1 / 56

Evoluce sekvence DNA

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

vida
Download Presentation

Evoluce sekvence DNA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  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. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Molekulární hodiny

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

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

  9. 100 D2 doména místo vázající antigen 80 nukleotidové záměny (100) 60 40 20 0 0 DQB vs DQB DQB vs DQB DQB vs DRB DQB vs DRB DPB vs DQB DPB vs DPB DPB vs DPB DPB vs DRB DRB vs DRB DPB vs DQB DPB vs DRB DRB vs DRB Zvýšená frekvence nesynonymních mutací v genech spojených s imunitou nesynonymní synonymní

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

  11. 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) Vliv selekce na genofond druhu a populace

  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) • Dlouhodobé udržování polymorfismu (stabilizující [balancing] selekce)

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

  14. 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

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

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

  17. 5’ 3’ 5’ 3’ X X C G X X X X T G X X met X X G C X X X X A C X X 3’ 5’ 3’ 5’ deaminace substituce 5’ 3’ 5’ 3’ X X T G X X X X T G X X X X G C X X X X G C X X 3’ 5’ 3’ 5’ reparace reparace 5’ 3’ 5’ 3’ X X C G X X X X C G X X X X G C X X X X G C X X 3’ 5’ 3’ 5’ Mutační tah Reparační tah

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

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

  20. a) deaminace MET-cytosinu reparace GT  GC m 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

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

  22. Evoluční tahy • Mutační tah • Reparační tah • Molekulární tah

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

  24. Role molekulárního tahu v divergenci druhů a) b)

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

  26. 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 = 1/2NN: počet jedinců v populaci Obecněji: Pravděpodobnost fixace určité neutrální alely je rovna její frekvenci v populaci.

  27. 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/Ne Doba (podmíněná) fixace neutrální mutace: T = 4 Ne (Generací) Doba (podmíněná) fixace selekčně významné mutace: T = (2/s) ln (2 Ne) (Generací)

  28. 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

  29. 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

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

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

  32. 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

  33. Obsah • Druhy molekulárních znaků • Mechanismy šíření a fixace molekulárních znaků • Molekulární hodiny

  34. Vztah mezi divergencí sekvencí a počtem substitucí p=3 K=12 ACTGAACGTAACGC ACTGAACGTAACGC ACTGAACGTAACGC C T G C T T C T A A A A Koincidence Paralelismus Konvergence Zpětná substituce Jednoduchá substituce Vícenásobná substit. A A TG T A G GAATCGC A C TG A A A GAATCGC

  35. 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

  36. 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

  37. 600 500 žralok 400 kapr skokan stáří molekulární (milionů let) 300 slepice aligátor 200 kunovec (vačnatec) 100 kráva (kalibrační bod) pavián 0 0 100 200 300 400 500 600 stáří paleontologické (milionů let)

  38. 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

  39. 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.

  40. 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 0

  41. 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/109 let).

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

  43. 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

  44. Efekt generační doby Rychlost synonymních nukleotidových substitucí pro některé dvojice druhů. Doba divergence Rychlost (mil. let) (x 109/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)

  45. 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

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

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

More Related