Ekologia ogólna. wykład 4. Metody molekularne Genetyka populacji

Transkrypt

1 Ekologia ogólna wykład 4 Metody molekularne Genetyka populacji

2 Kalosze vs. fartuchy wykład 4/2

3 Techniki molekularne DNA mitochondrialne / chloroplastowe Konserwowane ewolucyjne, wiele kopii w komórce Wykorzystanie zmienność międzygatunkowa zmiany w dużej skali czasowej filogenetyka wykład 4/3

4 Techniki Mikrosatelity zmienne, łatwo mutują Wykorzystanie zmienność w małej skali, wew-gat pokrewieństwo struktura populacji itd locus 1 locus 2 -CAA-CAA-CAA -CAA-CAA-CAA-CAA-CAA -GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT- -CAA-CAA-CAA-CAA -CAA-CAA-CAA-CAA -GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT-GT- itd wykład 4/4

5 Sekwencjonowanie (Sangera) 2. elektroforeza 1. synteza DNA A C A T C T GCC A T A CGG T T A A C C G ACA T CT A G C T dntp A C G T ddntp A T A A T C T G T C 3. odczyt wykład 4/5

6 Sekwencjonowanie NGS Illumina Metzker, Nat. Rev. Gen 2011 wykład 4/6

7 Sekwencjonowanie NGS Roche 454 Metzker, Nat. Rev. Gen 2011 wykład 4/7

8 Sekwencjonowanie NGS I jeszcze nowsze... Oxford Nanopore Pacific Biosciences (PacBio) sekwencjonowanie optyczne wykład 4/8

9 RADseq Restriction site Associated DNA (RAD) markers Zalety: zmienność SNP w całym genomie nie potrzeba sekwencji referencyjnej wybór locus nie wpływa na wynik analiz Wady trudniejsza analiza danych adapter ID osobnika odczyt określonej długości (np. 200bp) od miejsca restrykcyjnego wykład 4/9

10 SNP SNP = single nucleotide polymorphism (polimorfizm punktowy) zmienność wewnątrz osobnika porównanie na różnych poziomach odcinki kodujące i niekodujące AGTCCTGCGTGCCTAGGACGCACCGCACG AGTCCAGCGTGCTTAGGACGCACCGCACG TCT TCC TGT TGG Ser Ser zmiana synonimiczna (ds) Cys Trp zmiana niesynonimiczna(dn) wykład 4/10

11 Prawdziwe SNP MHC TLR wykład 4/11

12 Prawo Hardy'ego-Weinberga Hipoteza zerowa we wszystkich modelach genetyki populacyjnej Założenia organizm diploidany, rozmnażający się płciowo pokolenia nie zachodzą na siebie identyczne częstości alleli u obu płci lub gatunek hermafrodytyczny kojarzenie losowe bardzo duża (w teorii: nieskończona) populacja brak mutacji brak migracji na rozpatrywany locus nie działa dobór naturalny wykład 4/12

13 Prawo Hardy'ego-Weinberga Jeśli założenia są spełnione, to częstości alleli wynoszą: A1A1 = p2 A1A2 = 2pq A2A2 = q2 i nie zmieniają się z pokolenia na pokolenie p2+2pq+q2=1 częstość genotypu proporcja danego genotypu wśród badanych osobników (proporcja A1A1, A1A2 itd) częstość allelu proporcja danego allelu wśród wszystkich badanych kopii genów (p i q) wykład 4/13

14 Prawo Hardy'ego-Weinberga A1 A2 A1 A1 A1 A2 A2 A2 p=q=0.5 p=0.25, q=0.75 wykład 4/14

15 Prawo Hardy'ego-Weinberga Przy losowym kojarzeniu równowaga osiągana jest w czasie jednego pokolenia Najwięcej heterozygot występuje przy jednakowej częstości alleli Rzadki allel występuje prawie wyłącznie w heterozygotach wykład 4/15

16 Prawo Hardy'ego-Weinberga 3 allele A1A1 p2 A1A2 2pq A2A2 q2 A1A3 2pr A2A3 2qr A3A3 r2 uogólnienie HE- heterozygotoczyność oczekiwana HE=1- Σ pi2 wykład 4/16

17 Przyczyny odchyleń od HWE Czynniki demograficzne nielosowe kojarzenie wsobność struktura genetyczna populacji (subpopulacje) Czynniki niwelowane przez losowe kojarzenie działanie doboru migracje, mutacje Czynniki losowe dryf wykład 4/17

18 Modele migracji / populacji źródło-ujście wyspowy steppingstone (2D) metapopulacja steppingstone (3D) wykład 4/18

19 Heterozygotyczność HI obserwowana heterozygotyczność w subpopulacjach (zliczone genotypy) H S oczekiwana heterozygotyczność w subpopulacjach (obliczona z częstości alleli) H S =2/k pi qi H T oczekiwana heterozygotyczność w całej populacji obliczona na podstawie średniej częstości alleli w populacji HT = 2 pq Hi/Hs HT wykład 4/19

20 Statystyki F FIS (współczynnik inbredu) spadek heterozygotyczności w wyniku nielosowych kojarzeń w subpopulacjach Hs Hi Fis= Hs FST spadek heterozygotyczności w wyniku podziału na subpopulacje Ht Hs Fst= Ht FIT łączny spadek heterozygotyczności wywołany nielosowymi kojarzeniami w subpopulacjach i między subpopulacjacmi FIT F Ht Hi Fit= Ht IS FST

21 Zróżnicowanie populacji Fst 1 - heterozygotyczność obserwowana heterozygotyczność oczekiwana Miara zróżnicowania populacji na skutek struktury genetycznej Określa swobodę przepływu genów między populacjami Odpowiada standaryzowanej wariancji częstości alleli między populacjami wykład 4/21

22 Fst w praktyce MHC mikrosatelity FST=0.093 FST=0.066 Wartości F ST TAŁTY URWITAŁT Kloch et al., 2010, Mol.Ecol swobodny przepływ genów umiarkowane zróżnicowanie wysokie zróżnicowanie >0.25 populacje izolowane PILCH Y wykład 4/22

23 Izolacja przez dystans (IBD) Fst Fst=0.01 Fst=0.11 km Fst=0.08 Jeżeli przepływ genów spada z odległością, zróżnicowanie wzrasta z odległością Brak IBD w przypadku niedawnej ekspansji (mało czasu na zróżnicowanie) wykład 4/23

24 Czynnik wpływające na strukturę populacji Mniejsze zróżnicowanie w wyniku: przepływu genów (migracji) doboru Większe różnice w wyniku: dryfu też doboru mutacji wykład 4/24

25 Czynnik wpływające na strukturę populacji W zależności od biologii organizmów oczekujemy różnych poziomów zróżnicowania genetycznego Rośliny zapylane przez osiadłe owady powinny mieć większe zróżnicowanie między populacjami i małą zmienność wewnątrzpopulacyjną wiatropylne powinny wykazywać małe różnice międzypopulacyjne Zwierzęta Zdolne do dalekich dyspersji powinny wykazywać małe zróżnicowanie w porównaniu z organizmami osiadłymi. wykład 4/25

26 Przyporządkowanie do populacji Efekt Walhunda Mamy dwie izolowane populacje w równowadze H-W różniące się częstościami alleli, ale myślimy że pobieramy próbę z jednej populacji populacja I populacja II p = 0.9, q = 0.1 p = 0.1, q = 0.9 proporcja heterozygot proporcja heterozygot 2pq = 2x0.9x0.1 = pq = 2x0.1x0.9 = 0.18 W próbie p=0.5, q= 0.5 Oczekiwana proporcja heterozygot to 0.5, ale obserwowana wyszła Pozorny niedobór heterozygot wynika z podziału populacji wykład 4/26

27 Efektywna wielkość populacji Ne Ne liczebność teoretycznej populacji, w której wszystkie osobniki przystępują do rozrodu i która zachowuje się pod względem dryfu genetycznego tak samo, jak analizowana rzeczywista populacja. Ne zależy od: proporcji płci systemu kojarzeń rozpatrywany genom (mtdna gdna) zmian wielkości populacji wykład 4/27

28 Efektywna wielkość populacji Ne organizmy rozdzielnopłciowe 4 NfNm Ne= Nf + Nm 10 osobników, 9F i 1M Ne=4 Ne 10 osobników, 5F i 5M Ne=10 proporcja samców wykład 4/28

29 Efektywna wielkość populacji System kojarzenia Kaeuffer et al dzikie koty domowe promiskuityzm Ne/N 0.42 polygynia Ne/N 0.33 Zmiany wielkości populacji 1400 N Najważniejszym czynnik wpływającym 1200 na długoterminową Ne Przy zmianach liczebności, Ne to średnia harmoniczna wielkości 1000 populacji w kolejnych pokoleniach Ne= 400 t i 1 N pokolenia wykład 4/29

30 Efektywna wielkość populacji Zmiany wielkości populacji Najważniejszym czynnik wpływającym na długoterminową Ne Przy zmianach liczebności, Ne to średnia harmoniczna wielkości populacji w kolejnych pokoleniach średnia zwykła = 515 średnia harmoniczna = N 1200 Ne = 1000 t i N pokolenia wykład 4/30

31 Inbred W populacjach o skończonej wielkości wzrasta z pokolenia na pokolenie nawet przy losowym kojarzeniu Wpływ inbredu na częstości genotypów usuwany przez losowe kojarzenie wynosi F=1/2N. wykład 4/31

32 Bottleneck Poziom spadku zmienności genetycznej zależy od: stopnia redukcji liczebności czasu trwania redukcji liczebności ewentualnej imigracji osobników U żubrów wąskie gardło trwało tylko kilka pokoleń wykład 4/32

33 Bottleneck Silny dobór przeciwdziała dryfowi. Może utrzymywać zmienność nawet w bardzo małych populacjach, przeciwdziała dryfowi. lis wyspowy Urocyon littoralis dobór zachował zmienność w MHC wykład 4/33

34 Sprzężenia (linkeage disqulibrium, LD) Zależy od: doboru tempa rekombinacji i mutacji dryfu struktury populacji systemu kojarzenia fizycznego sprzężenia dostarcza informacji o procesach genetyki populacyjnej nie wymaga fizycznego sprzężenia mysz (cds), NM mysz mrna 1806 exon signal protein 1989 exon 4 + 3' UTR protein coding protein coding primer F ( ) primer F ( ) nornica fragment CTCC nornica fragment NNNNN 1942 nornica fragment nornica exon wykład 4/34

35 Model Wrighta-Fishera Model dryfu N diploidalnych hermafrodytycznych osobników skończona wielkość populacji Liczebność nie zmienia się z pokolenia na pokolenie, pokolenia nie zachodzą na siebie Każdy osobnik produkuje bardzo dużo gamet nieskończona pula Losowe kojarzenie gamet (2N gamet z puli) brak doboru, mutacji, migracji pokolenie i wielkość N pokolenie i+1 wielkość N A1 = p i A2 = qi A1 = pi+1 A2 = qi+1 losujemy 2N gamet wykład 4/35

36 Dryf prawdopodobieństwo utrwalenia się allelu jest równe jego aktualnej częstości (kumulatywne działanie dryfu) n populacji z początkową częstością allelu A1 = p allel A 1 utrwali się w np populacjach Frekwencja allelu (p=0.5) w populacji 20 osobników Czas, po jakim allel A2 się utrwali, w zależności od początkowego q wykład 4/36

37 Dryf zmiany częstości są większe w mniejszych populacjach wykład 4/37

38 Dryf: doświadczenie bw 75 /bw 75 bw /bw 75 bw /bw start: 107 populacji D. melanogaster po 16 osobników kolejne pokolenia: losowo wybierane 8 par do rozrodu wykład 4/38

39 Dyspersja i migracje Metody bezpośrednie (terenowe) Bezpośrednia obserwacja w terenie Metody oparte na znakowaniu osobników: obrączkowanie, znakowanie i powtórny odłów (CMR) Telemetria Wykorzystanie ogrodzonych powierzchni badawczych z monitorowanymi wyjściami Metody pośrednie wykorzystujące techniki molekularne. wykład 4/39

40 Dyspersja i migracje Identyfikacja migrantów Określenie, z jakiej populacji pochodzi osobnik, na podstawie wielu loci. wykład 4/40

41 Dyspersja i migracje Dyspersja sezonowa Zróżnicowanie genetyczne między populacjami (FST ) w różnych sezonach. FST FIS wiosna jesień Dyspersja u nornic zachodzi wiosną, przed rozpoczęciem sezonu rozrodczego Borkowska & Ratkiewicz 2004 wykład 4/41

42 Dyspersja i migracje Dyspersja zależna od płci szacowana poprzez porównanie: markerów dziedziczonych po obu rodzicach (np. mikrosatelity) markerów dziedziczonych tylko po jednym rodzicu (np. mtdna, gen SRY) zębiełek mtdna mikrosaty samice ryjówka 0.03 obie płci wykład 4/42

43 Dyspersja i migracje Porównanie metod Procent scynków Oligosoma grande przemieszczających się między populacjami CMR > 7 lat badań metody molekularne < 3 miesiące wykład 4/43