Molekulski sat iMolekulski sat igenealogija genagenealogija gena

Molekulski satMolekulski sat

• geni evoluiraju dovoljno konstantnom stopom da se mogu koristiti pri proceni vremena divergencije populacija i drugih taksona

• ukoliko evolucione promene taksona vode njihovoj divergenciji i ukoliko se evolucione linije menjaju istom i konstantnom stopom → broj razlika između dva taksona (populacije, vrste, rodovi,...) direktan pokazatelj vremena odvajanja od zajedničkog pretka

• opseg vremena divergencije

Slabosti molekulskogSlabosti molekulskogsatasata

• Različite stope mutacija

• Vreme generacija različitih vrsta– Npr. molekulski sat glodara kuca 2-3 puta brže od

molekulskog sata primata

““lokalni molekulski satlokalni molekulski sat”” za grupu za grupu srodnih taksonasrodnih taksona

• Primer ψη-globinskog pseudogena kod 5 vrsta primata (čovek, šimpanza, gorila, orangutan i rezus majmun)– Prosečna stopa zamene nukleotida u nekoj evolucionoj

liniji može se proceniti ukoliko imamo podatke o apsolutnom vremenu divergencije

– Najstariji fosil superfamilije Cercopithecoidea star 25 My- to je minimalno vreme divergencije Macaca i hominoidea

Primer:Primer: ψηψη--globinskiglobinskipseudogenpseudogen

• sekvencirano 10 000 baza• 457 nukleotidnih zamena u ev. liniji ka rezus majmunu• broj nukl. zamena u evolucionoj liniji ka čoveku =

= 76+14+70+150 = 31076

92

14

94

70

199

150

457

Homo

Pan

Gorilla

Pongo

Macaca

Primer: Primer: ψηψη--globinski pseudogenglobinski pseudogen

- stopa zamene nukleotida u evol. liniji ka Macaca =

= 457/10000bp/25My = 1.83∙10-3 na 1 My = 1.83∙10-9 po godini

- stopa zamene nukleotida u evol. liniji koja je vodila ka Homo od zajedničkog pretka svih Cercopithecoidea =

= 310/10000bp/25My = 1.24∙10-3 na 1 My

- prosečna stopa nukleotidnih zamena u svakoj evolucionoj liniji

r = (457+310)/2 = 383.5/10000/25My = 1.534∙10-3 na 1 My

Vreme divergencije (t) na osnovu molekulskog sata (r) D = 2rt

t = D / 2r

Proporcija razlika u sekvenci

Evoluciona istorija polimorfizama- genealogija gena i teorija slivanja -

Genealogija genaGenealogija gena -- logikalogika

• Postupak vraćanja unazad kroz vreme i pronalaženje predačkih varijanti gena u prethodnim generacijama

• „ispadanje gena“ ili „ispadanje mutacija“ (engl. gene dropping, mutation dropping) unazad kroz vreme

• Linije gena će se spajati (slivati) uvek kada dve jedinke imaju istog roditelja

• DNK sekvence su nasleđene od roditelja i biće identične u potomstvu ukoliko se nije desila mutacija

• Mutirana kopija potiče od nekog predačkog gena u prethodnoj generaciji→ n alela jednog gena u generaciji t potiče od n-1 alela u generaciji t-1, oni od n-2 alela u generaciji t-2, itd.

Obrnuta priObrnuta priččaa

• Na početku beše 10 alela: A B C D E F G H J K

• Nosioci A ne ostave potomstvo, E mutira u E1 (nova varijanta): B C D E E1 F G H J K

• U narednim generacijama se sve to ponavlja, neki se gube, novi nastaju (ako je populacija konstantne brojnosti, postojaće konstantan broj različitih alela – novi se generišu, stari eliminišu - “ravnoteža drifta i mutacija” ).

• Nakon više generacija: B B2 B4 E1 E3 K2 K3 K5 K7 K8

• Varijante od samo 3 početna alela.

• Kako vreme odmiče, sve je veća verovatnoća da ostanu varijante samo jednog originalnog tipa.

GenealogijaGenealogijagenagena

• Genealogija gena u sadašnjoj populaciji se „sliva“ (ukorenjuje, engl. coalesce) unazad do jednog zajedničkog pretka (MRCA).

• populacija se u svakoj generaciji unazad sastoji od potomaka sve manjeg i manjeg broja originalnih predačkih kopija gena.

• gledajući unazad kroz vreme, sve kopije gena u generaciji tpredstavljaju potomačke kopije jednog jedinog gena.

TMRCA TMRCA

-- TTime to ime to MMost ost RRecent ecent CCommon ommon AAncestor ncestor --

• broj generacija potreban za slivanje sekvenci do predačke varijante gena

1

2 2

11

2

1

j

NNjtP

- k predačkih alela iz jedne populacije vodi poreklo od k-1 alela prethodne generacije, a oni od k-2 predačkih alela, itd. - Npr. 2 alela uzorkovano u populaciji veličine N (ukupno 2N alela)- verovatnoća da su 2 alela identična po poreklu (IBD) je- verovatnoća da 2 alela nisu IBD je

- Verovatnoća da 2 alela imaju zajedničkog pretka u j-toj generaciji je:

Raspodela verovatnoća (t je promenljiva) ima oblik geometrijske raspodele (aprox

eksponencijalnom), pa je E(t) ili TMRCA = 2N

N

t

NjtP

2

2 2

1

ili

N2

1

N2

11

• TMRCA iznosi: – 2Ne za bilo koje dve kopije gena kod diploidnih

organizama

– 4Ne generacija za multipne alele u populaciji diploidnih organizama,

– Ne generacija za mitohondrijske ili NRY gene koji su efektivno u haploidnom stanju i prenose se uniparentalno.

TMRCA TMRCA –– druge procenedruge procene

““Mitohondrijalna EvaMitohondrijalna Eva””

• 1987 Cann i sar. – RFLP mtDNK na 147 žena iz 5 populacija (12 restr. enzima, 133 haplotipa).– Genealoško stablo – Vreme slivanja 200 000

god. (pliocen)– Predački haplotip afričkog

porekla

Kasnije studije – vreme slivanja 100 000 – 200 000 godina.

• Kod čoveka “Y Adam” – TMRCA nekoliko hiljada godina posle Eve - manja stopa mutacija na Y markerima od mtDNK i veća reproduktivna varijansa.

• Autozomalni geni – očekivano duže vreme slivanja– 4 puta veća Ne matematički gura TMRCA unazad kroz

vreme

– Neke studije - vreme nastanka polimorfizma od 500 000 godina, pa čak i više od 2 miliona godina.

ZakljuZaključčci iz geneci iz geneaalogijalogija

• Potvrda ¨out of Africa¨ modela evolucije čoveka

• Najveća genetička varijabilnost u Africi iz dva razloga:– Najduže vreme za akumulaciju mutacija i

diferencijaciju populacija– Efekat osnivača

¨Sa stanovišta genetičke varijabilnosti na većini lokusa, izgleda da smo svi mi Afrikanci, bilo da živimo na tom kontinentu ili u skorašnjem egzilu¨

Svante Pääbo

Drevna DNK (Drevna DNK (ancient DNAancient DNA))

• Pomiriti genetičku i paleontološku perspektivu evolucije čoveka –

analiza DNK iz fosila

• Fragmentisana - “jumping PCR”• Potpuno uništena (do nukleotida) - neupotrebljiva• Prljava (kontaminirana, modifikovana)

NeandertalacNeandertalac

• 1997. Krings i sar. izolovali i mtDNK i sekvencirali hipervarijabilni segment iz neandertalca.

• Sekvence su van varijacije u ljudskim populacijama.

• Poslednji zajednički predak čoveka i neandertalca pre 500 000 god.

NeandertalacNeandertalac

• 2 moguća odgovora:

- nije bilo međusobnog ukrštanja

- neandertalski mitohondrijalni uticaj je izgubljen usled drifta

ŠŠta se desilo neandertalcima?ta se desilo neandertalcima?

1. SCENARIO: protok gena između neandertalaca i starih populacija H. erectusavan Afrike → očekivali bismo mnogo veće razlike između savremenog čoveka i neandertalca.

2. SCENARIO: ukrštanja kasnih neandertalaca i populacija savremenih ljudi u zapadnoj Evropi i Aziji → očekivali bismo najveće sličnosti neandertalaca sa tim savremenim populacijama.

3. SCENARIO: ukrštanja neandertalaca sa predačkom populacijom svih ne-Afrikanaca → očekivali bismo podjednaku sličnost sa svim van-afričkim populacijama!

1 – 4% genoma savremenih ne-Afrikanaca potiče od neandertalaca!

4. SCENARIO: substrukturiranost u Africi nakon odvajanja linije neandertalaca

ŠŠta se desilo ta se desilo neandertalcima?neandertalcima?

• 70% savremenih ljudi nosi alele iz D haplogrupe (37 000 god)

intenzivna selekcija

MCPH1 gen

Mogući scenario (Evans et al. 2006): -Dve izolovane populacije (više od 1 milion god.) – u jednoj fiksiran predački alel D haplogrupe-Populacija u kojoj je fiksiran D alel pripada arhaičnim (ne savremenim) ljudima!

-Zašto?-Kod savremenih ljudi bi se uočio takav skorašnji prolazak kroz usko grlo i na drugim lokusima.-Savremeni Afrikanci imaju najmanju učestalost D alela.-U to vreme savremeni ljudi su naseljavali evroazijski kontinent.

““DenisovciDenisovci””

• Pećina Denisova u južnom Sibiru

• Fosilni ostaci starosti od oko 40 000 godina,

• mtDNK: 385 bp razlika u odnosu na ljude i 376 bp razlika u odnosu neandertalce

• Vreme divergencije: – 1 do 0.8 mil. god. od evol. linije ka savremenim ljudima

– Pitanja migracija drevnih vrsta!!!!

– Ukrštanja sa savremenim ljudima!!!!• 4 – 6% genoma kod Melanežana

• ali i kod još nekih grupa

UkrUkršštanja u Africitanja u Africi

• 61 nekodirajuća sekvenca u populacijama Biaka, San i Mandenka

• Kandidati za arhaične sekvence:

– Lokusi: 4qMB179, 13qMB107 i 18qMB60 (visok LD)

• Duboka filogenija – TMRCA pre 700 000 god.

• Vreme introgresije – 35 000 godina (na osnovu R)

• Mesto introgresije – centralna Afrika

Brojni fosili između 200 000 i 12 000 god. sa mešavinama fenotipskih karakteristika savremenih i arhaičnih ljudi.