Ekologia molekularna. wykład 1

Transkrypt

1 Ekologia molekularna wykład 1

2 Dobór i ewolucja Ewolucja = zmienność + dobór 1. Rodzi się więcej osobników niż jest w stanie przeżyć. 2. Osobniki różnią się między sobą (zmienność). Różnice te wpływają na przeżywalność. 3. Różnice te są odziedziczalne. dobór naturalny zmienność wykład 7/2

3 Dostosowanie (fitness) w odniesieniu do osobnika Wartość przystosowawcza, to rzeczywisty sukces rozrodczy osobnika osiągnięty podczas jego całego życia. (Fisher, Dobzhansky) w odniesieniu do genu Łączna wartość przystosowawcza oznacza łączne szanse sukcesu reprodukcyjnego grup osobników będących nosicielami tych samych genów. (Hamilton) wykład 7/3

4 Dostosowanie (fitness) Założenia jak w modelu kojarzenia losowego (brak dryfu, mutacji, migracji itd.) dostosowanie jest stałe między pokoleniami genotypy różnią się dostosowaniem, co wpływa na ich przeżywalność genotyp A tempo reprodukcji: RA dostosowanie względne: x5 genotyp B RB wa=0.5 x10 wb=1 RA / RB = 5/10 = 0.5 wykład 7/4

5 Dostosowanie (fitness) Dostosowanie względne (w) Określa, jak bardzo dobór faworyzuje dany genotyp względem najlepszego Dla najlepszego w=1 Dostosowanie bezwzględne (też w) Jest równe prawdopodobieństwu przeżycia gentypu W praktyce zwykle nieznane Współczynnik selekcji (S) Siła, z jaką dobór eliminuje dany genotyp. S=1 całkowita eliminacja, S=0 wszystkie przeżywają Współczynniki w i s nie dotyczą poszczególnych osobników, ale frakcji osobników posiadających określone geny. wykład 7/5

6 Współczynniki doboru A pokolenie t wyjściowa częstość alleli względne dostosowanie częstość alleli po działaniu dobru A A a a a p2 2pq q2 waa waa waa p2waa 2pqwAa q2waa w = p2waa + 2pqwAa + q2waa pokolenie t+1 częstość alleli p2waa+pqwaa p'= w q2waa+pqwaa q'= w wykład 7/6

7 Rodzaje doboru Cechy ilościowe

8 Dobór kierunkowy eliminuje cechy skrajne z jednej strony rozkładu) przesunięcie średniej wartości cechy Biston betularia (włochacz nabrzozak) pierwsza forma ciemna - Manchester, 1848 za barwę odpowiadają 3 geny (każdy ma 2 allele) wykład 7/8

9 Dobór kierunkowy zmiana częstości formy carbonaria typica insularia carbonaria wykład 7/9

10 Dobór kierunkowy dominujący waa = waa > waa addytywny waa > waa > waa recesywny waa > waa = waa addytywny dominujący recesywny wykład 7/10

11 Naddominacja (faworyzowanie heterozygot) Heterozygoty mają większe dostosowanie niż każda z homozygot waa < waa > waa Stan równowagi frekwencja allelu stała między pokoleniami waa waa ˆ p= 2wAa waa waa waa=1 waa=0.9 waa=0.8 wykład 7/11

12 Naddominacja Obliczanie przejścia do stanu równowagi na podstawie Δp waa=1 waa=0.6 waa=0.2 wykład 7/12

13 Naddominacja Malaria i anemia sierpowata malaria w latach 20 XX w frekwencja allelu S łańcucha β hemoglobiny

14 Dobór przeciw heterozygotom waa > waa waa > waa waa=0.8 waa=1 waa=0.9 wykład 7/14

15 Mutacje a dobór Stan równowagi uwzględniający mutacje: p2waa+ pqwaa p'= (1 ) w A allel wyjściowy a zła mutacja Dostosowanie genotypów: waa = 1 waa = 1 s s współczynnik selekcji (tempo usuwania allelu a) waa = 1 hs h stopień dominacji allelu a wykład 7/15

16 Równowagowe częstości alleli Kiedy mutacje równoważą dobór, ustala się stan równowagi = częstość szkodliwego allelu kiedy a jest recesywny q^ s kiedy a wykazuje częściową dominację (h 0) q^ hs) Przykład: Choroba Huntingtona waa=0.81 hs = 0.19 q= 5 x x 10-5 x 0.19 = 9.5 x 10-6

17 Mutacje a dobór log10(q) -4 Zmiany częstości allelu a letalnego w homozygotach (s=1) stopień dominacji h Niewielki spadek stopnia dominacji h powoduje duży spadek częstości równowagowej Częstość równowagowa zwykle <0.01 Obciążenie mutacyjne spadek średniego dostosowania populacji na skutek mutacji, których nie może usunąć dobór 2 wykład 7/17

18 Szkodliwe mutacje w ludzkim genomie % szkodlwych mutacji Venter Watson Chinese rzadkie allele Venter Watson Chinese częste allele wykład 7/18

19 Choroby genetyczne człowieka Autosomalne dominujące Achondroplazja Retinoblastoma częstość allelu 5 x x 10-5 Autosomalne recesywne Albinizm Skóra pergaminowa Fenyloketonuria Mukowiscydoza 3 x x x x 10-3 Sprzężone z płcią recesywne Hemofilia 1 x 10-4 Dystrofia Duchenne 2x 10-4 wykład 7/19

20 Złożone modele doboru Zróżnicowane doboru między płciami przyjmujemy różne wartości w określonych genotypów dla samców i samic odmienne działanie doboru na geny kodowane na chromosomach płci Dobór gametyczny dobór działa na haploidalną fazę rozwoju (gametofit) inne dostosowania alleli u gametofitów i sporofitów Odchylenie mejotyczne niemedlowska segregacja genotypów heterozygotycznych

21 Złożone modele doboru Dobór zależny od częstości dostosowanie allelu zależy do jego częstości w populacji Dobór różnicujący faworyzuje fenotypy skrajne Dobór równoważący faworyzuje różnorodność (nadmiar alleli o średniej częstości) wykład 7/21

22 Dobór zależny od częstości Presja ze strony jednego gatunku wymusza ewolucję drugiego Ewolucyjny wyścig zbrojeń. Leigh Van Valen Aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec ile sił wykład 7/22

23 Dobór zależny od częstości Dobór faworyzuje P G Frekwencja P rośnie Dobór faworyzuje g allele gospodarza g Dobór faworyzuje G p allele pasożyta allel p pasożyta przystosowany do g gospodarza allel P przystosowany do G Frekwencja g rośnie Dobór faworyzuje p P wykład 7/23

24 Dobór zależny do częstości xxx Dobór faworyzujący rzadkie allele zmiany w czasie, trzcinniak zwyczajny Geny MHC Loci neutralne Westerdahl et al., J. Evol. Biol. 2004

25 Dobór równoważący W każdej populacji faworyzowane inne allele lokalna ko-ewolucja Bonneaud et al. 2006, Evolution

26 Dobór równoważący: lokalne różnice Intensity of infection, Aspiculuris tetraptera site x MHC-DRB*024 Χ2=445.95, p<<0.001 TAŁTY 10 0 allele present allele absent worms / host worms / host URWITAŁT 10 0 PILCHY worms / host Kloch et al. Mol Ecol 2010 wykład 7/26

27 Selective sweep 1. W populacji jest 6 sekwencji. Kropki mutacje neutralne 2. Pojawia się korzystna mutacja 3. Frekwencja korzystnej mutacji rośnie. Do niej podczepiają się mutacje położone w pobliżu. genetic hitchhiking wykład 7/27

28 Selective sweep 4. W wyniku rekombinacji powstaje nowa kombinacja alleli (nie zawsze współwystępuje z allelem niebieskim) 5. Korzystna mutacja ulega utrwaleniu. W jej pobliżu spadek zmienności genetycznej. Trzy mutacje neutralne podczepiły się pod mutację korzystną i wzrosła ich frekwencja. wykład 7/28

29 Selective sweep Zmiana podstawowych statystyk w pobliżu korzystnej mutacji Wykrycie selective sweep świadczy o: silnym doborze faworyzującym korzystną mutację niedawnym utrwaleniu tej mutacji wykład 7/29

30 Badanie doboru wykład 7/30

31 Badanie doboru czynnik ewolucyjny zmienność wew-gat zmienność między-gat wew-gat między-gat brak wysokie tempo mutacji rozkład frekwencji alleli nie wpływa dobór negatywny więcej rzadkich alleli dobór pozytywny więcej częstych alleli dobór równoważący więcej alleli o średniej częstości sweep zwykle więcej rzadkich alleli brak wykład 7/31

32 Testy doboru Poziom mikroewolucji (1 gatunek) To było 1.Czy rozkład frekwencji alleli odbiega od neutralnego? tydzień temu test D Tajimy test D Fu i Li (oparty o genealogię) test H Fay i Wu 2. Zróżnicowanie między populacjami w różnych genach Fst jeśli odbiega od neutralnego, wskazuje na dobór To było kilka tygodni temu wykład 7/32

33 Testy doboru Poziom makroewolucji (>1 gatunek) Jak dobór działa na homologiczne cechy u różnych gatunków non-syn. syn. ACG TCC TGG Thr Ser Trp AGG TCG TGG Arg Ser Trp

34 Tempo podstawień Ka/Ks = dn / ds Założenie: Podstawienia synonimowe są neutralne, działanie doboru ujawnia się w przewadze podstawień niesynonimowych Vitti et al., Annu Rev Genet 2013 wykład 7/34

35 Tempo podstawień Vitti et al., Annu Rev Genet 2013 wykład 7/35

36 Tempo podstawień Liczba podstawień synonymicznych (ds) i niesynonimicznych (dn) w loci HLA u człowieka. HLA-A, 48 alleli HLA-B, 99 alleli HLA-C (35 alleli) Hughes i Yeager, Annu. Rev. Genet wykład 7/36

37 Tempo podstawień: poziom białek Miejsca pod doborem w genie kodującym lizynę (małże) Yang, Bielawski, TREE 2000 wykład 7/37

38 Testy: tempo podstawień McDonalda-Kreitmana (MK test) porównuje Ka/Ks wewnątrz i między gatunkami międzygat > wew-gat dobór pozytywny międzygat < wew-gat dobór równoważący lub słaby dobór negatywny działający na szkodliwe allele Hudsona-Kreitmana-Aguade (HKA test) oblicza się proporcję utrwalonych substytucji (D) między gatunkami z polimorfizmem wew-gat (P) wysokie D/P dobór kierunkowy, wewnątrz lub między gatunkami niskie D/P dobór równoważący wykład 7/38