Dobr i dryfModele wielogenowe

Modele wielogenowe Efekty zwizane ze sprzeniem loci

rwnowaga i nierwnowaga sprze zmiatanie selekcyjne i genetic hitchhiking

Cechy wielogenowe i wieloczynnikowe loci cech ilociowych (QTL) supergeny

Sprzenia i rwnowaga sprze

Rwnowaga sprze genotyp w jednym locus jest niezaleny od genotypu w drugim

Haplotyp genotyp (zbir alleli) dla wielu loci danego chromosomu (lub gamety)

Rwnowaga sprze

Rwnowaga sprze W populacji bdcej w stanie rwnowagi czsto haplotypu to iloczyn

czstoci alleli

A a B b p q s t

Haplotypy AB Ab aB ab ps pt qs qt

Nierwnowaga sprz

Nierwnowaga sprze Nielosowa korelacja genotypu (allelu) w jednym locus z allelem w drugim locus

Wspczynnik nierwnowagi D

gdzie gAB to czsto haplotypu AB itd.

D przyjmuje wartoci od -1/4 do +1/4, dla populacji w rwnowadze sprze D = 0

D = gABgab gAbgaB

Inna miara nierwnowago sprzeKorelacja alleliczna r

gdzie p, q, s, t to czstoci alleli (p i q w locus A, s i t w locus B). Wartoci od -1 do +1. Czasami podawana te warto r2

r = Dpqst

Skd bierze si nierwnowaga sprze

Migracje

Dobr na genotyp wielu loci efekty kumulatywne supergeny

Kombinacja doboru w jednym z loci i dryfu

Hitch-hiking i zmiatanie selekcyjne

W jednym locus pojawia si korzystna mutacja Dobr naturalny szybko utrwala ten korzystny allel Wraz z nim utrwalaj si neutralne (a nawet niekorzystne) allele w

loci blisko sprzonych genetic hitch-hiking W ssiedztwie niedawno utrwalonego korzystnego allelu obserwuje

si zmniejszon rnorodno alleliczn zmiatanie selekcyjne (selective sweep)

Zmiatanie selekcyjne

Nature Edutaction, 2008

lady zmiatania selekcyjnego

Zmiatanie selekcyjne jest zjawiskiem krtkotrwaym

Powstaa w wyniku zmiatania selekcyjnego nierwnowaga sprze z czasem zanika na skutek rekombinacji i kolejnych mutacji

Procesy pciowe redukuj nierwnowag sprze

Tempo zaniku zaley od odlegoci genetycznej loci

Zastosowanie

Zakadajc, e mutacja korzystna pojawia si w populacji jednokrotnie, badanie rnorodnoci neutralnych alleli (markerw) w pobliu locus mutacji pozwoli oszacowa wiek mutacji.

Podobny efekt daje te epizod wskiego garda liczebnoci populacji badajc nierwnowag sprze mona bada histori demograficzn populacji

Wykrywanie doboru dodatniego Pojawienie si nowej mutacji tworzy nierwnowag sprze

Jeeli nierwnowaga jest wyrana, to oznacza to, e mutacja pojawia si niedawno (rekombinacja nie zdya jej zaburzy)

Jeeli taka niedawna mutacja ma wysok czsto w populacji, to znaczy, e utrwala j dobr dodatni

Przykad G6PD

Rne allele genu dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu (G6PD)

Przykad G6PD

Allel G6PD-202A wykazuje lady doboru dodatniego (zmiatanie selekcyjne)

Oporno na malari

Podstawy ewolucji molekularnej

Ewolucja sekwencji DNA i biaek

Zmiany genetyczne w ewolucji Mutacje

tworz nowe allele genw Inwersje

zmieniaj ukad genw na chromosomach mog uniemoliwi rekombinacj na danym odcinku i doprowadzi do utrwalenia haplotypu

Duplikacje dotycz fragmentw DNA, w tym caych genw lub caych chromosomw i caych genomw gwne rdo innowacji ewolucyjnej

Transfer horyzontalny w tym zdarzenia symbiotyczne

Mutacje

Podstawienia (substytucje) Niewielkie delecje i insercje

niewielkie tzn. wpywajce na sekwencj 1-2 genw

Substytucje Tranzycje zachodz w naturze

czciej od transwersji mimo tego, e moliwych

transwersji jest wicej stosunek ts/tv od ~2 (nDNA) do

~15 (mtDNA czowieka) wyjtek mtDNA rolin due rnice ts/tv u rnych grup

organizmw

Tranzycje i transwersje Dlaczego tranzycje s czstsze?

Wyjanienia selekcyjne (tranzycje rzadziej zmieniaj aminokwas i czciej s neutralne)

Ale: tranzycje s czstsze te w genach rRNA, pseudogenach i obszarach

niekodujcych tranzycje s czstsze w pozycjach 4-krotnie zdegenerowanych (kodony

typu CUN Leu)

Tranzycje i transwersje Dlaczego tranzycje s czstsze?

Wyjanienia mechanistyczne mechanizmy powstawania i naprawy mutacji Tranzycje powstaj w wyniku m. in.:

przej tautomerycznych deaminacji (np. oksydacyjnej)

Tranzycje w mniejszym stopniu zaburzaj struktur podwjnej helisy podczas replikacji mniejsza wydajno naprawy przez system MMR

Korelacje z: zawartoci par G/C w genomie aktywnoci transkrypcyjn tempem metabolizmu

Modele ewolucji sekwencji Badajc ewolucj nie dysponujemy z reguy sekwencj przodka

Liczb mutacji musimy oszacowa na podstawie rnic midzy sekwencjami wspczesnymi

Konieczne jest uwzgldnienie wielokrotnych mutacji w tej samej pozycji, zwaszcza dla bardziej odlegych sekwencji

Problem obliczania odlegoci

ACGGTGC

C T

GCGGTGA

Modele ewolucji sekwencji Modele Markova stan w pokoleniu n +1 zaley tylko od stanu w

pokoleniu n i regu przeksztacenia (macierz prawdopodobiestw zmiany stanw)

Modele o rnym stopniu skomplikowania Mog uwzgldnia:

mutacje wielokrotne w tej samej pozycji (poprawka Poissona) rne prawdpodobiestwa zmian nukleotydowych (lub biakowych) rne prawdopodobiestwo mutacji w rnych pozycjach sekwencji rne czstoci nukleotydw

Modele ewolucji DNA model Jukesa-Cantora

A C G TA 1-3 C 1-3

G 1-3 T 1-3

DJC = 34 ln(1

43D)

Inne modele Kimura (K80, dwuparametrowy) - rne prawdopodobiestwo

tranzycji i transwersji

Felsenstein (F81), Hasegawa-Kishino-Yano (HKY85) - rne czstoci nukleotydw (F81) + rne prawd. tranzycji i transwersji (HKY85)

GTR (General Time Reversible, Tavare 86)

Model GTR

Rne prawdopodobiestwo kadej substytucji (ale symetrycznie, czyli np. AT = TA) - 6 parametrw

Rne czstoci nukleotydw - 4 parametry

Rozkad gamma

Proste modele zakadaj jednakowe prawdopodobiestwo zmiany w kadej pozycji - nierealistyczne

Rozkad prawdopodobiestw zmian w rnych pozycjach rozkad gamma

Ewolucja sekwencji aminokwasowych

Trudno stworzy model analityczny

Stosuje si empirycznie uzyskiwane macierze prawdopodobiestwa zmiany danego aminokwasu w inny

Tempo zmian sekwencji biaka

100 200300 400PAM

20%40%60%80%

Rn

ice

sekw

encji

Granica istotnoci

Porwnywanie biaek - macierze Macierze Dayhoff (PAM)

Na podstawie globalnych porwna sekwencji rnicych si o 1PAM ustalono prawdopodobiestwo zmiany kadego aminokwasu w inny macierz PAM-1

Ekstrapolacja dla sekwencji bardziej odlegych - mnoenie macierzy PAM-1 przez sam siebie odpowiedni liczb razy macierze PAM-20, PAM-40, PAM-250 itp. (proces Markova)

Margaret O. Dayhoff (1925-1983)

Porwnywanie biaek - macierze

Macierze BLOSUM Na podstawie

prawdopodobiestwa zmiany kadego aminokwasu w inny w bloku lokalnego przyrwnania sekwencji o n% identycznych aminokwasw (BLOSUM62 - 62% identycznych aa itp.)

Mutaje na poziomie kodu Mutacje mog:

zmieni kodon na inny, ale kodujcy ten sam aminokwas mutacje synonimiczne

zmieni kodon na kodujcy inny aminokwas mutacje niesynonimiczne

zmieni kodon na kodon STOP mutacje nonsens

spowodowa zmian fazy odczytu wpyn na ekspresj genu

Mutacje i dobr naturalny Efekty dziaania mutacji obserwujemy porednio

rnice sekwencji midzy populacjami (gatunkami) polimorfizm sekwencji w obrbie populacji

Na allele wytworzone przez mutacje moe dziaa dobr

Za zmiany czstoci powstajcych alleli moe odpowiada dryf genetyczny

Obserwujemy mutacje utrwalone cakowicie lub czciowo (polimorfizmy) w puli genowej

Podstawowe pytanie ewolucji molekularnej

Jaka jest rola dryfu i doboru w wyjanieniu obserwowanego zrnicowania sekwencji? wewntrzpopulacyjnego (polimorfizmy) midzygatunkowego

Pytanie dotyczy zrnicowania ilociowego! Nikt nie podaje w wtpliwo tego, e adaptacje w ewolucji powstaj

dziki dziaaniu doboru!

Dobor czy dryf? Selekcjonizm

wikszo utrwalonych mutacji zostaa wyselekcjonowana przed dobr wikszo polimorfizmw jest utrzymywana przez dobr

dobr rwnowacy, naddominacja, dobr zaleny od czstoci

Neutralizm (Kimura, 1968) wikszo utrwalonych mutacji zostaa utrwalona przez dryf za wikszo polimorfizmw odpowiada dryf mutacje utrwalane przez dobr s rzadkie, nie maj wpywu na ilociow analiz

zmiennoci molekularnej

Mutacje i dobr niekorzystne (szkodliwe)

s < 0 eliminowane przez dobr (oczyszczajcy/negatywny)

neutralne s 0 (a konkretniej, s 1/4N) utrwalane przez dryf

korzystne s > 0 utrwalane przez dobr (z udziaem dryfu dla niewielkich s)

Selekcjonizm i neutralizm Selekcjonizm:

wikszo mutacji jest niekorzystna wikszo utrwalonych mutacji jest korzystna mutacje neutralne s rzadkie (nie czstsze od korzystnych)

Neutralizm wikszo mutacji jest niekorzystna lub neutralna wikszo utrwalonych mutacji jest neutralna mutacje korzystne s rzadkie (znacznie rzadsze od neutralnych)

Selekcjonizm i neutralizm

selekcjonizm neutralizm pan-neutralizm

Neutralizm nie oznacza pan-neutralizmu, czyli negowania znaczenia selekcyjnego mutacji!

Przesanki teorii neutralnej Tempo zmian sekwencji i polimorfizm s zbyt due, by day si

wyjani doborem

Stae tempo ewolucji molekularnej (zegar molekularny)

Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej istotne obszary biaek) ewoluuj szybciej, ni obszary kluczowe dla funkcji

Tempo zmian Pojcie obcienia genetycznego spadek redniego

dostosowania populacji na skutek dziaania doboru Im silniej selekcjonowany nowy, korzystny allel, tym wikszy koszt u

osobnikw go pozbawionych Silna selekcja to duy koszt dla populacji

Haldane (1957) szacowa maksymalne tempo ewolucji rzdu 1 mutacja na 300 pokole

Tempo zmian Rzeczywiste tempo zmian jest wysze ni oszacowane przez

Haldanea Ale Obliczenia Haldanea i Kimury oparte byy na zaoeniu tzw.

twardego doboru twardy dobr zwikszona miertelno sabiej przystosowanych

osobnikw, ponad typow (ekologiczn) miertelno w populacji mikki dobr dziaa w ramach staej (ekologicznej) miertelnoci,

Tylko dobr twardy znaczco ogranicza tempo mutacji

Dobr twardy i mikki

Saccheri, Hanski, Trends in Ecology & Evolution, 21:341-347 (2006)

Dobr twardy wicej osobnikw ginie (lub nie wydaje potomstwa)

Dobr mikki ginie tyle samo osobnikw, dobr wpywa tylko na to, ktre gin

Tempo zmian Obliczenia Haldanea i Kimury oparte byy na zaoeniu tzw.

twardego doboru twardy dobr zwikszona miertelno sabiej przystosowanych

osobnikw, ponad typow (ekologiczn) miertelno w populacji mikki dobr dziaa w ramach staej (ekologicznej) miertelnoci,

Tylko dobr twardy znaczco ogranicza tempo mutacji Dobr rwnowacy moe utrzymywa zrnicowanie i zwiksza

tempo utrwalania mutacji

Stae tempo ewolucji molekularnej Wiele sekwencji ewoluuje w staym tempie Tempo to jest rne dla rnych sekwencji, ale stae w czasie ewolucji dla danej

sekwencji

Tzw. zegar molekularny Rnice sekwencji globin krgowcw

Tempo ewolucji i dryf Neutralny dryf jest procesem losowym, ale jego tempo bdzie stae

w odpowiednio dugim czasie Zaley tylko od czstoci mutacji (jedna zmiana na 1/ pokole)

Dla doboru stae tempo zmian oznacza stae tempo zmian rodowiska

Tempo zmian adaptacyjnych nie wydaje si by stae

Zegar molekularny Jest konsekwencj neutralnego modelu ewolucji Tempo akumulacji zmian w danej sekwencji jest stae

ale rne dla rnych sekwencji Weryfikacja test wzgldnego tempa

W rzeczywistoci testuje stao tempa pomidzy gaziami, ale nie w czasie

B CA

KAC - KBC = 0

Zegar molekularny - problem W modelu neutralnym tempo utrwalania mutacji:

Powinno by stae w przeliczeniu na pokolenie Czas generacji jest rny u rnych organizmw Czyli nie powinna by obserwowana stao tempa w czasie rzeczywistym

A czsto jest (w tych sekwencjach, ktre zachowuj zegar)

2N 12N =

Problem czasu generacji

Czas generacji rnych organizmw jest istotnie rny

Dlaczego nie wpywa to na tempo utrwalania mutacji?

~3 pokolenia/rok~0,03 pokolenia/rok

Zmiany prawie neutralne Model Kimury dotyczy zmian neutralnych (s = 0), takie nie s (w

sekwencji biaek) czste Mutacje zachowuj si jak neutralne gdy spenione jest:

Mutacje o niewielkim wspczynniku doboru s bd zachowyway si jak neutralne w maych populacjach, a w wikszych populacjach bd podlegay doborowi

s 14Ne

Zmiany prawie neutralne

Istnieje odwrotna korelacja midzy czasem generacji a wielkoci populacji

Zmiany prawie neutralne~3 pokolenia/rok~0,03 pokolenia/rok

Dugi czas generacji Krtki czas generacji

Mniej mutacji na rok Wicej mutacji na rok

Populacja nieliczna (mae Ne) Populacja liczna (due Ne)

Wicej mutacji zachowuje si jak neutralne i utrwala przez dryf

Wicej mutacji podlega doborowi (i jest eliminowane przez dobr oczyszczajcy)

Efekty czasu generacji i wielkoci populacji si znoszc, dajc stae tempo w czasie (Ohta & Kimura, 1971).

s 14Ne

Zegar molekularny Dla sekwencji biaek i zmian niesynonimicznych w DNA zmiany

jednostajne w czasie

Na poziomie DNA, dla mutacji synonimicznych pseudogenw niektrych sekwencji niekodujcych

tempo ewolucji zaley od czasu generacji

Tempo ewolucji sekwencji a funkcja

Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej istotne obszary biaek) ewoluuj szybciej, ni obszary kluczowe dla funkcji

Degeneracja w kodzie

miejsce 2-krotnie zdegenerowane

miejsce 4-krotnie zdegenerowane

Tempo ewolucji sekwencji a funkcja

Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej istotne obszary biaek) ewoluuj szybciej, ni obszary kluczowe dla funkcji

Tempo zmian Biaka zaangaowane w

podstawowe funkcje komrki ewoluuj wolniej.

W sekwencji biaka obszary kluczowe dla funkcji ewoluuj wolniej.

Jednostka: PAM/108 lat Jednostka czasu ewolucyjnego: ile

lat (w milionach, 106) potrzeba do utrwalenia 1 mutacji/100 aa (1 PAM)

Tempo zmian Czynnikiem decydujcym o tempie zmian jest dobr oczyszczajcy

(negatywny) w waniejszych sekwencjach wicej zmian bdzie niekorzystnych (eliminacja

przez dobr) w mniej istotnych sekwencjach wicej zmian bdzie neutralnych (utrwalanie

przez dryf) zmiany bez znaczenia dla funkcji bd neutralne

pseudogeny niekodujce obszary midzygenowe? podstawienia synonimiczne?

Status neutralizmu Wyjania wiele zjawisk obserwowanych w ewolucji molekularnej

wysoki polimorfizm sekwencji DNA i biaek zegar molekularny

ale jest wiele odstpstw, nie istnieje globalny zegar prawdziwy dla wszystkich gazi drzewa ycia

wolniejsza ewolucja sekwencji o kluczowym znaczeniu to te mona wyjani modelem, w ktrym wikszomutacji jest albo niekorzystna, albo

korzystna, ale niekorzystnych jest wicej

Jest bardzo przydatny jako hipoteza zerowa do badania doboru naturalnego na poziomie sekwencji!

Status neutralizmu

Dane molekularne, zwaszcza genomowe, pozwoliy oceni zgodno modelu neutralnego z obserwacj zmiennoci sekwencji Kimura: 1968 nie byy wtedy znane metody sekwencjonowania DNA!

Status neutralizmu Smith & Eyre-Walker 2002 45% podstawie aminokwasowych w

ewolucji Drosophila sp. utwalonych przez dobr dodatni

Andolfatto 2005 pomidzy D. melanogaster i D. simulans dobr dodatni odpowiada za utrwalenie: 20% podstawie w DNA w intronach i obszarach midzygenowych 60% podstawie w DNA w sekwencjach UTR

Status neutralizmu Gwnym i nieprzemijajcym osigniciem jest stworzenie matematycznego

opisu wspdziaania dryfu i doboru naturalnego (dodatniego i oczyszczajcego) w ewolucji molekularnej

Dziki tym modelom opracowano testy poszukujce ladw doboru w sekwencjach (model neutralny jako hipoteza zerowa)

Istnieje znaczca liczba pozycji i sekwencji ewoluujcych wedug modelu neutralnego mona dobra sekwencje tak, by uzyska zegar molekularny

Status neutralizmu

Dryf genetyczny ma w ewolucji molekularnej bardzo znaczc, ale nie wyczn rol znaczne obszary genomu ewoluuj w sposb bliski neutralnemu

Badanie doboru Zaoenie: mutacje synonimiczne s neutralne, sekwencje

porwnywane s parami Ka (dN) liczba mutacji niesynonimicznych na liczb moliwych

miejsc niesynonimicznych Ks (dS) liczba mutacji synonimicznych na liczb moliwych

miejsc synonimicznych Stosunek Ka/Ks () jest miar dziaania doboru

Badanie doboru Warto rzadko przekracza 1 dla caej sekwencji (wyjtek np.

geny MHC) rednia warto w porwnaniach midzy naczelnymi a

gryzoniami wynosi 0,2, midzy czowiekiem a szympansem 0,4 Odchylenie od redniej dla konkretnego genu w konkretnej linii

ewolucyjnej moe wiadczy o dziaaniu doboru W sekwencji mog wystpowa obszary o rnej wartoci ,

wskazujc na dziaanie doboru na poszczeglne regiony a nawet pozycje aminokwasowe w biaku

Badanie doboru II

Porwnanie zmian synonimicznych i niesynonimicznych w obrbie populacji danego gatunku i pomidzy gatunkami.

Test McDonalda-Kreitmana Stosunek mutacji synonimicznych do niesynonimicznych w obrbie

populacji vs. taki sam stosunek dla rnic midzy gatunkami Jeeli zmiany s neutralne, wwczas stosunek ten powinien by w

obu przypadkach taki sam

Przykad: gen ADH u trzech gatunkw Drosophilasynonimiczne niesynonimiczne stosunek

wewntrzpopulacyjne 42 2 ~0,05

midzygatunkowe 17 7 ~0,41

Wniosek: zmiany niesynonimiczne s szybko utrwalane w specjacji nie s neutralne

Czy zmiany synonimiczne s neutralne

Kodony synonimiczne nie s rwnocenne

Zmiana kodonu czstego na rzadki moe wpyn na poziom ekspresji i kinetyk translacji

Czy zmiany synonimiczne s neutralne?

Czy zmiany synonimiczne s neutralne?