Transcript 2014.02.19-25_Neutraalne_Molekulaarse_evolutsiooni_teooria

Molekulaarne evolutsioon ja
neutraalne molekulaarse evolutsiooni teooria
Molekulaarbioloogia
Populatsioonigeneetika
Molekulaarne evolutsioon
- makromolekulide evolutsiooni uurimine;
- geenide ja organismide evolutsioonilise ajaloo uurimine ehk
molekulaarne fülogeenia;
- (elu tekke ja päritolu uurimine)
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Looduslik valik – Neo-Darvinism
Juhuslik geneetiline triiv – Neutraalne
evolutsiooniteooria
Molekulaarsel tasemel on evolutsioon
jälgitav asendustena kas siis DNA või
valgu järjestuses (ka RNA).
Milline on valiku ja geneetilise triivi
vahekord molekulaarses evolutsioonis?
Motoo Kimura
1924-1994
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse
Evolutsiooni Teooria (NMET) tekkele oli valkude
varieerumisandmestiku teke.
Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel.
Tegelikult pinna-pealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata
DNAst) käis siiski valdavalt üle jõu.
1968
Nature
1969
Science
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi:
1. Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine
varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga
suured, et seletuda vaid LVga.
2. Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni
konstantsus.
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
neutraalse hüpoteesi üheks eelduseks on
Funktsionaalse piirangu erinevused
Page&Holmes 1998
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Selektsiooni koefitsient (s):
+ - kasulik mutatsioon – kasvav sagedus
0 - neutraalne
- triiv
- - kahjulik
- kahanev sagedus
Erinevus varasemast tähendusest kus maksimaalsele kohasusele (w)
anti väärtus 1 ja vähem kohaste kohasust väljendati 1-s.
Geeni järjestus:
..ACCCGTCAAGGGCCCAA...
Enamus mutatsioone kahjulikud
(deleterious)
selektsionistlik
neutraalne
pan-neutraalne
Kimura (1983)
tõi selle välja kui
vastuolus oleva
tema enda
teooriaga.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Neutraalne ja selektsionistlik mudel erinevad kasulike ja
neutraalsete muudatuste vahekorra poolest molekulaarsel
tasemel.
Neutralistid ei eita kohastumiste evolutsiooni valiku teel!
Pan-neutralism – peaaegu kõik neutraalsed: ei kõlba
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi:
1. Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine
varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga
suured, et seletuda vaid LVga.
2. Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni
konstantsus.
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura argumendid
geneetiline koormus
Kimura , liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
Varieeruvus & mutatsiooni kiirused on liiga suured et seletuksid
vaid LV-ga – nad tekitaks liiga suure geneetilise koormuse & LV
hinna ja segregatsiooni koormuse.
- kohaseim genotüüp,
wopt
w
w
opt
geneetiline koormus L =
wopt
L=1-w
populatsioon
keskmise kohasusega w
Kui palju iga indiviidi
kohasus on alla
populatsiooni optimumi.
(iga genotüübi kohasus korda tema sagedus)
Sisuliselt tähendab, kui suur on tõenäosus, et keskmine indiviid
antud populatsioonis sureb enne järglaste andmist kuna ta
kannab kahjulikku alleeli.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura argumendid
geneetiline koormus – L (genetic load)
geneetiline koormus
Kimura , liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
Kuna populatsioon koosneb lõplikust arvust indiviididest
talub ta ainult mingit lõplikku suurust geneetilist
koormust. Kui suurt? Ehk kui suurt mutatsioonikiirust?
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura argumendid
Geneetiline
koormus võib populatsioonis püsida mitmel põhjusel.
Geneetiline koormus
Mutatsiooni/valiku tasakaal (p*= m/s) on üks, kui kahjulik mutatsioon on
dominantne. m oli mutatsioonikiirus ja s selektsioonikoefitsent.
See tähendab, kui suur on tõenäosus, et keskmine indiviid antud
populatsioonis sureb enne järglaste andmist kahjuliku mutatsiooni tõttu.
genotüüp AA
kohasus 1-s
sagedus
p2
Aa
1-s
2pq
aa
1
q2
W = p2(1-s) + 2pq(1-s) +q2 =
= 1 –p2s -2pqs
Kuna p väikene, W = 1 -2ps
w =1 – 2m
Kui p*=m/s, siis
m = ps
Geneetiline koormus
võrdub siin kahekordse
mutatsioonikiirusega.
L=1-w = 1 – 1 - 2m =
L = 2m
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura argumendid
Geneetiline koormus
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
LV hind: suremus, mis on tingitud valikust
surevus
varieeruvus
selektiivne viljakus
LV hind (C ühik on populatsiooni suurus) summeerib surevuse
põlvkonniti kuni hetkeni, mil A’ on elimineeritud
Kujuta ette, et tekib suurt kohanemisvõimet
tagav mutatsioon, mille tõttu populatsioonis
kõigi seda mutatsiooni mitte kandvate
indiviidide kohasus saab võrdseks 0-ga. See
populatsioon sureks välja kuna ainus kohane
indiviid ei leiaks endale partnerit.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
Geneetiline koormus
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
LV hind
Hinnates diploidsete geenide keskmiseks piirhinnaks
(Cost) 30 ja järglaste andmise varu 10% rehkendas
J.B.S. Haldane (1957), et alleeliasenduste piiriks e.
max evolutsioonikiiruseks on 1 geeniasendus 300
põlvkonna kohta.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
Liiga suured mutatsioonikiirused
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol.
Kiirus seletumaks vaid LV ga
1960-ndate valgujärjestuste määramise eksperimentaalsed
andmed näitasid palju kiiremat evolutsiooni,
Kimura rehkenduses imetajate genoomi kohta, 1 aminohappeline
asendus keskmiselt 2-3 aasta kohta, ehk enam kui 100 korda
kiirem kui Haldane’i poolt rehkendatud taluvuse ülempiir
Loodusliku valiku toimimisel oleksid kõik imetajad selliste
asenduskiiruste juures ammu välja surnud.
Kimura lahendus oli muidugi lihtne:
„Järelikult on enamus mutatsioone
neutraalsed”
VASTUARGUMENT
FN
taustsurevus
Selektiivne
surevus
HARD SELECTION
Nt piiratud
ressursse
ekspluateeriv
kasulik mut.->
“Kohane õgard”
N
Täisk.“toimetab”
Täisk. taust-surevuse
Täisk.
Täisk.
Kui valik
piirides
Vasts.kasvu,Vasts.
ei põhjustaVasts.
ta LV hinna
mis omakorda
SOFT SELECTION
lubab kiiremat
evolutsiooni
Selektiivne
FN
taustsurevus
Iga teine
tunnus
surevus
N
N - arvukus
F - viljakus
Täisk.
Täisk.
Vasts.
Täisk.
Vasts.
Täisk.
Vasts.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura esit. probleem
Segregatsiooniline koormus (segregational
load) – leiab
aset,
kui
polümorfismi
säilitatakse
tänu
stabiliseerivale valikule, mis eelistab heterosügoote.
Niikaua, kui heterosügoote eelistatakse, püsib
geneetiline koormus Mendeli seaduste kohaselt ikka
ja jälle tekkivate homosügootide surmade tõttu.
Kuivõrd nähti, et polümorfisme on palju ja paljudes lookustes ja
ainukeseks mehhanismiks, mis lubas polümorfismil populatsioonis
püsida oli heterosügootne eelis, siis tekkis probleem:
* kui madalale langeb populatsiooni kohasus kui osa populatsioonist
on heterosügoodid paljudes lookustes?
Probleem tuli kahest valearusaamast:
1) kohasused on eranditult multiplikatiivsed (igal
mutatsioonil mingi pisike mõju kohasusele).
2) heterosügootne eelis on ainus mehhanism mis
hoiab populatsiooni polümorfsena.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
Liiga suur varieeruvus
Valkude elektroforeesiga (ebatäielik meetod) tuvastati
1960ndatel veel, et äädikakärbsel on:
30% valkudest polümorfsed ja seda
keskmise heterosügootsusega 10%.
Tollal lubas teoreetiliselt vaid heterosügootne eelis seletada
suurt hulka heterosügoote, seega
genotüüp
kohasus
AA
1-s
Aa
1
aa
1-t
Kust tasakaalulised p = t/(s+t) ja q = s /(s+t)
Ning heterosügootide osakaal
st
Keskmine kohasus w = 1 - s+t
(2pq)
Siit, w = 1 – H s, kus s = (s+t)/2
H = 2st/(s+t)2
(selle lookuse suhtes)
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
Liiga suur varieeruvus Viib võimatu nõudmiseni tavapärase heterosügootide
w=1–Hs
Kuivõrd äädikakärbsel 30% valkudest polümorfsed
keskmise heterosügootsusega 10% (üle genoomi).
Polümorfsete
lookuste
heterosügootsus
Tunnused,
mis alluvad
valikule ei pea esinema
0.1/0.3=0.33.
sõltumatult.
eelistuse puhul: segregatsiooniline koormus
(segregational load)
Nt. 2 silmaga organism pole “2x” efektiivsem, 1
Oletades,
keskmine s on
0.1, siisteise
keskmine
silmetkompenseerib
osaliselt
puudumist
kohasusJalookuse
kohta on eelis
0.967ei(heterosügoodi
heterosügootne
ole ainus LV tüüp, mis
suhtes,polümorfismi
kelle kohasusalles
on 1).
hoiab(1-0,33x0,1=0,967)
(sagedusest sõltuv
valik, etc).
Kuivõrd äädikakärbsel on kokku 3000 polümorfset
lookust, siis w = (1 – 0.33 x 0.1)3000 ~10-43
S.t. et kui leiduks heterosügoot kõigis 3000 lookuses,
siis oleks ta 1043 korda kohasem keskmisest kärbsest
Ehk siis keskmine kärbes peaks tootma sellest arvust
veelgi rohkem järglasi, et populatsioon välja ei sureks.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura seletab
Kimura: pole probleemi
kui enamus
polümorfismidest on
neutraalsed.
Heterosügoodid, tänu
mutatsiooniprotsessile, on
transientsed.
Siin on heterosügootsuse
säilimisel olulised kaks
tegurit:
mutatsiooni kiirus ja ka
populatsiooni suurus.
H
4Nμ
Nu
H* =
4Nμ + 1
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
VASTUARGUMENT
4Nμ
H* =
Populatsioonide siseselt on suurtes
4Nμ + 1
populatsioonides vähem heterosügootsust (H)
kui seda eeldaks neutraalne teooria. μ–mut.kiirus
Eeldatava heterosügootsuse
näide kahest populatsioonist:
μ=10-3 ; N1=10 ning N2=1000
4*10*10-3 =0,038
H1=
1+ 4*10*10-3
4*1000*10-3 =0,8
H2=
1+ 4*1000*10-3
Ometi ei muutu vaadeldud heterosügootsuse aste
eriti suureks, hoolimata suurtest populatsiooni N-st.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
Kimura:
Varieeruvus & mutatsiooni kiirused on liiga suured
sest tekitaks liiga suure geneetilise koormuse, LV
hinna ja segregatsiooni koormuse.
Tegelikult selgus, et valik on pigem “pehme” (Soft)
kui “kõva” (Hard) (see viib geneetilise koormuse ja LV
hinna alla) ja erinevate lookuste geenide kohasused ei
ole tihti multiplikatiivsed ning heterosügootne eelis
ei ole ainuke valik, mis hoiab polümorfismi. Ja üldine
heterosügootsus on madalam kui NMET ennustab.
Seega, LV hinna paradoks pole just kõige esinduslikum argument
Neutraalse molekulaarse evolutsiooni teooria toetuseks
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – algsed ideed
Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi:
1. Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine
varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga
suured, et seletuda vaid LVga.
2. Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni
konstantsus.
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt.
Molekulaarkell – 1962 – ideede esmane kirjeldamine
(1901-1994)
(1922)
1965 E. Zuckerkandl ja L. Pauling – termin “molekulaarne kell”
Erinevate liikide hemoglobiinide võrdlus:
AH erinevuste arv
Lahknemise aeg
Molekulaarkell – molekulaarkell hüpoteesi esitamine 1962, 1965
1965 E. Zuckerkandl ja L. Pauling - molekulaarne kell
Erinevate liikide hemoglobiinide võrdlus:
Ühe ja sama valgu evolutsioonikiirus on kõikides
evolutsiooniliinides ligilähedaselt sama!
Tohutu potentsiaal liikide lahknemise ja
liikidevaheliste fülogeneetiliste suhete
rekonstrueerimiseks.
AH erinevuste arv
Lahknemise aeg
Inimene – hiir
16
70 MAT
Inimene – lind
35
270 MAT
Inimene – konn
62
350 MAT
Inimene – hai
80
450 MAT
1 asendus 11 – 18 Ma
kohta
Molekulaarkell – molekulaarkell hüpoteesi esitamine 1962, 1965
Molekulaarne
kell
Molekulaarne kell
1965
Emile Zuckerkandl ja Linus Pauling
Klassikaline sünteetiline evolutsiooniteooria pidas
polümorfismi
suhteliselt stabiilseks. Kimura järgi on polümorfism
transientne faas molekulaarses evolutsioonis.
Neutraalse teooria järgi peamiseks MOLEKULAARSE
evolutsiooni teguriks pole mitte LV vaid mutatsioonid
ja triiv. Pika aja vältel on fikseerunud asenduste
kumuleerumise kiirus võrdeline neutraalsete
mutatsioonide tekke sagedusega, sest kahjulikud
elimineeritakse ja kasulike osakaal ebaoluline. See
tagabki kella.
Molekulaarkell – molekulaarkell hüpoteesi esitamine 1962, 1965
molekulaarne kell:
Aminohappeline erinevus
-globiini AH
asenduste arv
eri liikidel
võrrelduna
inimesega
kvoll
Lahknemiste aeg
Page&Holmes 1998
Molekulaarkell – näide Hawaii saartest ja elustikust
nestevint
Molekulaarkell – erinevus fenotüüpsest muutumise kiirusest
Molekulaarne kell on konstantne, erinevalt morfoloogilisest
ebaühtlasest kellast mille taga on mittejuhuslik valikuline
protsess
Heterodontus portusjacksoni, “elus fossiil”, kes
sarnaneb 300 miljoni aasta vanuste fossiilidega
Molekulaarkell – erinevus funktsiooni muutumise kiirusest
Aminohappelisi erinevusi
Inimese  vs  globiin
147
Karpkala  vs inimese  globiin 149
Hai  vs  globiin
150
Seega, vaatamata morfoloogilise evolutsiooni pidurdumisele
hai liinis ei ole molekulaarne evolutsioon paigal seisnud.
Molekulaarkell – saab teha teste eri harude kiiruste kohta
suhteliste kiiruste test (relative rate test)
=
Näitab, kas evol. kiirus oli sama kahes puu harus,
mis ühendavad kahte liiki oma eellasega. EI ENAM
- vale puu (valimi efekt)
- erinevad mutatsioonikiirused erinevates liinides
Molekulaarkell – “tiksumise” kiirus
Molekulaarne kell: kas kell tiksub reaalajas või
generatsiooniajas?
Darwinlik seletus: reaalajaga parem kooskõla, sest
valik realiseerub keskkonna mõjude kaudu reaalajas
Molekulaarkell – saab teha teste eri harude kiiruste kohta
Esiteks, mis põhjustab mutatsioone?
• UV kiirgus ja keemilised mutageenid. (valdav arvamus 20saj)
Kell käib reaalajas
• Mutatsioonid tekivad meioosis.
Kell käib generatsiooniajas.
• Mutatsioonid tekivad replikatsioonil. (valdav arvam. 20saj lõpuks)
Põlvkonnapikkus mõjutab kella tiksumist.
Kellal on põlvkonnaefekt.
(oluline on mitooside hulk gameedist gameedini ja neid on pikema põlvkonna
pikkusega liikidel küll rohkem aga see ei kompenseeri põlvkonna pikkuse
vahet).
Molekulaarkell – generatsiooni ajad ja asendused
43
Põlvkondade suhe 30/1
43
Replikatsioonide suhe
Gameedist gameedini
5/1
43
60a
Inimene: 3*230=690
Rott: 3*30*43= 3870
43
43
230
….30tk
inimese
põlvkonna
pikkus
43
43
43
aeg
Seega replikatsioone 90
a kohta:
….30tk
43
30a
230
….30tk
230
roti
põlvkonna
pikkus
replikatsioone
Molekulaarkell – generatsiooni ajad ja asendused
Kuidas kell tegelikult käib. Ehk mida näitavad andmed?
1977, valkude järjestuste võrdlemisel leiti, et
kell käib pigem absoluutses ajas!
Suhteliste kiiruste test!
Molekulaarkell – generatsiooni ajad ja asendused
DNA: sünonüümsetes positsioonides on kellal
põlvkonnaefekt. Mittesünonüümsetes positsioonides on asi
aga pisut segane, tulemusi on nii ja naasuguseid…
Molekulaarkell – generatsiooni ajad, metabolism, reparatsioon
Põlvkonnapikkuste erinevused ei seleta kogu kella
kiiruse varieerumist eri liinides. “Liiniefekt” sisaldab:
liiniefekt
a) põlvkonnapikkused
b) metabolismi kiirus
c) reparatsiooniefektiivsus
neutraalse hüpoteesi järgi peaks liiniefekt seletama
kõiki kella kõrvalekaldeid;
valiku korral nn. Jääkefekt
Molekulaarkell – generatsiooni ajad, metabolism, reparatsioon
b) metaboolne hüpotees (Martin & Palumbi 1993)
- kõrgema metaboolse aktiivsusega kaasneb
kõrgem mutatsioonikiirus,
vabad hapniku radikaalid
olulised kehakaal ja püsisoojasus
mtDNA toetus (kõrge metaboolne aktiivsus, vabad radikaalid –
10X kiirem kui tuuma DNA aga pole ka reparatsiooni)
kõrvutades põlvkonnapikkustega siiski väiksem kaal
Molekulaarkell – generatsiooni ajad, metabolism, reparatsioon
keha suurus ja evolutsioonilised kiirused
kõigu- ja püsisoojastel
Molekulaarkell – generatsiooni ajad, metabolism, reparatsioon
Rates of molecular evolution vary widely among lineages, but the causes
of this variation remain poorly understood. It has been suggested that
mass-specific metabolic rate may be one of the key factors determining
the rate of molecular evolution, and that it can be used to derive
‘‘corrected’’ molecular clocks. However, previous studies have been
hampered by a paucity of mass-specific metabolic rate data and
have been largely limited to vertebrate taxa. Using mass-specific
metabolic rate measurements and DNA sequence data for >300
metazoan species for 12 different genes, we find NO evidence that
mass-specific metabolic rate drives substitution rates. The
mechanistic basis of the metabolic rate hypothesis is discussed in light
of these findings.
Molekulaarkell – generatsiooni ajad, metabolism, reparatsioon
c) reparatsiooni toime
kõrge transkriptsioonilise aktiivsusega
kaasneb efektiivsem reparatsioon
Näiteks mikroobid, kes suudavad elada
tuumaelektrijaamade jahutusvetes või siis
paljud keriloomad.
NMET – funktsionaalsed piirangud eri geenilõikudel
Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi:
1. Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine
varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga
suured, et seletuda vaid LVga.
2. Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni
konstantsus.
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt.
NMET – funktsionaalsed piirangud eri geenilõikudel
Funktsionaalsed piirangud – AH tase
Kimura , funktsionaalne piirang - aeglasem evol
Fibrinopeptiidid
9 asendust saidi kohta 109 aasta jooksul
teiste valkudega interakteeruvad valgud
evolveeruvad kiiremini
900 x erinevus
0,01 asendust saidi kohta 109 aasta jooksul
Histoonid
histoonid aeglased
- interakteeruvad DNAga
Page & Holmes 1998
NMET – funktsionaalsed piirangud eri geenilõikudel
Sama loogika ka ühe valgu piires – olulisemad/vähemolulisemad piirkonnad
hg-
hg-
inimene
veis
kana
hai
mg
hg-
hg-
mg
konserveerunud fenüülalaniin44 ja histidiin94
hemoglobiini alfa- ja beeta-ahelates kui ka müoglobiinis
NMET – funktsionaalsed piirangud eri geenilõikudel
Sama kehtib koodoni sees, kus sünonüümsed positsioonid
evolutsioneeruvad umbes 5 korda kiiremini kui
mittesünonüümsed. Pseudogeenid evolutsioneeruvad veel
pisut kiiremini kui sünonüümsed positsioonid, panneutraalselt, kus kõik asendused on neutraalsed.
NMET – funktsionaalsed piirangud eri geenidel
Funktsionaalsed piirangud
Syn
Non-syn
49 geeni
(kombineeritult primaadid, närilised ja
sõralised)
Page & Holmes 1998
NMET – funktsionaalsed piirangud
Selektsionistlik seletus väiksema funktsionaalse piiranguaga geenide
kiiremale evolutsioonikiirusele oleks sagedasem “fine tuning”.. ent
sellele puudub igasugune eksperimentaalne tugi.
Idee oli selles, et suure funktsionaalse piiranguga
piirkonnas on iga mutatsioon suure (kahjuliku)
mõjuga aga kuskil eemal väiksega. Nüüd kui valk juba
teeb enamvähem seda mida peab siis valik kohandab
(täpsustab) tema kohasust väikeste sammudega (st
mutatsioonidega väiksema funktsionaalse piiranguga
piirkonnas).
Neutralistid: Funktsionaalselt suurema piiranguga
piirkondades/geenides on neutraalsete asenduste osakaal
väiksem, sest täpselt spetsialiseerunud struktuuri muutmine
on suure tõenäosusega kahjulik.
Sünonüümsetes positsioonides ka ennekõike mootoriks
juhuslik triiv, v.a. mõned näited, kus sõltuvus vastavatest
tRNA molekulidest on näidatud (codon bias).
Kimura NMET teeside aruelu tulemid:
Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi:
1. Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine
varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga
suured, et seletuda vaid LVga.
2. Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni
konstantsus.
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt.
Esimene nõrk, aga teised kaks üsna aktsepteeritavad.
Kimura NMET ja uute mutatsioonide saatus.
Suunatud valik
Neutraalsed mutatsioonid
Tasakaalustav valik
The dwell time for new mutations is different if
fixation and loss is due to genetic drift or natural
selection. With neutral mutations (b), most
mutations go to loss fairly rapidly and a few
mutations eventually go to fixation. For eventual
fixation or loss of neutral mutations the path to
that outcome is a random walk, implying that the
time to fixation or loss has a high
variance. For mutations that fix because they are
advantageous (a), directional selection fixes them
rapidly in the population. Therefore under
directional selection alleles segregate for a
shorter time and there is less polymorphism than
with neutrality. For mutations that show
overdominance for fitness, natural selection
favoring heterozygote genotypes maintains
several alleles in the population indefinitely.
Therefore balancing selection greatly increases
the segregation time of alleles and increases
polymorphism compared to neutrality. Both cases
of natural selection (a and c) are drawn to show
negative selection acting against most new
mutations. If new mutations are deleterious then
the time to loss is very short and there is very
little random walk in allele frequency since
selection is nearly deterministic.
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni teooria
Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution
Kimura
Nearly neutral mutations
Wright
1968 Ohta
Kuulake Tomoko ettekannet (>1h) kuidas ta selle peale tuli:
http://online.kitp.ucsb.edu/online/infobio01/ohta/
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni teooria
Puhtalt neutraalsel teoorial mitu muret.
•
•
•
•
Põlvkonnaefekti suurem mõju sünonüümsele
kellale kui mittesünonüümsele kellale.
Kell ei ole piisavalt konstantne (võiks seletuda
näiteks põlvkonnapikkuse muutumisega ajas).
Heterosügootsus on suurtes populatsioonides
neutraalse teooria poolt ennustatuga võrreldes
liiga väike, ja üleüldse eri liikidel liiga sarnane.
Geneetiline mitmekesisus ja
evolutsioonikiirused ei korrelleeru nii nagu
neutraalne teooria ennustab.
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura seletab
Kimura: pole probleemi
kui enamus
polümorfismidest on
neutraalsed.
Heterosügoodid, tänu
mutatsiooniprotsessile, on
transientsed.
Siin on heterosügootsuse
säilimisel olulised kaks
tegurit:
mutatsiooni kiirus ja ka
populatsiooni suurus.
H
4Nμ
Nu
H* =
4Nμ + 1
Molekulaarevolutsiooni neutraalsusteooria – Kimura probleem
VASTUARGUMENT
4Nμ
H* =
Populatsioonide siseselt on suurtes
4Nμ + 1
populatsioonides vähem heterosügootsust (H)
kui seda eeldaks neutraalne teooria. μ–mut.kiirus
Eeldatava heterosügootsuse
näide kahest populatsioonist:
μ=10-3 ; N1=10 ning N2=1000
4*10*10-3 =0,038
H1=
1+ 4*10*10-3
4*1000*10-3 =0,8
H2=
1+ 4*1000*10-3
Ometi ei muutu vaadeldud heterosügootsuse aste
eriti suureks, hoolimata suurtest populatsiooni N-st.
Molekulaarkell – saab teha teste eri harude kiiruste kohta
Esiteks, mis põhjustab mutatsioone?
• UV kiirgus ja keemilised mutageenid. (valdav arvamus 20saj)
Kell käib reaalajas
• Mutatsioonid tekivad meioosis.
Kell käib generatsiooniajas.
• Mutatsioonid tekivad replikatsioonil. (valdav arvam. 20saj lõpuks)
Põlvkonnapikkus mõjutab kella tiksumist.
Kellal on põlvkonnaefekt.
(oluline on mitooside hulk gameedist gameedini ja neid on pikema põlvkonna
pikkusega liikidel küll rohkem aga see ei kompenseeri põlvkonna pikkuse
vahet).
Molekulaarkell – generatsiooni ajad ja asendused
43
Põlvkondade suhe 30/1
43
Replikatsioonide suhe
Gameedist gameedini
5/1
43
60a
Inimene: 3*230=690
Rott: 3*30*43= 3870
43
43
230
….30tk
inimese
põlvkonna
pikkus
43
43
43
aeg
Seega replikatsioone 90
a kohta:
….30tk
43
30a
230
….30tk
230
roti
põlvkonna
pikkus
replikatsioone
Molekulaarkell – generatsiooni ajad ja asendused
Kuidas kell tegelikult käib. Ehk mida näitavad andmed?
1977, valkude järjestuste võrdlemisel leiti, et
kell käib pigem absoluutses ajas!
Suhteliste kiiruste test!
Molekulaarkell – generatsiooni ajad ja asendused
DNA: sünonüümsetes positsioonides on kellal
põlvkonnaefekt. Mittesünonüümsetes positsioonides on asi
aga pisut segane, tulemusi on nii ja naasuguseid…
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni teooria
Selle peale tuli Thomko Ohta (Kimura õpilane) välja
peaaegu
neutraalse
molekulaarse
evolutsiooni
teooriaga, kus ta toob sisse kergelt kasulikud ja
kergelt
kahjulikud
mutatsioonid.
Kui
puhtalt
neutraalses evolutsioonis ei olnud populatsiooni
suurusel tähtsust, siis nüüd on. Väikses populatsioonis,
kus triivil on suurem „jõud”, käituvad kergelt kasulikud
ja kahjulikud mutatsioonid kui neutraalsed ja alluvad
triivile. Suuremas populatsioonis aga hakkab nende
käekäiku mõjutama valik.
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni teooria
Peaaegu neutraalse teooria lahendused Kimura muredele:
Heterosügootsus on suurtes populatsioonides
neutraalse teooria poolt ennustatuga võrreldes liiga
väike, ja üleüldse eri liikidel liiga sarnane.
Suurtes populatsioonides alluvad kergelt kahjulikud
mutatsioonid valikule ja elimineeritakse mistap ei
kontributeeri mitmekesisusse. Väikestes
populatsioonides aga triivivad kui neutraalsed.
1
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni teooria
Peaaegu neutraalse teooria lahendused Kimura muredele:
Kell ei ole piisavalt konstantne
Piisab kui populatsioonisuurused ajas muutuvad et kell
ka kaasa jõnksuks. Sama loogika: kui populatsiooni
suurus langeb muutub üha suurem osa kergelt
kahjulikke mutatsioone neutraalseks ja võivad
fikseeruda mistap evol. kiirus tõuseb.
2
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni teooria
Peaaegu neutraalse teooria lahendused Kimura muredele:
Eeldus: pika generatsiooniajaga liikidel tavaliselt
väiksemad populatsiooni suurused
Põlvkonnaefekti suurem mõju sünonüümsele kui
mittesünonüümsele kellale
Pika generatsiooniajaga liikidel
a) kopeeritakse DNAd aasta kohta vähem, kuid
b) nende liikide üldiselt väiksemad populatsiooni
suurused panevad piisavalt kergelt kahjulikud
mutatsioonid käituma kui neutraalsed.
Seega „a” aeglustab (põlvkonnaefekt) ja „b” kiirendab
mittesünonüümset kella.
3
Nearly Neutral Theory of
Molecular Evolution
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni
teooria
Miks mittesünonüümsel kellal
põlvkonnaefekt väike või olematu on?:
NNMET - peaaegu neutraalse molekulaarevolutsiooni teooria olemus3
•Kui 4Nes on 1, siis on
triiv ja valik võrdsed
•kui alla 1, siis triiv
olulisem
•Kui on 0 siis on
fikseerumise tõenäosus
sama, mis NMET-i
puhul
•kui on 1-st suurem, siis
on valik olulisem.
Nearly Neutral Theory of
Molecular Evolution
NNMET - peaaegu neutraalne molekulaarevolutsiooni
teooria
Küsimus kergelt kasulikest
Väga väikese +s-ga muutused lähevad pigem triivis kaduma.
Tõenäosus 1-2s, seega kui mutatsioon tõstab kohasust 1%
siis tema tõenäosus triiviga kaduma minna on 1-2*0.1=>98%
Samas, korduvteke tõstab nende tõenäosust ükskord siiski
fikseeruda. Mida suurem on populatsioon seda suurem on
tõenäosus korduvtekkele
Nearly neutral mutations
NNMET
- neutraalsuse testimine
Neutraalsustestid
As of the early 2000s, the (nearly) neutral theory is
widely used as a "null model" for so-called null
hypothesis testing.
Kontrollitakse, kas jälgitav evolutsioon vastab
neutraalsele mudelile, kui ei vasta siis hakatakse
uurima, sest valiku all olevaid protsesse peetakse
huvitavamateks.
NNMET - neutraalsuse testimine
Neutraalsustestid
Neutraalsustestid
NT eeldab, et mutatsioonide fikseerumise kiirus sõltub
ainult mutatsioonikiirusest (molekulaarne kell)
- Seega peaks fikseerumise kiirus olema liikide sees ja
vahel sarnane.
Fikseerunud muutused
mutatsioonidest
on
juhuslik
valim
kõikidest
- Seega peaks mittesünonüümsete asenduste suhe
sünonüümsetesse jääma ajas samaks.
“There is no single statistic which is best for testing the
most general departures from neutrality” (Watterson
1977). Sa pead teadma, mida otsid!
NNMET - neutraalsuse testimine
Neutraalsustestid
dN – mittesünonüümsed ase
dS – sünonüümsed asendus
dN/dS -väike
(0.1 – 0.2)
dN/dS -keskmine (0.2 – 1)
dN/dS -suur
(>1)
Puhastav (negatiivne) valik
kaotab mittesünonüümseid
asendusi.
Kas on toimunud positiivne
valik või puhastava valiku
lõdvenemine, ei tea täpselt
kumb.
Positiivne valik mittesünonüümsed asendused
on ülekaalus.
Näiteks HLA lookustel dN/dS positiivne
sama
Samas tuleb arvestada ka homoplaasia dünaamikat positsiooni tabamise tõenäosus kasvab ajas, mis viib
NNMET - neutraalsuse testimine
Neutraalsustestid
- Hudson-Kreitman-Aquade (HKA) test (1987)
mõõdab kas varieeruvus eri piirkondades (kodeerivad,
flankeerivad) liikide sees on proportsionaalne liikide vahelise
divergeerumisega; eeldab populatsiooni suuruste konstantsust.
- McDonald-Kreitman (1991) test mõõdab kas liikide
vaheline dN/dS erineb liikide sisesest.
Genoomsete andmete puhul ei eelda,
et populatsiooni suurused oleksid konstantsed
Probleem: sünonüümsed asendused küllastuvad
Neutraalsustestid
- Hudson-Kreitman-Aquade (HKA) test (1987)
mõõdab kas varieeruvus eri lookustes liikide sees on
proportsionaalne liikide vahelise divergeerumisega;
eeldab populatsiooni suuruste konstantsust.
Neutraalsustestid
- McDonald-Kreitman (1991) test mõõdab kas liikide
vaheline dN/dS erineb liikide sisesest.
Fixed
differences
Polymorphic
sites
Non-Syn
7
2
Synonymous
17
42
7 / 24 = 29%
2 / 44 = 5%
% fixed
Järeldus: liikide sees toimub tugev
positiivne valik, sest mittesünonüümsed
asendused fikseeruvad ja panustavad liikidevahelisse
erinevusse ja mitte liikide sisesesse varieeruvusse.
Genoomsete andmete puhul ei eelda,
et populatsiooni suurused oleksid konstantsed
Probleem: sünonüümsed asendused küllastuvad
NNMET - neutraalsuse testimine – Küllastumise probleem
Neutraalsustestid
Aja jooksul tabab ühte ja sama nukleotiidset lookust mitu mutatsiooni,
võib toimuda reversioon, jne. Me ei näe enam õiget informatsiooni
NNMET - sünonüümsed koodonid, pole päris võrdsed
Neutraalsustestid
Koodoni kasutus (codon bias):
/Koodonikasutuse kallutatus
kas sünonüümsed asendused on ikka päris
neutraalsed?
Kuus Leu koodonit on E. Colis ja pärmis
esindatud ebavõrdselt ning
enimkasutatud koodon on mõlemal erinev.
Koodonikasutusele vastavad ka vastavate
tRNAde hulgad rakus.
NNMET - sünonüümsed koodonid, pole päris võrdsed
Neutraalsustestid
mutatsiooniline surve, kui mõne nukleotiidi muteerumine
mõneks teiseks on tõenäosem kui teised mutatsioonid
(näiteks metüleeritud CG- TG). Aga miks on siis erinevatel
organismidel ülekasutatud erinevad koodonid. Võrdle pärmi ja
bakterite enimkasutatud leutsiini koodoneid CUG ja UUG.
valik näiteks GC paaride eelistamine kuna on tugevamad, või
tRNAde suhte järgi? Väheesineva tRNA antikoodonile
vastavat koodonit võib saata LV vähene soosing. tRNAde
kättesaadavus on olulisem intensiivselt transleeritavate
valkude jaoks. Ja palun väga, nende geenides on
koodonikasutuse kallutatus (codon bias) suurem ja
sünonüümseid asendusi vähem.
Koodoni kasutus (codon bias)
Drosophila 10 geeni liikide vaheline võrdlus
madala ekspressiooniga
kõrge ekspressiooniga
sün. asendusi
positsiooni kohta
erinevus koodoni
võrdsest kasutusest
NNMET -kasutus
sünonüümsed
Koodoni
Neutraalsustestid
(codonkoodonid,
bias) pole päris võrdsed – codon bias
Selection-mutation-drift hüpotees:
erinevused kõrgelt (valik) ja madalalt (mut./triiv)
ekspresseeritud geenides.
Kõrgelt ekspresseeritud geenides toimib puhastav valik
vastavalt tRNA-de hulgale rakus.
Sellega pidurdub sünonüümsete evol. kiirus
e. vastavalt Kimura’le funktsionaalsed piirangud
tingivad evolutsiooniliste kiiruste aeglustumise
Seega sünonüümsed asendused pole tihtipeale päris
neutraalsed
NNMET -kasutus
sünonüümsed
Koodoni
Neutraalsustestid
(codonkoodonid,
bias) pole päris võrdsed
- sünonüümsete koodonipositsioonide kasutus imetajatel pole
oluliselt erinev mittekodeerivate intronite omast ja
paistab oluliselt seotud olevat GC rikkusega
vastupidiselt ainuraksetele kel GC sisaldus koodoni
kolmandates positsioonides pole võrdne flankeeriva DNAga
imetajate koodoni kasutus on sõltumatu ekspressiooni tasemest, ajast
ja koest ega ole seetõttu valiku poolt suunatud
NMET ja NNMET
Neutraalsustestid
Üldiselt tuleb öelda, et Kimura püstitas neutraalse
teooria valguandmete peale. St mittesünonüümsete DNA
mutatsioonide peale (tegelikult ainult osale neist).
Hiljem, DNA ajastul, on peaaegu neutraalne teooria
saanud valdavaks seletuseks DNA tasemel toimuvale
molekulaarsele evolutsioonile, sest siin on tõesti suurem
osa mittekodeeriv ja olemas ka sünonüümsed
positsioonid. Siit avanesid ka suured võimalused „elu
ajaloo” uurimiseks, sest molekulaarne kell on abiks. Kuid
paljut mis puudutab mittesünonüümset (valkude AH
tasemel) molekulaarset evolutsiooni, ja kõike mis
puudutab adaptiivset evolutsiooni seletab LV edulisemalt.
Molekulaarevolutsioon – DNA varieeruvuse mõõtmine
Neutraalsustestid
DNA polümorfismi vaatlemine
Kõigepealt tuleb võrreldavad, eeldatavalt haploidsed,
järjestused joondada. Et oleks vaatluse homoloogsed
lookused.
Leida segregeeruvad lookused (S). Nukleotiidi kohta pS
L – nukleotiidide koguarv.
Seega:
Molekulaarevolutsioon – DNA varieeruvuse mõõtmine
Neutraalsustestid
DNA polümorfism ja
nukleotiidne diversiteet π
Leitakse paariviisi võrdlustest
Tulemus on keskmine paariviisiline erinevus lookuse või saidi (aluspaari) kohta.
Molekulaarevolutsioon – molekulaarkella kasutamine lihtsustatult
Neutraalsustestid
Meil on vaja järjestuste divergentse (K)
- asendusi saidi kohta - kõikidele paaridele.
Teame ainult T1 divergentsiaega (fossiilid).
Absoluutne mutatsioonikiirus on siis:
Sellest T2:
Asendades müü,
saame:
Molekulaarevolutsioon – molekulaarkella kasutamine lihtsustatult
Neutraalsustestid
Meil on vaja järjestuste divergentse (K)
kõikidele paaridele.
Teame ainult T1 divergentsiaega (fossiilid).
Näiteks:
KAB = 0.10, KAC = 0.31, KBC = 0.36
asendust lookuse kohta ja
divergentsiaeg T1, mis on
fossiilidel põhinev hinnang, on
umbes 10 miljonit aastat.
T2 = 2,985 miljonit aastat.
Molekulaarne evolutsioon
Neutraalsustestid
kokkuvõte
1. Molekulaarne evolutsioon; juhuslik geneetiline triiv
2. Neutraalne molekulaarse evolutsiooniteooria (Kimura)
seletas
a) mutatsioonide kiiret kuhjumist
b) molekulaarset kella
c) sõltuvust funktsionaalsetest piirangutest
d) Kõrget polümorfismi taset looduslikes populatsioonides
3. Väitlusel geneetilise koormuse üle mitu tõlgendust
4. Kõrvalekalded kella tiksumisest (liiniefekt)
5. Darvinlikul seletusel väikestest kasulikest muutustest,
fine tuning, puudub üldiselt teaduslik toetus
6. Peaaegu neutraalne molekulaarse evolutsiooni teooria
7. Syn/NonSyn ja valiku tuvastamine
8. Koodikasutuse kallutatus
9. Nukleotiidne diversiteet ja molekulaarkella kasutamine