Mechanizmy zmienności ewolucyjnej. Podstawy ewolucji molekularnej.

Transkrypt

1 Mechanizmy zmienności ewolucyjnej Podstawy ewolucji molekularnej.

2 Mechanizmy ewolucji } Generujące zmienność } mutacje } rearanżacje genomu } horyzontalny transfer genów } Działające na warianty wytworzone przez zmienność } dobór naturalny } dryf genetyczny } migracje 2

3 Pierwsza synteza } Darwinizm + genetyka klasyczna + genetyka populacji è Syntetyczna teoria ewolucji } Mutacje jako podstawa zmienności ewolucyjnej } W populacjach naturalnych występują rozmaite allele wielu genów, nowe powstają w wyniku mutacji } Ewolucja jako zmiany częstości alleli w populacji 3

4 Druga synteza } Darwinizm + genetyka molekularna è ewolucja molekularna } Molekularne mechanizmy ewolucji } Jak zachodzą zmiany sekwencji DNA (i białek), jak ewoluują genomy } Jak działa dobór naturalny na poziomie sekwencji } Genetyczna kontrola rozwoju w ewolucji ( evo-devo ) } Ewolucja molekularna jako narzędzie do poznawania funkcji genów i genomów 4

5 Podobieństwo i homologia } Homologia: podobieństwo wynikające ze wspólnego pochodzenia ewolucyjnego cecha odziedziczona od wspólnego przodka } vs. homoplazja podobieństwo powstałe niezależnie, nie odziedziczone po wspólnym przodku } Homologia jest właściwością dyskretną, nie stopniuje się } cechy mogą być mniej lub bardziej podobne, ale albo są homologiczne, albo nie 5

6 Konwergencja } Działanie doboru prowadzi do niezależnego wykształcenia podobnych przystosowań } ptaki i nietoperze } ryby, ichtiozaury i walenie } kaktusy i wilczomlecze } itp. 6

7 Podobieństwo i homologia sekwencji } Przy dostatecznie dużym podobieństwie można założyć, że sekwencje DNA i białek są homologiczne } } Podobne struktury przestrzenne i/lub funkcje mogą być determinowane przez różne sekwencje Liczba możliwych sekwencji aminokwasowych o nietrywialnej długości jest gigantyczna } dla 300 aminokwasów , czyli ~2x } liczba atomów we Wszechświecie: ~ 1x10 80 } Na poziomie sekwencji praktycznie nie stwierdza się konwergencji, homoplazje są przypadkowe i dotyczą pojedynczych pozycji, a nie całych sekwencji } Dlatego sekwencje są doskonałym narzędziem do badania filogenezy 7

8 Zmiany genetyczne w ewolucji } Mutacje } tworzą nowe allele genów } Inwersje } zmieniają układ genów na chromosomach } Duplikacje } dotyczą fragmentów DNA, w tym całych genów } lub całych chromosomów i całych genomów } główne źródło innowacji ewolucyjnej } Transfer horyzontalny } w tym zdarzenia symbiotyczne 8

9 Mutacje } Podstawienia (substytucje) } Niewielkie delecje i insercje } niewielkie tzn. wpływające na sekwencję 1-2 genów 9

10 Problem obliczania odległości ACGGTGC Rzeczywista liczba mutacji: 5 C T Obserwowana liczba zmian: 2 GCGGTGA Odległość jest zaniżona, im odleglejsze sekwencje, tym bardziej 10

11 Mutacje i dobór naturalny } Efekty działania mutacji obserwujemy pośrednio } różnice sekwencji między populacjami (gatunkami) } polimorfizm sekwencji w obrębie populacji } Na allele wytworzone przez mutacje może działać dobór } Za zmiany częstości powstających alleli może odpowiadać dryf genetyczny } Obserwujemy mutacje utrwalone całkowicie lub częściowo (polimorfizmy) w puli genowej 11

12 Podstawowe pytanie ewolucji molekularnej } Jaka jest rola dryfu i doboru w wyjaśnieniu obserwowanego zróżnicowania sekwencji? } wewnątrzpopulacyjnego (polimorfizmy) } międzygatunkowego } Pytanie dotyczy zróżnicowania ilościowego! } Nikt nie podaje w wątpliwość tego, że adaptacje w ewolucji powstają dzięki działaniu doboru! 12

13 Dobor czy dryf? } Selekcjonizm } większość utrwalonych mutacji została wyselekcjonowana przed dobór } większość polimorfizmów jest utrzymywana przez dobór } dobór równoważący, naddominacja, dobór zależny od częstości } Neutralizm (Kimura, 1968) } większość utrwalonych mutacji została utrwalona przez dryf } za większość polimorfizmów odpowiada dryf } mutacje utrwalane przez dobór są rzadkie, nie mają wpływu na ilościową analizę zmienności molekularnej 13

14 Współczynnik selekcji } s o ile zmienia się dostosowanie osobnika o danym genotypie } s<0 mutacje niekorzystne } s>0 mutacje korzystne 14

15 Mutacje i dobór } niekorzystne (szkodliwe) } s < 0 } eliminowane przez dobór (oczyszczający/negatywny) } neutralne } s 0 (a konkretniej, s 1/4N) im mniej liczna populacja, tym dryf ważniejszy dla mutacji o niewielkim współcznniku selekcji } utrwalane przez dryf } korzystne } s > 0 } utrwalane przez dobór (z udziałem dryfu dla niewielkich s) 15

16 Selekcjonizm i neutralizm } Selekcjonizm: } większość mutacji jest niekorzystna } większość utrwalonych mutacji jest korzystna } mutacje neutralne są rzadkie (nie częstsze od korzystnych) } Neutralizm } większość mutacji jest niekorzystna lub neutralna } większość utrwalonych mutacji jest neutralna } mutacje korzystne są rzadkie (znacznie rzadsze od neutralnych) 16

17 Selekcjonizm i neutralizm selekcjonizm neutralizm pan-neutralizm Neutralizm nie oznacza pan-neutralizmu, czyli negowania znaczenia selekcyjnego mutacji! 17

18 Teoria neutralna - nieporozumienia } Wszystkie mutacje są neutralne? } Nieprawda większość jest szkodliwa (i eliminowana), neutralne to większość obserwowanych } Dobór nie ma znaczenia w ewolucji? } Ma, mutacje korzystne są szybko utrwalane i tylko one dają nowe adaptacje, ale są rzadkie w porównaniu z neutralnymi } Do specjacji w niektórych przypadkach wystarczy dryf (i bariera, np. geograficzna) 18

19 Podsumowanie } Dryf może utrwalać nowe allele } Przy niewielkim współczynniku selekcji (wpływie mutacji na dostosowanie) dryf może przeważać nad doborem } im mniej liczna populacja, tym bardziej 19

20 Tempo zmian białka jest kształtowane przez dobór naturalny } Tzw. sekwencje zachowawcze (konserwowane) zmieniają się powoli, zmiany eliminowane przez dobór oczyszczający sekwencje o kluczowej i niezmiennej funkcji } Sekwencje o mniej znaczącej lub zmieniającej się w toku ewolucji funkcji zmieniają się szybciej 20

21 Zegar molekularny } Jeżeli teoria neutralna jest prawdziwa to tempo zmian zależy jedynie od działania doboru negatywnego } Tempo zmian będzie różne dla różnych sekwencji, ale takie samo w różnych gałęziach drzewa dla danej sekwencji } Porównując takie sekwencje możemy wnioskować o tym, ile czasu upłynęło od rozejścia się linii ewolucyjnych (TMRCA Time from Most Recent Common Ancestor) } kalibracja zegara dane kopalne 21

22 Czy istnieje zegar molekularny? } Nie istnieje globalny zegar prawdziwy we wszystkich gałęziach drzewa dla danej sekwencji } Można znaleźć zegary lokalne tempo zmian jest równomierne dla danej sekwencji w określonej grupie organizmów 22

23 Status neutralizmu } Wyjaśnia wiele zjawisk obserwowanych w ewolucji molekularnej } wysoki polimorfizm sekwencji DNA i białek } zegar molekularny } ale jest wiele odstępstw, nie istnieje globalny zegar prawdziwy dla wszystkich gałęzi drzewa życia } wolniejsza ewolucja sekwencji o kluczowym znaczeniu } to też można wyjaśnić modelem, w którym większość mutacji jest albo niekorzystna, albo korzystna, ale niekorzystnych jest więcej } Jest bardzo przydatny jako hipoteza zerowa do badania doboru naturalnego na poziomie sekwencji! 23

24 Status neutralizmu } Smith & Eyre-Walker % podstawień aminokwasowych w ewolucji Drosophila sp. utwalonych przez dobór dodatni } Andolfatto 2005 pomiędzy D. melanogaster i D. simulans dobór dodatni odpowiada za utrwalenie: } 20% podstawień w DNA w intronach i obszarach międzygenowych } 60% podstawień w DNA w sekwencjach UTR 24

25 Jak szukać śladów działania doboru } Większość sekwencji genów zmienia się jednostajnie, w tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji niekorzystnych zegar molekularny } Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi dobór specyficzny dla tej gałęzi Orangutan Goryl Szympans Człowiek Orangutan Goryl Szympans Człowiek Orangutan Goryl Szympans Człowiek Równomierne tempo zmian Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany 25

26 Skąd biorą się nowe funkcje (geny) } Mutacje mogą zmienić funkcję genu, ale zwykle z utratą funkcji dotychczasowej } Prawdopodobieństwo powstania nowego genu de novo (np. z sekwencji niekodującej) jest małe } Rozwiązanie - duplikacje Susumu Ohno ( ) 26

27 Duplikacje T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009

28 Liczba genów wzrastała w historii życia 28

29 Ewolucja globin

30 Paralogi i ortologi } Paralogi geny homologiczne w tym samym genomie, powstałe w wyniku duplikacji genu - np. α-globina i β- globina człowieka } Ortologi geny homologiczne powstałe w wyniku specjacji, pochodzące od genu u wspólnego przodka np. α-globina człowieka i α-globina myszy

31 Ewolucja genów opsyn

32 Ewolucja widzenia barw

33 Geny HOX regulatory rozwoju

34 Duplikacje całych genomów } Zmianie może ulec liczba chromosomów } Podwojeniu może ulec cały genom } Hipoteza 2R (hipoteza Ohno) podwojenie genomu na początku ewolucji kręgowców } 2 rundy podwojenia } np. geny Hox 34

35 Białka składają się z domen T.A. Brown. Genomy III, PWN 2009 Tasowanie domen kombinatoryka w białkach.

36 Wspólne motywy w różnych genach Możemy stawiać hipotezy dotyczące funkcji nieznanych białek na podstawie motywów znajdowanych w sekwencji. Podstawa większości współczesnych badań biochemicznych!!

37 Ewolucyjne klocki } } Złożone sieci współzależności złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów składowych Nowe elementy przez duplikację istniejących 37

38 Horyzontalny transfer genów Bacteria Eukarya Archaea P S Z G R Chl Mt

39 Ewolucyjna zmienność Prokaryota } Przy podobnej liczbie genów ogromna różnorodność zestawu genów } Duże różnice między szczepami } np. E. coli O157:H7 vs. E. coli K12 - ~1300 genów w O nie w K i ~500 w K nie w O(!) } Częsty poziomy transfer genów (do kilkunastu procent genomu), nawet między odległymi gatunkami } Problem definicji gatunku 39

40 Genom, pangenom 40

41 Transfer genów oporności 41

42 Adaptacje dzięki HGT - przykład } } } Bacteroides plebeius bakteria w przewodzie pokarmowym człowieka Niektóre szczepy zdolne do rozkładania polisacharydów pochodzących z krasnorostów B. plebeius uzyskał geny umożliwiające rozkład tych polisacharydów w HGT od bakterii morskich } głównie szczepy izolowane od mieszkańców Japonii, brak w szczepach od mieszkańców USA Zhaxybayeva & Doolittle (2011) Curr Biology 21(7): R242-R246 42