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 = 4Neμ

• 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, θW, θS)

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

1Ne … efektivní velikost populace

μ … mutační rychlost

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.

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

t1N3 N1N2

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)

jablkahloh

• 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 pravidloPokud je v mezidruhovém křížení jedno pohlaví sterilní či

neživotaschopné, pak je to pohlaví heterogametické (XY, ZW)

Coynovo pravidloNa 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 šedáVrána 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

Chcete vědět více o populační genetice?

Evoluční genetika, ZS (2/1)

Radka Reifová a Pavel Munclinger

Choďte na přednášku: