Populační genetika II Radka Reifová
Populační genetika II
Radka Reifová
Literatura
• An Introduction to Population Genetics.
Rasmus Nielsen and Montgomery Slatkin. 2013. (v knihovně)
• Elements of Evolutionary Genetics (2010)
Brian Charlesworth and Deborah Charlesworth (v knihovně).
• Population Genetics and Microevolutionary Theory (2006)
Alan R. Templeton (v knihovně).
• Principles of Population Genetics (různá vydání)
Daniel L. Hartl, Andrew G. Clark (v knihovně)
• Genetics of Populations (různá vydání)
Philip W. Hedrick (v knihovně)
• Conservation and the genetics of populations.
Fred W. Allendorf, Gordon H. Luikart, Sally N. Aitken. 2012
http://site.ebrary.com/lib/cuni/docDetail.action?docID=10608188
Molekulární hodiny
Genealogie a fylogeneze
Speciace
Mutační vs. substituční rychlost
Mutační rychlost Substituční rychlost
Rychlost s jakou nové
mutace vznikají.
Rychlost s jakou se substituce
fixují v populaci.
2Ne
k = 2Neμ = μ
= počet nových mutací x pravděpodobnost jejich fixace
Pro neutrální mutace platí:
počet nových mutací v populaci
pravděpodobnost fixace nové mutace
Substituční rychlost pro neutrální mutace je daná pouze
mutační rychlostí. Nezávisí na efektivní velikosti populace. Za
předpokladu neměnné mutační rychlosti se je substituční
rychlost v čase také konstantní. Molekulární hodiny.
Teorie neutrální evoluce a
substituční (fixační, evoluční) rychlost
1Ne … efektivní velikost populace
μ … mutační rychlost
Mottoo Kimura
Genetická divergence
= substituční rychlost x časD = 2μt
t
• Počet mutací, které vzniknou za určitý čas.
• Pro neutrální sekvence vzrůstá genetická divergence lineárně s časem.
Molekulární hodiny a odhad doby divergence dvou druhů
AGTGAGTCGTCAGTACTGCTG
ACTTAGCCGTGAGTACAGCTA
D = = 0,2857 (28,57%)
Odhad genetické divergence ze sekvenčních dat
6
21
Proporce nukleotidových míst, které se liší
mezi dvěma sekvencemi DNA.
• Po určité době divergence přestane stoupat. Je to kvůli
mnohočetným substitucím ve stejné pozici. Došlo k saturaci.
• Odhad divergence vzdálených sekvencí je podhodnocený. Nutno
korigovat pomocí nukleotidových substitučních modelů.
Saturace mutací
Kalibrace molekulárních hodin
• Tj. odhad substituční rychlosti
• Provádí se na základě známé doby divergence některých taxonů na
základě např. paleontologických dat.
• Substituční rychlost pro sekvenci genu cytochromu b (mt DNA)
u savců a ptáků cca 0,01. Tzn. 2% divergence ~ 1 mil let.D = 2μt
Substituční rychlost je velmi variabilní u různých druhů
Substituční rychlosti pro cytochrom b u ptáků.
Pravidlo 2% divergence ~ 1 mil let, neplatí!
Proč se substituční rychlost liší u různých druhů?
Druhy s menší velikostí těla mají větší substituční rychlost.
Hypotéza generační doby
• Druhy s malou tělesnou velikostí mají obvykle kratší generační dobu. Za
určitý časový interval se víckrát rozmnoží, v germinální linii proběhne
celkově více buněčných dělení v přepočtu na jeden rok. Pokud většina
mutací vzniká při replikaci, je u nich zvýšená mutační a tím pádem i
substituční rychlost (vztažená na rok, ne však na generační dobu).
Proč je substituční rychlost vyšší u organismů s malou
tělesnou velikostí?
1 generace
25 let
25 generací
Metabolická hypotéza
• Mutační rychlost a tím pádem substituční rychlost je ovlivněná rychlostí
metabolismu. Při vyšší rychlosti metabolismu, vyšší oxidativní stres. Druhy
s malou velikostí mají rychlejší substituční rychlost.
• Vysvětlí proč teplokrevní mají vyšší substituční rychlost než studenokrevní.
Hypotéza dlouhověkosti
• Dlouhověké druhy si vyvinuly mechanismy, jak se bránit
mutačnímu stresu. Mají účinnější DNA reparační
mechanismy. Mohou se tak dožít vysokého věku.
vysoký metabolismus
dlouhověcí
nízký metabolismus
krátkověcí
Velryba grónská
Teorie téměř neutrální evoluce
(Téměř) neutrální mutace: |2s| <
V malých populacích se chovají spíše neutrálně, ve velkých spíše jako
výhodné či škodlivé.
• neutrální mutace
působí na ně drift
• škodlivé / výhodné mutace
působí na ně zejména selekce
• mírně škodlivé / výhodné mutace
působí na ně drift i selekce
Tomoko Ohta
2Ne
1
• V malých populacích se fixuje více mutací než ve velkých
(fixují se zde mírně škodlivé mutace).
• Druhy s malými populacemi mají rychlejší substituční rychlost
než druhy s velkými populacemi. Zároveň se u nich fixuje více škodlivých
mutací.
Téměř neutrální teorie evoluce předpovídá
rychlejší substituční rychlost v malých populacích
• Platí i pro části genomu s nižší Ne. Rychlejší evoluce pohlavních
chromosomů či mtDNA ve srovnání s autosomy.
X chromosomeAutosome
1. Mutační a tím pádem i substituční rychlost není konstantní.
Liší se u různých taxonů.
2. Evoluční rychlost není zcela nezávislá na velikosti populace.
Problémy molekulárních hodin
Genealogie a fylogeneze
Genové genealogie
• Rodokmeny jednotlivých kopií určitého genu v populaci.
• Popisují vztahy mezi kopiemi určitého genu v populaci napříč generacemi.
Genové genealogie
Genové genealogie
Genové genealogie
Genové genealogie
Nejbližší společný předek vybraných linií „Most Recent Common Ancestor“ (MRCA)
Genové genealogie
Mitochondriální Eva
= MRCA pro
současnou lidskou
mt DNA
Adam pro
chromosom Y
= MRCA pro
současný lidský
chromosom Y
Koalescence
= splývání linií
Genové genealogie
Můžeme rekonstruovat díky mutacím
T
T T T T A
A
G G G
C
C C
A
G
Průběh genealogií je ovlivněn demografickými faktory i selekcí
Karmin et al. 2015
Z průběhu genealogií lze zjistit změny ve velikosti populací v minulosti
Genealogie umožňují rekonstrukci fylogeneze
druh A druh B druh C
druh A druh B druh C
genový vs. druhový strom
• Maximální parsimonie
Strom s minimálním počtem mutací.
• Distanční metody
Strom se vytvoří na základě odhadnutých genetických vzdálenosti
mezi všemi dvojicemi sekvencí.
• Metoda maximální věrohodnosti and Bayesiánské metody
Strom, který s největší pravděpodobností vysvětlí data.
Rekonstrukce fylogeneze
Sekvence
1 01000
2 01000
3 11000
4 00110
5 00110
6 00011
1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6
U blízce příbuzných druhů může docházek k rozporu
mezi genealogickým a fylogenetickým stromem
druh A druh B druh C
neúplné
úplné
Sortování
genealogických linií
• Pro stanovení
fylogeneze je proto
třeba studovat více
genů.
• Pro většinu genů by
genealogie měla
odpovídat fylogenezi.
• Rychlost sortování linií
závisí na Ne. Ve velkých
populacích je pomalejší
Jarvis et al. Science 2014
• Rychlá radiace na
přelomu druhohor a
třetihor po velkém
vymírání.
• Problém se stanovením
příbuznosti jednotlivých
řádů ptáků
pravděpodobně kvůli
nekompletnímu sortování
linií.
Fylogeneze ptáků
• Pomocí molekulárních hodin
odhadujeme dobu divergence
sekvencí, ne druhů.
divergence sekvencí
divergence druhů
Datování divergence dvou blízce příbuzných druhů
pomocí molekulárních hodin často nadhodnocené
Hybridizace a speciace
Speciace
Proces vzniku nových druhů
Biologická koncepce druhu (Ernst Mayr, 1942)
• Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně plodně
kříží a jsou reprodukčně izolované od jiných takových
skupin.
Reprodukční
izolace
Co je to druh?
prezygotická
postzygotická
prekopulční
postkopulační
vnitřní
(neplodnost a neživotaschopnost hybridů)
vnější
Speciace
Sympatrická
Vznik polymorfismu
Reprodukční izolace se vyvíjí v
přítomnosti genového toku
Charles Darwin Ernst MayrAlopatrická
Vznik geografické bariéry
Reprodukční bariéra se vyvíjí
bez přítomnosti genového toku
aabb
Aabb
AAbb
aaBb
aaBB
AaBb
Dobzhansky-Muller
nekompatibility
Bombina bombina
Bombina variegata
Mus musculus
domesticus
Mus musculus musculus
Mezidruhová hybridizace a genový tok (introgrese)
Darwin Finches
Cichlids
Homo sapiens
Homo neanderthalensis
Luscinia megarhynchos
Luscinia luscinia
Mezidruhový genový tok může být dalším důvodem pro
nekonzistenci mezi genovou genealogií a fylogenezí
Selektivně propustná reprodukční bariéra
M. m. musculusM. m. domesticus
Genový koncept druhu (Chung-I Wu, 2001)
• Reprodukční bariéra se nemusí týkat celého genomu, ale může být
udržována celkem malým počtem genů.
• Druh jako koadaptovaný komplex genů.
Polopropustná reprodukční bariéra
Corvus corone Corvus cornix
Mezidruhová introgrese genů podmiňujících Mullerovské mimikry u motýlů rodu Heliconius
The Heliconius Genome Consorcium. Nature. 2012
Vznik adaptací pomocí mezidruhové hybridizace (adaptivní introgrese)
• Neafrická lidská populace zdědila 2-4% genomu od neandrtálců.
• V Tibetské populaci mutace v genu EPAS1 usnadňuje život ve vysokých
nadmořských výškách. Původem z neandrtálců.
• Adaptivní introgrese se také týká genů ovlivňujících kvalitu kůže a srsti.
• Některé alely získané od neandrtálců způsobují choroby (např. obezitu,
deprese).
Adaptivní introgrese u Homo sapiens
Speciace hybridizací
Nový druh vzniká hybridizací mezi dvěma rodičovskými druhy.
• Provázena duplikací genomu
hybridního druhu.
• Duplikace genomu
(1) odstraní případné poruchy v
meióze u hybridů, pokud se
rodičovské druhy liší ploidií.
(2) vytvoří reprodukční bariéru
mezi hybridy a rodičovskými
druhy.
• Častá u rostlin. ~ 15%
krytosemenných roslin vzniklo
polyploidní hybridní speciací.
Polyploidní hybridní speciace
Sympatrická speciace změnou ploidie
• Častá u rostlin.
• Duplikace genomu vytvoří okamžitou reprodukční izolaci.
Hybridní jedinci (3n) problém s meiózou. Sterilita.
2n 4n
Homoploidní hybridní speciace
• Nedochází ke změnám ploidie.
• Reprodukční izolace mezi hybridním
druhem a rodičovskými druhy se
může vytvořit pokud se hybridi
geograficky oddělí od populace
rodičovských druhů anebo
ekologicky odliší.
Příklad: vrabec italský
Hybridogeneze
• Skokan zelený je F1 hybrid. Při gametogenezi F1 hybrida
zničen genom jednoho z rodičů. Křížením s rodičovským
druhem, jehož genom byl zničen, vzniká opět F1 hybrid.
skokan skřehotavý skokan krátkonohý
skokan zelený
Strom života Síť života
Horizontální genový přenos
• Velmi častý v rámci prokaryot.
• Dochází k němu ale i u eukaryot.
• Možný přenos genů i mezi vzdálenými taxony.