Evoluce sekvence DNA.

Evoluce sekvence DNA

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

Mechanismy vzniku molekulárních znaků
Základní druhy mutací 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)

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

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

Mutační rychlost Savčí jaderná DNA 3-5 10-9 subst/nucl/rok
Inserce v mikrosatelitech Indels/nucl/rok Savčí mitochondrie subst/nucl/rok (rostlinné mitochondrie 50x – 100x méně než jaderná DNA) Raus sarkoma virus , subst/nucl/cyklus

Rozdíly v mutačních rychlostech v závislosti na typu mutace
Velké rozdíly existují ve frekvenci transicí a transversí Savčí jaderné geny: transice 60-70% všech substitucí (teoreticky 33%) V savčích mitochondriích 43% Některé nukleotidy mutují častěji než jiné (např. G a C v savčích jaderných genech)

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 α A G β β β β C T α

Substituční saturace transice transverse
100 transice 80 nukleotidové záměny 60 40 20 transverse 5 10 15 20 25 doba od okamžiku divergence (mil. let) hromadění mutací v mitochondriálním proteinu COII turovitých

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 × silent!!! (splicing) nesynonymní (missense, nonsense)

Relativní frekvence různých typů substitucí v kódující sekvenci
Substitucí 1. pozice pozice pozice pozice celkem (100%) 183(100%) 183(100%) (100%) synonymních (4%) (0%) (69%) (25%) missense 166(91%) (96%) (27%) (71%) nonsense (5%) (4%) (4%) (4%) (Jedná se pouze o teoretické hodnoty vypočtené na podkladě struktury genetického kódu.)

Frekvence jednotlivých typů substitucí
Nový Původní A T C G A , , ,5 T , , ,3 C , , ,6 G , , , celkem , , , ,5 Procento nukleotidových záměn fij, 105 pseudogenů u člověka

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

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

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

Zvýšená frekvence nesynonymních mutací v genech spojených s imunitou
místo vázající antigen 20 60 80 100 40 nukleotidové záměny (100) D2 doména DPB vs DPB DPB vs DQB DPB vs DRB DQB vs DQB DQB vs DRB DRB vs DRB nesynonymní synonymní Poměr počtu nesynonymních a synonymních substitucí v různých oblastech molekul MHC II. Graf ukazuje počty nesynonymních (tmavé sloupce) a synonymních (prázdné sloupce) substitucí na nesynonymní nebo synonymní místo ve dvou oblastech molekul MHC II. Porovnávány byly jednak produkty různých MHC-genů (tučné písmo), jednak různé alely stejných MHC-genů (obyčejné písmo). V oblasti vázající antigeny, přesněji řečeno peptidy, převažují nesynonymní substituce, naopak v ostatních doménách, podobně jako je tomu u většiny jiných proteinů, převažují substituce synonymní. Převahu nesynonymních substitucí v místech vázajících antigen lze nejsnáze vysvětlit působením pozitivní selekce, která je vzhledem k relativně vysoké divergenci právě jednotlivých alel stejného MHC-genu ve srovnání s divergencí jednotlivých genů (srovnej s poměry ve druhé doméně) nejspíše selekce závislá na frekvenci. Data podle Hughese a Neie (1989), upraveno podle Pagea a Holmese (2001).

Zvýšená frekvence nesynonymních mutací v genech spojených s rozmnožováním
0,30 0,25 0,20 substituční rychlost 0,15 0,10 0,05 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)

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)

Nerovnoměrnost ve využívání synonymních kodónů pro leucin v různých typech genů
a) Escherichia coli b) Saccharomyces cerevisiae 100 silně exprimované geny 100 silně exprimované geny využítí kodónu (%) 80 využítí kodónu (%) 80 60 60 40 40 20 20 CUG CUA CUC UUG CUA CUC UUG UUA CUU UUA CUG CUU 100 100 využítí kodónu (%) 80 využítí kodónu (%) 80 slabě exprimované geny slabě exprimované geny 60 60 40 40 20 20 CUG CUA CUC UUG CUA CUC UUG UUA CUU UUA CUG CUU

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

Nerovnoměrnost v používání jednotlivých kodónů (codon-usage bias)
RSCU (relative synonymous codon usage) Xi RSCUi= n –počet synonymních kodónů Xi –počet výskytu i-tého kodonu n 1/n ∑ Xi i=1 CAI (codon adaptation index) Wi= RSCUi / RSCUMAX (L –délka sekvence) L CAI = √ ∏ wi L i=1

Častější využívání hojného kodónu u silně transkribovaných genů
40 E. coli 30 nerovnoměrnost v používání kodónů v genu (χ2) 20 10 7,82 3,84 Buchnera 0,2 0,4 0,6 0,8 index využití preferovaných kodónů v genomu(CAI)

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)

Selekce (negativní, pozitivní) Tahy (mutační, reparační, molekulární) Genetický posun Svezení se

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

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

Mutační tah Reparační tah X C G T A 5’ 3’ reparace deaminace
met T reparace deaminace A substituce

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

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

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

Paradox genetické komplexity
mnoho rostlin, někteří živočichové živočichové, některé rostliny houby bakterie 106 107 108 109 1010 1011 velikost genomu (počet párů bazí)

Evoluční tahy Mutační tah Reparační tah Molekulární tah

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

Genová konverze

Nelegitimní rekombinace I
a-b b b-a b-a

Nelegitimní rekombinace II
a-b a b-a b

Sklouznutí templátu

Sklouznutí DNA polymerázy
GCGCGCGCGCGCGCGC CGCGCGCGCGCGCGCG GCGCGCGCG G C GCGCGCGCGC GCGCGCGCGCGCGCGCGCGC CGCGCGCGCGCGCGCGCGCG

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

Role molekulárního tahu v divergenci druhů
b)

Selekce (negativní, pozitivní) Tahy (molekulární, meiotický, mutační, reparační) Genetický posun Svezení se

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.

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

Doba potřebná k fixaci mutace (Příklad)
Savec, generační doba 2 roky, efektivní velikost populace 106 jedinců Neutrální mutace: 8 milionů let Mutace se selekčním koeficientem ±0,01: 5800 let

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

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

Neutralita substitučních mutací
Testováno pomocí McDonald-Kreitmanova testu (2  2 kontingenční tabulka) 7

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

Selekce (negativní, pozitivní) Tahy (molekulární, meiotický, mutační, reparační) Genetický posun Svezení se

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

Vztah mezi divergencí sekvencí a počtem substitucí
ACTGAACGTAACGC ACTGAACGTAACGC ACTGAACGTAACGC A C T G A C T A A T T C Koincidence Paralelismus Konvergence Zpětná substituce Jednoduchá substituce Vícenásobná substit. A A TG T A G GAATCGC A C TG A A A GAATCGC

Jukes-Cantorův jednoparametrový model
α A G α α α α C T α 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) Jukes,T.H. Cantor, C.R. (1969) In: Mammalian protein metabolism. Munro,H.N. (Ed.) Acad.Press, New York

Převod z relativní na absolutní časovou škálu
T = K  substituční rychlost C B A T2 T2 = (2KABT1)/(KAC + KBC) T1 = (KAC + KBC)T2/2KAB T1

stáří molekulární (milionů let)
600 500 žralok 400 kapr stáří molekulární (milionů let) skokan 300 slepice aligátor 200 kunovec (vačnatec) 100 kráva (kalibrační bod) pavián 100 200 300 400 500 600 stáří paleontologické (milionů let)

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 S , ,16 ribosomální protein S , ,69 aktin , ,92 myosin , ,15 somatotropin , ,79 albumin , ,16 amylasa , ,42 Ig VH , ,76 interferon , ,50

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.

Hromadění nesynonymních substitucí v genech savců
cytosolická aspartát aminotransferáza aspartát aminotransferáza mitochondriální interleukin-6 interleukin-2 prolaktin interleukin-1β thrombomodulin laktoferin interleukin 1α IGF vázající protein aktivátor plasminogen urokinásy albumin somatotropin interleukin -7 alkalická fosfatáza střevní kortikotropin uvolňující faktor receptor somatotropinu fibrinogen γ IGF vázající protein 3 inhibitor aktivátoru plasminogenu terminální transferáza receptor TGF β3 β-1,4-galatosyl transferáza neurofysin II neurofysin I insulinu podobný růstový faktor 2 kyselá fosfatáza typu 5 ŕeceptor luteinizačního hormónu proopiomelanokortin alkalická fosfatáza jaterní TGF α1 neuroleukin β receptor acetylcholinu hexokináza I ornitin dekarboxyláza opsin protein disulfid osomeráza TGF β3 laktát dehydrogenáza A α receptor acetylcholinu insulinu podobný růstový faktor 1 D2 receptor dopaminu transporter glukozy TGF β2 ATP synthetáza α myelin proteolipid konexin ATP synthetáza β karboxypeptidáza 0,8 0,6 substituce/nukleotid 0,4 0,2

Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu
Oblast počet substitucí 5' netranskribovaná oblast genu ,0 4-degenerované pozice ,6 introny ,1 3' netranskribovaná oblast genu ,8 pseudogeny ,1 Rozdíly mezi kravskými a kozími globinovými geny a pseudogeny (substitucí/nukleotid/109 let).

Rozdíly v substitučních rychlostech mezi různými oblastmi genomu
substitucí/nukleotid za 109 let

Test rovnoměrnosti chodu molekulárních hodin ve dvou větvích
(Relative rate test, Margoliash 1963 a Sarih & Wilson 1973) KAB = KOA + KOB KAC = KOA + KOC KBC = KOB + KOC

Test rovnoměrnosti chodu molekulárních hodin II
??? O KOA - KOB = 0 KOA - KOB = KAC - KBC = d V(d) = V(KAC) + V(KBC) + 2V(KOC) A B C p - p 2 p -proporce neshodných nukleotidů, V(K) = L -délka sekvence 4 ( ) L 1- p 3 ] Abs(d) $ 2SE d P # 5% abs(d) ≥ 2,0SE d : p ≤ 0,05 abs(d) ≥ 2,7SE d : p ≤ 0,01 3 ( ) 4/3 K OC ] 1 - e p = Abs(d) $ 2,7SE d P # 1% 4 OC

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 Vliv mutační rychlosti (reparační mechanismy) Demografické faktory (rostoucí populace, malá nebo fluktuující populace) Intenzita rekombinací a svezení se

Efekt generační doby Rychlost synonymních nukleotidových substitucí pro některé dvojice druhů. Doba divergence Rychlost (mil. let) (x 109/rok/nukleotid) člověk-šimpanz (5-10) ,3 (0,9-1,9) kráva-koza (12-25) ,2 (2,9-6,0) myš-krysa (10-30) ,9 (3,9-11,8)

Rozdíly v substituční rychlosti v genu pro albumin mezi liniemi
(relativní jednotky) x3 (0,121) člověk x2 (0,192) krysa x1 (0,613) slepice za 75 mil od divergence myši a člověka došlo k substituci v každé druhé bázi, dvakrát více jich bylo v myší linii

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

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

Závislost substituční rychlosti pro mírně škodlivé mutace na velikosti populace
0,002 0,0015 draft (hitchhiking) substituční rychlost 0,0010 0,0005 genetický drift 5000 10000 15000 20000 velikost populace

Změny v substitučních rychlostech v čase
Wallis M J.Mol.Evol. 53, Studium změn substituční rychlosti v genech pro 8 savčích hormonů v průběhu delších období fylogeneze. 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.

Somatotropin čas (mil. let) possum slepec křeček myš morče slon kůň
pes prase lama srnec kráva ovce králík lori makak člověk krysa (16) 71 1 5 2 17 12 4 50 100 150 200 čas (mil. let)

Prolaktin čas (mil. let) possum myš slon kůň kočka prase velbloud
kráva ovce králík makak člověk krysa (13) 33 1 3 8 5 37 2 51 59 14 22 21 50 100 150 200 křeček čas (mil. let)

Závislost substituční rychlosti na tělesné hmotnosti
10 hlodavci psi koně husy primati medvědi divergence sekvencí (%/milion let) želvy 1 mloci velryby pstruzi žáby želvy mořské želvy žraloci 0,1 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 tělesná hmotnost (kg)

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

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.)

Polymorfismus Polymorfismus prvního a druhého druhu
Převaha synonymních mutací Z teorie driftu vyplývá, že míra polymorfismu by měla klesat s růstem velikosti populace - neplatí Polymorfismus je spíše určován draftem

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 Pro jeden lokus: h = 1 - ∑xi (pro m alel, Xi – frekvence i-té alely v populaci) Průměrná genová diverzita pro všechny studované lokusy: H = 1/n ∑ hi

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

Nukleotidová diversita
GAGGTGCAACAG GCGGTGCAACAG GTGGTGCAACAG GGGGTGCAACAG GAGGTGCAACAG GAGGACCAACAG GAGGTGCATCAA GGGGTGGAACAG ∏ij = ∑xiyjπij πij

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 huejedjjkekllkek

Evoluce sekvence DNA.

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "Evoluce sekvence DNA."— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář

Přihlásit se

Přihlásit se přes sociální síť:

Evoluce sekvence DNA.

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "Evoluce sekvence DNA."— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář