Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Evoluce molekulárních znaků. Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Evoluce molekulárních znaků. Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních."— Transkript prezentace:

1 Evoluce molekulárních znaků

2 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny

3 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny

4 Mechanismy vzniku molekulárních znaků Bodové mutace (substituce, inserce, delece) Řetězcové mutace (delece, inserce, transposice, inverse) Genové změny (obsah genů v genomu, alozymy) Chromosomové (translokace, rozpad, fůze) Genomové (polyploidizace) Základní druhy mutací

5 Bodové mutace Dostatečná frekvence (mnoho dat) Metodická přístupnost (sekvenování) Neutralita Lze použít na různých taxonomických úrovních Molekulární hodiny Výhody

6 Bodové mutace Reverzibilita Homoplazie Snadná metodická přístupnost... Nevýhody

7 Řetězcové mutace Často jsou ireverzibilní - menší riziko homoplázií Horší metodická přístupnost (jak co se týká získávání dat, tak co jejich zpracovávání) Menší zkušenosti Výhody a nevýhody

8 Genové mutace Rozumná metodická přístupnost Využitelnost na nejrůznějších taxonomických úrovních Odrážejí částečně i anagenezi Nejsou selekčně neutrální –Možnost homoplázií –Vzájemná závislost (co je jeden znak?) Výhody a nevýhody

9 Záměnové mutace Transverze - transice (pyrimidin C, T, puriny A, G) –Transice (4×) A  G, G  A, C  T, T  C –Transverze (8×) A  C, A  T, C  A, C  G, T  A, T  G, G  C, G  T Synonymní, nesynonymní –synonymní x silent!!! (splicing) –nesynonymní (missense, nonsense)

10 Relativní frekvence různých typů substitucí v kódující sekvenci Substitucí 1. pozice 2. pozice 3. pozice 1-3. pozice celkem 183(100%) 183(100%) 183(100%) 549(100%) synonymních 8(4%) 0(0%) 126(69%) 134(25%) missense 166(91%) 176(96%) 50(27%) 392(71%) nonsense 9(5%) 7(4%) 7(4%) 23(4%) (Jedná se pouze o teoretické hodnoty vypočtené na podkladě struktury genetického kódu.)

11 Mutační rychlost Savčí jaderná DNA subst/nucl/rok Inserce v mikrosatelitech Indels/nucl/rok Savčí mitochondrie subst/nucl/rok Raus sarkoma virus 1, subst/nucl/cyklus

12 Rozdíly v mutačních rychlostech v závislosti na typu mutace Velké rozdíly existují ve frekvenci transicí a transversí Savčí jaderné geny: transice % všech substitucí (teoreticky 33 %) V savčích mitochondriích 43 % Některé nukleotidy mutují častěji než jiné (např. G a C v savčích jaderných genech)

13 Frekvence jednotlivých typů substitučních mutací Nový Původní A T C G A - 3,4 4,5 12,5 T 3,3 - 13,8 3,3 C 4,2 20,7 - 4,6 G 20,4 4,4 4,9 - celkem 27,9 28,5 23,2 20,5 Procento nukleotidových záměn f ij, 105 pseudogenů u člověka

14 Nerovnoměrnost v mutačních rychlostech v závislosti na pozici Horká místa (hotspots) 5'- CG -3'  5'- TG -3' (metylace) 5'- TT -3‘  ledacos (vytváření dimérů - jen u prokaryot) Palindromy 5'- GCCGGC -3' u prokaryot Repetice purin-pyrimidin dimerů (GCGCGCGC ) - zaujímají Z-konformaci -časté delece

15 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny

16 Fixace mutací v populaci Selekce (negativní, pozitivní) Tahy (molekulární, meiotický, mutační, reparační) Genetický posun Svezení se

17 Vliv selekce na genofond druhu a populace Rychlá fixace některých mutací (pozitivní selekce) Genetické svezení se (hitchhiking) Geny angažované v imunitě nebo v sexualitě Eliminace většiny nových mutací v kódujících oblastech (negativní selekce) Konzervativní geny (možno odhadnout z poměru synonymních a nesynonymních substitucí) Dlouhodobé udržování polymorfismu (stabilizující [balancing] selekce)

18 Molekulární (a jiné) tahy Velmi rychlé, týkají se zejména repetitivních sekvencí, Synchronizovaná evoluce Lze využít k rozpoznávání diskontinuity v genofondu, podstatně hůře ve fylogenetických studiích. Mutační tah (tlak, bias) - nebezpečí vzniku homoplasií

19 Genetický drift (posun) Za dostatečně dlouhou dobu v konečné populaci zůstanou pouze kopie jediné z původně přítomných “alel”. Pravděpodobnost, že to budou kopie právě jedné vybrané “alely” např. mutované, je pro diploidní druh rovna: P = 1/2N N: počet jedinců v populaci Obecněji: Pravděpodobnost fixace určité neutrální alely je rovna její frekvenci v populaci.

20 t0t0 t1t1 t2t2 t3t3 t4t4 t5t5 t6t6 t7t7 t8t8

21 Genetický posun Pro selekčně významné alely přibližně platí: P=2s (malé selekční koeficienty, velká populace) O osudu mutace rozhoduje selekce tehdy, když: Abs(s) > 1/N e Doba (podmíněná) fixace neutrální mutace: T = 4 N e (Generací) Doba (podmíněná) fixace selekčně významné mutace: T = (2/s) ln (2 N e ) (Generací)

22 0,5 0 1,0 frekvence mutace 0,5 0 1,0 frekvence mutace t t T T čas Průběh fixací mutací driftem velká populace malá populace

23 Neutralita substitučních mutací Testováno pomocí McDonald-Kreitmanova testu (2 x 2 kontingenční tabulka)

24 Výsledky testů neutrality Průkaz pozitivní selekce u některých genů Průkaz stabilizující (balancing) selekce u některých genů Výskyt mírně negativních mutací v mtDNA Pozitivní korelace mezi mírou diverzity a rekombinační aktivitou v daném úseku

25 Substituční rychlost Mutační rychlost u (počet mutací/gen/generaci) Počet mutací v daném genu v celé populaci: 2Nu Substituční rychlost (počet mutací fixovaných v populaci za generaci): K: počet mutací x pravděpodobnost fixace jedné mutace K= 2Nu x 1/2N = u Pro selekčně významné výhodné mutace: K = 4Nsu

26 Doba potřebná k fixaci mutace (Příklad) Savec, generační doba 2 roky, efektivní velikost populace 10 6 jedinců Neutrální mutace: 8 milionů let Mutace se selekčním koeficientem ±0,01: 5800 let

27 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny

28 Genetický polymorfismus Polymorfní geny - věc definice, většinou geny, jejichž nejhojnější alela má frekvenci menší než 99% Měřítko stupně vnitropopulačního polymorfismu: P - podíl polymorfních lokusů (z celkového počtu studovaných lokusů) Genová diverzita – index heterozygotnosti (frekvence heterozygotů) Pro jeden lokus a m alel : h = 1 - Σx i 2 (x i –frekvence i-té alely) Průměrná genová diverzita pro všechny (n)studované lokusy: H = 1/n Σ h i

29 Závislost polymorfismu na intenzitě rekombinace Intenzita rekombinace polymorfismus Drosophila melanogaster Korelační koeficient c=0,42

30 Nukleotidová diversita Π ij = Σ x i y j π x i frekvence i-té alely y j frekvence j-té alely π ij proporce rozdílných nukleotidů mezi i-tou a j-tou alelou GAGGTGCAACAG GCGGTGCAACAG GTGGTGCAACAG GGGGTGCAACAG GAGGTGCAACAG GAGGACCAACAG GAGGTGCATCAA GGGGTGGAACAG

31 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny

32 Nerovnoměrnost v používání jednotlivých kodónů (codon-usage bias) RSCU (relative synonymous codon usage) RSCU i = X i 1 n Σ x i i=1 n n -počet synonymních kodónů (1-6) X i -počet výskytů i-tého kodónu w i = RSCU i max CAI(codon adaptation index) CAI = √ Π i=1 L w i L

33 Nerovnoměrnost v používání jednotlivých kodónů Větší nerovnoměrnost vykazují proteiny s menší frekvencí nesynonymních mutací (tj. proteiny, které jsou vystaveny intenzivnější selekci). Na grafu jsou geny drosofily.

34 0,20,40,60,80 nerovnoměrnost v používání kodónů (x 2 ) index využití preferovaných kodónů (CAI) ,84 7,82 Nerovnoměrností v používání synonymních kodónů u E. coli a Buchnera Podle Wernegreen a Moran Mol. Biol. Evol. 16: 83-97, 1999

35 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů Molekulární hodiny

36 stáří paleontologické (milionů let) stáří molekulární (milionů let) pavián kráva (kalibrační bod) kunovec (vačnatec) kuřealigátor skokan kapr žralok α globulinové molekulární hodiny Page a Holmes, Molecular evolution. A phylogenetic approach, 2001 stáří = doba od odvětvení od linie vedoucí k člověku

37 Substituční rychlost r = K(2T) (K -počet substitucí mezi dvěma druhy, T -doba od odvětvení obou druhů) Gen Nesynonymní (10 -9 ) Synonymní (10 -9 ) ribosomální protein S14 0,02 2,16 ribosomální protein S17 0,06 2,69 aktin 0,01 2,92 myosin 0,10 2,15 somatotropin 1,34 3,79 albumin 0,92 5,16 amylasa 0,63 3,42 Ig VH 1,10 4,76 interferon 3,06 5,50

38 Rozdíly v substitučních rychlostech mezi proteiny Variabilita pro nesynonymní mutace je mnohem větší než pro synonymní Substituční rychlost pro synonymní mutace je většinou mnohem větší než pro nesynonymní Velkou roli patrně hraje negativní selekce na pozadí. Změny ve funkci proteinu mohou výrazně ovlivnit substituční rychlost.

39 Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu Oblast počet substitucí 5' netranskribovaná oblast genu 4,0 4-degenerované pozice 8,6 introny 8,1 3' netranskribovaná oblast genu 8,8 pseudogeny 9,1 Rozdíly mezi kravskými a kozími globinovými geny a pseudogeny (substitucí/nukleotid/10 9 let).

40 substitucí na bázi za 10 9 let přiléhající 5’ oblastnepřekládaná 5’ oblast nedegenerované pozice dvakrát degenerované pozice čtyřikrát degenerované pozice introny netranslatovaná 3’ oblast přiléhající 3’ oblast pseudogeny genypseudogeny Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu

41 Test rovnoměrnosti chodu molekulárních hodin ve dvou větvích (Relative rate test, Margoliash 1963 a Sarih & Wilson 1973) K AB = K OA + K OB K AC = K OA + K OC K BC = K OB + K OC

42 Test rovnoměrnosti chodu molekulárních hodin II V(K) = p - p 2 L ( p ) p OC = 4 3 ( 1 - e 4/3 K OC ) Abs(d) ≥ 2SE d  P ≤ 5% Abs(d) ≥ 2,7SE d P ≤ 1% BAC O ??? p -proporce neshodných nukleotidů, L -délka sekvence K OA - K OB = 0 K OA - K OB = K AC - K BC = d V(d) = V(K AC ) + V(K BC ) + 2V(K OC ) 

43 Rozdíly v substituční rychlosti mezi jednotlivými druhu (taxony) Ryby – rychleji než savci Hlodavci – rychleji, není jisté zda i synonymní mutace Lidoopi – zpomalení, člověk ještě pomalejší Drosofila 10x rychleji než obratlovci 1)Vliv mutační rychlosti (reparační mechanismy) 2)Demografické faktory (rostoucí populace, malá nebo fluktuující populace) 3)Intenzita rekombinací a svezení se

44 Efekt generační doby Rychlost synonymních nukleotidových substitucí pro některé dvojice druhů. Doba divergence Rychlost (mil. let) (x 10 9 /rok/nukleotid) člověk-šimpanz 7 (5-10) 1,3 (0,9-1,9) kráva-koza 17 (12-25) 4,2 (2,9-6,0) myš-krysa 15 (10-30) 7,9 (3,9-11,8)

45 Rozdíly v mezi synonymními a nesynonymními mutacemi Synonymní – generační doba má vliv Nesynonymní (proteiny) – patrně nemá vliv 1.Teorie mírně škodlivých mutací (negativní korelace generační doby a velikosti populace). 2.Svezení se (hitchhiking, genetic draft) a změna prostředí za generační dobu. Vysvětlení

46 0,010, tělesná hmotnost (kg) divergence sekvencí (%/milion let) 0, medvědi koně psi hlodavci primati husy velryby žáby mloci želvy pstruzi mořské želvy žraloci Efekt intenzity metabolismu Martin a Palumbi, PNAS USA 90: , 1993

47 Změny v substitučních rychlostech v čase Pro 6 hormonů se rychlost v čase signifikantně měnila. V některých případech v období zrychlené evoluce vzrostla substituční rychlost až 50x. Celkově 62 % substitucí v genech nastalo během období zahrnujících pouze 15% sledované doby. Epizody zrychlené evoluce se přitom časově neshodovaly pro jednotlivé proteiny. Wallis M J.Mol.Evol. 53, Studium změn substituční rychlosti v genech pro 8 savčích hormonů v průběhu delších období fylogeneze.

48 possumslepeckřečekmyšmorčeslonkůňpespraselamasrneckrávaovcekrálíklorimakakčlověkkrysa (16) čas (mil. let) a) somatotropin

49 possummyšslonkůňkočkaprasevelbloudkrávaovcekrálíkmakakčlověkkrysa (13) křeček b) prolaktin čas (mil. let)

50 Vlastnosti molekulárních hodin V jednotlivých genech jdou nestejně rychle V jednotlivých liniích jdou nestejně rychle –Hlodavci > kopytníci > primáti > člověk –Drosophila 5-10x rychleji než obratlovci Při změně funkce genu či po jeho duplikaci se mění rychlost hodin U neutrálních mutací existuje efekt generační doby, u záměnových mutací v proteinech nikoli

51 Problémy s využíváním molekulárních hodin Pravidelnost chodu molekulárních hodin (správná kalibrace, větší počet genů) Často příliš široké intervaly spolehlivosti (co nejvíce výchozích dat) Kalibrace molekulárních hodin (slepě nespoléhat na „nezávislá“ data, kalibrace pro metazoa jen jeden bod savci-ptáci) Mutačně „saturované“ sekvence simulují platnost molekulárních hodin (Slow-Fast m.)

52 Závěr Na molekulární úrovni existuje množství znaků (několika kategorií) které je možno použít v molekulární fylogenetice Většina znaku se šíří a je fixována genetickým posunem, pro některé účely je však vhodné používat znaky šířící se jinými mechanismy I polymorfismus v molekulárních znacích nám může poskytnout informaci použitelnou k řešení řady otázek Nerovnoměrnost v používání synonymních kodónů často komplikuje fylogenetické studie, je možné ji však pro některé účely využít Molekulární hodiny existují, je však třeba se s nimi naučit zacházet


Stáhnout ppt "Evoluce molekulárních znaků. Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Polymorfismus Nerovnoměrnost v používání synonymních."

Podobné prezentace


Reklamy Google