BI 3010H05

1. BI 3010H05 BI 3010H05 Mutasjoner Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Mutasjoner Mutasjoner er selve råmaterialet for genetisk variasjon. Levedyktige mutasjoner er sjeldne på de fleste loci, men frekvensen varierer sterkt mellom loci. Selv om effekten av mutasjoner for å forandre allelfrekvenser (evolusjon) oftest er svært beskjeden på kort sikt, så er det den akkumulerte mengden av varianter på forskjellige loci over evolusjonære tidsrom som har muliggjort genetisk differensiering mellom individer, populasjoner, arter, familier og høyere taxa. Årsaker til mutasjoner: Feil under DNA replikasjon, ulik overkrysning, kromosom-brudd, og meiotisk ikke-adskillelse (sammen- hørende kromosomer skiller ikke lag til hver sin dattercelle). Typer av mutasjoner: Mutasjoner kan forekomme på kjønnskromosomer såvel som somatiske kromosomer. De som kun affekterer et enkelt nukleotid kalles punktmutasjoner. Hvis et helt gen eller flere gener blir duplisert snakker man om gen-duplikasjoner. Slike hendelser er evolusjonært viktige fordi de gir rom for naturlig seleksjon å virke. Vertebrater har svært ofte mer enn ett locus (som regel 2-3) som koder for et bestemt protein. Ofte er de forskjellige loci mer eller mindre vevs-spesifikke, slik at f.eks. i hjertemuskel er ett locus dominerende i proteinsyntesen, mens et annet dominerer i lever-vev. Tradisjonelt har mutasjoner som angår enkelt-loci blitt kalt gen-mutasjoner, og de som angår antall eller struktur av kromosomer kromosom-mutasjoner, men dette er ikke helt gode betegnelser i dag.

2. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Mutasjoner En alternativ inndeling er: 1. Kromosom-mutasjoner (duplikasjoner, delesjoner, inversjoner, trans-lokasjoner) 2. Punktmutasjoner: Forandring i et enkelt nukleotid. 3. "Indels": (fork. for insertions/deletions): Små (fra ett til noen hundre basepar) fjerninger eller insettinger av DNA). 4. Gen-duplikasjoner: Duplikasjon av ett eller flere protein-kodende gener. Aneuploidi: Et ekstra eller et manglende kromosom (f.eks. Down's syndrom (mongolisme) med en ekstra kopi av kromosom 21 hos menneske). Polyploidi: Hele settet av kromosomer er duplisert, slik at et individ kan ha tre eller flere sett i stedet for som vanlig to. Oppstår som regel ved at cytokinesis uteblir (manglende separasjon til datterceller) under meiose. Inversjoner, som kan omfatte flere gener, tenderer til å nedarves som en enhet. Dobzkansky kalte slike enheter for ”ko-adapterte genkomplekser”. Det er ting som tyder på at disse vedlikeholdes ved en form for balansert seleksjon og at såkalte heterokaryotyper for inversjoner har høyere fitness enn homokaryotyper. Translokasjoner oppstår når en bit fra ett kromosom fester seg på et ikke-homologt kromosom. De kan være gjensidige eller ikke. Fusjoner oppstår når biter fra to ikke-homologe kromosom går sammen og danner et nytt kromosom. Fisjoner er det motsatte fenomenet. Translokasjoner er nesten alltid lethale (anormale gameter og forstyrrelser av genreguleringen (mange former for kreft hos mennesket skyldes slike forstyrrelser). Nærstående arter skiller seg ofte fra hverandre kun ved en eller noen få translokasjoner.

3. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Mutasjoner

4. BI 3010H05 BI 3010H05 Mutasjoner Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 5. Transposable element: Innsetting eller delesjon av lange DNA strenger. Vanlige hos både prokaryoter og eukaryoter. Når et transposabelt element beveger seg inn i eller ut av et proteinkodende gen foreligger det en mutasjon. Forbundet med variasjon i kvantitative karakterer (”bristle numbers” hos bananflue). 6. Genduplikasjoner: Individuelle gener, kromosombiter eller hele kromosomer kan bli duplisert. Duplikatet skaper en helt ny kopi av et gen elle gener i genomet. Siden selve funskjonen av genet er sikret med bare en kopi, har evolusjonære krefter (mutasjon, seleksjon og andre) friere spillerom for å skape levedyktige varianter med nye egenskaper (jfr ”pseudogenes” som har mistet sin opprinnelige funksjon).

5. BI 3010H05 BI 3010H05 Mutasjoner Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 • Mutasjonsmodeller • Recurrent (gjentatte) mutasjoner: ”Villtype” vs mutant, frem og tilbake til en likevekt: • q-bar =  / ( + ) • der  er mutasjonsrate og  = tilbakemutasjonsrate. • Infinite alleles model: (Gjelder Single-base mutasjoner). Hver mutasjon lager et unikt allel (Kimura & Crow (1964)). Denne modellen er sentral I populasjonsgenetikk. • Stepwise mutation model: Basis i protein elektroforese. Tillater tilbakemutasjoner og gjentatte mutasjoner. Passer bedre for mikro/mini-satellitter. • Infinite site model: Betrakter hver nukleotid posisjon (”site”) uavhengig av andre, under en antagelse at de fleste posisjoner ikke muterer, og de som muterer gjør dette bare en gang. Dette vil medføre at hver posisjon har bare ett eller to allel. SNP observasjoner støtter denne antagelsen. To versjoner; linkage equilibrium (Kimura 1969) og linkage disequilibrium mellom tett lenkede posisjoner (Watterson 1975).

6. BI 3010H05 BI 3010H05 Mutasjoner Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Mutasjonsrater De fleste mutasjoner for kodende DNA er skadelige, og frekvensen av mutanter er en balanse mellom mutasjonsrate og naturlig seleksjon. De fleste mutasjoner opptrer derfor med lave frekvenser. Frekvensen kan regnes som pr nukleotid, locus, kromosom eller genom. Man må ha klart om man snakker om antall mutasjoner pr celledeling, generasjon eller tidsenhet. Eksempel fra banaflue (Drosophila sp.): Ca 36 celledelinger mellom zygote og gametproduksjon hos imago. Hvis man har 2x10-6 mutasjoner pr locus pr celledeling blir det 72x10-6 pr locus pr generasjon (eller pr zygote). Mutasjonsrater varierer enormt, over mange tierpotenser, mellom loci (se Tabell 6.1 i læreboka). Mutasjoner som forårsaker genetiske sykdommer har typisk frekvenser på 10-5 – 10-6 pr locus pr generasjon. Mikrosatellitter har mye høyere mutasjonsfrekvens (10-3), og dette r grunnen til at de er bedre markører for kort-tids evolusjonære prosesser; de vil manifestere effekter av reproduktiv isolasjon/genetisk drift raskere enn proteinkodende loci. Mutasjonsrater pr nukleotid pr generasjon er lavere, ca 10-8 eller lavere. Gruune er den ”proof-reading” reparasjonsmekanismen som virker under DNA replikasjonen.Mitokondrielt DNA, som har færre reparasjonsmekanismer, har også høyere mutasjonsrater pr nukleotid. Dette gir høyere evolusjonær rate og gjør dem egnet til studier av genetisk differensiering på kortere evolusjonære tidsrammer enn proteinkodende loci.

7. BI 3010H05 BI 3010H05 Mutasjoner Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Fitness effekt av mutasjoner Skadelige: Mest hyppige. Nøytrale: Frekvens stort sett ukjent. Gunstige: Sjeldne. Tilbakemutasjoner fra skadelige mutasjoner ofte sjeldnere enn selve mutasjonen. Rensende seleksjon fjerner skadelige mutanter eller senker frekvensen av dem. Seleksjonskoeffisienter og populasjonsstørrelse spiller inn på effektiviteten av dette. I svært små populasjoner kan genetisk drift ”overdøve” seleksjon, og letter føre til fiksering av skadelige mutant-alleler. ”Silent”, eller synonyme mutasjoner i et kodon er de som koder for samme aminosyre som i villtypen, mens ”replacement” eller ikke-synonyme mutasjoner resulterer i syntese av en alternativ aminosyre. Fra den genetiske kode kan man dedusere at forholdet mellon ”replacement” og ”silent” mutasjoner forventes å være ca 3:1. Studier har vist at frekvensen av nøytrale mutasjoner er ca 0.2 – 0.3, noen ganger høyere. Sjansen for at en enkelt mutant skal bli fiksert i populasjonen er 1/2N, der N er den effektive populasjonsstørrelsen. Gunstige mutasjoner er råmaterialet for adaptiv evolusjon. Naturlig seleksjon kan føre til at disse øker i frekvens og evt blir fiksert i populasjonen. Siden de i starten har svært lav frekvens (1/2N) er sjansen stor for at de mistes raskt ved genetisk drift (ca 37% allerede i første generasjon for en enkeltkopi (heterozygot bærer)). Man antar at frekvensen av mutasjoner med betydelig gunstig effekt er svært sjeldne.

8. BI 3010H05 BI 3010H05 Mutasjoner Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Spennvidden av mutasjonseffekter Mutasjoner som gir synlige morfologiske effekter er sjeldne. Lethale recessive mutasjoner er sjeldnere enn mrutasjoner med mindre dramatisk effekt. Mutasjonseffekter på heterozygoter Lethale mutasjoner: h = 0.03 Milde mutasjoner: h = 0.3-0.5 Simmons & Crow: ”The milder the effect of a mutant, the greater its dominance”. Mutasjon-seleksjon likevekt Når et skadelig allel er sjelden er naturlig seleksjon mindre effektiv i å eliminere det (jfr eugenikkens problem omtalt tidligere). Simulering: Bruk PopG.exe, og sett fitness av reccessiv homozygot til 0 (w=0, og s=1). Start med en lav allelfrekvens av mutant allelet. Sett populasjonsstørrelse til 10000 (for å redusere støy fra genetisk drift) og studer forløpet av kurven for frekvens av vilttype og mutant allel. Legg merke til et assymptotisk forløp med mindre effekt av seleksjon over generasjoner.

9. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Mutasjoner Når allelfrekvensen av et skadelig mutantallel holdes i en likevekt mellom (recurrent) mutasjonsrate og naturlig seleksjon, vil den etter hvert stille seg inn på en likevekt gitt ved: q = SQR(/s) Under visse forutsetninger kan denne formelen benyttes til å beregne mutasjonsrater på et locus. Den er også blitt brukt, sammen med observasjoner, for å argumentere for at lethale mutasjoner har en viss skadelig effekt også i heterozygot tilstand. Mutational load (genetic load) Enkeltloci: All seleksjon virker gjennom selektiv dødelighet, og øker således den totale dødelighet i populasjonen slik at gjennomsnittlig fitness reduseres. Mutasjon-seleksjon balanse skaper dermed det som kalles ”genetic load” eller ”segregational load”; en generell reduksjon av populasjonens helsetilstand. For en helt recessiv mutasjon i likevekt med seleksjon er genetic load (L) lik: L =  og for en ikke helt recessiv mutasjon: L = 2 Med andre ord, i likevektssituasjonen er mutational load kun avhengig av mutasjonsraten, ikke av skadevirkningen og alvorligheten av mutasjonen. Grunnen er at svært skadelige mutasjoner går Mot en lavere likevektfrekvens, som balanserer den sterke seleksjonen mot dem. Hele genomet (n loci): L = 2n(-bar), der -bar er gjennomsnittlig mutasjonefrekvens over n loci. Estimat fra bananflue: 0.4% reduksjon i viability pr generasjon, 1.2% pr zygote. Viktige begreper: Muller’s ratchet, mutational meltdown.

10. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Mutasjoner Skjebnen til en ny mutasjon De fleste mutasjoner er tapt i løpet av få generasjoner på grunn av seleksjon eller genetisk drift. Hva er sjansen for at en mutasjonen går tapt i den første generasjonen. Eller den andre, eller en gang i fremtiden? Hvis en heterozygot mutant er sannsynlig- heten for at den overlever/tapes første generasjon lik: Pr(overlevelse) = 1 – 1/e, og Pr(tap) = e-1 = 0.37, dvs 37% Sannsynligheten for tap i løpet av 10 generasjoner er mer enn 80%. Sannsynligheten for at en neøytral mutant overlever og omsider blir fiksert i populasjonen er: Pr(Fiksering) = 1/2Ne, dvs dens opprinnelige frekvens!

11. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Genetisk drift • Genetisk Drift • Hvis vi definerer evolusjon som enhver forandring i allelfrekvens i populasjonene, er det lett å se at • genetisk drift for nøytrale egenskaper kan avstedkomme evolusjonær forandring. Forandringen er • Imidlertid uforutsigbar fordi den skyldes tilfeldighet. • Teorien ble utarbeidet av Sewald Wright i 1930 0g 1940 årene. Genetisk drifter den tilfeldige variasjon • i allelfrekvenser fra en generasjon til neste. Den har to årsaker: • Mendelsk segregasjon – et diploid individ inneholder to kopier av hvert gen, men produserer gameter • som inneholder bare en kopi hver. • Populasjonsstørrelsen er ikke uendelig - enhver populasjon er en tilfeldig stikkprøve av gametene • som ble produsert av parentalgenerasjonen. • Fire hovedaspekt ved genetisk drift: • Retningen av allelfrekvensforandringen ved genetisk drift er uforutsigbar. En økning eller synkning av • allelfrekvens er like sannsynlig i enhver generasjon. • Styrken av genetisk drift avhenger av populasjonsstørrelsen. Jo mindre populasjon jo større er • forandringen fra en generasjon til neste. • Langtidsvirkningen av genetisk drift er å redusere genetisk variabilitet innen populasjoner (fikseringer) • Genetisk drift gjør at populasjoner divergerer genetisk fra hverandre over tid. • Genetisk drift reduserer genetisk variasjon innen populasjon, men øker den mellom populasjoner! • NB! Simuler forskjellige scenarioer med utdelt software PopG.exe.

12. BI 3010H05 BI 3010H05 Genetisk drift Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Binominalfordelingen: Beskriver fordelingen av utfall ved et antall n uavhengige forsøk der hvert forsøk har to mulige utfall. La sannsynligheten for det ene (suksess) være p, og for det andre (feil) (1-p). Hvis X er en tilfeldig variabel som beskriver antall suksesser i n forsøk. X kan da anta verdiene 0,1,2,....n. Binominalfordelingen beskriver sannsynligheten (Pr) for hvert enkelt av de mulige utfall (dvs antall suksesser i n forsøk). La x betegne et spesielt utfall for X. Da er Pr(X=x) = [ n! / (x!(n-x)! ] [ px(1-p)n-x] Eksempel: Sannsynligheten for å få en 1-er i et terningkast er p=1/6. Sannsynligheten for å få akkurat to 1-ere (x=2) i løpet av fem kast (n=5) er da: Pr(X=2) = [5! / 2!3!] [ (1/6)2 (5/6)3] = 0.16

13. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Genetisk drift Genetisk drift reduserer genetisk variabilitet innen populasjoner Begreper: Identity by descent (ibd) og Identity by state (ibs) Identity by state (IBS): Alleler som er funksjonelt ekvivalente. Identity by descent (ibd): Alleler som er nedarvet fra en felles stamfar i forrige eller tidligere generasjoner. Sannsynligheten for at to allel er ibd er lik 1/2N og kalles innavlskoeffisienten, f. Denne sannsynlihgheten øker for hver generasjon, fordi hver generasjon med sampling skaper En ny mulighet for ibd til å bli lagt til den eksisterende verdi. Rekusjonsligningen for dette er: Ft+1 = 1/2N + (1 – 1/2n)ft Reduksjon i heterozygositet pga genetisk drift: H, eller Heterozygositeten, dvs proporsjonen av heterozygoter i populasjonen, er gitt av Hardy Weinbergs lov ut fra allelfrekvensene; H=2p(1-p), som har et maksimum ved p=0.5 på et to-allel locus. Når allelfrekvensene nærmer seg 0 eller 1 går heterozygositeten mot 0. Genetisk drift fører fører etter hvert til at allelfrekvensene går mot ekstremene, og til at heterozygositeten Reduseres med en størrelse 1/2N for hver generasjon.

14. BI 3010H05 BI 3010H05 Genetisk drift Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Genetisk drift fører til at populasjonene divergerer: Variansen for en allelfrekvens pt etter en generasjon med binomisk sampling er: Var(pt+1) = pt(1-pt)/2N, og denne øker over generasjoner. Variansen i allelfrekvens mellom populasjoner i generasjon t er: Vart(p) = p0(1-p0) [ 1- (1 – 1/2N)t ] (Studer nøye Fig. 7.6 – 7.9i læreboka) Effektiv populasjonsstørrelse (Ne): Definisjon: Størrelsen av en ”ideell” populasjon som har en genetisk drift lik den aktuelle. Med ”ideell” menes bl.a. Konstant størrelse, likt antall av begge kjønn, og likt antall avkom pr familie. Effekt av ulik kjønns-ratio: Ne = 4Nm*Nf / (Nm + Nf) Som sier at med bare for eksempel 1 hann, vil selv 100 hunner ikke resultere i en effektiv Populasjonsstørrelse på mer enn ca 4 individ. En slik populasjon ville miste genetisk variasjon (målt f.eks som heterozygositet) i høy takt pga sterk genetisk drift.

15. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Genetisk drift Variasjon i populasjonsstørrelse over generasjoner: Ne = t / [ Sum (i=1 to t) t / (1/Ni ] Dette harmoniske middelet er alltid mindre enn det aritmetiske når Ne varierer. Episoder med små populasjonsstørrelser har sterk reduserende effekt på Ne. Variasjon i familiestørrelse innen populasjon: Ne = 4N / (VK +2), der K=familiestørrelse, og VK er variansen av familiestørrelse. Ved X-linked, Y-linked, og mtDNA: X-linked: Ne = 9Nm*Nf / (4Nm + 2Nf) Y-linked: Ne = Nm/2 mtDNA: Ne = Nf/2 Founder effects og population bottlenecks gir genetisk drift avh. av founder Ne, og forandrer allelfrekvensene. Heterozygositeten (H) ved reduserte populasjonsstørrelser reduseres hver generasjon med en kvantitet: Delta Ht+1 = - 1/2Nt

16. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Genetisk drift Genetisk drift og mutasjon ekvilibrium heterozygositet H er lik: H = 4Ne / (4Ne + 1) Genetisk drift, populasjonsdynamikk, og ekstinksjon: Minimum levedyktig populasjonsstørrelse på kort sikt: Ne = 50 Minimum levedyktig populasjonsstørrelse på lang sikt: Ne = 500-1000 (Korrigert av Lande (1995) til 5000-10000 individ. Hvor viktig er genetisk drift i naturen? En populasjon er ”liten” og genetisk drift er en betydelig evolusjonær kraft når: 4N < 1 4Ns < 1 4Nm < 1 Langtidseffekten av genetisk drift er klar; alle populasjoner vil miste genetisk variasjon og akkumulere moderat skadelige mutasjoner. Mange gunstige mutasjoner vil gå tapt, hvilket hemmer evnen til langsiktig adaptasjon. Heftigheten av disse effektene avhenger sterkt av den effektive populasjonsstørrelsen.

17. BI 3010H05 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7 Genetisk drift Genetisk drift og naturlig seleksjon Naturlig seleksjon forandrer allelfrekvensen på en forutsigbar måte (jfr genotypenes relative fitness- og Seleksjonskoeffisienter. Genetisk drift forandrer også allelfrekvensene, men på en ikke-forutsigbar måte. Hvilken av disse kreftene som ”vinner” avhenger av størrelsen på fitness-fordele, og populasjonens størrelse. I svært små populasjoner vil genetisk drift være så sterk at den hemmer eller til og med overvinner seleksjonens effekt (se fig. 7.16 og 7.17 i læreboka), og selv gunstige mutasjoner vil opptre oppføre seg, evolusjonært sett, som om de var nøytrale. NB! Simuler forskjellige scenarioer med utdelt software PopG.exe. Sannsynlighet for fiksering av en recessiv gunstig mutasjon (Kimura 1962) er: Pr(fix)  1.13 s/2N Der s er lik fitnessfordelen for en homozygot (dvs dobbel dose) for mutasjonen.

18. BI 3010H05 BI 3010H05 Genetisk drift Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 6-7