Evoluční genetika II

Evoluční 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

• Evoluční biologie. Jaroslav Flegr. 2009

Neutrální teorie evoluce a molekulární hodiny Genové genealogie a fylogeneze

Speciace

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 nových mutací na generaci

• μ = 0.01 (1 mutace na 100 jedinců na 1 generaci)

Mutační rychlost (μ)

• Mutační rychlost v lidském genomu ~ 1.10 ^-8 (na bázi a na generaci)

• necelých 100 nových nukleotidových substitucí v celém genomu na jedince.

• Většina nukleotidových substitucí vzniká v samčí germinální linii (více replikací DNA) (male-driven evolution).

• Počet nově vzniklých nukleotidových substitucí vzrůstá s věkem otce (paternal age effect).

• Rozdíl v mutační rychlosti mezi autosomy a pohlavními chromosomy. Chr Y, Z: vyšší mutační rychlost než autosomy. X, W nižší.

Campbell and Eicher, 2013

K většině mutací dochází při replikaci DNA

Je odlišná pro různé typy mutací

• Tranzice vznikají častěji než transverze; rozsáhlejší mutace obecně méně časté; mutační „hotspots“ CpG u živočichů, mikrosatelity.

Je odlišná pro různé lokusy v rámci genomu

• Mutační rychlost cca 10 x větší na mt DNA než v jaderné DNA; velmi varíruje také v rámci jaderné DNA; ovlivněna např. mírou transkripce dané sekvence, blízkostí k replikačnímu počátku.

Mutační rychlost

Lynch et al. 2010

Liší se u různých organismů

• Ovlivněna celkovou velikostí genomu, životními strategiemi organismů (velikost těla,

intenzita bazálního

metabolismu, dlouhověkost…)

θ = 4N

μ

• Míra genetického polymorfismu v populaci závisí

přímoúměrně na mutační rychlosti a velikosti populace.

Pro neutrální mutace platí:

Genetická diverzita (genetický polymorfismus) (θ)

Polymorfní (segregující) místo

1. Proporce polymorfních míst (θ, θ_W, θ_S)

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

, θ

)

θ = p_s/k k … počet sekvencí

θ = 0.3/4 = 0.075

Za předpokladu neutrality by měli být oba odhady stejné.

Programy: DnaSP

Genetická diverzita organismů silně závisí na životních strategiích organismů (r,K).

Ellegren and Galtier, 2016

2N_e k = 2N_eμ = 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 molekulární evoluce a molekulární hodiny

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.

• 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?

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 a tím pádem i substituční rychlost (na rok).

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

Téměř neutrální teorie evoluce

(Téměř) neutrální mutace: |2s| < 1/2N_e

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| = 1/2N_e,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

Rychlejší evoluce pohlavních chromosomů ve srovnání s autosomy.

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

fylogeneze

Genové genealogie

Popisují vztahy mezi alelami 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

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

Karmin et al. 2015

Změny ve velikosti lidské populace

genealogie versus fylogeneze

(genový strom versus 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

1 2 3 4 5 6 Sekvence

1 01000 2 01000 3 11000 4 00110 5 00110 6 00011

1 2 3 4 5 6

genealogie versus fylogeneze

(genový strom versus druhový strom)

druh 1 druh 2

polyfilie

parafilie

monofilie

Sortování linií

• Rychlost sortování linií závisí na Ne.

U velkých populací je proces pomalejší než u malých.

• Pomocí molekulárních hodin odhadujeme dobu divergence sekvencí, ne druhů.

• U blízce příbuzných druhů s velkými Ne může být odhad divergence na základě

molekulárních hodin výrazně nadhodnocen.

divergence sekvencí divergence druhů

Průměrná doba fixace neutrální mutace

t = 4N_e generací pro chrX: t = 3N_e

pro chrY, mt DNA: t = 1N_e

• U druhů s velkou N_e 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

Jarvis et al. Science 2014

• Fylogeneze ptáků založená na

celogenomových

sekvencích 48 zástupců všech ptačích řádů.

• Rychlá radiace na přelomu druhohor a třetihor po velkém vymírání.

• Problém se stanovením správného štěpení linií kvůli nekompletnímu sortování linií.

Speciace

REPRODUKČNÍ BARIÉRA

Biologická koncepce druhu (Ernst Mayr, 1942)

• Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně plodně kříží a jsou reprodukčně izolované od jiných takových skupin.

Speciace

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

Speciace

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

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)

• Pokud na populaci působí disruptivní selekce.

• Problém s vytvořením reprodukční izolace za přítomnosti genového toku.

• Pravděpodobná pokud zároveň dochází k

pozitivnímu asortativnímu páření mezi jedinci se stejným fenotypem.

Sympatrická speciace

vrtule (Rhagoletis pomonella)

jablka hloh

• Přeskokem na nového hostitele.

• K páření a kladení vajíček dochází na hostitelské rostlině, na které jedinci sami vyrostli. Zajistí pozitivní asortativní páření.

Sympatrická speciace častá u parazitického hmyzu

Kyjatka hrachová (Acyrthosiphon pisum)

jetel luční vojtěška

Sympatrická speciace změnou ploidie

• Častá u rostlin.

• Duplikace genomu vytvoří okamžitou reprodukční izolaci.

Hybridní jedinci (3n) problém s meiózou. Sterilita.

2n 4n

Hybridní zóny

Corvus corone Corvus cornix

Luscinia megarhynchos Luscinia luscinia

Bombina bombina Bombina variegata Mus musculus domesticus

Mus musculus musculus

Polopropustná reprodukční bariéra

Genový koncept druhu (Chung-I Wu, 2001)

• Druh je tvořen skupinou geneticky kompatibilních jedinců.

• Reprodukční bariéra se nemusí týkat celého genomu, ale může být udržována celkem malým počtem genů.

Polopropustná reprodukční bariéra

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

• 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