Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Evoluce sekvence DNA. Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Evoluce sekvence DNA. Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny."— Transkript prezentace:

1 Evoluce sekvence DNA

2 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny

3 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny

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

5 Mechanismy vzniku molekulárních znaků Bodové mutace (nukleotidové substituce, inserce, delece) Velká část mutací na pozorovatelných na molekulární úrovni se na úrovni fenotypu neprojeví a je tedy selekčně neutrálních. Základní druhy mutací

6

7 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny

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

9 Vliv selekce na genofond druhu a populace Rychlá fixace některých mutací (pozitivní selekce) Geny angažované v imunitě nebo v sexualitě

10 místo vázající antigen nukleotidové záměny (  100) D2 doména DPB vs DPB DPB vs DQB DPB vs DRB DQB vs DQB DQB vs DRB DRB vs DRB DPB vs DPB DPB vs DQB DPB vs DRB DQB vs DQB DQB vs DRB DRB vs DRB Zvýšená frekvence nesynonymních mutací v genech spojených s imunitou nesynonymní synonymní

11 substituční rychlost 0 0,05 0,15 0,20 0,10 0,25 0,30 nesynonymní (Kn)synonymní (Ks)Kn/Ks D. melanogaster a D. simulans, srovnáváno 10 genů pro proteiny spojené s rozmnožováním (šedé sloupce) a 46 genů jiných (bílé sloupce) Zvýšená frekvence nesynonymních mutací v genech spojených s rozmnožováním

12 Vliv selekce na genofond druhu a populace Rychlá fixace některých mutací (pozitivní selekce) 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)

13 Vliv selekce na genofond druhu a populace Rychlá fixace některých mutací (pozitivní selekce) 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)

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

15 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

16 Mutační tah mechanismy mutačního a reparačního tahu mutacionismus evoluce genomu –Isochory –paradox genetické komplexity

17 Mutační tah mechanismy mutačního a reparačního tahu mutacionismus evoluce genomu –Isochory –paradox genetické komplexity

18 Mutační tahReparační tah

19 Mutační tah mechanismy mutačního a reparačního tahu mutacionismus (evoluční trendy a zábrany) evoluce genomu –Isochory –paradox genetické komplexity

20 Mutační tah mechanismy mutačního a reparačního tahu mutacionismus evoluce genomu –Isochory –paradox genetické komplexity

21 nízký obsah GC párů lokální dočasná denaturace DNA 5’-ATxxxxCG-3’ 3’-TAxxxxGC-5’ deaminace MET-cytosinu 5’-ATxxxxTG-3’ 3’-TAxxxxGC-5’ reparace GT  GC substituce A  G reparace GT  GC m 5’-ATxxxxCG-3’ 3’-TAxxxxGC-5’ 5’-ATxxxxCG-3’ 3’-TAxxxxGC-5’ m 5’-GTxxxxCG-3’ 3’-TAxxxxGC-5’ m 5’-GTxxxxCG-3’ 3’-CAxxxxGC-5’ m deaminace MET-cytosinu pokles zastoupení GC párů vysoký obsah GC párů absence lokální denaturace pokles deaminace MET-cytosinu vzestup zastoupení GC párů a) b) c) d)

22 bakterie houby živočichové, některé rostliny mnoho rostlin, někteří živočichové velikost genomu (počet párů bazí) Paradox genetické komplexity

23 Evoluční tahy Mutační tah Reparační tah Molekulární tah

24 mechanismy –genová konverze –sklouznutí –nelegitimní rekombinace –retrotransposice význam pro evoluci (synchronizovaná evoluce) význam pro molekulární taxonomii (repetice, mikrosatelity)

25 a)a) b) Role molekulárního tahu v divergenci druhů

26

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

28 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.

29 Genetický drift 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)

30 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

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

32 Průběh fixací neutrálních mutací ve velkých a malých populacích Velká populace Malá populace

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

34 Genetické svezení se (draft) Osud mutace je ovlivněn charakterem genů s nimiž je ve vazbě Hill-Robertsonův efekt (nemusí být vazba) Evoluční vymetení a selekce na pozadí Působení draftu v nerekombinujících oblastech genomu (pohlavní chromosomy, organelová DNA, inverze) Fixace negativních mutací ve velkých populacích

35

36 Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny

37 ACTGAACGTAACGC AAAA Paralelismus Konvergence AATGTAGGAATCGC ACTGAAAGAATCGC Koincidence Jednoduchá substituce Vícenásobná substit. Zpětná substituce CTCT TCTC G T CTCT Vztah mezi divergencí sekvencí a počtem substitucí p=3 K=12

38 Jukes-Cantorův jednoparametrový model Jukes,T.H. Cantor, C.R. (1969) In: Mammalian protein metabolism. Munro,H.N. (Ed.) Acad.Press, New York Odhad podílu substitucí od okamžiku divergence K = -3/4 ln(1 - 4/3 p) Odhad rozptylu K V(K) = (p(1 -p))/(L(1 - 4/3 p) 2 ) AG C T α α ααα α

39 CBA T2T2 T1T1 Převod z relativní na absolutní časovou škálu T = K  substituční rychlost T 2 = (2K AB T 1 )/(K AC + K BC ) T 1 = (K AC + K BC )T 2 /2K AB

40 stáří paleontologické (milionů let) stáří molekulární (milionů let) pavián kráva (kalibrační bod) kunovec (vačnatec) slepicealigátor skokan kapr žralok

41 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

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

43 0 0,2 0,4 0,6 0,8 substituce/nukleotid interleukin-6interleukin-2prolaktininterleukin-1βthrombomodulinlaktoferininterleukin 1αIGF vázající proteinaktivátor plasminogen urokinásyalbuminsomatotropininterleukin -7alkalická fosfatáza střevníkortikotropin uvolňující faktorreceptor somatotropinufibrinogen γIGF vázající protein 3inhibitor aktivátoru plasminogenuterminální transferázareceptor TGF β3β-1,4-galatosyl transferázaneurofysin IIneurofysin Iinsulinu podobný růstový faktor 2kyselá fosfatáza typu 5ŕeceptor luteinizačního hormónuproopiomelanokortinalkalická fosfatáza jaterníTGF α1neuroleukinβ receptor acetylcholinu cytosolická aspartát aminotransferáza hexokináza Iornitin dekarboxylázaopsinprotein disulfid osomerázaTGF β3laktát dehydrogenáza A aspartát aminotransferáza mitochondriální α receptor acetylcholinuinsulinu podobný růstový faktor 1D2 receptor dopaminutransporter glukozyTGF β2ATP synthetáza αmyelin proteolipidkonexinATP synthetáza βkarboxypeptidáza Hromadění nesynonymních substitucí v genech savců

44 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).

45 Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu substitucí/nukleotid za 10 9 let

46 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 10  rychleji než obratlovci 1)Vliv mutační rychlosti (reparační mechanismy) 2)Demografické faktory (rostoucí populace, malá nebo fluktuující populace) 3)Intenzita rekombinací a svezení se

47 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)

48 x 1 (0,613) x 2 (0,192) x 3 (0,121) člověk krysa slepice Rozdíly v substituční rychlosti v genu pro albumin mezi liniemi (relativní jednotky) za 75 mil od divergence myši a člověka došlo k substituci v každé druhé bázi, dvakrát více jich bylo v myší linii

49 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

50 Teorie mírně škodlivých mutací délka těla populační denzita (1/km) tělesná hmotnost (g) generační doba

51 ,0005 0,0010 0,0015 0,002 velikost populace substituční rychlost Závislost substituční rychlosti pro mírně škodlivé mutace na velikosti populace draft (hitchhiking) genetický drift

52 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 50 . 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.

53 possumslepeckřečekmyšmorčeslonkůňpespraselamasrneckrávaovcekrálíklorimakakčlověkkrysa (16) čas (mil. let) Somatotropin x Prolaktin possummyš slon kůňkočkaprasevelbloudkrávaovcekrálíkmakakčlověkkrysa (13) křeček čas (mil. let)

54 Vlastnosti molekulárních hodin V jednotlivých genech jdou nestejně rychle V jednotlivých liniích jdou nestejně rychle –Hlodavci > kopytníci > primáti > člověk –Drosophila 5-10  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

55 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 nejčastěji jen jeden bod savci-ptáci) Mutačně „saturované“ sekvence simulují platnost molekulárních hodin (Slow-Fast m.)

56 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 sekvence DNA. Obsah Druhy molekulárních znaků Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků Molekulární hodiny."

Podobné prezentace


Reklamy Google