a fitness Inbreeding, heterozygotnost

Inbreeding, heterozygotnost

a fitness

(Purpurové řeky příbuzenského křížení)

Děsivé vraždy jejich pozadí

je však ještě hrůznější

Ouborg et al. 2006

Inbrední deprese

• Inbrední jedinci by měli mít nižší fitness

(měřeno jako reprodukční úspěch nebo schopnost přežívat)

• Klesá heterozygotnost

→ Efekt škodlivých recesivních alel

• Známo z laboratorního křížení zakládání inbredních kmenů (extrémní příklady)

• Malé populace → větší riziko inbreedingu

• Genetic rescue

→ heterosis (hybrid vigour)

výnos

inbrední koeficient

N_e/N 0.1 – 0.5 (někdy i mnohem méně)

Odhady N

• Demografie

– Poměr pohlaví, variance repr. úspěchu, změny N

• Genetika

– Více vzorků (z různé doby) – Jeden vzorek

• LD

• HW

• Frekvence alel

– Koalescenční přístupy

• Studium v přírodě je obtížné

– malé populace, nebo po projití hrdlem lahve – Nejlépe dlouhověká a polygynní zvířata

Nejednoznačné výsledky dvojice příbuzných druhů

• Eubalaena glacialis a E. australis

• Téměř vyhubeny

• E. australis se vzpamatovala, E. gracialis nikoliv

• Arctocephalus pusillus lachtan jihoafrický

• V jižní Africe okolo 2 miliónů

• V Austrálii méně než 10 tisíc

Eubalaena glacialis velryba černá

Eubalaena australis velryba jižní

Arctocephalus pusillus

Druhy prošlé bottleneckem

• Druhy s výrazným snížení genetické variability

• Prošly hrdlem lahve

• Prokázané snížení variability (mtDNA, alozymy)

• gepardi

snížení o více než 90 %

• Přesto se počty výrazně zvedly

• Purging

Mirounga angustirostris rypouš severní

Acinonyx jubatus

Alternativa

• Inbreding a fitness konkrétních jedinců

• Idea: potomci příbuzných rodičů → horší fitness

• Problém – obvykle neznám rodokmen (a ani ho nejsem schopen rekonstruovat)

• → genotyp (heterozygotnost) jako odhad inbreedingu (příbuznosti rodičů)

Počet generací inbreedingu

homozygotnost

Rana temporaria ve Skandinávii

Lesbarreres et al. 2005

• 8 mikrosatelitových lokusů

• Přežívání mláďat pozitivně korelováno

s heterozygotností

• Stejný vztah ve 4 populacích

• Genetic variability-fitness correlations

AA AA

AA

AA

AA AA AA

AA

AA AB

AA

AA AA AB BB

AA

AB AB

BC

BC

BC

AC

AC

AC AC

CD CD

CD

DD

AD

AD AD

AD CC

AA

AA AA AA

AB AB

Lokus 1 H_O 0.15

Lokus 2 H_O 0.85

Korekce přes frekvenci heterozygotů na lokusu

→ standardizovaná (vážená) heterozygotnost

Stejné alely na lokusu

2 příčiny:

Identity by state IBS (stejný stav)

Identity by descent IBD (stejný původ)

– Pozoruji vždy identity by state – Zjištuji pravděpodobnost pro IBD

– Jde o recentní IBD!

Všechny alely mají společný původ, byť třeba hodně dávný.

– Vzácnější alely od obou rodičů → IBD

Aa Bb

AB Ab AA Aa Bb

AB Ab

AA

Cc AA

CA cA

Identity by state

Identity by descent

AA AA

AA

AA

AA AA AA

AA

AA AB

AA

AA AA AB BB

AA

AA AA AA Frekvence B 0,1

Frekvence A 0,9

Stejná alela na lokusu - korekce přes frekvenci alel na lokusu

AA

Sdílení alely A může být jen náhoda

Sdílení alely B → větší pravděpodobnost, že si rodiče byli příbuzní

IR internal relatedness

• Sdílení alely na lokusu

• Váženo přes frekvenci alely

• Vzácnější alely mají větší váhu

• H počet homozygotních lokusů N počet lokusů

f_i frekvence i-té alely

• Program RELATEDNESS – Mac, makra v Excelu, GENHET pro R

Problém s homozygotními imigranty

AA AA AA

AA

AA AA AA

AA

AA AB

AA

AA AA AB BB

AA

AA AA AA AA

BB BB

BB BB BB

BB

BB BB BB BB

AB BB

AB

Arctocephalus gazella

lachtan antarktický

Hoffman et al. 04, 07

• Skoro vyhuben

• Filopatrie, vysoká variance reprodukčního úspěchu

• Samci s nižším IR

(tedy vyšší heterozygotností)

→ vyšší reprodukční úspěch

• Konzistentní přes lokusy

• Dva lokusy

ale mají výrazně větší vliv

• Samice aktivně vyhledávají nepříbuzné heterozygotní samce (s vyšším IR)

• Silný vliv jednoho lokusu

• …it is difficult to imagine how a female could detect genome-wide relatedness

Velikost alel

• Doposud jsme pracovali jen s identitou alel (stejné x různé)

• Nešlo by ale něco vyčíst i z rozdílu délek alel (počtu opakování)?

TCTTTCTTTCTTTC

CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT

CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT

Rodiče nepříbuzní

Rodiče příbuzní

Mean d ²

i_a a i_b jsou délky alel na lokusu i (v počtu repeatů) n lokusů

Větší rozdíl v délce alel svědčí o menší příbuznosti předků jedince.

Standardizace vydělením nejvyšší hodnotou (→ hodnoty 0 až 1)







i

b

a

i

n i d

1

2

2

1 ( )

mean

Acrocephalus arundinaceus

Hansson et al. 2001

• Silná filopatrie

• Jižní Švédsko, populace založena v roce 1978

• 5 mikrosatelitových lokusů

• d², srovnání návratnosti sourozenců (největší úmrtnost v prvním roce)

• Vrací se jedinci s vyšším d²

Problém

• Indikují podobně dlouhé alely na jednom lokusu bližšího společného předka než alely rozdílných délek?

• → k zodpovězení je nutno znát něco o evoluci mikrosatelitů (tedy jak vznikají nové alely)

Teoretické mutační modely

Dva extrémy

• IAM

(Při mutaci ztráta nebo získání

libovolného počtu opakování. Vždy vzniká nová alela, která doposud v populaci nebyla)

• SMM

(Mutace způsobeny pouze ztrátou nebo získáním jediného opakování motivu.

Mutací může vzniknout alela, která je již v populaci přítomna)

pro msat asi vhodné předpokládat nutno však ověřit!

CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTT

CTTTCTTT

CTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT

CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT

Další modely

• TPM – two phase model

(ztráta nebo zisk X opakování, při X=1 získáme SMM)

• K-allele model

(V populaci je přesně K myslitelných alel. Alela s konstantní pravděpodobností mutuje ke stavu jedné z K-1 dalších alel.)

• A další…

Proč je tolik alel?

(microsatellite instability)

• Nerovnoměrný (Unequal) crossing-over

(díky špatnému alignmentu)

• Sklouznutí polymerázy při replikaci Slip-strand mispairing (slippage)

(při replikaci nejprve polymeráza sklouzne a vyrobí odlišný počet opakujícího se motivu mikrosatelitu, při alignmentu je pak část opakování vykloněna mimo dvoušroubovici,

flanking regions tedy párují)

Opravné mechanismy

1. Proofreading

(Kontroluje se párování bazí těsně za replikační vidlicí, kličky vytvořené při slip-strand mispairing nejsou ve větší vzdálenosti rozpoznány)

– Zřejmě má jen malý vliv

– Má šanci ovlivnit jen mikrosatelity s krátkým motivem (1-2 bp) a s malým počtem opakování

2. Mismatch repear

– Větší efekt

– Klíčová role při udržování stability mikrosatelitů – Opět záleží na délce motivu

(delší změny jsou hůř rozpoznány)

Brownův pohyb

• Simulace náhodné evoluce mikrosatelitů

• Pohyb opilého námořníka Browna po molu

• 1 krok vpřed

• 1 krok náhodně vlevo nebo vpravo

• Výchylky od rovného směru se postupně zvětšují

• Dlouhé molo

→ pravděpodobný pád do moře

Výsledek 5ti pokusů opilého Browna dojít od hospody k majáku.

x

y

-50 0 50

0100200300400500

hospoda maják

Aplikace na evoluci mikrosatelitů

• Krok vlevo – ztráta jedné repeat unit Krok vpravo – nabytí jedné repeat unit

• Náhoda → Random walking (Brownův pohyb)

Náhodné přidávání a odebírání jednotek opakování

→ vede k neúměrnému prodloužení či zkrácení

• Proti tomu svědčí častý výskyt stejných mikrosatelitových lokusů u příbuzných druhů

• → proces prodlužování a zkracování asi není zcela náhodný

Bias (skutečná data)

• Kratší mikrosatelity

mají zřejmě tendenci se spíše prodlužovat

(slabě převládají adice nad delecemi)

• Delší mikrosatelity se spíše zkracují

(náchylnější k velkým delecím)

• Delší mikrosatelity rychleji mutují

(díky více opakováním je vyšší pravděpodobnost pro SSM)

• Obtížné ke studiu – mutační rychlost je malá

Evoluce mikrosatelitů - závěr

• Mechanismy evoluce mikrosatelitů stále nepříliš objasněny

• Stepwise mutation model SMM platí jen omezeně

Mean d ²

• Lze použít jen pokud platí stepwise mutation model

(alely se liší jen počtem opakování motivu, např. u tetranukleotidového mikrosatelitu vždy přesně jen o násobky 4)

• Nelze tedy u složených mikrosatelitů!

Např. (CA)_n(CAA)_n

• Nelze při výskytu „indels“ ve „flanking regions“

(delece a inserce v oblastech ohraničujících mikrosatelitový lokus)

flanking regions

Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem?

• Rodokmeny

• Heterozygotnost

(průměrná heterozygotnost přes více lokusů)

• SH standardizovaná heterozygotnost

vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu

• HL homozygosity by loci

• IR internal relatedness

(„příbuznost“ dle alel na daném lokusu = shoda alel vážená přes frekvenci alely)

• d

rozdíl velikosti alel

lze opět vážit (standardizovat) přes průměrné rozdíly

SH, IR a d

navzájem korelovány

Amos et al. 2001

• Dataset:

Tuleňi, kulohlavci, 3 druhy albatrosů

• Mikrosatelity, reprodukční úspěch

• IR a SH

naznačují selekci pro

maximálně odlišné partnery

IR a SH

Halichoerus grypus

Diomedea exulans

Thalassarche chrysostoma

Thalassarche melanophrys

Globicephala melas

Rozdíl heterozygotnosti (a IR) a d ²

• Heterozygotnost (a IR)

je ovlivněna především nedávnou historií (recentní výběr partnerů v populaci)

• d

asi odráží hlubší historii populace

(migrace mezi populacemi, smíšení dříve oddělených

populací)

Co měříme?

heterozygotnost d²

• SH - vliv více lokusů

• d

– silný vliv vysoce

variabilních lokusů

d ²

• Často vyjde

• Zajímavé výsledky

• Problematická interpretace

• Možný vliv jen několika lokusů

• Recent admixture, LD (vazba na konkrétní geny) – třeba testovat

Ficedula albicollis

Merilä et al 2003

• Dlouhodobě sledovaná populace - témeř 10 let

• 3 mikrosatelitové lokusy

• Lifetime reproductive success Lifetime fledging success

• Jasný vztah s d² jednoho lokusu

Problémy

• Publikační zkreslení (publication bias) Negativní výsledky se většinou nepublikují.

• Dostatečná data (počet lokusů a jedinců)

• Odhad celkové heterozygotnosti

– Celková heterozygotnost („general effect“) – Vazba na konkrétní lokusy („local effect“)

– Při použití alozymů i přímý efekt studovaného lokusu

– Rozlišení „general effect“ od „local effect“ - shoda přes lokusy

→ Náhodně vytvořená skupina lokusů dává stejné výsledky jako lokusy zbylé.

Rákosníci

vliv konkrétních lokusů

Skokani

celogenomový efekt

Vliv konkrétního lokusu

• Marker v blízkosti genu→selective sweep

• Ale možný i vliv mikrosatelitového lokusu

– Hammock & Young 2005, Microtus ochrogaster – msat. v 5‘ oblasti avpr1a,

vasopressin 1a receptor – modifikuje expresi

a ovlivňuje chování

Lampila et al. 2011 Parus montanus

• 8 msat lokusů

• Mimopárová mláďata heterozygotnější

Emberiza schoeniclus

Kleven & Lifjeld 2005

• 9 mikrosatelitových lokusů

• SH a d²

• Samci

úspěšní v mimopárových kopulacích x podvedení samci

• Mláďata z mimopárových kopulací x párová mláďata

• Žádný rozdíl

v heterozygotnosti a d²

Cyanistes caeruleus

Foester et al 2003

• 2452 mláďat, 5-7 mikrosatelitových lokusů, SH, IR, d²

• SH a IR korelovány, d² slabé korelace a nic nevysvětluje

• SH koreluje se zbarvením samců

• Mimopároví otci

– Sousedi – větší a starší než podvedení samci

– Cizinci – zvýšení heterozygotnosti

BIAS

• Stejné lokusy pro paternitu i heterozygotnost

• Srovnání heterozygotnosti vnitro- a mimopárových mláďat

• Simulace → bias

• Mimopárová zdánlivě heterozygotnější

• Efekt vzácných alel

• Řešení:

– Dostatek lokusů – Různé sety lokusů

bias

Mimopárová jsou heterozygotnější

Rangifer tarandus

CÔTÉ et al. 2005

• 9 msat lokusů

• 306 samic, žaludky

• Nematoda: Ostertagia gruehneri and Marshallagia marshalli

• žádný vztah heterozygotnosti (nebo d²) a promořeností parazity

Jeleni na ostrově Rum

Slate & Pemberton 2002

• Jedinci z let 1970 až 1996

• 71 mikrosatelitových lokusů, 364 jedinců, SH, Mean d²

• Heterozygotnost: pozitivní ale slabá korelace mezi lokusy

Mean d²: korelace není

Malá korelace mezi SH a Mean d²

• Heterozygotnost vysvětluje porodní váhu

Mean d² nikoliv

• Žádný efekt na přežívání mláďat

• Dostatečný počet lokusů a jedinců!

Chapman & Sheldon 2011 Parus major

• 26 lokusů

• Sýkory se známým rodokmenem

• Heterozygotnost nemá vliv na nic

• Žádné korelace příbuznosti přes rodokmeny a heterozygonosti

• Srovnání sekvenačních (10 intronů) a msat (10 -27) dat

• Slabé korelace pro populace

• Žádné korelace pro jedince

Väli et al. 2008 šelmy

(π - nucleotide diversity, average number of nucleotide differences per site)

heterozygosity–fitness correlations – metaanalýza Chapman et al. 2009

• Žalostné výsledky

• Publication bias

• Vysvětlení 1% variance fenotypu

• Málo vzorků, málo markerů

SH a inbreeding

Slate et al. 2004, Pemberton 2004

• Jak dobře heterozygotnost měří inbreeding?

• 101 mikrosatelitových lokusů u 590 ovcí se známým

rodokmenem

• Vztah existuje, ale je překvapivě slabý

• Pokud možno →

použít raději rodokmeny

771 SNPs

Santure et al. 2010

Zajímavá alternativa

Santure et al. 2010

• Nejprve rekonstrukce rodokmenu z genetických dat (Colony)

• Pak odhad příbuznosti

• → Lepší výsledky než přímý odhad inbreedingu na základě heterozygotnosti

• Problém – potřeba mít více generací

Simulace a lidé

Balloux et al. 2004

• Korelace silné až při ~200 lokusech

• Slabá korelace mezi heterozygotností na různých lokusech

(400 markerů v různých lidských populacích, 1000 jedinců z 52 populací)

• Pozitivní výsledky znamenají pravděpodobněji:

– vazbu na konkrétní lokusy pod selekcí

– Extrémní případy – např. silná polygamie, výrazná strukturovanost populace

– Výrazná linkage dissequilibria

recentně založené populace několika málo jedinci

→ lokusy ve vazbě (málo generací na rozbití vazby rekombinací) Odpovídá u jelenů a rákosníků

Olano-Marin et al. 2011

• 1496 modřinek

• 79 msat lokusů (v exprimovaných i „neutrálních“ oblastech)

• Pozitivní vliv heterozygotnosti neutrálních lokusů na přežívání, velikost snůšky, paternity … spíš celogenomové efekty, inbreeding

• Negativní vliv heterozygotnosti „funkčních“ (exprimovaných) lokusů na líhnutí… spíš lokální efekty

• 1192 zebřiček, 11 fenotypovývh znaků spojených s fitness

• 11 msat, 1359 SNPs, rodokmen (5 generací)

• 11 msat → korelace jako stovky SNPs

• Lepší než F z rodokmenů

• Pozor! Zebřička má specifický genom, málo rekombinace!

Závěr

• Heterozygotnost jako odhad inbreedingu může fungovat hlavně v extrémních případech

(např. populace po bottlenecku, velké rozdíly ve fitness)

• Jinak hrozí, že i stovky lokusů neukážou skoro nic

• Je třeba odlišit vliv celkové heterozygotnosti od vlivu jednotlivých genů

• Mám-li štěstí, mohu se strefit na lokus s „local effect“

• Je dobré vědět i něco o genomu (rekombinaci) u sledovaného druhu