Ekologia molekularna. wykład 2

Transkrypt

1 Ekologia molekularna wykład 2

2 Markery molekularne: Markery wymagające sekwencjonowania

3 mtdna jako marker Zalety: Konserwatywny układ genów łatwo je zidentyfkować u nowego gatunku Szybkie tempo mutacji: 10-8 zmian/miejsce/rok Brak rekombinacji całe mtdna to pojedynczy haplotyp przekazywany przez matkę potomstwu łatwo odtworzyć genealogię Mała efektywna wielkość populacji (haploidalny, dziedziczony po 1 płci) podatny na zmiany demografczne wykład 2/3

4 Geny rdna jako markery rybosom maszyneria do translacji (RNA białko) złożony z 50 białek i 2 rrna rrna: mała i duża podjednostka rybosomalne RNA (rrna) jest kodowane na DNA wykład 2/4

5 Rodzaje rrna S = Svedberg, jednostka stałej sedymentacji, 10-13s. Prokarionty Eukarionty duża podjednostka (LSU) 5S i 23S 5S, 5.8S, 28S mała podjednostka (SSU) 16S 18S Prokarionty 16S wolno mutuje, filogenetyka - wiele kopii (tandem repeats) u eukariontów 18S najczęściej stosowana w filogenetyce, PCR powt u człowieka, na 5 chromo. UWAGA! Eukarionty mają geny kodujące rrna w: genomie jądrowym rybosomy cytoplazmatyczne mitochondriach (12S, 16S) rybosom mitochondrialny wykład 2/5

6 ITS (=internal transcibed spacer) ITS jest kodowany w genomie jądrowym eukariontów 28S, 5.8S i 18S tworzą jedną jednostkę transkrypcyjną (45S) ITS dzieli poszczególne rrna w obrębie tej jednostki w genomie są setki powtórzeń genów 45S, na różnych chromosomach 18S ITS1 5.8S ITS2 28S ITS jako marker: łatwy do namnożenia (konserwowane sekwencje flankujące) duża liczba kopii w genomie: można namnożyć z małych ilości DNA szybko ewoluuje duży poziom zmienności nawet między blisko spokrewnionymi gatunkami wykład 2/6

7 Klasyfkacja markerów W zależności od sposobu dziedziczenia: po obu rodzicach (autosomalne) po jednej płci zlokalizowane w chromosomach płci zlokalizowane w organellach, po jednej płci (cpdna, mtdna) samice ssaki ptaki samce marker XX XY gen sry ZW WW geny CHD1-Z, CHD1-W wykład 2/7

8 Klasyfkacja markerów Chromosom Y ssaków: jest haploidalny (tylko 1 kopia w genomie, 1 allel) dziedziczony tylko od ojca nie ulega rekombinacji wolne tempo ewolucji (5x wolniej niż autosomy) Porównanie zmienności w mtdna i chromosomie Y pozwala oddzielnie prześledzić historię każdej płci. wykład 2/8

9 Klasyfkacja markerów W zależności od tempa mutacji szybkie identyfkacja osobników analiza pokrewieństwa w grupach rodzinnych i populacjach migracje (przepływ genów) między populacjami np. mtdna mikrosatelity średnie historia gatunku identyfkacja jednostek zasługujących na ochronę szybka ocena bioróżnorodności (kody kreskowe DNA) wolne pokrewieństwa ewolucyjne większych grup ewolucja genomów i cech np. chr Y cytochrom b wykład 2/9

10 Klasyfkacja markerów W zależności od systemu dominacji dominujące Homozygota dominująca i heterozygota dają taki sam obraz np. markery RFLP heterozygota (Aa( długość homozygota (AA) kodominujące AA Aa homozygota 1 (AA) CT CT CT CT CT CT CT CT heterozygota (Aa) homozygota 2 (aa) CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT CT długość Możliwe jest rozróżnienie obu homozygot i heterozygoty np. mikrosatelity AA Aa aa

11 Genetyczna identyfkacja osobników

12 Czym jest osobnik? wykład 2/12

13 Czym jest osobnik? Polikormon gajowca (Galeobdolon luteum) Kolonia (kormus) rurkopława złożona z osobników pełniących różne funkcje, połączonych pniem ze wspólną jamą gastralną wykład 2/13

14 Czym jest osobnik? ramet (weget) pojedynczy zakorzeniony pęd roślinny, fragment rozmnażającego się wegetatywnie organizmu polikormon struktura roślinna złożona z wielu ramet genet (Harper 1997) osobnik składający się z jednostek pochodzących od pojedynczej zygoty powstałej na skutek rozmnażania płciowego wykład 2/14

15 Identyfkacja genetyczna osobników Nieznany sposób rozmnażania: rośliny i bezkręgowce mają dziwne pomysły na rozmnażanie Przykład: gorczyca, Roy i Riseber 1989 potomstwo identyczne z rodzicami potwierdzone badaniami allozymów wykazano apomiksję wykład 2/15

16 Rozmieszczenie przestrzenne Partenogeneza Komórka rozrodcza ma niezredukowaną liczbę chromosomów partenogenetyczne osobniki potomne pochodzące od jednej matki są jej klonami Na podstawie porównania heterozygotyczności z gatunkami rodzicielskimi można wykazać, że gatunek partenogenetyczny powstał na skutek hybrydyzacji Fundulus heteroclitus Fundulus diaphanus x Dawley, 1992, PNAS partenogenetyczne potomstwo wykład 2/16

17 Rozmnażanie klonalne Przestrzenne rozmieszczenie klonów Na stanowiskach z młodymi roślinami dominowały klony Na starszych stanowiskach mieszanina klonów i osobników powstałych płciowo nawłoć Solidago altissima Maddox i in. 1989, Am J Bot wykład 2/17

18 Identyfkacja osobników Nawet mała liczba polimorfcznych loci tworzy dużą liczbę możliwych genotypów. Wysoce zmienne loci idealne do identyfkacji osobników Dla 2 loci liczba możliwych genotypów (G): gdzie n - liczba alleli G liczba allelin2/18 (n) wykład loci

19 Analiza rodzicielstwa Wykluczanie W oparciu o dziedzicenie mendlowskie U diploidów każdy rodzic ma dokładnie jeden wspólny allel z potomkiem w każdym locus autosomalnym Identyfkacja kategoryczna Dla każdego potencjalnego rodzica oblicza się prawdopodobieństwo, że jest on rodzicem Za rodzica uznaje się osobnika o najwyższym prawdopodobieństwie Znajomość genotypu drugiego rodzica ułatwia analizę wykład 2/19

20 Mikrosatelity: rodzicielstwo

21 Rodzicielstwo poza parą (ptaki), EPP Występuje u 90% socjalnie monogamicznych (tworzących pary) gatunków ptaków Średnio 11% potomstwa pochodzi z kojarzeń poza parą potrzos (Emberiza schoeniclus) socjalny partner samicy był ojcem średnio 45 % piskląt 86% gniazd zawierało młode z kojarzenia poza parą wykład 2/21

22 Identyfkacja osobnicza u człowieka W katedrze we Fromborku znaleziono kości, na podstawie czaszki zrekonstruowano twarz Uzyskano profl DNA z kości i zębów (mtdna + mikrosatelity) Profl był identyczny z proflem włosów znalezionych w książce, która była własnością Kopernika Bogdanowicz i in. 2009, PNAS wykład 2/22

23 Identyfkacja hybryd Hybryda to osobnik powstały w wyniku skrzyżowania rodziców pochodzących z dwóch różnych gatunków zebryna lygrys żubroń skrzekot wykład 2/23

24 Identyfkacja hybryd P. kl. esculentus żaba wodna (P. lessonae P. ridibundus), Gametogeneza u żaby wodnej 1 eliminacja genomu żaby jeziorkowej Pelophylax lessonae, 2 duplikacja (endoreduplikacja) genomu żaby śmieszki P. ridibundus przywrócenie diploidalnej liczby chromosomów, 3 mejoza, L i R genomy żaby jeziorkowej i śmieszki wykład 2/24

25 Identyfkacja hybryd markery diagnostyczne takie, w których dany gatunek ma unikatowe allele Jeżeli mieszańce są płodne i krzyżują się z gatunkami rodzicielskimi, mogą być heterozygotyczne tylko w niektórych genach markerowych Można oszacować, jaki procent genomu danego osobnika pochodzi od każdego z gatunków rodzicielskich Markery przekazywane przez jedną płeć pozwalają określić kierunek hybrydyzacji np. A x B, ale nie nie B x A wykład 2/25

26 Zmienność na poziomie jednej populacji

27 Populacja defnicja: Grupa krzyżujących się organizmów tego samego gatunku, zamieszkująca ten sam obszar wątpliwości: (i inne) wykład 2/27

28 Przypadek Dermacentora Kloch et al. Vet Paras 2016 wykład 2/28

29 Podstawowe pojęcia locus miejsce w genomie allel wariant obecny w danym locus haplotyp kombinacja stanów allelicznych genotyp zespół cech genetycznych osobnika locus 1 locus 2 gen nić 5' 3' nić 3' 5' allele haplotyp (kombinacja markerów) wykład 2/29

30 Dane Tylko informacja o allelach (np. loci mikrosatelitarne) locus 1 osobnik1 osobnik2 osobnik3 osobnik4 250/ / / /250 locus 2 aa1 aa4 aa2 aa3 (itd) marker haploidalny (np. mtdna) Znana sekwencja (np. ITS) osobnik1 osobnik2 osobnik3 osobnik4 CTGTCTTAACCCGGAATGTTGAGTTCGGATCT...T...G...A...G......T...C...T...G......A...C...T...G... wykład 2/30

31 Wskaźniki zmienności locus 1 osobnik1 osobnik2 osobnik3 osobnik4 250/ / / /250 locus 2 locus3 aa1/aa3 aa4/aa4 aa2/aa1 aa3/aa3 hap1 hap1 hap1 hap1 P udział (%) loci polimorfcznych = n loci zmiennych / liczba loci badanych P=2/3=0.67 * Przyjmujemy, że jeśli p>0.95, dany locus nie jest polimorficzny Brak zmienności genetycznej w 47 loci u geparda (P = 0) sugeruje duży inbred wykład 2/31

32 Wskaźniki zmienności locus 1 osobnik1 osobnik2 osobnik3 osobnik4 250/ / / /250 locus 2 locus3 aa1/aa3 aa4/aa4 aa2/aa1 aa3/aa3 hap1 hap1 hap1 hap1 A różnorodność alleliczna = całkowita liczba alleli / liczba zbadanych loci = średnia liczba alleli w danym locus locus 1 3 allele locus 2 4 allele A = (3+4)/2=3.5 R - bogactwo alleli średnia liczba alleli na locus, dostosowana do liczebności najmniejszej próby wykład 2/32

33 Wskaźniki zmienności osobnik1 osobnik2 osobnik3 osobnik4 CTGTCTTAACCCGGAATGTTGAGTTCGGATCT...T...G...A...G......T...C...T...G......A...C...T...G... S miejsce segregujące różnorodność nukleotydowa proporcja pozycji nukleotydowych różniących się między parą sekwencji losowo wybranych z populacji = heterozygotyczność na poziomie nukleotydów = liczba nukleotydów, które różnią się między parami sekwencji liczba par sekwencji (liczba możliwych porównań) wykład 2/33

34 Heterozygotyczność osobnik1 osobnik2 osobnik3 osobnik4 locus 1 250/ / / /200 locus 2 aa1/aa3 aa4/aa4 aa2/aa1 aa3/aa3 Heterozygotyczność obserwowana* (Hobs) =liczba heterozygot w locus / liczba osobników locus1 Hobs=3/4=0.75 locus2 Hobs=2/4=0.5 Różnorodność genowa (h) W populacji rozmnażającej się losowo h jest odpowiednikiem Hexp xi frekwencja allelu i m liczba allali *) Jak policzyć heterozygotyczność oczekiwaną w innych przypadkach będzie za tydzień

35 Uwaga! S (liczba miejsc segregujących) zależy od: wielkości próby (liczby zbadanych genów) wielkości populacji obserwacja symulacja wykład 2/35

36 Wskaźniki różnią się między taksonami Różnorodność nukleotydowa (pi) Charlesworth & Charlesworth, 2010 Elements of evolutionary genetics wykład 2/36

37 Wskaźniki różnią się między taksonami Średnia heterozygotyczność wykład 2/37