1 / 52

Evoluce molekulárních znaků

Evoluce molekulárních znaků. Obsah. Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny. Obsah. Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus

xenos-love
Download Presentation

Evoluce molekulárních znaků

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Evoluce molekulárních znaků

  2. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Polymorfismus • Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů • Molekulární hodiny

  3. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Polymorfismus • Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů • Molekulární hodiny

  4. Mechanismy vzniku molekulárních znaků • Bodové mutace (substituce, inserce, delece) • Řetězcové mutace (delece, inserce, transposice, inverse) • Genové změny (obsah genů v genomu, alozymy) • Chromosomové (translokace, rozpad, fůze) • Genomové (polyploidizace) Základní druhy mutací

  5. Bodové mutace Výhody • Dostatečná frekvence (mnoho dat) • Metodická přístupnost (sekvenování) • Neutralita • Lze použít na různých taxonomických úrovních • Molekulární hodiny

  6. Bodové mutace Nevýhody • Reverzibilita • Homoplazie • Snadná metodická přístupnost...

  7. Řetězcové mutace Výhody a nevýhody • Často jsou ireverzibilní - menší riziko homoplázií • Horší metodická přístupnost (jak co se týká získávání dat, tak co jejich zpracovávání) • Menší zkušenosti

  8. Genové mutace Výhody a nevýhody • Rozumná metodická přístupnost • Využitelnost na nejrůznějších taxonomických úrovních • Odrážejí částečně i anagenezi • Nejsou selekčně neutrální • Možnost homoplázií • Vzájemná závislost (co je jeden znak?)

  9. Záměnové mutace • Transverze - transice (pyrimidin C, T, puriny A, G) • Transice (4×) A  G, GA, C  T, T  C • Transverze (8×) A  C, A  T, C  A, C  G, T  A, T  G, G  C, G  T • Synonymní, nesynonymní • synonymní x silent!!! (splicing) • nesynonymní (missense, nonsense)

  10. Relativní frekvence různých typů substitucí v kódující sekvenci Substitucí 1. pozice 2. pozice 3. pozice 1-3. pozice celkem 183(100%) 183(100%) 183(100%) 549(100%) synonymních 8(4%) 0(0%) 126(69%) 134(25%) missense 166(91%) 176(96%) 50(27%) 392(71%) nonsense 9(5%)7(4%) 7(4%) 23(4%) (Jedná se pouze o teoretické hodnoty vypočtené na podkladě struktury genetického kódu.)

  11. Mutační rychlost Savčí jaderná DNA 3-5 10-9 subst/nucl/rok Inserce v mikrosatelitech 10-3 Indels/nucl/rok Savčí mitochondrie 3-5 10-8 subst/nucl/rok Raus sarkoma virus 1,4 10-4 subst/nucl/cyklus

  12. Rozdíly v mutačních rychlostech v závislosti na typu mutace Velké rozdíly existují ve frekvenci transicí a transversí Savčí jaderné geny: transice 60-70% všech substitucí (teoreticky 33%) V savčích mitochondriích 43% Některé nukleotidy mutují častěji než jiné (např. G a C v savčích jaderných genech)

  13. Frekvence jednotlivých typů substitučních mutací Nový Původní A T C G A - 3,4 4,5 12,5 T 3,3 - 13,8 3,3 C 4,2 20,7 - 4,6 G 20,4 4,4 4,9 - celkem 27,9 28,5 23,2 20,5 Procento nukleotidových záměn fij, 105 pseudogenů u člověka

  14. Nerovnoměrnost v mutačních rychlostech v závislosti na pozici Horká místa (hotspots) 5'- CG -3'  5'- TG -3' (metylace) 5'- TT -3‘  ledacos (vytváření dimérů - jen uprokaryot) Palindromy 5'- GCCGGC -3' u prokaryot Repetice purin-pyrimidin dimerů (GCGCGCGC ) - zaujímají Z-konformaci -časté delece

  15. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Polymorfismus • Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů • Molekulární hodiny

  16. Fixace mutací v populaci • Selekce (negativní, pozitivní) • Tahy (molekulární, meiotický, mutační, reparační) • Genetický posun • Svezení se

  17. Vliv selekce na genofond druhu a populace • Rychlá fixace některých mutací (pozitivní selekce) • Genetické svezení se (hitchhiking) • Geny angažované v imunitě nebo v sexualitě • Eliminace většiny nových mutací v kódujících oblastech (negativní selekce) • Konzervativní geny (možno odhadnout z poměru synonymních a nesynonymních substitucí) • Dlouhodobé udržování polymorfismu (stabilizující [balancing] selekce)

  18. Molekulární (a jiné) tahy Velmi rychlé, týkají se zejména repetitivních sekvencí, Synchronizovaná evoluce Lze využít k rozpoznávání diskontinuity v genofondu, podstatně hůře ve fylogenetických studiích. Mutační tah (tlak, bias) - nebezpečí vzniku homoplasií

  19. Genetický drift (posun) Za dostatečně dlouhou dobu v konečné populaci zůstanou pouze kopie jediné z původně přítomných “alel”. Pravděpodobnost, že to budou kopie právě jedné vybrané “alely” např. mutované, je pro diploidní druh rovna: P = 1/2NN: počet jedinců v populaci Obecněji: Pravděpodobnost fixace určité neutrální alely je rovna její frekvenci v populaci.

  20. t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8

  21. Genetický posun Pro selekčně významné alely přibližně platí: P=2s (malé selekční koeficienty, velká populace) O osudu mutace rozhoduje selekce tehdy, když: Abs(s) > 1/Ne Doba (podmíněná) fixace neutrální mutace: T = 4 Ne (Generací) Doba (podmíněná) fixace selekčně významné mutace: T = (2/s) ln (2 Ne) (Generací)

  22. Průběh fixací mutací driftem T t 1,0 velká populace frekvence mutace 0,5 0 t T malá populace 1,0 frekvence mutace 0,5 0 čas

  23. Neutralita substitučních mutací Testováno pomocí McDonald-Kreitmanova testu (2 x 2 kontingenční tabulka)

  24. Výsledky testů neutrality • Průkaz pozitivní selekce u některých genů • Průkaz stabilizující (balancing) selekce u některých genů • Výskyt mírně negativních mutací v mtDNA • Pozitivní korelace mezi mírou diverzity a rekombinační aktivitou v daném úseku

  25. Substituční rychlost Mutační rychlost u (počet mutací/gen/generaci) Počet mutací v daném genu v celé populaci: 2Nu Substituční rychlost (počet mutací fixovaných v populaci za generaci): K: počet mutací x pravděpodobnost fixace jedné mutace K= 2Nu x 1/2N = u Pro selekčně významné výhodné mutace: K = 4Nsu

  26. Doba potřebná k fixaci mutace(Příklad) Savec, generační doba 2 roky, efektivní velikost populace 106 jedinců Neutrální mutace: 8 milionů let Mutace se selekčním koeficientem ±0,01: 5800 let

  27. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Polymorfismus • Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů • Molekulární hodiny

  28. Genetický polymorfismus Polymorfní geny - věc definice, většinou geny, jejichž nejhojnější alela má frekvenci menší než 99% Měřítko stupně vnitropopulačního polymorfismu: P - podíl polymorfních lokusů (z celkového počtu studovaných lokusů) Genová diverzita– index heterozygotnosti (frekvence heterozygotů) Pro jeden lokus a m alel : h = 1 - Σxi2 (xi –frekvence i-té alely) Průměrná genová diverzita pro všechny (n)studované lokusy: H = 1/n Σ hi

  29. Závislost polymorfismu na intenzitě rekombinace Drosophila melanogaster Korelační koeficient c=0,42 polymorfismus Intenzita rekombinace

  30. Nukleotidová diversita GAGGTGCAACAG GCGGTGCAACAG GTGGTGCAACAG GGGGTGCAACAG GAGGTGCAACAG GAGGACCAACAG GAGGTGCATCAA GGGGTGGAACAG Nukleotidová diversita = x y Π Σ π i j ij ij x frekvence i-té alely i y frekvence j-té alely j π proporce rozdílných nukleotidů mezi i-tou a j-tou ij alelou

  31. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Polymorfismus • Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů • Molekulární hodiny

  32. Nerovnoměrnost v používání jednotlivých kodónů (codon-usage bias) RSCU (relative synonymous codon usage) X n -počet synonymních kodónů (1-6) i RSCU = X -počet výskytů i-tého kodónu n i i 1 Σ x i n i=1 CAI (codon adaptation index) L √ L CAI = w Π i RSCU i=1 i = w i RSCU max

  33. Nerovnoměrnost v používání jednotlivých kodónů Větší nerovnoměrnost vykazují proteiny s menší frekvencí nesynonymních mutací (tj. proteiny, které jsou vystaveny intenzivnější selekci). Na grafu jsou geny drosofily.

  34. Nerovnoměrností v používání synonymních kodónů uE. coli a Buchnera 40 30 Podle Wernegreen a Moran Mol. Biol. Evol. 16: 83-97, 1999 nerovnoměrnost v používání kodónů (x2) 20 10 7,82 3,84 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 index využití preferovaných kodónů (CAI)

  35. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Polymorfismus • Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů • Molekulární hodiny

  36. α globulinové molekulární hodiny 600 500 žralok 400 kapr Page a Holmes, Molecular evolution. A phylogenetic approach, 2001 skokan stáří molekulární (milionů let) 300 kuře aligátor 200 kunovec (vačnatec) 100 kráva (kalibrační bod) stáří = doba od odvětvení od linie vedoucí k člověku pavián 0 0 100 200 300 400 500 600 stáří paleontologické (milionů let)

  37. Substituční rychlost r = K(2T) (K -počet substitucí mezi dvěma druhy, T -doba od odvětvení obou druhů) Gen Nesynonymní (10-9) Synonymní (10-9) ribosomální protein S14 0,02 2,16 ribosomální protein S17 0,06 2,69 aktin 0,01 2,92 myosin 0,10 2,15 somatotropin 1,34 3,79 albumin 0,92 5,16 amylasa 0,63 3,42 Ig VH 1,10 4,76 interferon 3,06 5,50

  38. Rozdíly v substitučních rychlostech mezi proteiny • Variabilita pro nesynonymní mutace je mnohem větší než pro synonymní • Substituční rychlost pro synonymní mutace je většinou mnohem větší než pro nesynonymní Velkou roli patrně hraje negativní selekce na pozadí. Změny ve funkci proteinu mohou výrazně ovlivnit substituční rychlost.

  39. Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu Oblast počet substitucí 5' netranskribovaná oblast genu 4,0 4-degenerované pozice 8,6 introny 8,1 3' netranskribovaná oblast genu 8,8 pseudogeny 9,1 Rozdíly mezi kravskými a kozími globinovými geny a pseudogeny (substitucí/nukleotid/109 let).

  40. Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu čtyřikrát degenerované pozice pseudogeny introny přiléhající 3’ oblast netranslatovaná 3’ oblast 4 dvakrát degenerované pozice přiléhající 5’ oblast nepřekládaná 5’ oblast 3 nedegenerované pozice substitucí na bázi za 109 let 2 1 0 geny pseudogeny

  41. Test rovnoměrnosti chodu molekulárních hodin ve dvou větvích (Relative rate test, Margoliash 1963 a Sarih & Wilson 1973) KAB = KOA + KOB KAC = KOA + KOC KBC = KOB + KOC

  42. Test rovnoměrnosti chodu molekulárních hodin II ??? O KOA - KOB = 0 KOA - KOB = KAC - KBC = d V(d) = V(KAC) + V(KBC) + 2V(KOC) A B C 2 p - p p -proporce neshodných nukleotidů, V(K) = L -délka sekvence 4 ( ) L 1- p 3 Abs(d) ≥ 2SE d P ≤ 5%  3 ( ) 4/3 K OC 1 - e  Abs(d) ≥ 2,7SE d P ≤ 1% p = 4 OC

  43. Rozdíly v substituční rychlosti mezi jednotlivými druhu (taxony) • Ryby – rychleji než savci • Hlodavci – rychleji, není jisté zda i synonymní mutace • Lidoopi – zpomalení, člověk ještě pomalejší • Drosofila 10x rychleji než obratlovci • Vliv mutační rychlosti (reparační mechanismy) • Demografické faktory (rostoucí populace, malá nebo fluktuující populace) • Intenzita rekombinací a svezení se

  44. Efekt generační doby Rychlost synonymních nukleotidových substitucí pro některé dvojice druhů. Doba divergence Rychlost (mil. let) (x 109/rok/nukleotid) člověk-šimpanz 7 (5-10) 1,3 (0,9-1,9) kráva-koza 17 (12-25) 4,2 (2,9-6,0) myš-krysa 15 (10-30) 7,9 (3,9-11,8)

  45. Synonymní – generační doba má vliv Nesynonymní (proteiny) – patrně nemá vliv Teorie mírně škodlivých mutací (negativní korelace generační doby a velikosti populace). Svezení se (hitchhiking, genetic draft) a změna prostředí za generační dobu. Rozdíly v mezi synonymními a nesynonymními mutacemi Vysvětlení

  46. Efekt intenzity metabolismu Martin a Palumbi, PNAS USA 90: 4087-4091, 1993 10 hlodavci psi koně primati husy medvědi divergence sekvencí (%/milion let) želvy 1 mloci velryby pstruzi žáby želvy mořské želvy žraloci 0,1 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 tělesná hmotnost (kg)

  47. Změny v substitučních rychlostech v čase Wallis M. 2001 J.Mol.Evol. 53, 10-18.Studium změn substituční rychlosti v genech pro 8 savčích hormonů v průběhu delších období fylogeneze. • Pro 6 hormonů se rychlost v čase signifikantně měnila. V některých případech v období zrychlené evoluce vzrostla substituční rychlost až 50x. • Celkově 62% substitucí v genech nastalo během období zahrnujících pouze 15% sledované doby. • Epizody zrychlené evoluce se přitom časově neshodovaly pro jednotlivé proteiny.

  48. a) somatotropin possum slepec křeček krysa myš morče slon kůň pes prase lama srnec kráva ovce králík lori makak člověk 0 1 2 2 5 2 0 2 0 1 1 1 2 0 12 5 1 17 4 50 71 4 0 0 0 0 1 100 1 0 0 150 (16) čas (mil. let) 200

  49. b) prolaktin possum křeček krysa myš slon kůň kočka prase velbloud kráva ovce králík makak člověk 1 8 8 3 8 3 3 22 1 3 8 21 51 5 14 37 50 33 0 2 0 59 0 0 100 0 0 150 (13) čas (mil. let) 200

  50. Vlastnosti molekulárních hodin • V jednotlivých genech jdou nestejně rychle • V jednotlivých liniích jdou nestejně rychle • Hlodavci > kopytníci > primáti > člověk • Drosophila 5-10x rychleji než obratlovci • Při změně funkce genu či po jeho duplikaci se mění rychlost hodin • U neutrálních mutací existuje efekt generační doby, u záměnových mutací v proteinech nikoli

More Related