Genetyka Czl Ewolucja Cwiczenia

  • View
    220

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

12331212333

Text of Genetyka Czl Ewolucja Cwiczenia

  • Dobr naturalny w sekwencjach genw

    Metody analizy

  • Podstawy ewolucji molekularnej

    Ewolucja sekwencji DNA i biaek

  • Zmiany genetyczne w ewolucji

    3

    } Mutacje} tworz nowe allele genw

    } Inwersje} zmieniaj ukad genw na chromosomach} mog uniemoliwi rekombinacj na danym odcinku i

    doprowadzi do utrwalenia haplotypu} Duplikacje

    } dotycz fragmentw DNA, w tym caych genw} lub caych chromosomw i caych genomw} gwne rdo innowacji ewolucyjnej

    } Transfer horyzontalny} w tym zdarzenia symbiotyczne

  • Substytucje

    4

    } Tranzycje zachodz w naturze czciej od transwersji} mimo tego, e moliwych transwersji jest wicej} stosunek ts/tv od ~2 (nDNA) do ~15 (mtDNA czowieka)} wyjtek mtDNA rolin} due rnice ts/tv u rnych grup organizmw

  • Tranzycje i transwersje

    5

    } Dlaczego tranzycje s czstsze?} Wyjanienia selekcyjne (tranzycje rzadziej zmieniaj

    aminokwas i czciej s neutralne)} Ale:

    } tranzycje s czstsze te w genach rRNA, pseudogenach i obszarach niekodujcych

    } tranzycje s czstsze w pozycjach 4-krotnie zdegenerowanych (kodony typu CUN Leu)

  • Tranzycje i transwersje

    6

    } Dlaczego tranzycje s czstsze?} Wyjanienia mechanistyczne mechanizmy

    powstawania i naprawy mutacji} Tranzycje powstaj w wyniku m. in.:

    } przej tautomerycznych} deaminacji (np. oksydacyjnej)

    } Tranzycje w mniejszym stopniu zaburzaj struktur podwjnej helisy podczas replikacji} mniejsza wydajno naprawy przez system MMR

    } Korelacje z:} zawartoci par G/C w genomie} aktywnoci transkrypcyjn} tempem metabolizmu

  • Modele ewolucji sekwencji

    7

    } Badajc ewolucj nie dysponujemy z reguy sekwencj przodka

    } Liczb mutacji musimy oszacowa na podstawie rnic midzy sekwencjami wspczesnymi

    } Konieczne jest uwzgldnienie wielokrotnych mutacji w tej samej pozycji, zwaszcza dla bardziej odlegych sekwencji

  • Modele ewolucji sekwencji

    8

    } Modele Markova stan w pokoleniu n +1 zaley tylko od stanu w pokoleniu n i regu przeksztacenia (macierz prawdopodobiestw zmiany stanw)

    } Modele o rnym stopniu skomplikowania} Mog uwzgldnia:

    } mutacje wielokrotne w tej samej pozycji (poprawka Poissona)

    } rne prawdpodobiestwa zmian nukleotydowych (lub biakowych)

    } rne prawdopodobiestwo mutacji w rnych pozycjach sekwencji

    } rne czstoci nukleotydw

  • Modele ewolucji sekwencji

    9

    } Modele Markova stan w pokoleniu n +1 zaley tylko od stanu w pokoleniu n i regu przeksztacenia (macierz prawdopodobiestw zmiany stanw)

    } Modele o rnym stopniu skomplikowania} Mog uwzgldnia:

    } mutacje wielokrotne w tej samej pozycji (poprawka Poissona)

    } rne prawdpodobiestwa zmian nukleotydowych (lub biakowych)

    } rne prawdopodobiestwo mutacji w rnych pozycjach sekwencji

    } rne czstoci nukleotydw

  • Modele ewolucji DNA model Jukesa-Cantora

    } Jednakowe czstoci nukleotydw

    (f=0,25)

    } Jednakowe prawdopodobiestwo kadej substytucji

    } Odlego po poprawce wynosi:

    } Przykadowo:

    DOBS=0.43 => DJC=0.64

    A C G T A 1-3 C 1-3 G 1-3 T 1-3

    10

    DJC = 34 ln(1

    43D)

  • Inne modele

    } Kimura (K80, dwuparametrowy) - rne prawdopodobiestwo tranzycji i transwersji

    } Felsenstein (F81), Hasegawa-Kishino-Yano (HKY85) - rne czstoci nukleotydw (F81) + rne prawd. tranzycji i transwersji (HKY85)

    } GTR (General Time Reversible, Tavare 86)

    11

  • Model GTR

    } Rne prawdopodobiestwo kadej substytucji (ale symetrycznie, czyli np. AT = TA) - 6 parametrw

    } Rne czstoci nukleotydw - 4 parametry

    12

  • } Proste modele zakadaj jednakowe prawdopodobiestwo zmiany w kadej pozycji - nierealistyczne

    } Rozkad prawdopodobiestw zmian w rnych pozycjach rozkad gamma

    Rozkad gamma

    13

  • Mutaje na poziomie kodu

    14

    } Mutacje mog:} zmieni kodon na inny, ale kodujcy ten sam aminokwas

    } mutacje synonimiczne} zmieni kodon na kodujcy inny aminokwas

    } mutacje niesynonimiczne} zmieni kodon na kodon STOP

    } mutacje nonsens} spowodowa zmian fazy odczytu} wpyn na ekspresj genu

  • Mutacje i dobr naturalny

    15

    } Efekty dziaania mutacji obserwujemy porednio} rnice sekwencji midzy populacjami (gatunkami)} polimorfizm sekwencji w obrbie populacji

    } Na allele wytworzone przez mutacje moe dziaa dobr

    } Za zmiany czstoci powstajcych alleli moe odpowiada dryf genetyczny

    } Obserwujemy mutacje utrwalone cakowicie lub czciowo (polimorfizmy) w puli genowej

  • Podstawowe pytanie ewolucji molekularnej

    16

    } Jaka jest rola dryfu i doboru w wyjanieniu obserwowanego zrnicowania sekwencji?} wewntrzpopulacyjnego (polimorfizmy)} midzygatunkowego

    } Pytanie dotyczy zrnicowania ilociowego!} Nikt nie podaje w wtpliwo tego, e adaptacje w

    ewolucji powstaj dziki dziaaniu doboru!

  • Dobor czy dryf?

    17

    } Selekcjonizm} wikszo utrwalonych mutacji zostaa

    wyselekcjonowana przed dobr} wikszo polimorfizmw jest utrzymywana przez dobr

    } dobr rwnowacy, naddominacja, dobr zaleny od czstoci

    } Neutralizm (Kimura, 1968)} wikszo utrwalonych mutacji zostaa utrwalona przez

    dryf} za wikszo polimorfizmw odpowiada dryf} mutacje utrwalane przez dobr s rzadkie, nie maj

    wpywu na ilociow analiz zmiennoci molekularnej

  • Mutacje i dobr

    18

    } niekorzystne (szkodliwe)} s < 0} eliminowane przez dobr (oczyszczajcy/negatywny)

    } neutralne} s 0 (a konkretniej, s 1/4N)} utrwalane przez dryf

    } korzystne} s > 0} utrwalane przez dobr (z udziaem dryfu dla niewielkich

    s)

  • Selekcjonizm i neutralizm

    19

    } Selekcjonizm: } wikszo mutacji jest niekorzystna} wikszo utrwalonych mutacji jest korzystna} mutacje neutralne s rzadkie (nie czstsze od

    korzystnych)

    } Neutralizm} wikszo mutacji jest niekorzystna lub neutralna} wikszo utrwalonych mutacji jest neutralna} mutacje korzystne s rzadkie (znacznie rzadsze od

    neutralnych)

  • Selekcjonizm i neutralizm

    20

    selekcjonizm

    neutralizm

    pan-neutralizm

    Neutralizm nie oznacza pan-neutralizmu, czyli negowania znaczenia selekcyjnego mutacji!

  • Przesanki teorii neutralnej

    21

    } Tempo zmian sekwencji i polimorfizm s zbyt due, by day si wyjani doborem

    } Stae tempo ewolucji molekularnej (zegar molekularny)

    } Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej istotne obszary biaek) ewoluuj szybciej, ni obszary kluczowe dla funkcji

  • Stae tempo ewolucji molekularnej

    22

    } Wiele sekwencji ewoluuje w staym tempie} Tempo to jest rne dla rnych sekwencji, ale stae w

    czasie ewolucji dla danej sekwencji

    } Tzw. zegar molekularny Rnice sekwencji globin

    krgowcw

  • Tempo ewolucji i dryf

    23

    } Neutralny dryf jest procesem losowym, ale jego tempo bdzie stae w odpowiednio dugim czasie

    } Zaley tylko od czstoci mutacji (jedna zmiana na 1/ pokole)

    } Dla doboru stae tempo zmian oznacza stae tempo zmian rodowiska

    } Tempo zmian adaptacyjnych nie wydaje si by stae

  • Zegar molekularny

    24

    } Jest konsekwencj neutralnego modelu ewolucji} Tempo akumulacji zmian w danej sekwencji jest stae

    } ale rne dla rnych sekwencji} Weryfikacja test wzgldnego tempa

    } W rzeczywistoci testuje stao tempa pomidzy gaziami, ale nie w czasie

    B C A

    KAC - KBC = 0

  • Zegar molekularny - problem

    25

    } W modelu neutralnym tempo utrwalania mutacji:

    } Powinno by stae w przeliczeniu na pokolenie} Czas generacji jest rny u rnych organizmw} Czyli nie powinna by obserwowana stao tempa

    w czasie rzeczywistym

    } A czsto jest (w tych sekwencjach, ktre zachowuj zegar)

    2N 12N =

  • Problem czasu generacji

    26

    } Czas generacji rnych organizmw jest istotnie rny

    } Dlaczego nie wpywa to na tempo utrwalania mutacji?

    ~3 pokolenia/rok

    ~0,03 pokolenia/rok

  • Zmiany prawie neutralne

    27

    } Model Kimury dotyczy zmian neutralnych (s = 0), takie nie s czste

    } Mutacje zachowuj si jak neutralne gdy spenione jest:

    } Mutacje o niewielkim wspczynniku doboru s bd zachowyway si jak neutralne w maych populacjach, a w wikszych populacjach bd podlegay doborowi

    s 14Ne

  • Zmiany prawie neutralne

    28

    } Istnieje odwrotna korelacja midzy czasem generacji a wielkoci populacji

  • Zmiany prawie neutralne

    29

    ~3 pokolenia/rok

    ~0,03 pokolenia/rok

    Dugi czas generacji Krtki czas generacji

    Mniej mutacji na rok Wicej mutacji na rok

    Populacja nieliczna (mae Ne) Populacja liczna (due Ne)

    Wicej mutacji zachowuje si jak neutralne i utrwala przez dryf

    Wicej mutacji podlega doborowi (i jest eliminowane przez dobr oczyszczajcy)

    s 14Ne

    Efekty czasu generacji i wielkoci populacji si znoszc, dajc stae tempo w czasie (Ohta

    & Kimura, 1971).

  • Zegar molekularny

    30

    } Dla sekwencji biaek i zmian niesynonimicznych w DNA zmiany jednostajne w czasie

    } Na poziomie DNA, } dla mutacji synonimicznych } pseudogenw} niektrych sekwencji niekodujcych

    } tempo ewolucji zaley od czasu generacji

  • Tempo ewolucji sekwencji a funkcja

    31

    Sekwencje o mniejszym znaczeniu funkcjonalnym (pseudogeny, mniej istotne obszary biaek) ewoluuj szybciej, ni obszary kluczowe dla funkcji

  • Degeneracja w kodzie

    32

    miejsce 2-krotnie

    zdegenerowane

    miejsce 4-krotnie

    zdegenerowane