Wykłady

wariancja genetyczna jest podstawą trwałych zmian
adaptacyjnych na drodze doboru
wariancja
sekwencji
dehydrogenazy
alkoholowej u
Drosophila
•
•
•
•
wariancja sekwencji kodujących białka
wariancja sekwencji regulujących ekspresję
wariancja liczny kopii genów (CNV)
wariancja epigenetyczna
Podstawienie
powodujące
zmianę
polarności
Źródła zmienności genetycznej
• Mutacje (punktowe, chromosomowe strukturalne,
chromosomowe liczbowe)
• Rekombinacja (segregacja chromosomów, crossing over)
• Horyzontalny (poziomy) transfer genów
Rekombinacja bez zmienności powstałej wcześniej na drodze
mutacji nie generuje zmienności!
Mutacje
• Punktowe
– Tranzycje (A ↔ G, C ↔ T) i transwersje (puryny ↔
pirymidyny)
– synonimowe (ciche) i niesynonimowe
– insercje i delecje
Mutacje
• Inwersje
• Duplikacje tandemowe
• Konwersja genów
Mutacje chromosomowe liczbowe
• poliploidyzacja
• wzajemne translokacje
• fuzje i dysocjacje powodują zmiany
liczby chromosomów
Diploidalne zestawy
chromosomów
dwu blisko
spokrewnionych
gatunków mundżaka
Ruchome elementy genetyczne: stanowią ok. 50% ludzkiego genomu
•
Retroelementy
– retrotranspozony (LTR – Long terminal repeat, zawiera m.in. miejsca
inicjacji i terminacji traskrypcji), 450 tys. kopii w ludzkim genomie
– retropozony (bez LTR)
• LINE (Long interspersed elements) – zawiarają promotor, białko wiążące
RNA i białko o aktywności endonukleazy i odwrotnej transkryptazy), u
człowieka 870 tys kopii.
• SINE (Short Interspersed elements):, korzystają z aparatu traspozycji LINEs
•
Transpozony DNA
– W większości niereplikatywne – przenoszą się przez wycinanie i
wstawianie
•
Powodują liczne mutacje
– przesunięcie ramki odczytu
– Zmiany ekspresji genów
– rearanżacje chromosomowe
Oszacowania tempa mutacji
Choć tempo mutacji na pozycję
nukleotydową jest niskie,
tempo w jakim wytwarzają
wariancja w skali całego
genomu jest znaczne
Losowość mutacji:
• choć można przewidzieć prawdopodobieństwo, że pewna mutacja
wystąpi, nie da się przewidzieć, która z wielu kopii genu zmutuje.
• na szansę wystąpienia określonej mutacji nie wpływa to, czy organizm
znajduje się w środowisku, w którym ta mutacja byłaby korzystna
(większość mutacji jest szkodliwa).
•
•
•
ale
ale różne typy mutacji pojawiają się z różnym tempem, np. tranzycje
częstsze niż transwersje
ale regiony genomu różnią się znacznie tempem, czyli
prawdopodobieństwem wystąpienia mutacji: mikrosatelity, minisatelity
preferencyjna metylacja cytozyny w ssaczych sekwencjach CpG prowadzi
często do tranzycji C->T
Genetyczne modele doboru
naturalnego
Prawo Hardy’ego-Weinberga
haploidalne gamety z allelami
A1 (częstość p)
A2 (częstość q)
A2A2
A2A1
łączą się losowo tworząc
diploidalne osobniki o
genotypach:
A1A1 (częstość p2)
A1A2(częstość 2pq)
A2A2 (częstość q2)
A1A2
A1A1
Ogólny model doboru
A1 A1
A1 A2
A2 A2
Częstości przy urodzeniu
p2
2pq
q2
Dostosowanie
w11 (=1-s11)
w12 (=1-s12)
w22 (=1-s22)
Częstości po doborze (suma =
średnie dostosowanie, 𝑤)
p2w11
2pqw12
q2w22
Częstości gamet
A1: p’ = [p2w11 + ½(2pqw12)]/ 𝑤 = p(pw11 + qw12 )/ 𝑤
A2:: q’ = [ ½(2pqw12) + q2w22 ]/ 𝑤 = q(pw12 + qw22 )/ 𝑤
Zmiana częstości A1
p(pw11 + qw12 ) − p𝑤 p(pw11 + qw12 ) − p(p2w11 + 2pqw12 + q2w22)
Δp = p’ – p =
=
𝑤
𝑤
Dobór kierunkowy (zastępowanie alleli innymi, bardziej
korzystnymi)
Przykład 1: korzystny allel dominujacy: w11 = w12 > w22
A1 A1
A1 A2
A2 A2
suma
Częstości przy urodzeniu
p2
2pq
q2
1
Dostosowanie
1
1
1-s
Częstości po doborze
p2
2pq
q2(1-s)
1-sq2 = 𝑤
p(pw11 + qw12 ) − p𝑤 p(p + q) − p(1−sq2 ) p(1 − 1−sq2 ) spq2
Δp = p’ – p =
=
=
=
𝑤
1−sq2
1−sq2
1−sq2
Δp dodatnie, gdy tyko p i q > 0 – częstość A1 wzrasta
Gdy q=0, Δp = 0 – stan równowagi po utrwaleniu A1
Przykład 1a: korzystny allel recesywny: w11 > w12 = w22;
s=1, homozygota A2A2 letalna
pq2
Δp =
1−q2
p
q
Δp
0,5
0,5
0,16
0,66
0,34
0,09
0,75
0,25
0,05
0,01
0,0001
…
0,99
Spadek częstości mutacji genu Adh w środowisku z alkoholem
Dobór kierunkowy (zastępowanie alleli innymi, bardziej
korzystnymi)
Allel A1 korzystny : w11 > w12 > w22
h – współczynnik dominacji; h=0, A1 dominujący, h=1, A1 recesywny
A1 A1
A1 A2
A2 A2
suma
Częstości przy urodzeniu
p2
2pq
q2
1
Dostosowanie
1
1-hs
1-s
Częstości po doborze
p2
2pq(1-hs) q2(1-s)
p(pw11 + qw12 ) − p𝑤
1-2pqhs - sq2
p(p + q(1−hs)) − p(1−2pqhs − sq2 )
Δp = p’ – p =
=
=
𝑤
1−2pqhs − sq2
pqs(2ph−h+q) pqs(h(2p−1) +q)
p(p+q − qhs − 1 + 2pqhs +sq2 )
=
=
1−2pqhs − sq2 1−2pqhs − sq2
1−2pqhs − sq2
Tempo utrwalania alleli korzystnych zależy m. in. od dominacji
Średnie dostosowanie rośnie wraz ze wzrostem
proporcji korzystnego allelu
Źródłem adaptacji mogą być
• Mutacje de novo
• Warianty genetyczne segregujące w populacjach (standing
genetic variation)
– szybsza ewolucja (dostępność, wyższa częstość, często
przetestowane przez dobór, np. w innym środowisku)
– łatwiejsze utrwalenie genów recesywnych
– łatwiejsze utrwalenie genów o małych efektach
Przykłady adaptacji wykorzystujących
zastaną wariancja genetyczną
•
•
Odporność na warfarynę u szczurów
– Kilka wariatów genu KORC1 zapewnia odporność na ten gen
– Allele te występują w naturalnych populacjach, co prawdopodobnie umożliwiło
szczurom szybka adaptację
Laktaza – umożliwia trawienie mleka
– ekspresja zanika u dorosłych, choć w plemionach pasterskich u wielu osobników
zachowuje aktywność
– Zachowanie tolerancji na laktozę – polimorfizm cis regulującej sekwencji 19.9 kb
przed genem laktazy
– Allel ten, częsty w Europie, występuje też na bliskim wschodzie, skąd
prawdopodobnie zawędrował do Europy wraz z pasterstwem 8-9 tys. lat temu
– W Afryce subsaharyjskiej kilka innych alleli – prawdopodobnie de novo
Utrzymywanie się zmienności
genetycznej
• Równowaga między mutacjami a doborem
• Równowaga miedzy doborem a migracją
• Dobór równoważący
– Przewaga heterozygot
– Dobór zależny od częstości
– Negatywna plejotropia, antagonizm płciowy
– Konflikt pomiędzy poziomami doboru
Duża część mutacji jest szkodliwa
Szacuje się, że:
• u Caenorabditis ok. 90% niesynomimowych
substytucji jest szkodliwych (Stein i in. 2003
• U człowieka ok. 40% (Eyre-Walker i Keightley, 1999)
Czy szkodliwe mutacje mogą się utrzymywać w
populacjach?
Dobór oczyszczający eliminuje niekorzystne allele (=
dobór kierunkowy utrwalający korzystny allel)
Przykład: niekorzystny allel recesywny: w11 = w12 > w22
A1 A1
A1 A2
A2 A2
suma
Częstości przy urodzeniu
p2
2pq
q2
1
Dostosowanie
1
1
1-s
Częstości po doborze
p2
2pq
q2(1-s)
1-sq2 = 𝑤
Zmiana częstości allelu szkodliwego na skutek doboru przeciw recesywnym
mutacjom:
spq2
sq2(1−q)
=−
Δq = −Δp = −
1−sq2
1−sq2
Zmiana częstości na skutek mutacji (u - częstość mutacji/locus/pokolenie)
p1 = p0 – p0u
Δp = p0 - p1 = p0 – p0 + p0u = p0u = (1-q0)u
Po uwzględnieniu mutacji i selekcji
Δq = (1-q)u - sq2(1-q)/(1-sq2)
Równowaga między presją mutacji a doborem
Δq = 0 gdy (1-q)u = sq2(1-q)/(1-sq2)
qe=√(u/(1+u)s ~ √(u/s)
u = 10-6, s=0.05, qe= 0,014
u = 10-6, s=0.01, qe= 0,034
W genomie człowieka średnio kilkaset szkodliwych mutacji (np.. Chun i Fei 2009)
Mutacje „szkodliwe” w genomie człowieka
(przewidywane na postawie niesynonimowych
podstawień w kodonach konserwatywnych)
•
•
•
Szkodliwe geny najczęstsze wśród rzadkich alleli
Stosunkowo dużo szkodliwych genów wspólnych!
Stosunkowo dużo genów „szkodliwych” występuje w
wysokich częstościach – dlaczego?
–
–
Przewidywanie „szkodliwości” nieprecyzyjne
Maskowanie szkodliwych efektów przez inne geny (np.
zduplikowane kopie)
Zduplikowane geny mogą gromadzić mutacje; może to
prowadzić do utraty funkcji, neofunkcjonalizacji (nabycia
nowej funkcji przez jedną z kopii) lub subfukcjonalizacji
(specjalizacji każdej z kopii).
W porównaniu do mutacji
neutralnych, większa
proporcja mutacji
szkodliwych jest
umiejscowiona w niedawno
zduplikowanych genach
Utrzymywanie zmienności genetycznej: równowaga miedzy
doborem a migracjami
Jeżeli różne siedliska dają przewagę
różnym allelom, przepływ genów
może utrzymywać wariancja
genetyczną w każdej populacji
(Lenormand 2002)
Przy kompletnym mieszaniu
populacji, wariancja może zaniknąć
(dobór utrwali allel, który daje
średnio wyższe dostosowanie w obu
siedliskach) (Dempster 1955)
Allele aminopeptydazy I u omułków Mytilus edulis tworza
klinę w gradiencie zasolenia zatoce Long Island
Aminopeptydaza wycina końcowe aminokwasy z
białek, zwieszając w ten sposób
wewnątrzkomórkowe stężenie wolnych
aminokwasów, co pomaga utrzymać
równowagę osmotyczną
Przewaga heterozygot
Allel A1 korzystny : w11 < w12 > w22
h–
A1 A1
A1 A2
A2 A2
suma
Częstości przy urodzeniu
p2
2pq
q2
1
Dostosowanie
1-s
1
1-t
Częstości po doborze
p2(1-s)
2pq
q2(1-t)
Δp = p’ – p =
p(pw11 + qw12 ) − p𝑤
𝑤
1- sp2 - tq2
p(p(1−s)+ q) − p(1− sp2 − tq2 )
=
=…….
1− sp2 − tq2
Alternatywna metoda: policzyć dostosowanie genów
Przewaga heterozygot
Allel
A1
W genotypie:
A1A1
A1A2
A1A2
A2A2
Z prawdopodobieństwem:
p
q=1-p
p
q=1-p
Dostosowanie genotypu:
1-s
1
1
1-t
Dostosowanie allelu:
p(1-s) + 1-p
W punkcie równowagi wA1 = wA2, czyli:
p(1-s) + 1-p = p + (1-p)(1-t)
p – ps +1 – p = p + 1 –t – p + pt
𝑝̂ =t/(t+s)
A2
p + (1-p)(1-t)
Dobrze udokumentowane przykłady doboru
faworyzującego heterozygoty są nieliczne
Anemia sierpowata
Dostosowanie alleli anemii sierpowatej:
Europa AA>SA>SS
Afryka śr. AA<SA>SS
Anemia sierpowata podwyższa odporność na Plasmodium falciparum
Malaria
%Hbs
Geny MHC wiążą z dużą
specyficznością antygeny
pasożytów, umożliwiając
odpowiedź immunologiczną
Najbardziej zmienne geny
krgowców, u człowieka w MHC I
nawet ponad 1000 alleli w kilku
loci
Przewaga heterozygot MHC: osobniki produkujące dwa różne
białka MHC mogą związać i zaprezentować limfocytom więcej
antygenów
Heterozygoty MHC miały mniej bakterii tylo w przypadku infekcji
kilkoma szczepami Salmonlella (P<0.011); Penn i wsp. 2002, PNAS 99)
Dobór zależny od częstości
może utrzymywać wariancja
genów MHC: szybko
ewoluujące pasożyty
dostosowują się do częstych
wariantów MHC gospodarzy
Polimorfizm transgatunkowy genów MHC powstaje
prawdopodobnie dzięki doborowi równoważącemu,
utrzymującemu linie alleliczne przez długi czas
Lissotriton
montandoni
•
•
Lissotriton vulgaris
Rozdział 3-4 mln lat temu
Często dochodzi do hybrydyzacji, przepływ genów głównie od L.
vulgaris do L. montandoni
Zróżnicowanie rozkładów
częstości genów MHC jest
większe między północnymi
a południowymi populacjami
L. vulgaris niż pomiędzy
L. vulgaris a L. montandoni.
Frakcja alleli wspólnych dla
L. montandoni i północnych
populacji L. vulgaris
(39 ⁄ 172) jest wyższa niż dla
L. montandoni i
południowych populacji L.
vulgaris (3 ⁄ 75) (test Fishera,
P <0.001).
MHC
Średnie Fst między regionami/gatunkami
Płn.
L.vulgaris
Płn.
L.vulgaris
microsatellites
Płd.
L.vulgaris
0.357
L.montandoni
0.187
Płd.
L.vulgaris
L.montandoni
0.200
0.160
0.276
0.296
Test
randomizacyjny
Mikrosatelity:
Płn-Płd = Płn-L.montandoni .
MHC:
Płn-Płd > Płn-L.montandoni
Przyczyny
łatwiejszego napływu
alleli MHC od obcych
gatunków
• dobór zależny od
częstości
• import lokalnie
korzystnych alleli
Locus samoniezgodności u roślin
•
•
•
zapobiega samozapłodnieniu
nawet w małych populacjach wysoka wariancja
linie alleliczne utrzymywane przez długi czas – polimorfizm
transgatunkowy
Model multiplikatywny negatywnej plejotropii (allel wpływa
korzystnie na jedną cechę, a niekorzystnie na inną)
A1 A1
A1 A2
A2 A2
Cecha X
1
1-hXsX
1-sX
Cecha Y
1-sY
1-hYsY
1
Razem
1-sY
(1-hXsX)(1-hYsY)
1-sX
Cecha X
A1A1
A1A2
Cecha Y
A2A2
A1A1
A1A2
dostosowanie
A2A2
hX
hY
addytywność
0.5
0.5
odwrócenie korzystne
<0.5
<0.5
odwrócenie niekorzystne
>0.5
>0.5
Dominacja równoległa
>0.5
<0.5
Negatywna plejotropia daje stabilny polimorfism gdy: (1-hXsX)(1-hYsY) > 1-sY, 1-sY (Rose 1982)
addytywność
odwrócenie
korzystne
Stabilny
polimorfizm
• Stabilny polimorfizm
prawdopodobny tylko w
przypadku korzystnego
odwrócenia dominacji
• W przypadku cech
poligenowych, mutacje o
negatywnie plejotropowych
efektach będą wolniej usuwane
z populacji (niski średni s), więc
wiele mutacji segregujących w
populacjach może mieć
negatywne efekty plejotropowe
odwrócenie
niekorzystne
dominacja
równoległa
Geny antagonistyczne płciowo: korzystne dla jednej
płci, ale szkodliwe dla drugiej, mogą w pewnych
warunkach utrzymywać się w populacjach
samice
samce
średnio
U D. melanogaster efekty genów
wpływających na dostosowanie dorosłych
są średnio rzecz biorąc negatywnie
skorelowane między płciami (Chippindale,
Gibson i Rice (2001). Proc. Natl. Acad. Sci.
USA98: 1671-1675)
Np. gdy korzystny dla samicy efekt A1 jest
silniejszy w heterozygotach (rozprzestrzeni się w
populacji gdy jest rzadki, ale gdy jest zbyt częsty,
będzie występował w homozygotach; Rice and
Chippindale 2001, J. Evol. Biol.14 685-693)
Przykład „samolubnych genów”: gen t u
Mus musculus i M. domesticus
t+ - krótki ogon
tt - letalne
Meiotic drive (odchylenie mejotyczne - zaburzenie
segregacji w mejozie):
Samce t+ produkują 90-100% plemników t
Częstość t – do 18%
A
A
AA
A
AAD
AD
A
ADAD
A
AD
AD
Dwa poziomy doboru:
hipotetyczny gen AD podlega
pozytywnej selekcji na
poziomie genów, ale
negatywnej na poziomie
osobników (np. tutaj:
genotypy ADAD letalne)
Model odchylenia mejotycznego (meiotic drive) związanego z letalnością lub
sterylnością homozygot
AA
AAD
ADAD
Razem
Częstości przy urodzeniu
p2
2pq
q2
1
Dostosowanie
1
1
0
Częstości po doborze
p2
2pq
0
k – proporcja gamet AD produkowanych przez heterozygoty (>½)
q1=(2pqk)/(1-q2)=(1-q)(2qk)/(1-q)(1+q)=2qk/(1+q)
Δq=q1-q=(2qk-q(1+q))/(1+q)
Δq=0 gdy 2qk-q(1+q)=0
2qk=q(1+q)
2k=1+q
qe=2k-1 [przy k=0.9, qe=0.8>>0.18 – prawdopodobnie
dobór także przeciw heterozygotom]
1-q2
Dryf genetyczny i teoria neutralna
Dryf genetyczny – losowe zmiany częstości alleli
Z populacji o częstościach alleli A1 i A2 równych p=0.6 i q=0.4
2 losowe osobniki dają początek następnej generacji
A1
A1 A1
P=p4=0.196
A1
A1
A1 A
1
A2
p=0.6
q=0.4
P=4p3q=0.3456
A1 A2
A2 A1
Osobniki te zostaną
utworzone z 4 gamet:
rozwinięcie dwumianu
(p+q)4
A2
A1
A2
A2
A
A2 2
A2 A
2
P=6p2q2=0.3456
P=4pq3= 0.1563
P=q4=0.0256
Dryf prowadzi do zróżnicowania częstości alleli między
populacjami
Dla dowolnej liczby osobników rozkład będzie dany:
𝑝+𝑞
2𝑁
Gdzie r – liczba alleli A1,
2𝑁
2𝑁 𝑟 2𝑁−𝑟
𝑝 𝑞
=�
𝑟
𝑟=0
2𝑁
=2N!/[r!(N-r)!]
𝑟
A prawdopodobieństwo wylosowania r alleli A1 i 2N-r alleli A2:
2𝑁 𝑟 2𝑁−𝑟
𝑝 𝑎
𝑟
Rozkłady częstości allelu A1 w populacjach składających się z 10
i 100 osobników
Dryf genetyczny w populacjach trojszyka (Tribolium castaneum);
wszystkie 24 populacje zaczynały z częstością allelu determinującego
ubarwienie równą 0.5 (Falconer and Mackay 1996)
prawdopodobieństwo utrwalenia
określonego allelu na drodze dryfu jest
równe jego częstości w populacji
Efektywna wielkość populacji Ne: wielkość teoretycznej populacji, która traci
wariancja na skutek dryfu genetycznego w takim samym tempie, jak
populacja obserwowana
Ne zwykle mniejsza niż N, np. z powodu
• Fluktuacji liczebności populacji )
Ne ~
𝑡
∑(1/Nt)
• Nierównej proporcji płci
4NfNm
Nf + Nm
• Nierówny sukces rozrodczy
8N
Ne ~
,
Vkm + Vkf + 4
Ne ~
gdzie Vk – wariancja sukcesu rozrodczego (przy losowym kojarzeniu = 2)
Dryf genetyczny
•
•
•
•
•
•
•
Częstości alleli wahają się losowo
Na skutek utraty alleli wariancja genetyczna w populacjach spada
Prawdopodobieństwo utrwalenia allelu zależy od jego aktualnej częstości
Allel, który pojawił się na drodze mutacji, ma częstość 1/2Ne, taka też jest
jego szansa na utrwalenie w populacji
Jeżeli współczynnik doboru jest niższy niż szansa na utrwalenie się allelu na
drodze dryfu (s<1/2Ne) allele jest „efektywnie neutralny”
Po podziale populacji na pod populacje, rośnie zróżnicowanie genetyczne
między nimi
Ewolucja na drodze dryfu zachodzi szybciej w małych niż w dużych
populacjach
Teoria neutralna
•
Do lat 60 sądzono, że większość mutacji wpływa na dostosowanie (m. in. w oparciu
o badania genów wywierających efekty morfologiczne lub fizjologiczne)
•
W 1966 r. Lewontin i Hubby wykazali, że znaczna część loci kodujacych enzymy jest
polimorficzna – sądzili, że dobór nie może utrzymywać tak dużej zmienności (choć
wiemy, że wariancja wielu enzymów ma konsekwencje dla dostosowania)
•
Kimura (1968) obliczył tempo ewolucji sekwencji aminokwasów kilku białek:
stałość zmian w różnych liniach (podstawa zegara molekularnego) tłumaczył
neutralną ewolucją sekwencji (dziś wiemy, że zegar molekularny nie zawsze działa
dobrze)
•
Kimura rozwinął teorię neutralną:
– przewiduje ewolucję alleli efektywnie neutralnych (których częstości zmienia
dryf, a nie dobór)
– stanowi punkt odniesienia (hipotezę zerową) do badania skutków doboru
naturalnego.
•
•
•
•
u – częstość mutacji neutralnych/gametę/pokolenie
liczba nowych mutacji/pokolenie: 2Neu
szansa, ze pojedyncza mutacja się utrwali: 1/2Ne
liczba mutacji, które utrwalą się w każdym pokoleniu:
2Neu * 1/2Ne = u
Czas do utrwalenia jest krótszy w
mniejszych populacjach:
Kimura na podstawie teorii dyfuzji
dowiódł, że czas do utrwalenia wynosi
4Ne
N alleli = 4Neu +1
Czy białka ewoluują neutralnie? Porównanie tempa podstawień cichych
(synonimowych ) i zmieniających sekwencję aminokwasów (niesyninimowych)
aminokwas
Kodon mRNA
Ala
A
Alanine
GCA, GCC, GCG, GCU
Arg
R
Arginine
AGA, AGG, CGA, CGC, CGG, CGU
Asn
N
Asparagine
AAC, AAU
Asp
D
Aspartic acid
GAC, GAU
Cys
C
Cysteine
UGC, UGU
Glu
E
Glutamic acid
GAA, GAG
Gln
Q
Glutamine
CAA, CAG
Gly
G
Glycine
GGA, GGC, GGG, GGU
His
H
Histidine
CAC, CAU
Ile
I
Isoleucine
AUA, AUC, AUU
Leu
L
Leucine
UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU
Lys
K
Lysine
AAA, AAG
Met
M
Methiodine
AUG
Phe
F
Phenylalanine
UUC, UUU
Pro
P
Proline
CCA, CCC, CCG, CCU
Ser
S
Serine
AGC, AGU, UCA, UCC, UCG, UCU
Thr
T
Threonine
ACA, ACC, ACG, ACU
Trp
W
Tryptophan
UGG
Tyr
Y
Tyrosine
UAC, UAU
Val
V
Valine
GUA, GUC, GUG, GUU
STOP
UAA, UAG, UGA
Przy założeniu neturalności podstawień synonimowych:
Stosunek tempa podstawień
synonimowych do nie-synomimowych
(ds/dn)
Dobór
>1
Oczyszczający (mutacje
niesynonimowe usuwane)
=1
Brak (m.n. neutralne)
<1
Pozytywny (m.n. utrwalane)
ds., dn – tempo podstawień synonimowych, niesynonimowych: obliczane na
podstawie liczby synonimowych(niesynonimowych) podstawień w przeliczeniu na
liczbę miejsc potencjalnie synonimowych – s (niesynonimowych - n)
Metoda Nei-Gojobori (zakłada równe szanse podstawień dla wszystkich
nukleotydów):
np. fenyloalanina: TTC, TTT: s = 0 + 0 + 1/3 =1/3 (ponieważ w 3ciej pozycji 1/3
podstawień jest synonimowych), n=1+1+2/3=8/3
Porównanie człowieka z
szympansem: 733 z 8079
genów miało dN/ds. > 1
(Nielsen i in. 2005)
Test konserwatywny,
większość kodonów pod
doborem oczyszczającym
Czy białka ewoluują neutralnie? Test McDonalda
i Kreitmana
• Wg. teorii neutralnej zarówno tempo podstawień, jak i
polimorfizm zależą do u, dlatego powinno się obserwować
korelacje miedzy polimorfizmem w obrębie populacji a
tempem ewolucji (utrwalone różnice między gatunkami)
• Test neutralności McDonalda i Kreitmana:
P
D
Przy naturalności n = n
Ps Ds
gdzie P – polimorfizmy, D – podstawienia (różnice międzygatunkowe), s –
synonimowe, n-niesynonimowe
W locus Adh podstawienia niesynonimowe były częstsze niż
niesynonimowe polimorfizmy w obrębie gatunków: ewolucja podstawień w
Adh jest procesem adaptacyjnym kierowanym przez dobór naturalny
Gatunek A
Gatunek B
polimorfizm
podstawienie
Dane dla 115 genów D. simulans i D. yacuba (Eyre-Walker 2006)
proporcja substytucji pod wpływem doboru α = 1 −
DsPn
= 49%
DnPs
Dane dla 11 tys. genów człowieka i szympansa, α = 9% (Bustamante i wsp. 2006)
Czy dryf może wyjaśnić ewolucję
wielkości genomu?
Paradoks wartości C (miara wielkości
genomów): złożoność organizmów słabo
koreluje z wielkością genomu
wariancja wynika głównie z
zawartości niekodującego DNA
Wyjaśnienia dotyczące zawartości
niekodującego DNA w genomie
• Samolubne DNA (Doolitle i Sapienza 1980; Orgel i Crick
1980): samolubne DNA (np. elementy mobilne)
rozprzestrzeniają się do momentu, gdy koszty dla
gospodarza są zbyt wysokie – nie wyjaśnia intronów
itp.
• Hipoteza wielości komórki (np. Cavalier-Smith 1978):
duża zawartość DNA oznacza dużą komórkę, która
może być przedmiotem doboru (efektywność
transportu przez błony, tempo metabolizmu)
• Rola efektywnej wielkości populacji (Lynch i Conery
2003, Lynch 2007)
Efektywna wielkość
populacji koreluje
negatywnie z wielkością
genomu
Ne a średnia liczba substytucji
neturalnych między dwoma
losowo wybranymi allelami
Tempo powstawania różnic = 2u
(bo dwa allele, każdy gromadzi
różnice w tempie u)
Utrata zmienności = 1/2Ne
Liczba substytucji/nukleotyd
między dwoma neutralnymi
sekwencjami:
Niebieskie symbole: Prokaryota;
Żródło: Lynch i Connery 2003
2u/1/2Ne =4Ne u – można
łatwiej mierzyć, niż Ne
Dlaczego prokariota mają kompaktowe genomy (często bez
intronów, sekwencji powtarzalnych, mobilnych elementów)
•
Tradycyjne tłumaczenie
– Genomy prokariontów są mniejsze – duże genomy spowalniałyby podziały
komórkowe
– Wśród eukariota, mających wiele miejsc inicjacji replikacji, nie ma tak silnego
ograniczenia
Ale: brak dobrych dowodów na ograniczającą rolę replikacji w cyklu komórkowym
(Lynch 2007)
•
Lynch 2007
– powiększanie genomu lekko szkodliwe (elementy mobilne są źródłem mutacji,
mutacje w intronach i sekwencjach między genowych – zakłócenia splicingu –
przyczyna 1/3 chorób, Philips and Cooper 2000; powstawanie niewłaściwych
miejsc wiążących czynniki transkrypcyjne itp.)
– Ponieważ prokarionty mają olbrzymie Ne efektywna naturalność przy s<10-9,
prokariota często s<10-6
Inne konsekwencje związku Ne z wielkością genomu
•
•
Korelacja wielkości genomu z wielkością komórki: podwojenie masy ~ 50%
spadek Ne: duże zwierzęta łatwiej akumulują śmieciowe DNA –
odwrócenie hipotezy o doborze na wlk. komórki
Złożone genomy źródłem ewolucyjnych innowacji?
Mimo znacznego podobieństwa
sekwencji genów kodujących
białka, człowiek i szympans
różnią się profilem ekspresji
genów, zwłaszcza mózgu
Alternatywny splicing
Korelacje poziomu ekspresji genów
grupują się według tkanek,
natomiast korelacje pod względem
splicingu według gatunku
Alternatywny splicing w dużej
mierze odpowiedzialny za
specyficzne gatunkowo adaptacje
wśród kręgowców!
W tkankach człowieka i naczelnych
alternatywny splicing jest częstszy niż wśród
innych kręgowców
Człowiek różni się znacznie pod względem
wariantów spicingowych od innych
kręgowców
Złożone genomy, powstałe na skutek gromadzenia lekko szkodliwego,
niekodującego DNA źródłem ewolucyjnych innowacji!
„Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution"
Dobzhansky 1973
„Nothing in Evolution Makes Sense Except in the Light of
Population Genetics”
Lynch 2007
Identyfikacja części genomu będących pod działaniem doboru
Selective sweep (wymiatanie
zmienności przez dobór)
Allele A- i Med powodują wyższą odporność na
malarię. W wyniku utrwalenia korzystnych
mutacji w G6PD doszło do wymiecenia
zmienności w tym regionie,
a niektóre allele mikrosatelitarne zostały
„podwiezione” (hitchhiking) do wysokiej
częstości
Nierównowaga sprzężeń (LD, linkage disequilibrium):
współwystępowanie alleli w dwóch lub więcej loci z
częstością wyższą (lub niższą) niż częstość oczekiwana na
podstawie proporcji tych alleli w populacji
Np. częstości A1 i A2 wynoszą pA i qA , a B1 i B2 pB i qB, to
oczekiwana częstość A1B1 g11 = pApB …itd.
LD= (g11g22) – (g12g21)
Nierównowaga sprzężeń ≠ sprzężenie fizyczne
• geny położone nawet blisko na chromosomie mogą być
w równowadze sprzężeń, jeżeli było wystarczająco dużo
czasu na rekombinacje
• dobór utrzymujący korzystne kombinacje alleli w
różnych loci może utrzymywać nierównowagę sprzężeń
nawet w loci na różnych chromosomach
Identyfikacja części genomu będących pod działaniem doboru
siedlisko A
siedlisko B
Mutacja
korzystna w B
Oprócz wymiatania zmienności,
utrwalanie się korzystnych alleli
prowadzi do wzrostu
nierównowagi sprzężeń
Identyfikacja części genomu będących pod działaniem doboru – skany
genomowe
Morskie cierniki mają ok. 30 płytek
bocznych, słodkowodne 0-5
(prawdopodobnie m.in. w związku z
mniejszym drapieżnictwem w
jeziorach postglacjalnych)
Skan genomowy wykazał podwyższoną
nierównowagę sprzężeń w pobliżu genu
Ektodysplazyny (Eda) związanego z ścieżką
sygnałową ektodermy
Identyfikacja części genomu będących pod działaniem doboru – skany
genomowe
FST miara zróżnicowania populacji
𝑣𝑣𝑣 (𝑝)
FST =
𝑝(1−𝑝)
Wariancja p w podpopulacjach (suma
kwadratów odchyleń p w
podpopulacjach od średniej globalnej)
Oczekiwana wariancja w
niezróżnicowanej populacji
Skan genomu w oparciu o FST między
populacjami morskimi a
słodkowodnymi także wskazał na EDA
(a także inne części genomu)
Rolę Eda w rozwoju płytek potwierdzono:
1) uzyskując cierniki transgeniczne –
konstrukty zawierające „morski” wariant
Eda wykształciły dodatkowe płytki
2) badając zmiany częstości Eda u
cierników morskich wprowadzonych
do jezior (4 powtórzenia)
Odwrócona genetyka ewolucyjna
•
•
Tradycyjne podejście: identyfikacja
przystosowawczych różnic
fenotypowych, następnie
poszukiwanie ich podstaw
genetycznych
Genomika populacji umożliwia
identyfikację genów pod doborem
bez wiedzy o fenotypach; cechy
fenotypowe będące pod doborem
można identyfikować na podstawie
wiedzy o funkcji genów
Sekwencjonowanie transkryptomu 48
szczepów Neurospora crassa pozwoliło na
analizę filogenetyczną w oparciu o
135,035 SNP, która wskazała na istnienie
nieznanej wcześniej struktury populacji
(grupy Louisiana i Yucatan)
Ellison et al. 2011.Proc. Natl Acad. Sci.
USA 108, 2831 – 2836.
Skan genomowy umożliwił wykrycie
regionów różnicujących te populacje.
• W zróżnicowanych regionach występowały częściej niż losowo geny
odpowiedzialne za reakcję na niską temperaturę
• Dalsze badania wykazały, ze kryptyczne populacje różniły się
dostosowaniem w niskiej temperaturze
Ellison et al. 2011.Proc. Natl Acad. Sci.
USA 108, 2831 – 2836.
Ewolucyjna genetyka ilościowa
•
•
•
Wiele cech związanych z dostosowaniem ma charakter ilościowy a nie jakościowy
Cechy ilościowe mają zwykle rozkład normalny, co sugeruje poligenowe dziedziczenie
Genetyka ilościowa zakłada, że na cechę wpływają efekty środowiskowe i bardzo wiele
genów o małych efektach
P=G+E
G = m + G1 + G2 +….+ Gn
gdzie
P, G, E – wartość fenotypowa, genotypowa i wpływ środowiska
m – średnia w populacji,
Gi - wkład locus i,
n – liczba loci
Standardowy model genetyki ilościowej: zmienność w pojedynczym locus
Genotyp
Wartość genotypowa
Częstość
Standaryzując a=1, -a=-1 i zakładając brak dominacji (d=0)
Średnia w populacji µ = (1)p2 + (0)2pq + (-1)q2 = p2 – q2 = (p+q)(p-q) = p – q
Wariancja V= ∑ Xi − µ
2
/n = ∑ Xi2 /n – µ2 , gdzie Xi – wartość pomiaru i
Oczekiwana wartość kwadratów wartości genotypowych: (12)p2 + (02)2pq + (-12)q2 = p2 + q2
VG = p2 + q2 – (p-q)2 = p2 + q2 – ( p2 – 2pq + q2) = 2pq
A – frekw. p, a – frekw. q; załóżmy p=q=0.5
częstość genotypu
wartość cechy (np. liczba płytek bocznych)
AA –
0.25
2
Aa –
0.5
8
aa –
0.25
10
Średnia wartość osobnika
dziedziczącego A
Średnia w populacji
Addytywny efekt A: (0.25*2*2 + 0.5*8) - (0.25*2 + 0.5*8 + 0.25*10) = 5-7 = -2
Addytywny efekt a: (0.5*8 + 0.25*2*10) - (0.25*2 + 0.5*8 + 0.25*10) = 9-7 = 2
Efekt addytywy zależy tez od częstości genotypów!
Wartość rozrodcza osobnika
Odchylenie dominacyjne D
(suma efektów addytywnych)
(w porównaniu do wartości cechy)
AA = -4
2 - (7-4) = -1
Aa = 0
8 - (7+0) = 1
aa = 4
10 - (7+4) = -1
W wielu loci:
G = m + A1 + D1 + A2 + D2 …. An + Dn = A + D
VG - wariancja genetyczna
VA - wariancja wartości rozrodczych (addytywna)
VD - wariancja dominacyjna
VP = VG +VE
VP- wariancja fenotypowa
VG- wariancja genetyczna
VE- wariancja środowiskowa
H2 = VG/VP
H2 - odziedziczalność w szerokim sensie
VG = VA + VD + VI
VA - wariancja genetyczna addytywna
VD - wariancja genetyczna dominacyjna
VI - wariancja epistatyczna (wynikająca z interakcji miedzy loci)
h2=VA/VP – odziedziczalność w wąskim sensie (podlegająca doborowi)
R = Sh2
Odziedziczalność determinuje odpowiedź na
dobór naturalny
gdzie:
R -odpowiedź na selekcję (zmiana wartości
cechy w odpowiedzi na selekcję)
S – różnica selekcyjna (różnica między
średnią populacji a średnią osobników
selekcjonowanych)
Wysoka
odziedziczalność
Niska
odziedziczalność
Wysoka
odziedziczalność
i różnica
selekcyjna
Odpowiedź na dobór na wysokość dzioba u
darwinki czarnej Geospiza fortis dobrze zgadzała
się z przewidywaniami (za Roff 1997 i Grant i
Grant 1989)
Metody szacowania odziedziczalności – regresja rodzice-potomstwo
h2= r , gdzie r -współczynnik regresji potomstwo/rodzice (ale pod warunkiem eliminacji
efektów wspólnego środowiska; często w tym celu stosuje się korelacją
potomstwo/ojciec, wówczas h2= 2r)
Zalezność między liczbą jaj składanych
prze matki i córki śnieżycy (Chen
caerulescens)
C=2.54+0,31M
h2=2*0,31
Metody szacowania odziedziczalności – regresja rodzice-potomstwo
h2= r , gdzie r -współczynnik regresji potomstwo/rodzice (ale pod warunkiem eliminacji
efektów wspólnego środowiska; często w tym celu stosuje się korelacją
potomstwo/ojciec, wówczas h2= 2r)
Zalezność między liczbą jaj składanych
prze matki i córki śnieżycy (Chen
caerulescens)
C=2.54+0,31M
h2=2*0,31
Górny pułap – efekty matczyne (efekt fenotypu
matki na potomstwo) i wspólne środowisko
gniazda!
Metody szacowania odziedziczalności: komponenty wariancji
pomiędzy krewnymi
S1
S2
S3
Sn
D1
D2
D3
k1
k2
k3
S1
S1
S1
S2
S2
S2
D1
D2
D3
D4
D5
D6
k1,1
k1,2
k1,3
k2,4
k2,5
k2,6
…
układ rodzinny (full-sib design) – oszacowanie
obciążone efektami matczynymi
Dn
S – samiec, D – samica, k – liczba zmierzonego potomstwa
kn
Sn
…
układ rodzeństwa przyrodniego
(half-sib design), l=3 samice/samca
Dn
kn,n
Hierarchiczna analiza wariancji: układ half-sib
Źródło wariancji
Średni
kwadrat
Pomiędzy ojcami
MSAS
Pomiędzy matkami
MSAD
Pomiędzy potomkami w
obrębie rodzin
MSAP
hS2=
4VAS
VAS+VAD+VAP
hD2=
Gdzie komponenty wariancji:
VAP=MSAP
VAD=(MSAD-MSAP)/k
VAS=[MSAS-(MSAP-kVAD)]/l
4VAD
VAS+VAD+VAP
Inne metody szacowania odziedziczalności
•
•
•
Z odpowiedzi na selekcję: h2=R/S,
Regresja wartości cech fenotypowych na rodowód (Animal Model)
Porównanie bliźniąt jednojajowych i dwujajowych
Odziedziczalność cech historii
życiowych jest niższa niż cech
morfologicznych (Stirling i in.
2002)
• Są one ściślej związane z
dostosowaniem
• Są bardziej wrażliwe na
warunki środowiskowe
(wysoka wartość VE)?
Cechy związane z dostosowaniem mają wyższą VA niż cechy
podlegające doborowi stabilizującemu (np. cechy
morfologiczne), ale też wyższa zmienność fenotypową, stąd
niższa odziedziczalność (Houle 1992)
Odziedziczalność, współczynnik
zmienności addytywnej CVA i
zmienności resztkowej (CVR)
różnych cech u Drosophila
melanogaster
V
CVA = 𝑥� A, gdzie 𝑥̅ - średnia
wartość cechy
V −V
CVR = P A
𝑥̅
Zmienność addytywna koreluje dobrze ze
zmiennością mutacyjną VM - zmienność genetyczna
wywołana przez mutacje (Houle 1998)
Hipoteza celu mutacyjnego : cechy związane z
dostosowaniem są silnie poligenowe, równowaga
między mutacjami a doborem utrzymuje wysoką VA
QTL (Quantitative Trait Loci) – loci cech ilościowych wykrywa się
między innymi przy pomocy mapowania interwałowego
zrekombinowanych linii wsobnych (RIL – Recombinant Inbred Lines)
Q,q – allele cechy ilościowej
M,m – allele markerowe
Mapowanie QTL na masę ciała kurcząt
(Wahlberg i in.. 2009)
Czerwona linia: 138 markerów
mikrosatelitarnych
Czarna linia: 434 SNP
Obecnie QTL próbuje się zastąpić QTN –
Quantitative Trait Nucleotides
Wzrost o ludzi: h2 ~ 0.8
Genome Wide Association Study (GWAS):
QTN o największym wpływie na wzrost wyjaśnia
0.3% (0.4cm) zróżnicowania!
90% zmienności niewyjaśnionej – geny o zbyt
małych efektach, by je wykryć?
Jeżeli tak to dla cech silnie poligenowych w
praktyce nie da się analizować związku
fenotypów ze zmiennością w poszczególnych
loci!
Zmienność dominacyjna VD
Dla pojedynczego locus VD = (2pqd)2
Historie
życiowe
Fizjologia
Morfologia
Behawior
VD/VG (%)
54
27
17
24
VD/VP (%)
31
21
13
4
Cechy związane z dostosowaniem mają wyższą proporcje zmienności
dominacyjnej
• Dobór szybciej eliminuje mutacje dominujące; szkodliwe mutacje recesywne
dłużej segregują w populacjach
• Recesywność mutacji szkodliwych może być konsekwencją wielostopniwości
procesów biochemicznych
B-allel dziki
Większość enzymów bierze udział w wielostopniowych reakcjach, dlatego
związek między ilością końcowego produktu a aktywnością pojedynczego
enzymu będzie często hIperboliczny (Katser i Burns 1981)
• Recesywność mutacji obniżających sprawność układu jest nieuniknioną
konsekwencją tego hIperbolicznego związku
• Mutacje o dużych efektach będą bardziej recesywne
Inbred (chów wsobny): ma miejsce w
przypadku kojarzeń między krewnymi
(także wówczas, gdy populacja jest mała).
Powoduje wzrost homozygotyczności.
Depresja inbredowa: spadek wartości
cechy (np. rozrodczości, przeżywalnośći)
na skutek inbredu
Cechy związane z dostosowaniem
wykazują szczególnie wysoka depresję
inbredową
• Większość szkodliwych mutacji jest
recesywna
• Cechy te są zwykle poligenowe
Współczynnik depresji inbredowej
bXo=(Xo-XI)/FXo
gdzie
Xo – wart. cechy u oubtredów
XI – wart. cechy u inbredów
F – współczuynnik inbredu [0-1]
bxo (mediana)
Historie zyciowe (52 gatunki)
0,086
Mofologia (15 gatunków}
0,58
Dlaczego dobór naturalny utrzymuje u samic skłonności do kojarzenia się
z samcami o wybujałych cechach epigamicznych?
•
Darwin/Fisher: samice kojarzące się z takimi samcami będą miały
„atrakcyjnych synów”, którzy przekażą ich geny do następnych
generacji
•
Wallace/Zahavi/Grafen: obecność takich „upośledzających”
przeżywanie cech świadczy o posiadaniu „dobrych genów
Co utrzymuje niezbędną zmienność genetyczną? (przegląd w Radwan
2008 Genetica)
• Stały napływ szkodliwych mutacji
• Zmienność środowiska (np. cykle pasożyt-gospodarz)
Hipoteza „genic capture” (Rowe and
Houle 1996):
•Możliwość rozbudowy kosztownych cech
płciowych zależy od kondycji samca
•Kondycja zależy od bardzo wielu genów, z
których każdy może ulec szkodliwej
mutacji
• Samce o rozbudowanych ornamentach
są mniej obciążone szkodliwymi
mutacjami
Przewidywanie: tyczki oczne powinny
być szczególnie podatne na depresję
inbredową
Teleopsis dalmani (Diopsidae):
Samice preferują samce od długich
trzonkach ocznych
Czy trzonki oczne są bardziej wrażliwe
na inbred niż inne cechy
morfologiczne?
Metody: samice kojarzone z braćmi
lub losowo wybranymi samcami
Photo: Sam Cotton
W przeciwieństwie do przewidywań
hipotezy genic capture depresja wsobna
w dł. trzonków rząd wielkości niższa, niż
typowych cech historii życiowych
Tabela+r
ycina z
mucha i
strzalkam
i
Photo: Sam Cotton
Prokop i in. 2010, Evolutionary Ecology
przedprątność, przedsłupność,
dwupienność, różnosłupkowość i
samopłonność u roślin,
zróżnicowane płciowo migracje i
inne mechanizmy unikania
kojarzeń wsobnych zwierząt
zapobiegają negatywnym
skutkom inbredu
Leinders-Zufall, T. et al. (2004) Science
306, 1033–1037
Dobór na wiele cech i korelacje genetyczne
Zmiany wartości cech po suszy (i) były dodatnie,
pomimo, że długość dzioba była negatywnie
skorelowana z przeżywalnością (współczynnik korelacji
cząstkowej b ujemny)
Jeżeli cechy są skorelowane genetycznie, to wynik działania doboru na
cechę X zależy także od doboru na cechę Y
CRY = irAhxhy VY
gdzie i = sX/VX – intensywnośc doboru, VX, VY – wariancje fenotypowe
cech X i Y, rA – korelacja genetyczna między cechami X i Y
• Korelacje genetyczne mogą ograniczać ewolucję
korzystnych cech w przypadku przeciwstawnych
kierunków doboru na skorelowane cechy
• Lub przyspieszać w przypadku zgodnych kierunków
• Korelacje genetyczne mogą ewoluować, pozwalając
cechom stopniowo zbliżać się do swojego optimum
• W przypadku ograniczeń wynikających z
kompromisów ewolucyjnych (np. konkurencja
miedzy cechami o zasoby), negatywne korelacje
genetyczne mogą się utrzymywać
Wiekość korelacji genetycznych można szacować np. z korelacji
miedzy rodzicami a potomstwem
rA = CovXY/ VxVy , gdzie kowariancja CovXY =
Cechy historii życiowych wykazują
ujemne korelacje genetyczne
częściej niż cechy morfologiczne –
manifestacja kompromisów
ewolucyjnych (trade-offs)
wynikających z ograniczeń zasobów,
pozostających w dyspozycji
osobników?
Korelacje genetyczne mogą wynikać z:
• Plejotropowych efektów genów
• Nierównowagi sprzężeń
∑𝑛
𝑖=1 (xi − 𝑥̅)(yi − 𝑦̅)
𝑛−1
Schemat ewolucji cech epigamicznych i wybiórczości płciowej wg. Fishera
W populacji pojawiają się wybiórcze samice kojarzące
się z samcami o najdłuższym ogonie
Potomstwo samców o długim
ogonie dziedziczy tę cechę, ale
też, częściej niż losowo, geny
warunkujące wybiórczość
Samce o najdłuższych ogonach
osiągają wyższy niż średnio sukces
reprodukcyjny
W populacji wzrasta proporcja samic
wybiórczych oraz długość ogona
samców
Korelacja genetyczna
pomiędzy wybiórczością a
długością ogona wynikająca
z nierównowago sprzężeń
Koewolucja cechy płciowej i preferencji płciowych u Cyrtodiopsis dalmanni
(Wilkinson, G. S. and Reillo, P.R. 1994) Female choice response to artificial selection on an exaggerated
male trait in a stalk-eyed fly. Proceedings of the Royal Society of London, Series B 255:1-6)
Dobór płciowy a tempo ewolucji
molekularnej
Geny białek płynów
nasiennych samców
Drosophila ewoluują
szybciej, niż białka
niezwiązane z rozrodem
EST z gruczołów
dodatkowych
Możliwe przyczyny:
•
Konkurencja rozrodcza
(w tym konkurencja
plemników): wyścig
zbrojeń miedzy samcami
•
Konflikt międzypłciowy:
wyścig zbrojeń miedzy
samcami a samicami
Losowe EST
Swanson et al. (2001) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98: 7375-7379
Copyright ©2001 by the National Academy of Sciences
Antagonistyczna koewolucja między genami o ekspresji zależnej od płci (tzw.
konflikt międzypłciowy) powoduje szybką ewolucję cech związanych z
reprodukcją (Rice 1988)
Adaptacja ♂
Samce D. melanogaster przekazują
samicom płyny nasienne które:
•Zwiększają ich sukces w konkurencji
plemników
•Opóźniają kopulacje samic z innymi
samcami
•Zwiększają inwestycję samic w jaja
•Skracają długość życia samic
Geny kodujące płyny nasienne
ewoluują znacznie szybciej niż reszta
genomu
Nowy allel
korzystny dla ♂
szkodzący ♀
utrwala się w
locus-1
Dostosowanie
♀ rośnie
Dostosowanie
♂ rośnie
Nowy allel znoszący
działanie produktu
locus-1 utrwala się w
locus-2
Kontradaptacja ♀
Antagonistyczna koewolucja między genami o ekspresji zależnej od płci (tzw.
konflikt międzypłciowy) powoduje szybką ewolucję cech związanych z
reprodukcją (Rice 1988)
Adaptacja ♂
Samce D. melanogaster przekazują
samicom płyny nasienne które:
•Zwiększają ich sukces w konkurencji
plemników
•Opóżniają kopulacje samic z innymi
samcami
•Zwiększają inwestycję samic w jaja
•Skracają długość życia samic
Geny kodujące płyny nasienne
ewoluują znacznie szybciej niż reszta
genomu
Nowy allel
korzystny dla ♂
szkodzący ♀
utrwala się w
locus-3
Dostosowanie
♀ rośnie
Dostosowanie
♂ rośnie
Nowy allel znoszący
działanie produktu
locus-3 utrwala się w
locus-4
Kontradaptacja ♀
Monogamia usuwa konflikt międzypłciowy
sprawiając, że interesy samców i samic są
tożsame
Po 35 generacjach:
•Samce z linii monogamicznych (M) przegrywały
konkurencję o zapłodnienie z samcami z linii
poligamicznych
•Samice przebywające z samcami M żyły dłużej
•Samice M były bardziej wrażliwe na szkodliwe
działanie samców P – dowód na koewolucję
•Populacje M – szybsze tempo reprodukcji niż
populacje P
(Holland i Rice 1999)
Czerwone czy= eksperymentalna redukcja doboru płciowego i konliktu
międzypłciowego
Przewidywania:
Dobre geny: czerwony allel „odoporności” będzie znikał
Konflikt międzypłciowy: czerwony allel „odoporności” się rozprzestrzeni
Czerwone czy= eksperymentalna redukcja doboru płciowego i konliktu
międzypłciowego
Przewidywania:
Dobre geny: czerwony allel „odoporności” będzie znikał
Konflikt międzypłciowy: czerwony allel „odoporności” się rozprzestrzeni
Genetyka specjacji
Specjacja; proces różnicowanie się pul genowych,
prowadzący do izolacji rozrodczej umożliwiającej
gatunkom niezależną ewolucję
Bariera prezygotyczna: zapobiega powstawaniu
potomstwa mieszańcowego, np. poprzez unikanie
kojarzeń międzygatunkowych
Bariera postzygotyczna: letalność lub sterylność
mieszańców (lub ich obniżona płodność/przeżywalność)
Martin i Hosken (2003): Intensywny konflikt międzypłciowy w
populacjach o dużym zagęszczeni prowadzi do izolacji rozrodczej
między populacjami much Sepsis cynipsea po 35 generacjach.
Genetyka specjacji
Specjacja; proces różnicowanie się pul genowych,
prowadzący do izolacji rozrodczej umożliwiającej
gatunkom niezależną ewolucję
Bariera prezygotyczna: zapobiega powstawaniu
potomstwa mieszańcowego, np. poprzez unikanie
kojarzeń międzygatunkowych
Bariera postzygotyczna: letalność lub sterylność
mieszańców (lub ich obniżona płodność/przeżywalność)
Między Drosophila
simulans a D.
mauritiana wykryto ok.
40 odcinków
chromosomów,
powodujących
obniżone
dostosowanie
mieszańców
Za izolację rozrodczą
między populacjami
Drosophila
pseudobscura
(izolowanych przez
ok. 200 tys lat)
odpowiadają różnice
w zaledwie 5
odcinkach
chromosomów
Jak mogą powstać geny
izolujące
spokrewnione gatunki
X i Y?
Nowe środowisko
Ax Ax
Mutacja Ay, początkowo
rzadka i wyłącznie w
heterozygotach
Ax Ax
Izolacja nie może wynikać z
letalności/niskiego dostosowania
mieszańcowych genotypów w tym
jednym locus, bo allel Ay nie mógłby
się rozprzestrzenić w populacji Y,
ponieważ na początku byłby rzadki i
występował wyłącznie w
heterozygotach!
Ay Ay
W
AxAx
AyAy
AxAy
Jak mogą powstać geny
izolujące
spokrewnione gatunki
X i Y?
Alell Ax daje przewagę
populacji X
AaAa
BaBa
Alell By daje przewagę
populacji Y
AxAx
BaBa
AaAa
ByBy
Różne środowiska
Do powstania barier postzygotycznych
(np. w allopatrii) muszą się przyczyniać
interakcje między genami różnych
gatunków (niezgodności DobzhanskyegoMullera)
AxAa
BaBy
Dostosowanie mieszańca
obniżone z powodu
interakcji Ax i By
Do powstania barier postzygotycznych (np. w allopatrii) muszą się przyczyniać
interakcje między genami różnych gatunków (niezgodności DobzhanskyegoMullera)
Za izolację między Drosophila simulans i D.
mauritiana odpowiada złożona interakcja genów AB
i C’ (Wu i Hollocher 1998)
Do izolacji między D. melanogaster i D. simulans przyczynia się m. in. gen
kodujący nukleoporynę Nup96, która ewoluowała pod wpływem doboru po
rozdzieleniu tych gatunków
Genomowe wyspy specjacji
• Duża liczba gatunków tworzy
naturalne mieszańce w
gatunkami sporkrewionymi, co
może prowadzić do introgresji
genów obcego gatunku
• Mimo to gatunki zachowują
odrębność morfologiczną
• Regiony o niskiej rekombinacji
(np. inwersje) mogą zachować
odrębność zwłaszcza, gdy w
tych regionach występują geny
leżące u podłoża izolacji
rozrodczej
Nie tworzą
żywotnych
gamet
Zróżnicowanie genomów hybrydyzujących gatunków Drosophila pseudoobscura i D.
persimilis jest największe w rejonach inwersji (szare)
Średnie zróżnicowanie w autosomach miedzy D. persimilis a D. ps. pseudoobscura jest
niższe niż między a izolowaną od niej geograficznie D. ps. bogotana co wskazuje na
niedawną introgresję między pierwszą parą gatunków.