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.