Populační genetika II
Radka Reifová
Teorie neutrální evoluce
• Ukazuje jaká bude genetická variabilita v populaci a jaká bude rychlost evoluce v případě, že mutace jsou neutrální a na populaci působí
pouze genetický drift.
konec 60. a začátek 70. let 20. stol.
Mottoo Kimura
= frekvence nově vzniklých mutací v populaci za 1 generaci.
N = 100
μ = 0.01 (1 mutace na 100 jedinců na 1 generaci)
Mutační rychlost (μ)
• Mutační rychlost pro nukleotidové substituce v lidském genomu ~ 1.10 -8
• 61 nových nukleotidových subtitucí v celém genomu na jedince.
• Většina (~ 76%) nukleotidových substitucí vzniká v samčí germinální linii (male-driven evolution).
• Počet nově vzniklých nukleotidových substitucí vzrůstá s věkem otce (1-2 nově vzniklé mutace na jeden rok otcovského věku).
Mutační rychlost u lidí
Campbell and Eicher, 2013
• Typ mutací
- Tranzice vznikají častěji než transverze.
- Mutační „hotspots“ CpG u živočichů.
• Poloha v genomu
- Mutační rychlost cca 10 x větší na mt DNA než v jaderné DNA.
- Liší se mezi autosomy a pohlavními chromosomy.
- Ovlivněna také např. mírou transkripce genu či blízkostí k replikačnímu počátku.
Faktory ovlivňující mutační rychlost
θ = 4N
eμ
• Míra genetického polymorfismu v populaci závisí
přímoúměrně na mutační rychlosti a velikosti populace.
Pro neutrální mutace platí:
Genetický polymorfismus (θ)
Polymorfní (segregující) místo
1. Proporce polymorfních míst (θ, θW, θS)
2. Nukleotidová diverzita (průměrná heterozygozita) (π)
Empirické odhady genetického polymorfismu (θ) v populaci
Polymorfní (segregující) místo
Odhad nukleotidové diverzity (π)
Odhad proporce polymorfních míst (θ, θ
W, θ
S)
θ = ps/k k … počet sekvencí
θ = 0.3/4 = 0.075
Za předpokladu neutrality by měli být oba odhady stejné.
Tajima’s D test
• D = (π - θw)/Var(D)
• Při nadbytku vzácných alel θw > π. D < 0.
(pozitivní a negativní selekce či populační expanze)
• Při nadbytku středně četných alel π > θw. D > 0.
(balancing selekce či efekt hrdla lahve)
Sheeman and Nachman. 2014. Nature.
Velká rozmanitost lidských obličejů udržována balancing selekcí
Průměrná doba fixace neutrální mutace
t = 4Ne generací pro chrX: t = 3Ne
pro chrY, mt DNA: t = 1Ne
• U druhů s velkou Ne může přetrvávat neutrální polymorfismus několik milionů let. Vysvětluje proč je ve velkých populacích velké množství polymorfismu.
• Příbuzné druhy mohou sdílet polymorfismus, který zdědily od společného předka.
Ancestrální polymorfismus
2Ne k = 2Neμ = μ
Evoluční/substituční/fixační rychlost
= počet nových mutací x pravděpodobnost jejich fixace
počet nových mutací v populaci
pravděpodobnost fixace nové mutace
Rychlost neutrální evoluce je ovlivněna pouze mutační rychlostí. Nezávisí na efektivní velikosti populace. Za předpokladu neměnné mutační rychlosti se je rychlost neutrální evoluce konstantní. Molekulární hodiny.
Rychlost neutrální evoluce
1 Ne … efektivní velikost populace μ … mutační rychlost
Genetická divergence
= substituční rychlost x čas D = 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.
Problém saturace
• Po určité době divergence DNA sekvence přestane stoupat. Je to kvůli zpětným mutacím a mnohočetným substitucím ve stejné pozici.
• Odhad divergence vzdálených sekvencí je podhodnocený. Nutno korigovat pomocí nukleotidových substitučních modelů.
skutečných počet substitucí pozorovaný počet substitucí
Odhad substituční rychlosti
• Kalibrace molekulárních hodin
• 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
divergence sekvencí divergence druhů
• Pomocí molekulárních hodin odhadujeme dobu divergence sekvencí.
• Ta může být výrazně vyšší než doba
divergence druhů pokud druhy stále sdílí ancestrální polymorfismus.
• Odhady divergence pomocí molekulárních hodin má smysl používat jen pro vzdálenější druhy.
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?
Velkou část variability v substituční rychlosti vysvětlí variabilita ve velikosti těla.
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 rychlost a tím pádem i substituční rychlost.
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
Téměř neutrální teorie evoluce
(Téměř) neutrální mutace: |2s| < 1/2Ne
O jejich osudu rozhoduje více drift než selekce
Mírně škodlivé/výhodné mutace se v malých populacích chovají jako neutrální, kdežto ve velkých jako škodlivé.
• neutrální mutace působí na ně drift
• škodlivé / výhodné mutace působí na ně selekce
• mírně škodlivé / výhodné mutace působí na ně drift i selekce
Pokud |2s| = 1/2Ne,selekce a drift na osud alely stejný vliv.
Tomoko Ohta
• Většina mutací škodlivých.
• V malých populacích se fixuje více škodlivých mutací než ve velkých.
• Druhy s malými populacemi mají rychlejší substituční rychlost než druhy s velkými populacemi.
Téměř neutrální teorie evoluce předpovídá rychlejší evoluční rychlost v malých populacích
> >
Téměř neutrální evoluce může vysvětlit rychlejší evoluci chromosomu X
Chromosom X má menší efektivní velikost populace než autosomy.
Můžou se na něm snadněji fixovat mírně škodlivé mutace. Rychlejší evoluce.
Problémy molekulárních hodin.
1. Mutační a tím pádem i substituční rychlost není konstantní.
Liší se u různých taxonů.
2. Evoluční rychlost není zcela nezávislá na velikosti populace.
Genové genealogie a
teorie koalescence
Genové genealogie (genové stromy)
Rodokmen Teorie koalescence
• Popisuje průběh a vlastnosti genealogií v populacích na které působí různé evoluční síly (drift, selekce, migrace)
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
žila zhruba před 140 tis. lety ve východní Africe
Adam pro chromosom Y
= MRCA pro současný lidský chromosom Y
Žil zhruba před 70 tis. lety
Genové genealogie
Obvykle neznáme, ale můžeme je rekonstruovat díky mutacím
T
T T T T A A
G G G C
C C
A
G
Proces koalescence je ovlivněn demografickými faktory
Proces koalescence je ovlivněn selekcí
genealogie versus fylogeneze
(genový strom versus druhový strom)
genealogie versus fylogeneze
(genový strom versus druhový strom)
druh 1 druh 2
polyfilie
parafilie
monofilie
Sortování linií
Pro 3 populace (max 10 populací)
15 parametrů, které lze odhadnout ze skutečných dat N5
t2 t1
N3 N2 N1
N4
m2-1 m1-2 m3-2
m2-3
m4-3 m3-4
m1-3 m3-1
Model Izolace s Migrací (IM)
Hey J (2010). Mol.Biol.Evol. 27(4):905-920.
Speciace
Table 2. Currently catalogued and predicted total number of species on Earth and in the ocean.
Mora C et al. (2011) PLoS Biol 9(8): e1001127.
Kolik je na světě druhů?
• Odhaduje se, že ~8,7 milionů druhů eukaryotických organismů.
• Popsaných pouze 1,2 milionů. Většina druhů teprve čeká na objevení.
“Nebudu zde ani probírat různé definice pojmu druh. Žádná z nich až dosud neuspokojila všechny přírodovědce, ale každý přírodovědec zhruba ví, co míní tím, když mluví o druhu.”
(Charles Darwin, O vzniku druhů přírodním výběrem, 1859)
Co je to druh?
Typologická koncepce druhu
Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně podobají a odlišují se určitými znaky od jedinců jiného druhu.
Čtyři kryptické druhy motýlů rodu Perichares
M F M F
dorsal ventral
Konipas luční, poddruhy
Kryptické druhy Polytypické druhy
Biologická koncepce druhu
Ernst Mayr
• Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně plodně kříží a jsou reprodukčně izolované od jiných druhů.
Reprodukčně izolační mechanismy
Prezygotické
a) Prekopulační. Mezi druhy nedochází k páření (ekologické, etologické, mechanické bariéry)
b) Postkopulační. Dochází k páření, ale nedojde k oplození (gametická izolace).
Postzygotické
a) Vnitřní. Hybridní jedinci jsou neživotaschopní či sterilní.
b) Vnější. Hybridní jedinci jsou ekologicky znevýhodněni.
Jak druhy vznikají?
Speciace štěpná
čas
alopatrická
peripatrická
parapatrická
sympatrická
Tradiční členění způsobů speciace zohledňuje především prostorové aspekty speciace
• Vznik druhů bez geografické izolace prostřednictvím disruptivní selekce.
• Problém s vytvořením reprodukční izolace.
• V principu možná pokud zároveň dochází k pozitivnímu asortativnímu páření mezi
ekologicky podobnými jedinci.
Sympatrická ekologická speciace
Jak zajistit pozitivní asortativní páření mezi ekologicky podobnými jedinci?
1. Magické znaky. Znaky umožňující různé využívání zdrojů jsou zároveň znaky, podle kterých si samice vybírají.
2. Geny podmiňující ekologicky významné znaky a samiččí preference jsou v genetické vazbě (leží na stejném chromosomu).
Velikost zobáku u Darwinových pěnkav
vrtule (Rhagoletis pomonella)
jablka hloh
• Relativně častá u hmyzu a parazitů
• K páření a kladení vajíček dochází na hostitelské rostlině, na které jedinci sami vyrostli. Zajistí pozitivní asortativní páření.
Sympatrická ekologické speciace přeskokem na nového hostitele
Kyjatka hrachová (Acyrthosiphon pisum)
jetel luční vojtěška
Sympatrická speciace pomocí pohlavního výběru
Seehausen et al. Nature. 2008
Cichlidy
Sympatrická speciace změnou ploidie
• Častá u rostlin.
• Duplikace genomu vytvoří okamžitou reprodukční izolaci.
Hybridní jedinci (3n) problém s meiózou. Sterilita.
2n 4n
Alopatrická speciace
• Geografické oddělení populací.
• Rozrůznění vlivem mutací, driftu a selekce.
• Po opětovném kontaktu se jedinci mezi populacemi už spolu nedokáží plodně křížit.
aabb
AAbb aaBB
AaBb
A a B jsou nekompatibilní.
Nebyly spolu v evoluci testovány.
Dobzhansky-Muller model
Popisuje mechanismus vzniku vnitřní postzygotické reprodukční bariéry.
Haldaneovo pravidlo
Pokud je v mezidruhovém křížení jedno pohlaví sterilní či neživotaschopné, pak je to pohlaví heterogametické (XY, ZW)
Coynovo pravidlo
Na vznik hybridní sterility má relativně velký vliv chromosom X(Y) ve srovnání s autosomy.
„Dvě pravidla speciace“
Týkají se vnitřní postzygotické reprodukční bariéry (hybriní sterilita a neživotaschopnost)
Vysvětlení:
dominance, rychlá evoluce pohlavních chromosomů, meiotický drive
• Druhy vzniklé v alopatrii se po
sekundárním kontaktu mohou někdy plodně křížit. Vznik hybridních zón.
• K mezidruhové hybridizaci dochází u 25% druhů cévnatých rostlin,
12% druhů motýlů, 10% druhů ptáků, 6% druhů savců
• Častý mezidruhový genový tok (genová introgrese).
Hybridní zóny a mezidruhová hybridizace
Vrána obecná šedá Vrána obecná černá
Poddruhy myši domácí
Polopropustná reprodukční bariéra
druh 1 druh 2
• způsobuje vyšší genetickou divergenci u lokusů podmiňujících reprodukční izolaci
Ellegren et al. 2012. Nature
Genomové oblasti vykazující vysokou míru genetické divergence nesou geny podmiňující reprodukční izolaci
Často leží v oblasti
centromer a na pohlavních chromosomech.
Hybridizace a genová introgrese
mezi Homo neanderthalensis a Homo sapiens
• Některé alely v současné lidské populaci (mimo Afriku) pocházejí z neandrtálců.
• Proti alelám původem k neandrtálce působí spíše negativní selekce, která je z lidského genomu odstraňuje. Některé alely původem z neandrtálce mohou přispívat k rozvoji některých lidských chorob.
• Některé alely však zdá se přinesly Homo sapiens výhodu. Jde především o
alely ovlivňující pigmentaci kůže či růst srsti. Tyto alely mohly pomoci adaptovat se Homo sapiens na podmínky mimo Afriku.
Speciace hybridizací
• 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
Nový druh vzniká hybridizací mezi dvěma různými rodičovskými druhy.
Homoploidní hybridní speciace
• Nedochází ke změnám ploidie.
• Vzácná. Hybridi mívají problém s fertilitou.
Nejsou reprodukčně izolované od rodičovských druhů.
• Reprodukční izolace se může vytvořit
ekologickou diferenciací a/nebo prostorovým oddělením.
• Vznikl hybridizací mezi vrabcem domácím a vrabcem pokřovním.
• Není F1 hybrid, ale jednotliví jedinci mají různou část genomu jednoho či druhého rodičovského druhu.
• Hybridní populace byla nějakou dobu v geografické izolaci, tím postupně vznikla
reprodukční izolace vůči rodičovským druhům.
Případ italského vrabce
Homoploidní hybridní speciace u živočichů
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