Ekologia molekularna

wykład 14

Genetyka ilościowa

Dziedziczenie mendlowskie

wykład 14/2

Cechy wieloczynnikowe (ilościowe)

wykład 14/3

● wzrost● masa ciała● kolor skóry● kolor oczuitp

Rodzaje cech ilościowych

wykład 14/4

cechy ciągłe● możliwe całe spektrum fenotypów przyjmujących dowolną

wartość z danego zakresu● np. masa ciała, wzrost, mleczność, tempo wzrostu

cechy kategoryczne● fenotypy można podzielić na wyodrębnione klasy● np. liczba potomstwa w miocie, liczba płatków kwiatu

cechy dychotomiczne (progowe)● możliwe dwa stany cechy, często w rodzaju „cecha jest” / „cechy

brak”● próg oznacza, że cecha ujawnia się dopiero powyżej jakiegoś

poziomu np. podatność na chorobę

Ujęcie statystyczne

wykład 14/5

regresja – kształt zależności (liniowej)kowariancja – związek między x i ykorelacja – znormalizowany związek między x i y

Francis Galton

1822-1911

wysokość matki

wys

okoś

ć po

tom

stw

a

prosta regresji

kąt nachylenia = korelacja = siła zależności

Regresja i korelacja

wykład 14/6

korelacja (r) = 0brak zależności

korelacja (r) = 0.8silna zależność dodatnia

korelacja (r) = - 0.2słaba zależność ujemna

Korelacja w genetyce

wykład 14/7

Współczynnik regresji między cechą rodziców i potomstwa pokazuje, w jakim stopniu cecha jest determinowana przez zmienność genetyczną.

odziedziczalność h2 = b/0.5 gdzie b=cov (x,y)/var (x)

rodzic

poto

mst

wo

Uwagi● Zakładamy brak kowariancji

środowiskowej● Oszacowanie jest tym dokładniejsze,

im więcej par rodzic-dzieci badamy

Oddzielne geny, ciągłe cechy

wykład 14/8

Herman Nilsson-Ehle 1973-1949

Addytywność i dominacja

wykład 14/9

addytywny efekt genu – heterozygota ma fenotyp pośredni między homozygotamiaddytywny efekt loci – efekt genotypu (kliku genów) jest sumą oddzielnych efektów każdego genu

Addytywność Dominacja

AA Aa aa

BB

Bb

bb

AA Aa aa

1/16 2/16 1/16

2/16 4/16 2/16

1/16 2/16 1/16

1/16 2/16 1/16

2/16 4/16 2/16

1/16 2/16 1/16

Cechy ciągłe: model

Założenia modelu:● Cecha determinowana przez 2 allele A i A' o częstościach p i q● Częstości genotypów nie można określić na podstawie częstości

fenotypów (z prawa HW) z powodu:● wpływu czynników środowiskowych● efektu innych genów

(Ms – M)/ σ2 = Z / B

Działanie doboru

wykład 14/11

QTL

wykład 14/12

Quantitative trait loci = locus cechy ilościowej

● kodują cechy złożone● stanowią wynik działania wielu genów● wykrywane za pomocą narzędzi statystycznych

Model nieskończenie małych loci (infinitesimal model)cecha QTL warunkowana przez nieskończenie wiele niesprzężnych loci o nieskończenie małym efekcie

ale

Eksperymenty pozwalają wykryć loci QLT o znacznym efekcie

Efekt plejotropowy

Jeden gen wpływa na kilka (pozornie) niepowiązanych cech● geny o efekcie pleotropowym ewoluują powoli (przeciwstawne

działanie doboru)przykład: fenyloketonuria

● antagonistyczna plejotropiaprzykład: p53

Dobór sztuczny u Drosophila

liczba szczecinek lot pod wiatr

poluzowanie kryteriów doboru

poluzowanie kryteriów doboru

linia Ua

Yoo, Theor. Appl. Genet. 1980 Weber, Genetics. 1996

Modele reakcji na dobór

Barton & Keightley, Nature 2002

xxx 10 loci

war

ianc

ja

gene

tycz

naśr

edni

a w

arto

ść

cech

yfr

ekw

encj

a al

leli

400 loci 100 loci + mutacje

Badanie QTL

wykład 14/16

Klasyczne mapowanie ● Badanie QTL poprzez ich sprzężenia z polimorficznymi markerami● Początek: RFLP, Lander & Botstein 1989

1. Identyfikacja● zależy od siły efektu QTL i frekwencji alleli● im słabszy efekt i skrajniejsza frekwencja, tym więcej osobników

trzeba mapować

2. Lokalizacja na chromosomie● zależy od tempa rekombinacji● im większa rozdzielczość, tym więcej osobników potrzebnych

Mapowanie QTL (1)

Mackay et al. Nat Rev Genet 2009

QTL

markerM1

Mapowanie QTL (2)

Mackay et al. Nat Rev Genet 2009

Badanie QTL

wykład 14/19

Użycie NGS● Możliwe w przypadku dobrze opisanego genomu (annotation)● Identyfikacja SNP związanych z cechą● Wsparcie za pomocą transkryptomu

→ quantitative trait transcript

Ekspresja QTL

Mackay et al. Nat Rev Genet 2009

xxx

Składniki zmienności fenotypowej

wykład 14/21

fenotyp osobnika =    efekt genu kodującego

badaną cechę

wpływ pozostałych

genów osobnika (G)

wpływ środowiska

(E)+ +

wariancja genotypowa

wariancja środowiskowa

Składniki wariancji genotypowej

wykład 14/22

● addytywna wynikająca z oddzielnego efektu poszczególnych genów

● dominacyjnawynikająca z dominacji pewnych genów

● epistatycznawynikająca z interakcji między genami

Epistaza: gen warunkujący łysienie „maskuje” kolor włosów

Wariancja środowiskowa

wykład 14/23

Wpływ środowiska● addytywny – jeśli G jest takie samo dla różnych środowisk (E)● nieaddytywny – zachodzi interakcja G x E

Riska i in. Genetics, 1984

Norma reakcji, plastyczność fenotypowa

wykład 14/24

plastyczność fenotypowa – odpowiedź organizmu na zmianę w środowiskunorma reakcji – zakres możliwych do wytworzenia fenotypów

Landry et al. Gene, 2006

Odziedziczalność (jeszcze raz)

wykład 14/25

liczba linii papilarnych

h2=0.9

masa ciałah2=0.63

ręcznośćh2=0.32

ciśnienie skurczowe

h2=0.58

płodnośćh2=0.15

Odziedziczalność (h2)Udział addytywnej wariancji genetycznej w wariancji fenotypowej

czyliw jakim stopniu efekt danego locus (loci) wpływa na obserwowaną zmienność fenotypów

Odziedziczalność w praktyce

wykład 14/26

Badania bliźniąt

wykład 14/27

Założenie● Identyczne genetycznie● Identyczne środowisko w macicy

→ różnice fenotypowe wynikają wyłącznie z różnic środowiskowych

Ale● bliźnięta muszą być monozygotyczne (mało takich

przypadków)

Cechy progowe

wykład 14/28

Cecha ma rozkład ciągły Fenotyp ujawnia się dopiero po przekroczeniu pewnego progu wartości cechy

wartość progowa

Cechy progoweCukrzyca typu 2 – pojawia się na skutek kombinacji:

● czynników środowiskowychotyłość, zła dieta, stres, brak ruchu

● czynników genetycznych- zidentyfikowano dotychczas 36 genów- istotne także SNPs w odcinkach niekodujących

Ewolucyjna genetyka ilościowa

wykład 14/30

Modele cech ilościowych można wykorzystać do badania działania doboru naturalnego:

● w populacji naturalnej zróżnicowana śmiertelność ze względu na fenotyp świadczy o działaniu doboru

1899 (Bumps)● przeżywalność wróbli w zamieci na Rhode Island● 8 pomiarów morfometrycznych● lepiej przeżywały lżejsze (obie płci) i dłuższe (samce)

→ fenotypy o różnej wartości przystosowawczej

● podejście współcześnie krytykowane, bo badane cechy mogą być skorelowane

Ewolucyjna genetyka ilościowa

wykład 14/31

Dostosowanie zależy od:● genotypu● fenotypu● wpływu środowiska● korelacji między genami● korelacji czynników genetycznych ze środowiskiem

Na dodatek● w małych populacjach silne działanie dryfu● na wariancję genetyczną wpływają mutacje

Ewolucyjna genetyka ilościowa

wykład 14/32

Dobór stabilizujący

● Dobór stabilizujący redukuje zmienność● Mutacje (nowe) ją zwiększają

→ model równowagi między tymi procesami

Przykład: owce Soay

wykład 14/33

xxx

Beraldi et al., Genetics, 2006

Przykład: owce Soay

wykład 14/34

Zidentyfikowano gen TYRP1 odpowiedzialny za umaszczenie jedno podstawienie w egzonie 4 odpowiada za polimorfizm koloru→

Egzamin

7.02 sala 2A (tutaj)godz. 12:30

20-30 pytań testowych z wykładów

Podręczniki

DL Hartl, AG ClarkPodstawy genetyki populacyjnej

JC AviseMarkery molekularne

JR FreelandEkologia molekularna

http://www.biol.uw.edu.pl/ze/