Mikroevoluce a makroevoluce 2014 Dědičnost Mikroevoluce a makroevoluce 2014

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Genetická informace – návod na ontogenezi DNA-RNA 5’ 3’ 5’ 3’ T A T A D R D D P P P P C G C D G R D D P P P P T U D A D D A R P P P P C C D G D D G R 3’ 5’ 3’ 5’ Genetická informace – návod na ontogenezi

Evoluční paměť druhu (populace)

cistron 1 cistron 2 DNA transkripce pre mRNA sestřih mRNA translace pre protein sestřih proteinů Protein vytváření terciální struktury glykoprotein protein 3D modifikace proteinů oligomerizace protein - oligomer 98% transkriptů netranslatováno třetina genetich chorob způsobena ovlivněním splicingu

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Gen Základní jednotkou genetické informace je gen Gen – forma znaku, rozdíl, ztráta funkce Evoluční gen – kterýkoli úsek DNA, který by mohl kompetovat s jiným úsekem o zastoupení v budoucím genofondu (G.C. Williams 1966) Gen jako cistron, úskalí z hlediska evoluce

Cis-trans test a) b)

Gen Základní jednotkou genetické informace je gen Gen – forma znaku, rozdíl, ztráta funkce Gen jako cistron, úskalí z hlediska evoluce Rekombinace uvnitř genu Regulační oblasti (šimpanz jako 99% člověk)

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Složitost vztahu gen-znak EPISTÁZE PLEIOTROPIE Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Znak 1 Znak 2 Znak 3 Znak 4 Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Znak 1 Znak 2 Znak 3 Znak 4 Redundance (haploidní kvasinka jen 1100 z 6200 ztrátových mutací letálních)

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Dominance-recesivita Interakce alel stejného lokusu Vliv na průběh selekce recesivní dominantní semidominantní 0,5 1,0 500 1000 čas (generační doby) frekvence alely

Dominance-recesivita Interakce alel stejného lokusu Vliv na průběh selekce Recesivita ztrátových mutací robusticita metabolických drah regulační geny Dominance ve vztazích starých alel a nových mutací Haldaneovo síto (znevýhodnění recesivních mutací) modifikátory dominance

Epistáze projev alely ovlivněn (podmíněn) vlivem alely jiného lokusu

Kontextově podmíněné projevy genů pleiotropie epistáze Gen 1 Znak 1 Gen 1 Znak 1 Gen 2 Znak 2 Gen 2 Znak 2 Gen 3 Znak 3 Gen 3 Znak 3 Gen 4 Znak 4 Gen 4 Znak 4

Kontextově podmíněné projevy genů pleiotropie epistáze Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4 Znak 1 Znak 2 Znak 3 Znak 4

Epistáze projev alely ovlivněn (podmíněn) vlivem alely jiného lokusu, magnitudová x směrová (16%) epistáze Positivní epistáze – antagonistické vlivy škodlivých mutací a synergetické vlivy užitečných mutací (opak – negativní epistáze) hlavní efekty genů a genové interakce (problém s experimentálním studiem) vliv epistáze na účinnost selekce

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Genetika –věda o dědění znaků Mendelismus – původně spíše antidarwinistický Řešení problému měkké dědičnosti (H.Ch. Fleeming Jenkin)

Mendlovy zákony zákon segregace: dvě alely kteréhokoliv genu přítomné u rodičovského jedince se v každé generaci rozcházejí do nezávislých gamet, aniž by došlo k jejich změně a tedy aniž by se navzájem nějak ovlivnily zákon nezávislé kombinovatelnosti vloh: jednotlivé dvojice alel různých genů rozcházejí do gamet nezávisle jedna na druhé a způsob distribuce jedné dvojice alel tedy nijak neovlivní způsob distribuce dvojice jiné.

Nezávislá kombinovatelnost vloh a1a1b1b1 a1a2b1b1 a2a2b1b1 a1a1b1b2 a1a2b1b2 a2a2b1b2 a1a1b2b2 a1a2b2b2 a2a2b2b2

Geny vázané na pohlavní chromosomy XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX

Geny vázané na pohlavní chromosomy rozdíly v efektivní velikosti populace (pravděpodobnost fixace různých typů mutací) absence rekombinace a evoluční (genetické) svezení se (polymorfismus) celkově různá doba v genomech samců a samic – hájení zájmů vlastního pohlaví pohlavní rozdíly v genové dózi X-chromosom 1098 genů, 99 proteinů exprim. ve varlatech. Imprinting genů exprimovaných v mozku výsledek – mnoho genů pro genetické choroby (u člověka 307 z 3199 známých, přitom zde jen 4% genů).

Cytoplasmatická dědičnost Genomy organel (mitochondrií a plastidů) vnitrobuněčné konflikty (absence meiozy) odpovědnost za řadu genetických poruch Dědičnost buněčných struktur (membrány, jejich receptorová výbava, cytoskelet, enzymatická výbava, regulační sítě genové exprese) = epigenetická dědičnost

Genetická vazba Omezuje platnost zákona nezávislé kombinovatelnosti vloh zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy rovnováhy morgan (1 % rekombinací) 2pq p2 q2 p q

c –pravděpodobnost rekombinace v úseku mezi sledovanými geny 0,25 0,20 c = 0,05 0,15 vazebná nerovnováha (d) c = 0,1 0,10 c = 0,2 0,05 c = 0,3 c = 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 čas (počet generací) c –pravděpodobnost rekombinace v úseku mezi sledovanými geny d = (fn1 fn2) – (fr1 fr2)

Genetická vazba Omezuje platnost zákona nezávislé kombinovatelnosti vloh zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy rovnováhy zpomaluje odpověď na selekci vytváří předpoklad vzniku supergenů mimeze (Heliconius numata) selekční plató, genetická homeostáze

Genetická homeostáze t1

Genetická vazba Omezuje platnost zákona nezávislé kombinovatelnosti vloh zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy rovnováhy zpomaluje odpověď na selekci vytváří předpoklad vzniku supergenů mimeze selekční plató, genetická homeostáze inverze a selekce na úrovni pregerminálních buněk

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Dědivost Většina znaků podmíněna velkým počtem genů (QTL). Schizofrenie – 7855 genů, naprostá většina má malý efekt O.R.<1,2 Dědivost znaku vyjadřuje podíl jeho geneticky podmíněné variability na celkové, tedy i prostředím podmíněné variabilitě v tomto znaku dědivost v úzkém slova smyslu (h2) – aditivní dědivost (dominance, epistáze, interakce jednotlivých složek)

Odhad dědivosti na základě korelace vlastností rodičů a potomků b velikost znaku u potomka velikost znaku u rodiče

Odhad dědivosti na základě korelace vlastností rodičů a potomků Francis Galton, zákon regrese k průměru velikost znaku u potomka velikost znaku u rodiče

Odhad dědivosti na základě odpovědi na selekci Generace 1 S –selekční diferenciál R R –selekční odpověď Generace 2 h2 = R/S

Dědivost různých kategorií znaků Vyšší dědivost mají znaky podmíněné menším počtem genů Vyšší dědivost mají znaky pouze nepřímo spjaté s biologickou zdatností jedince (se schopností podléhat evoluci je to opačně) Vyšší dědičnost naměříme za kontrolovaných podmínek Vyšší dědivost naměříme u znaků přesněji měřitelných (morfologie x chování)

Problémy s měřením dědičnosti Změna dědičnosti v čase (selekční plató, interakce s prostředím – 1.5 mil. Švédů vzestup dědivosti BMI o 4% za 32 let) sdílení prostředí sourozenci sdílení genetického pozadí rozdíly ve výsledcích získaných oběma metodami Široké 95% intervaly spolehlivosti, například 4800 jedinců je třeba aby pokrývaly pouze 0,25 intervalu mezi 0 a 1. (Obvykle pokrývají celý interval…) Vztah mezi dědivostí a schopností podléhat evoluci je dosti volný, vhodnější by bylo standardizovat průměrem než celkovou variabilitou

Chybějící dědivost BMI dedivost 60% ale celogenomové SNP studie našly geny vysvětlujícíé pouze 17 % Multigenové nemoci – schizofrenie silně dědičná, přesto nejsilnější „gen pro schizofrenii má OR asi 1,2 Důvody – epistáze, vzácné alely ve vzájemně zastupitelných lokusech? Metoda detekce – pravděpodobnost zachycení je úměrná druhé mocnině velikosti efektu vynásobené frekvenci alely v populaci Nereprodukovatelnost výsledků na jiných populacích (jiné vzácné alely)

Schopností podléhat evoluci V mnoha znacích kontinuální evoluční změna, viz. brojleři 1957-2001 V některých žádná změna rekordy v chrtích či koňských dostizích se nezměnily za posledních 50 let. Změna téměř vždy provázena poklesem fitness a viability 1957 Stáří 43, 57, 71, 85 dnů 2001

Utajená genetická variabilita vývojová kanalizace geny modifikátory (stabilizující selekce) pufrování mutací – HSP SOS mutace, HSP90 (maturace regulač. proteinů) rozviklaná dědičnost genetická asimilace (Conrad Hal Wadington, fenokopie)

Maskování mutace díky působení modifikátorových genů

Utajená genetická variabilita vývojová kanalizace geny modifikátory (stabilizující selekce) pufrování mutací – HSP SOS mutace, HSP90 (více funkcí, Piwi-interagující RNA – aktivita transposomů) rozviklaná dědičnost

Vliv vegetativní hybridizace na genotyp ?

Utajená genetická variabilita vývojová kanalizace geny modifikátory (stabilizující selekce) pufrování mutací – HSP SOS mutace, HSP90 rozviklaná dědičnost genetická asimilace (Conrad Hal Wadington, fenokopie)

Mutace crossveinless u D. melanogaster

Genetická asimilace u D. melanogaster

Obsah Materielní podstata dědičnosti Různá pojetí genu Geny a znaky (pleiotropie a interakce) Dominance a epistáze Genetické zákony Dědivost Epigenetická informace

Epigenetická informace Genetická informace a aparát pro její interpretaci – změna znaku může mít původ v modifikaci obojího Evoluční význam epigenetické informace možnost reakce na vlivy prostředí problém s dědivostí (někdy naopak výhoda) priony, regulační sítě Význam epigenetické informace v ontogenezi

Mechanismus dědičnosti metylace metylovaná DNA replikace metylace hemimetylovaných pozic metyláza původní stav

Předávání znaků z generaci na generaci Vyznívání epigenetických změn během několika generací Rostliny (len, lnice – metylace a umlčení genu cycloidea, 250 let) živočichové (perloočky – kaprovité ryby, 2 generace) U rostlin častější – chybí fáze demytylace

Předávání znaků z generaci na generaci u člověka Děti narozené za války podvyživovaným ženám byly menší a i jejich děti měly nižší porodní váhy. Vnoučata dobře za mlada vyživovaných osob měla větší riziko úmrtí na cukrovku, potomci osob co zažily hladomor měli menší riziko oběhových onemocnění (potvrzeno v pokusech na krysách) Paramutabilita – předání modifikovaného stavu z alely na alelu v rámci lokusu (obdoba genové konverze)

Genomový imprinting Zápas mezi pohlavími – geny naprogramovány aby hájily zájmy původního nositele ♂ ♀ ♂ ♀ demetylace DNA ♂ ♀ metylace DNA ♂ ♀

Poruchy související s imprintingem u člověka Beckwith-Wiedemann syndrom IGF2 (insulinu podobný růstový faktor 2) z otcovského chromosomu 11 – o 50% větší porodní váha. Opak: Silver-Russellův syndrom 1/100 000 osob.

Poruchy související s imprintingem u člověka Angelmanův syndrom (pravé obrázky) – absence mateřské kopie části chromosomu 15 Prader-Williho syndrom (levé obrázky) (novorozenci a kojenci podváha, později obezita – absence otcovsky imprintovaných genů. Geny od více migrujícího pohlaví s větším rozptylem v počtu potomků – v dospělosti altruismus.

Poruchy související s imprintingem u člověka Angelmanův syndrom – absence mateřské kopie části chromosomu 15 x Prader-Williho syndrom Beckwith-Wiedemann syndrom IGF2 – z otcovského chromosomu 11 Turnerův syndrom 1/2000 – XO poruchy v sociální inteligenci když chromosom X od matky (75-80% případů)

Shrnutí Dědičnost je nezbytným předpokladem biologické evoluce V evoluci hraje ústřední roli kumulace genetické a epigenetické informace Pojetí genu v evoluční a molekulární biologii Rozdíl mezi tvrdou a měkkou dědičností Význam dědivosti a způsoby jejího měření Význam epigenetické informace

A to je konec…