aprox
eksponencijalnom), pa je E(t) ili TMRCA = 2N
N
t
NjtP
2
2 2
1
ili
N2
1
N2
11
• TMRCA iznosi: – 2Ne za bilo koje dve kopije gena kod diploidnih
organizama
– 4Ne generacija za multipne alele u populaciji diploidnih organizama,
– Ne generacija za mitohondrijske ili NRY gene koji su efektivno u haploidnom stanju i prenose se uniparentalno.
TMRCA TMRCA –– druge procenedruge procene
““Mitohondrijalna EvaMitohondrijalna Eva””
• 1987 Cann i sar. – RFLP mtDNK na 147 žena iz 5 populacija (12 restr. enzima, 133 haplotipa).– Genealoško stablo – Vreme slivanja 200 000
god. (pliocen)– Predački haplotip afričkog
porekla
Kasnije studije – vreme slivanja 100 000 – 200 000 godina.
• Kod čoveka “Y Adam” – TMRCA nekoliko hiljada godina posle Eve - manja stopa mutacija na Y markerima od mtDNK i veća reproduktivna varijansa.
• Autozomalni geni – očekivano duže vreme slivanja– 4 puta veća Ne matematički gura TMRCA unazad kroz
vreme
– Neke studije - vreme nastanka polimorfizma od 500 000 godina, pa čak i više od 2 miliona godina.
ZakljuZaključčci iz geneci iz geneaalogijalogija
• Potvrda ¨out of Africa¨ modela evolucije čoveka
• Najveća genetička varijabilnost u Africi iz dva razloga:– Najduže vreme za akumulaciju mutacija i
diferencijaciju populacija– Efekat osnivača
¨Sa stanovišta genetičke varijabilnosti na većini lokusa, izgleda da smo svi mi Afrikanci, bilo da živimo na tom kontinentu ili u skorašnjem egzilu¨
Svante Pääbo
Drevna DNK (Drevna DNK (ancient DNAancient DNA))
• Pomiriti genetičku i paleontološku perspektivu evolucije čoveka –
analiza DNK iz fosila
• Fragmentisana - “jumping PCR”• Potpuno uništena (do nukleotida) - neupotrebljiva• Prljava (kontaminirana, modifikovana)
NeandertalacNeandertalac
• 1997. Krings i sar. izolovali i mtDNK i sekvencirali hipervarijabilni segment iz neandertalca.
• Sekvence su van varijacije u ljudskim populacijama.
• Poslednji zajednički predak čoveka i neandertalca pre 500 000 god.
NeandertalacNeandertalac
• 2 moguća odgovora:
- nije bilo međusobnog ukrštanja
- neandertalski mitohondrijalni uticaj je izgubljen usled drifta
ŠŠta se desilo neandertalcima?ta se desilo neandertalcima?
1. SCENARIO: protok gena između neandertalaca i starih populacija H. erectusavan Afrike → očekivali bismo mnogo veće razlike između savremenog čoveka i neandertalca.
2. SCENARIO: ukrštanja kasnih neandertalaca i populacija savremenih ljudi u zapadnoj Evropi i Aziji → očekivali bismo najveće sličnosti neandertalaca sa tim savremenim populacijama.
3. SCENARIO: ukrštanja neandertalaca sa predačkom populacijom svih ne-Afrikanaca → očekivali bismo podjednaku sličnost sa svim van-afričkim populacijama!
1 – 4% genoma savremenih ne-Afrikanaca potiče od neandertalaca!
4. SCENARIO: substrukturiranost u Africi nakon odvajanja linije neandertalaca
ŠŠta se desilo ta se desilo neandertalcima?neandertalcima?
• 70% savremenih ljudi nosi alele iz D haplogrupe (37 000 god)
intenzivna selekcija
MCPH1 gen
Mogući scenario (Evans et al. 2006): -Dve izolovane populacije (više od 1 milion god.) – u jednoj fiksiran predački alel D haplogrupe-Populacija u kojoj je fiksiran D alel pripada arhaičnim (ne savremenim) ljudima!
-Zašto?-Kod savremenih ljudi bi se uočio takav skorašnji prolazak kroz usko grlo i na drugim lokusima.-Savremeni Afrikanci imaju najmanju učestalost D alela.-U to vreme savremeni ljudi su naseljavali evroazijski kontinent.
““DenisovciDenisovci””
• Pećina Denisova u južnom Sibiru
• Fosilni ostaci starosti od oko 40 000 godina,
• mtDNK: 385 bp razlika u odnosu na ljude i 376 bp razlika u odnosu neandertalce
• Vreme divergencije: – 1 do 0.8 mil. god. od evol. linije ka savremenim ljudima
– Pitanja migracija drevnih vrsta!!!!
– Ukrštanja sa savremenim ljudima!!!!• 4 – 6% genoma kod Melanežana
• ali i kod još nekih grupa
UkrUkršštanja u Africitanja u Africi
• 61 nekodirajuća sekvenca u populacijama Biaka, San i Mandenka
• Kandidati za arhaične sekvence:
– Lokusi: 4qMB179, 13qMB107 i 18qMB60 (visok LD)
• Duboka filogenija – TMRCA pre 700 000 god.
• Vreme introgresije – 35 000 godina (na osnovu R)
• Mesto introgresije – centralna Afrika
Brojni fosili između 200 000 i 12 000 god. sa mešavinama fenotipskih karakteristika savremenih i arhaičnih ljudi.