Transcript mutacija i selekcija

Faktori koji menjaju genetičku
strukturu populacija
-evolutivni faktorimutacija
selekcija
genetički drift
protok gena
Mutacije




Germinativne mutacije samo imaju efekat
na genetičku strukturu populacije
Genske, hromozomske, DNK polimorfizmi
Slučajni dogadjaji
Osnovni izvor varijabilnosti genofonda





Mutacije
promene u genima,
hromozomima
slučajni dogadjaji
spontane / indukovane
germinativne/somatske
nasledne
kroz generacije
u populacijama
nastanak tumora
karcinogeneza
delovanjem agenasa,
mutagena

učestalost mutacija
broj mutacija po gametu, spori, populaciji...


stopa mutacija -
promena učestalosti,
po generaciji
po ćelijskoj deobi
po replikaciji
stopa spontanih genskih mutacija je niska: 10-4-10-8

A1  u  A2
u  stopa mutacije





učestalost alela A1 u sledećoj generaciji
p’ = p – up
= p (1 - u),
a opseg promene
p = p – p’
= p - p (1 - u)]
Ako ovaj proces teče iz generacije u generaciju, nakon t generacija
učestalost alela A1 biće
pt = p (1 - u) t
Stopa zamene jednog alela, ukoliko samo deluje mutacija, po stopi 10-5
POVRATNE MUTACIJE




A1  u  A2
A1  v  A2
p’ = p - up + vq
p = p’ - p
= (p - up + vq) - p
= vq – up





p = 0 (mutaciona ravnoteža)
upe = vqe
pe + qe = 1
q e = 1 - pe
upe = v(1 - pe)
upe + vpe = v
pe = v / (u + v)
qe = u / (u + v)
Uspostavljanje ravnotežne učestalosti
je nezavisno od početne učestalosti alela
zavisi samo od stopa mutacija u oba smera
GENSKE MUTACIJE
bez efekta na fenotip
1.
2.
“tihe”- NE MENJAJU AMINO KISELINU
neutralne – MENJAJU AMINO KISELINU
NE MENJAJU POLIPEPTID
sa efektom na fenotip
1. na nivou translacije proteina
nonsens zaustavljanje translacije
missens zamena amino kiseline
“frameshift”- promena celog polipeptida
U odnosu na adaptivnu vrednost
1. NE UTIČU NA ADAPTIVNU VREDNOSTI
2. UTIČU NA ADAPTIVNU VREDNOST
molekul DNK
SNP(polimorfizmi pojedinačnih
nukleotida)
vezani SNP van gena
bez efekta na stvaranje
i funkciju proteina

mesta u genomu po kojima se osobe
razlikuju u pojedinačnim nukleotidima

DNK


uzročni SNP u genu
nekodirajući SNP menja
količinu stvorenog proteina
kodirajući SNP menja
aminokiselinsku sekvencu

profilisanje
mapiranje,
odredjivanje takvih mesta u genomu
Baze podataka, upotreba u biomedicini,
farmaciji
neki SNP utiču na osobinu, neki su
neutralni(markeri)
SNP može biti u asocijaciji sa osobinom
jer je statistički korelisan sa nekom
uzročnom varijantom
http://learn.genetics.utah.edu/units/pharma/phsnipping/
prirodna selekcija
genetička
raznovrsnost
raznovrsnost
+ spoljne sredine 
fenotipska
raznovrsnost

raznovrsnost u
adaptivnoj vrednosti
ADAPTIVNA VREDNOST (W) - FITNES
relativna sposobnost različitih genotipova
da prenesu svoje alele budućim generacijama
relativna mera reproduktivnog uspeha genotipova
fenotip-sredina
isti genotip ima različite adaptivne vrednosti u različitim sredinama
SELEKCIONI KOEFICIJENT (S)
stepen smanjenja adaptivne vrednosti
s+w=1
osnovne komponente adaptivne vrednosti : vijabilitet i fertilitet
(broj potomaka, fekunditet, uspešnost u parenju, broj polno zrelih jedinki, itd...)
G e n o t i p
A1A1
Broj polno nezrelih jedinki
Broj jedinki koje su dostigle polnu zrelost
Vijabilitet
Broj potomaka
Fertilitet
Adaptivna vrednost (apsolutna)
3/4 x 6/3
Relativna adaptivna vrednost (W)
1,5 : 1,5 = 1
Selekcioni koeficijent (s = 1 - W)
A1A2
A2A2
4
6
4
3
5
3
3/4
5/6
3/4
6
9
2
6/3
9/5
2/3
= 1,5 5/6 x 9/5 = 1,5
3/4 x 2/3 = 0,5
1,5 : 1,5 = 1
0,5 : 1,5 = 0,33
0
0
0,67
Pojednostavljeno.....
G e n o t i p
Broj jedinki koje se pare
Broj potomaka
Prosečan broj potomaka
po roditelju (fertilitet)
A1A1
16
128
A1A2
128/16 = 8
Relativni broj potomaka
(adaptivna vrednost; W)
8/8 = 1
Selekcioni koeficijent (s =1 - W)
max. br.
0
10
40
40/10 = 4
4/8 = 0,5
0,5
A2A2
20
40
40/20 = 2
2/8 = 0,25
0,75
Selekcija
deluje na različitim stadijuma životnog ciklusa




Prirodna selekcija je odraz
razlika u adaptivnoj vrednosti
medju jedinkama populacije
Prednost pojedinih genotipova
Povećanje adaptivne vrednosti
pojedinih genotipova
Veći doprinos pojedinih alela
adaptivnoj vrednosti – viša
učestalost u narednoj
generaciji
Delovanje i efekat prirodne selekcije
učestalost genotipova pre i posle selekcije
G e n o t i p
A1A1
A1A2
učestalost pre selekcije
A2A2
Ukupno
p2
2pq
q2
1
Relativni fitnes
W11
W12
W22
-
učestalost posle selekcije
p2W11
q2W22
W
Relativne učestalosti
(p2W11) /W
W = p2W11 + 2pqW12 + q2W22
2pqW12
(2pqW12) /W
(q2W22) /W
prosečan fitnes populacije
1
promena alelske učestalosti posle delovanja selekcije
q’ = (q2W22) / W¯ + (1/2) (2pqW12) /W
= (q2W22+ pqW12) /W
= q (qW22 + pW12) /W
qW22 + pW12 je prosečan fitnes alela A2, W2 (fitnes alela je odredjen fitnesom genotipova)
q’ = q (W2 /W)
Ako je prosečni fitnes alela A2 veći od prosečnog fitnesa populacije
tada jeW2 /W >1 i q’ > q i učestalost alela A2 će porasti u populaciji
Učestalost alela koji doprinosi višem fitnesu će porasti u populaciji
Promena alelskih učestalosti – kvantifikovanje populaciono genetičkih promena
q = q’ - q
1)
preko adaptivnih vrednosti
q = q (qW22 + pW12) /W - q
= q (qW22 + pW12) / (p2W11 + 2pqW12 + q2W22) - q
= pq p(W12 - W11) + q(W22 - W12) /W
"aditivni" ili "prosečni" efekat zamene gena
A2A2  A1A2  A1A1
mora postojati varijabilnost
W = p2W11 + 2pqW12 + q2W22 prosečan fitnes populacije
populacija teži maximalnoj W
Promena alelskih učestalosti – kvantifikovanje populaciono genetičkih promena
G e n o t i p
A1A1
A1A2
Relativni fitnes
učestalost pre selekcije
učestalost posle selekcije
Relativne učestalosti
W11
p2
2
p W11
(p2W11) /W
A2A2
Ukupno
W12
W22
2pq
q2
1
2
2pqW12
q W22
W
2
(2pqW12) /W
(q W22) /W
1
2)
preko selekcionog koeficijenta
G e n o t i p
A1A1
Relativni fitnes
učestalost pre selekcije
Procenjeni doprinos
učestalost posle selekcije
1
p2
p2
p2 / (1-sq2)
Ukupno
A1A2
A2A2
1
2pq
2pq
2pq / (1-sq2)
1-s
q2
q2(1-s)
q2(1-s) / (1-sq2)
prosečan fitnes populacije
W = p2(1) + 2pq(1) + q2(1-s) = p2 + 2pq + q2 - sq2 = 1 - sq2
1
_
1
1-sq2
Promena alelskih učestalosti – kvantifikovanje populaciono genetičkih promena
2)
preko selekcionog koeficijenta
Nove alelske učestalosti posle delovanja selekcije
q’ = (1/2)(2pq) / (1-sq2) + q2(1-s) / (1-sq2)
= pq + q2(1-s) / (1-sq2)
= q(p+q-sq) / (1-sq2)
= q(1-sq) / (1-sq2)
Promena alelskih učestalosti
q = q(1-sq) / (1-sq2) - q
= q(1-sq) - q(1-sq2) / (1-sq2)
= q(1-sq-1+sq2) / (1-sq2)
= (-sq2p) / (1-sq2).
Promena alelske učestalosti usled selekcije
u zavisnosti od stepena dominantnosti (h) posmatranog alela
p = - spq h - (2h - 1) q / (1 - 2hspq - sq2).
osnovni tipovi delovanja prirodne selekcije
W11=W12=W22=1
nema selekcije
(W11=W12)<1, W22=1
selekcija protiv dominantnog alela
(W22<1), (W11=W12)=1
selekcija protiv recesivnog alela
(W11 i W22)<1, W12=1
overdominansa- favorizovanje heterozigota
W12<(W11 i W22)=1
selekcija protiv heterozigota
Od čega će zavisiti efikasnost selekcije?
početno q=0.99
Intenzitet selekcije varira
u zavisnosti od razlika u W
ex: štetni alel je kodominantan, heterozigoti
imaju različiti fitnes
viša početna učestalost
veće razlike u fitnesu
jači selekcioni pritisak
niska početna učestalost
male razlike u fitnesu
(W11=W12)<1, W22=1
selekcija protiv dominantnog alela
favorizovanje recesivnog alela
Različite početne učestalosti alela i različiti selekcioni koeficijenti
utiču na efikasnost selekcije
(W22<1), (W11=W12)=1
selekcija protiv recesivnog alela
različite učestalosti alela u populaciji
utiču na efikasnost selekcije
eliminacija samo homozigota sa
štetnim recesivnim alelom recesivni alel ostaje u populaciji
Promena alelske učestalosti usled selekcije u zavisnosti
od stepena dominantnosti (h) posmatranog alela
EX:
A1 = retki povoljni alel u populaciji
s=0.5
različiti stepen dominantnosti, h
A2A2
A1A2
A1A1
1-s
1-s/2
1
semidominantnost (h=1/2)
jednak efekat i na A1 i na A2
favorizovanje dominantnog alela
A2A2
A1A1
A1A2
1-s
A2A2
1-s2
1
A1A1
1-s1
A1A2
1
favorizovanje heterozigota
A2A2
1-s
A1A2 A1A1
1-hs
1
favorizovanje recesivnog alela-neefikasno
(WSS i WAA)<1, WAS=1
s1
s2
overdominansa- favorizovanje heterozigota
malarija, protiv AA
srpasta anemija, protiv SS
qe= s1/s1+s2
Efekat selekcije na učestalost alela u prirodnom populacijama.
a)
Učestalost alela koji se odnosi na rezistenciju na insekticid,
b)
Učestalost alela lokusa za enzim koji je nevezan
sa metabolizmom insekticida
populacije izložene insekticidu i neizložene
brzo širenje povoljnog retkog alela ,
Boja tela Biston betularia
MUTACIJA (carbonaria)
nove mutacije
industrijski melanizam
Niska početna učestalosti alela ali visok selekcioni koeficijent
odnosno prednost genotipova koji sadrže mutirani alel vodi brzoj
promeni učestalosti
Favorizovanje alela prirodnom selekcijom
- primer selekcije ka povećanju učestalosti dominantnog alela







Enzim laktaza je lociran u ćelijama tankog creva i služi da razgradi laktozu iz
mleka
Postoji varijabilnost u sposobnosti (odraslih) ljudi da vare laktozu iz mleka
(posebno drugih vrsta)
Osobina – netolerancija na laktozu, selektivna hipolaktazija, se nasledjuje
autozomalno recesivno. I pretranskripciona i posttranskripciona regulacija
su uključene u nisku ekspresiju enzima.
Osobina - tolerancija na laktozu se nasledjuje dominantno i visoka
učestalost u nekim populacijama je rezultat najjačeg poznatog selekcionog
pritiska, favorizovanja dominantne mutacije
Tolerancija uključuje izmene u regulaciji ekspresije gena za enzim laktazu i
uzrokovana je višesturkim nezavisnim mutacijama koje su dostigle visoku
učestalost u različitim populacijama, zbog koristi od konzumiranja mleka
Entero bakterije mogu modifikovati netoleranciju ka toleranciji
Primer biokulturološke evolucije


Istorijski, mleka (sopstvene vrste) nema nakon dojenja i laktaza
postaje beskorisna, čak i problematična u varenju, pa je najpre
evolutivno-genetički bilo favorizovano smanjenje produkcije laktaze i
netolerancija je održavana
Istorijsko ekonomski uzroci nastanka tolerancije - oslanjanje na
stočarstvo, čime se omogućava konzumiranje mleka i posle dojenja,
i uslovi čuvanja svežeg mleka

Sa razvijanjem stočarstva, u tim populacijama javila se prednost
alela ka toleranciji
Potomci ovih naroda su uglavnom evropske grupe i one imaju češću
toleranciju na laktozu (i hladnija je klima i razvijenije čuvanje mleka
pa su tolerantni imali još veću prednost)

u Africi je učestalija netolerancija, osim onih grupa koje se oslanjaju
na stočarstvo, kao Fulani i Tutsi koji su tolerantni na laktozu

Učestalost netolerancije






The American Journal of Clinical Nutrition (1994)
u Evropi učestalost raste ka istoku i jugu, skoro 70% u južnoj Italiji i
Turskoj, Scandinavia i Northwest Europe (3-8%)
Preko 50% u South America, Africa, Asia, skoro 100% u većem delu
Southeast Asia.
U USA, 15% medju kavkascima, 53% medju Mexican-Americans i
80% u afrikanskoj populaciji.
Australia, New Zealand 6% i 9%.
Generalno, oko 2/3 sveta ima neperzistentnu aktivnost laktaze
Prirodna selekcija i kvantitativne osobine u populaciji
Efekat 3 tipa selekcije
na srednju vrednost osobine u populaciji
X0 je srednja vrednost osobine pre selekcije
X1 je srednja vrednost osobine posle selekcije
STABILIZIRAJUĆA SELEKCIJA
najviši fitnes imaju srednji fenotipovi