Ekologia molekularna. wykład 6

Transkrypt

1 Ekologia molekularna wykład 6

2 Tempo mutacji Tempo błędu polimerazy: 10-4 pomyłka polimerazy 10-8 po naprawie błędów Faktyczne tempo mutacji: 10-9/zasadę/pokolenie W genomie człowieka jest 3 x 109 zasad 3 mutacje na pokolenie 6 w zapłodnionej komórce 40 mld w populacji! wykład 6/2

3 Mutacja nieodwracalna ATA AGA Zmutowany allel w diploidalnej populacji wielkości N ma częstość początkową 1/2N zmiana częstości alleli na skutek presji mutacyjnej jest bardzo wolna częstość allelu (p) 1 pt= p0(1 )t tempo mutacji czas (liczba pokoleń) wykład 6/3

4 Mutacja odwracalna (powrotna) ATA AGA ATA Każda mutacja może wrócić do stanu pierwotnego na skutek mutacji powrotnej. Powstaje stan równowagi między przejściami A a A Częstość równowagowa zależy od tempa mutacji i mutacji powrotnej częstość allelu (p) 1 ^ p= mutacja A a mutacja powrotna, a A Dla =10-4 i 10-5 częstość równowagowa wynosi wykład 6/4

5 Mutacje i dryf Jeżeli wielkość populacji jest skończona, rozprzestrzenianie allelu zmutowanego zależy od: presji mutacyjnej dryfu (losowego przekazywania między pokoleniami) czas potrzebny od powstania do utrwalenia allelu (=4Ne) czas pomiędzy utrwaleniem dwóch nowych mutacji (=1/μ) wykład 6/5

6 Teoria neutralna Teza Większość mutacji ma zaniedbywalny wpływ na dostosowanie (jest neutralna) Konsekwencje Motoo Kimura 木村資生 model nie uwzględnia doboru utrwalenie allelu zależy od równowagi między mutacją i dryfem allele neutralne dobrze nadają się do badania struktury genetycznej populacji i genealogii wykład 6/6

7 Model nieskończonej liczby alleli Jaki jest oczekiwany poziom zmienności genetycznej w przypadku presji mutacyjnej? Heterozygotyczność miara zmienności Hobs > Hexp muszą istnieć procesy utrzymujące zmienność Heterozygotyczność zależy od: liczby alleli ich względnych częstości (pi) He wykład 6/7

8 Model nieskończonej liczby alleli Założenie Ponieważ liczba alleli jest nieskończona, identyczne allele muszą mieć to samo pochodzenie. mutacja allele A mutacja B mutacja C mutacja D E B osobniki A F E A F F D C mutacja mutacja F F A B wykład 6/8

9 Model nieskończonej liczby alleli Do zmierzenia homozygotyczności wystarczy zmierzyć autozygotyczność Wartość równowagowa: 1 F = 1+ ^ Ft prawdopodobieństwo, że dwa losowo wybrane allele są identyczne przez pochodzenie liczba neutralnych alleli rośnie, aż osiągnie F F jest równoważne homozygotyczności wzrost autozygotyczności wynikający z dryfu jest równoważony przez jej spadek na skutek pojawiania się nowych mutacji wykład 6/9

10 Theta Estymator Wattersona sposób oszacowania zmienności genetycznej w populacji 1 1 F = = e ^ 1 F = = homozygotyczność ^ heterozygotyczność wykład 6/10

11 Theta wykład 6/11

12 Wzór Ewensa Model nieskończonej liczby alleli osiąga równowagę dla heterozygotyczności. W tym stanie ustabilizowane jest też spektrum (rozkład) częstości alleli częstości A B C p1 p2 p3 A B C p1 p2 D E F p5 p6 D E F p3 p4 p5 p4 F p6 wykład 6/12

13 Wzór Ewensa W populacji spełniającej model nieskończonej liczby alleli, przy założeniu dryfu i mutacji oczekiwana konfiguracja alleli w próbie zależy wyłącznie od wielkości próby n obserwowanej liczby alleli k E(k)= n wykład 6/13

14 Test Ewensa-Wattersona Testowanie hipotezy neutralności Porównanie obserwowanej i oczekiwanej konfiguracji alleli Dane z 89 linii Drosophila pseudoobscura F (autozygotyczność) różnych białek u E. coli wykład 6/14

15 Zastosowanie można wykorzystać do oszacowania liczebności (Ne) w przeszłości, jeśli znane jest Wieloryby w Atlantyku porównanie liczby mutacji z tempem mutacji θ w regionie kontrolnym, θ = 2Nef oszacowano liczebność na > osobnikow (2x więcej niż dziś) Roman and Palumbi (2003)

16 Model nieskończonej liczby miejsc miejsca segregujące S=8 allel_a allel_b allel_c allel_d AAAATTTTGGGGCCCC 0 ] AAAATTTTGGGGCCCC 4 ] 4 ] ]4 GAAACTTTAGGGTCCC ] 4 ]8 AGAATCTTGAGGCTCC niedopasowania nukleotydowe π=4 bo 24/6=4

17 Model nieskończonej liczby miejsc P-stwo, że liczba niedopasowań nukleotydowych (π) dla dwóch sekwencji =0 1 P {S=0} = 1+ Taki sam wzór jak w modelu dla alleli autozygotycznych. wykład 6/17

18 Własności modelu Oczekiwana liczba miejsc segregujących w próbie wielkości n E(S)= 1 i i liczba niedopasowań Średnia liczba niedopasowań nukleotydowych E(S)= Model dopuszcza rekombinację i zakłada mutacje i dryf. Rekombinacja redukuje wariancję i S zmienność ulega przetasowaniu między allelami. wykład 6/18

19 Statystyka D Tajimy Sposoby oszacowania sposób 1 ^ S 1 i sposób 2 Fumio Tajima ^ = Porównanie tych dwóch oszacowań można wykorzystać do ustalenia zgodności danych z modelem neutralnym: D S 1 i Statystyka D Tajimy wykład 6/19

20 Statystyka D Tajimy Przyczyny odchyleń od neutralności: D> 0 równe częstości nukleotydów polimorficznych dobór faworyzuje heterozygoty lub rzadkie allele populacja powstała z niedawnego połączenia dwóch populacji D <0 skrajne częstości nukleotydów polimorficznych: jeden bardzo częsty i wiele bardzo rzadkich dobór oczyszczający (eliminuje określone allele) wzrost populacji wykład 6/20

21 Test D Fu i Li Porównanie polimorfizmu nukleotydowego z teorią neutralną w oparciu o genealogię Porównujemy długość gałęzi wewnętrznych i zewnętrznych drzewa koalescecyjnego. struktura drzewa oczekiwana długość gałęzi zewnętrznej (w Ne) proporcja drzew o takiej strukturze oczekiwana suma długości gałęzi zew. oczekiwana suma długości gałęzi wew. wykład 6/21

22 Test D Fu i Li Założenie testu singleton = nukleotyd (allel), który występuje w próbie tylko raz Mutacja zachodząca wzdłuż gałęzi zewnętrznej powoduje powstanie singletonu Mutacje wzdłuż gałęzi wewnętrznych powodują zmiany niesingletonowe Porównanie liczby singletonów i nie-singletonów pozwala na porównanie długości gałęzi Oczekiwana liczba singletonów E( e) e tempo mutacji wzdłuż całej sekwencji DNA e liczba mutacji wzdłuż gałęzi zewnętrznych a liczba niedopasowań ( 1/i) Oczekiwana liczba nie-singletonów E( e) a e a wykład 6/22

23 Test D* Fu i Li Interpretacja D*< 0 nadmiar singletonów większość nowych mutacji szkodliwa (nie utrwalają się) dobór oczyszczający D* > 0 nadmiar nie-singletonów dobór faworyzujący zmienność Uwaga D i D* są wrażliwe na demografię populacji (wzrost, bottleneck) trzeba je interpretować ostrożnie. wykład 6/23

24 Zastosowanie Di D* Ewolucja genów odporności u ludzi Ferrer-Admetlla et al. J. Immunol 2008 wykład 6/24

25 Zastosowanie D Ewolucja genów odporności u ludzi Ferrer-Admetlla et al. J. Immunol 2008

26 Mutacje i rekombinacje Rekombinacje przetasowują allele powstałe na skutek mutacji mogą tworzyć nowe kombinacje niszczy kombinacje istniejące (które mogą być korzystne) Crossing-over jest związane z rozmnażaniem płciowym wykład 6/26

27 Mutacje i rekombinacje Model Fishera-Mullera Brak rekombinacji Rekombinacje c d Duża populacja a ab abc ac abc a b ab b czas Mała populacja a ab a ab wykład 6/27

28 Efekt Hilla-Robertsona Sprzężenia powstające na skutek dryfu lub mutacji zwalniają ewolucję na drodze doboru ab Ab Ab ab ab ab ab ab ab ab ab ab wykład 6/28

29 Zapadka Mullera Przy rozmnażaniu bezpłciowym następuje nieodwracalna akumulacja szkodliwych mutacji w genomie. ewolucja rozmnażania płciowego rekombinacja u bakterii wykład 6/29

30 Rekombinacja u bakterii transformacja przekazanie materiału genetycznego przez środowisko zachodzi w określonych warunkach (duże zagęszczenie, brak nutrientów) bakterie różnią się kompetencją transdukcja wprowadzenie obcego DNA do komórki przez wirusa koniugacja wymiana plazmidów bezpośredni kontakt między komórkami wykład 6/30

31 Horyzontalny transfer genów

32 Pułapki w analizie genomów Before Koutsovolous et al. PNAS 2016 After

33 Horyzontalny transfer genów

34 Morał Tylko 0.4% genów niesporczaków pochodzi z HGT The system worked. Science is self-improving. Mark Blaxter (Edinburgh)