Transcript 05 neutral mol evol - Evolutsioonilise bioloogia õppetool

Evolutsioonilise bioloogia ajaloost. Mendelism ja Darvinism - süntees
1930-2, süntees
Ronald Aylmer Fisher
J.B.S. Haldane
LV mendellikus süsteemis.
Kirjeldas kuidas ühe või
kahe mendellikult
päranduva geeni puhul, mis
põhjustavad erinevusi
ellujäämises ja
reproduktiivsuses,
populatsioon muutub.
statistik
biokeemik
Sewall Wright
Inbriiding ja
juhuslik
geneetiline
triiv
ristas rotte ja merisi
Evolutsioonilise bioloogia ajaloost. Mendelism ja Darvinism - süntees
Sewall Wright
Evolution in Mendelian
Populations
(1931)
Kohastumine on seda
efektiivsem,
mida
rohkematesse
väiksematesse
alampopulatsioonidesse
populatsioon
jaguneb.
Shifting balance theory
– valiku ja triivi koostöö.
Kohastumuste geneetika: Wright’i adaptiivne maastik
Wright’i adaptatiivne maastik
Populatsiooni
keskmine kohasus
1-lookuse puhul
wA > wa
wAa > wAA, waa
LV
0
LV
1
0
1
A alleeli sagedus
Sagedus kus kõige
vähem homosügoote
valiku tõttu sureb
Kohastumuste geneetika: Wright’i adaptiivne maastik
Kahe lookuse korral A > a
B>b
Aa > AA,aa
epistaas
B>b
Multidimensionaalselt palju optimumi tippe
Kohastumuste geneetika: Wright’i adaptiivne maastik
Wright nimetas geene, mis adaptiivsusmaastikul
interakteeruvad “interaction system”
Shifting balance theory of evolution
Populatsiooni
keskmine kohasus
Wright’i liikuva tasakaalu teooria
globaalne tipp
lokaalne tipp
p1
Valik toimib kui
“mägironimine” lähima
lokaalse tipu suunas
p2
Kohastumuste geneetika: Wright’i adaptiivne maastik
Shifting balance theory of evolution
Populatsiooni
keskmine kohasus
Wright’i liikuva tasakaalu teooria
globaalne tipp
lokaalne tipp
p1
juhuslik geneetiline
triiv “uurib/avastab”
maastikul teisigi
tippe
p2
Kohastumuste geneetika: Wright’i adaptiivne maastik
Populatsioonide fragmenteerumine kiirendab triivi
Mingi osa alampopulatsioonidest
leiab globaalse tipu
migratsioon
Uus tasakaaluline populatsioon
globaalse kohasuse tipuga
Tema arvukus kasvab
teiste arvel
Kohastumuste geneetika: Wright’i adaptiivne maastik
Fisher kritiseeris Wright’i triivi ületähtsustamise pärast,
looduslikud populatsioonid reeglina liialt suured, et triiv
olulist rolli mängiks. Triiv ei saa minna “mäest alla” ehk
vastu valiku survet, sest valik on alati tugevam.
Wright: triiv ei vastandu valikule vaid täiendab teda
Fisher arvas, et multidimensionaalsel maastikul viiks valik
üksinda populatsiooni globaalse tipuni, iga ühe, kahedimensionaalse graafiku (lokaalne)tipp läbitakse totaalsel
multidimensionaalsel pildil (tipp on pigem täpp),
Sissejuhatus
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)
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 triivi vahekord molekulaarses
evolutsioonis?
Motoo Kimura
1924-1994
Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse
Evolutsiooni Teooria tekkele oli valkude varieerumisandmestiku teke.
Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel. Tegelikult pinnapealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata DNAst) käis siiski
valdavalt üle jõu.
1968
Nature
1969
Science
Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse
Evolutsiooni Teooria tekkele oli valkude varieerumisandmestiku teke.
Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel. Tegelikult pinnapealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata DNAst) käis siiski
valdavalt üle jõu.
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.
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
neutraalse hüpoteesi eelduseks
Funktsionaalse piirangu erinevused
Page&Holmes 1998
Selektsiooni koefitsient (s):
+ - kasulik mutatsioon/geneetiline variant – kasvav sagedus
0 - neutraalne
- triiv
- - kahjulik
- kahanev sagedus
Erinevus varasemast tähendusest kus maksimaalsele kohasusele anti
väärtus 1 ja vähem kohaste kohasust väljendati 1-s.
Geeni järjestus:
selektsionistlik
neutraalne
..ACCCGTCAAGGGCCCAA...
Enamus mutatsioone kahjulikud
(deleterious)
pan-neutraalne
Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse
Evolutsiooni Teooria tekkele oli valkude varieerumisandmestiku teke.
Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel. Tegelikult pinnapealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata DNAst) käis siiski
valdavalt üle jõu.
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.
geneetiline koormus
Kimura 1, 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
wopt - w
geneetiline koormus L =
wopt
populatsioon
keskmise kohasusega w
Ehk L=1-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
geneetiline koormus
Kimura 1, 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?
geneetiline koormus
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
Geneetiline koormus võib populatsioonis püsida mitmel põhjusel.
Mutatsiooni valiku tasakaal (p*= m/s) on üks.
sisuliselt tähendab, kui suur on tõenäosus, et keskmine
indiviid antud populatsioonis sureb enne järglaste andmist
kuna ta kannab kahjulikku alleeli
genotüüp AA
kohasus 1-s
sagedus
p2
Aa
1-s
2pq
Meenuta, et p*= m/s
kehtis vaid siis kui
kahjulik mutatsioon
on dominantne
aa
1
q2
(1 – 2m)
W = p2(1-s) + 2pq(1-s) +q2 =
= 1 –p2s -2pqs
L= 1-w
Kuna p väikene, W = 1 -2ps
Mutatsiooniline koormus: on geneetiline koormus
mutatsiooni/valiku tasakaalu korral p*= m/s
Ja w
= 1 – 2m
L = 2m
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.
LV hind
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
Hinnates diploidsete geenide keskmiseks piirhinnaks
(C) 30 ja järglaste andmise varu 10% rehkendas
Haldane, et alleeliasenduste piiriks e. max
evolutsioonikiiruseks on 1 geeniasendus 300 põlvkonna
kohta
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
liiga suured mutatsioonikiirused
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”
Tuletage koha 5 miljonit muna meelde
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.
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
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 ja 2) heterosügootne
eelis on ainus mehhanism mis hoiab populatsiooni
polümorfsena.
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
liiga suur varieeruvus
Valkude elektroforeesiga (ebatäielik meetod) tuvastati
1960ndatel veel, et äädikakärbsel on 30% valkudest
polümorfsed keskmise heterosügootsusega 10%.
Äädikakärbsel vähemalt 10 tuhat erinevat valku kodeerivat
geeni. Tollal lubas teoreetiliselt vaid heterosügootne eelis
seletada suurt hulka heterosügoote, seega
genotüüp
AA
Aa
aa
kohasus
1-s
1
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)
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
liiga suur varieeruvus: segregatsiooniline koormus (segregational load)
w=1–Hs
Kuivõrd äädikakärbsel 30% valkudest polümorfsed
keskmise heterosügootsusega 10% (üle genoomi).
Polümorfsete lookuste heterosügootsus
0.1/0.3=0.33.
Oletades, et keskmine s on 0.1, siis keskmine
kohasus lookuse kohta on 0.967 (heterosügoodi
suhtes, kelle kohasus on 1).
(1-0,33x0,1=0,967)
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
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
liiga suur varieeruvus: segregatsiooniline koormus (segregational load)
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.
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).
(1-0,33x0,1=0,967)
hoiab (sagedusest sõltuv
valik).
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
Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga
Kimura: pole probleemi kui enamus polümorfismidest
on neutraalsed
heterosügoodid, tänu mutatsiooniprotsessile,
transientsed (teke ja siis kas kadu või fikseerumine),
ning säiluvad vastavalt tasakaalule:
4Neu
H=
4Neu + 1
H
Nu
VASTUARGUMENT
Kimura 1, probleemid
Neutraalne “ootus”
Populatsioonide siseselt on suurtes
populatsioonides vähem heterosügootsust kui
seda eeldaks neutraalne teooria.
4Nu
H=
4Nu + 1
H
mõõdetud
N
Kimura 1, probleemid
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 kui kõva
(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
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.
Ajalugu: Molekulaarbioloogia ja
molekulaarne evolutsioon
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
AH erinevuste arv
Lahknemise aeg
liikidevaheliste
fülogeneetiliste
suhete
Inimene – hiir
16
70 MAT
rekonstrueerimiseks.
Inimene – lind
35
270 MAT
Inimene – konn
62
350 MAT
Inimene – hai
80
450 MAT
1 asendus 11 – 18 Ma
kohta
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
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.
molekulaarne kell:
Aminohappeline erinevus
-globiini AH
asenduste arv
eri liikidel
võrrelduna
inimesega
kvoll
Lahknemiste aeg
Page&Holmes 1998
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
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
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
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.
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
suhteliste kiiruste test (relative rate test)
=
Inimese liinis evol. kiirus aeglasem
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
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
Molekulaarne kell: kas kell tiksub reaalajas või
generatsiooniajas?
Darwinlik seletus: reaalajaga parem kooskõla, sest
valik realiseerub keskkonna mõjude kaudu reaalajas
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
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).
43
Põlvkondade suhe 30/1
43
Replikatsioonide suhe
Gameedist gameedini
5/1
43
60a
….30tk
43
230
….30tk
inimese
põlvkonna
pikkus
43
43
43
Seega replikatsioone 90
a kohta:
Inimene: 3*230=690
Rott: 3*30*43= 3870
43
43
30a
230
230
roti
põlvkonna
pikkus
….30tk
aeg
replikatsioone
Kuidas kell tegelikult käib. Ehk mida näitavad andmed?
1977, valkude järjestuste võrdlemisel leiti, et
kell käib pigem absoluutses ajas!
Suhteliste kiiruste test!
Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus
DNA: sünonüümsetes positsioonides on kellal
põlvkonnaefekt. Mittesünonüümsetes positsioonides on asi
aga pisut segane, tulemusi on nii ja naasuguseid…
MAT
molekulaarne kell
Põlvkonnapikkuste erinevused ei seleta kogu kella
kiiruse varieerumist eri liinides. “Liiniefekt” sisaldab
lisaks põlvkonnapikkusele ka:
liiniefekt
a) põlvkonnapikkused
b) metabolismi kiirus
c) reparatsiooniefektiivsus
neutraalse hüpoteesi järgi peaks liiniefekt seletama
kõiki kella kõrvalekaldeid;
valiku korral nn. Jääkefekt
molekulaarne kell
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
molekulaarne kell
keha suurus ja evolutsioonilised kiirused
kõigu- ja püsisoojastel
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.
molekulaarne kell
c) reparatsiooni toime
kõrge transkriptsioonilise aktiivsusega
kaasneb efektiivsem reparatsioon
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. OK
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt.
Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol
Suuremate funktsionaalse piiranguga regioonides
väiksemad evolutsioonikiirused
-eksperimentaalne tõdemus
- ka pseudogeenid, sünonüümsed..
proinsuliin
insuliin
“c”-peptiid
0,4x10-9/ah/a
2,4x10-9/ah/a
kuue kordne erinevus evol. kiiruses
Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol
Funktsionaalsed piirangud – AH tase
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
Funktsionaalsed piirangud – AH tase
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
Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol
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.
Funktsionaalsed piirangud
Syn
Non-syn
49 geeni
(kombineeritult primaadid, närilised ja
sõralised)
Page & Holmes 1998
Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol
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 netraalsete 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 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. OK
3. Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad
evolutsioneeruvad aeglasemalt. OK
peaaegu neutraalsed mutatsioonid
Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution
Tomoko Ohta :
Nearly neutral mutations
Kimura
Wright
1968
Ohta
Kuulake Tomoko ettekannet (>1h) kuidas ta selle peale tuli:
http://online.kitp.ucsb.edu/online/infobio01/ohta/
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 korreleeru nii nagu
neutraalne teooria ennustab
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.
1
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.
2
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.
3
Peaaegu neutraalse teooria lahendused Kimura muredele:
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 ja „b” kiirendab mittesünonüümset
kella.
Eeldus: pika generatsiooniajaga liikidel tavaliselt väiksemad populatsiooni suurused
Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution
Miks mittesünonüümsel kellal
põlvkonnaefekt väike või olematu on?:
Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution
Küsimus kergelt kasulikest
SIM
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 98%
Samas, korduvteke tõstab nende tõenäosust ükskord siiski
fikseeruda. Mida suurem on populatsioon seda suurem on
tõenäosus korduvtekkele
Nearly neutral mutations
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.
Neutraalsustestid
NT eeldab, et mutatsioonide fikseerumise kiirus sõltub
ainult mutatsioonikiirusest (molekulaarne kell) – seega
ei tohiks see liikide sees ja vahel erinev olla.
Fikseerunud muutused on juhuslik valim kõikidest
mutatsioonidest – mittesünonüümsete asenduste suhe
sünonüümsetesse peab ajas samaks jääma
“There is no single statistic which is best for testing the
most general departures from neutrality” (Watterson
1977). Sa pead teadma, mida otsid!
Neutraalsustestid
dN/dS -väike
(0.1 – 0.2) puhastav valik
dN/dS -keskmine (0.2 – 1) kas negatiivse (puhastava) valiku
lõdvenemine või positiivne valik
dN/dS -suur
(>1)
positiivne valik
tuleb arvestada ka homoplaasia dünaamikat - sama
positsiooni tabamise tõenäosus kasvab ajas, mis viib
sünonüümsete asenduste küllastumisele
Näiteks HLA lookustel dN/dS positiivne
Neutraalsustestid
- Hudson-Kreitman-Aquade (HKA) test (1987)
mõõdab kas varieeruvus eri piirkondades (kodeerivad,
flankeerivad) liikide vahel ja sees on proportsionaalne
divergeerumisega; eeldab populatsiooni suuruste konstantsust.
Neutraalsustestid
- McDonald-Kreitman (1991) test mõõdab kas liikide
vaheline dN/dS erineb liikide sisesest.
Fixed
differences
Polymorphic
sites
Replacement
7
2
Silent
17
42
7 / 24 = 29%
2 / 44 = 5%
% fixed
Genoomsete andmete puhul ei eelda,
et populatsiooni suurused oleksid konstantsed
Probleem: sünonüümsed asendused küllastuvad
Veel üks võimalus valikut tuvastada demograafia või valik?
2006
300 ind.
800 000 SNP
Eur/Aaf/Aasia
Otsiti pikki vähese varieeruvusega haplotüübiblokke (võrreldes
eellasvariandiga) – märk selective sweep`ist
Looduslik valik
2006
300 ind.
800 000 SNP
Eur/Aaf/Aasia
- leiti mitmeid nii nn. üldisi (näit. rasvhapete metabolismi
reg. geenid, paljunemisega seotud geenid) kui ka
regioonispetsiifilisi (morfoloogiaga seotud – näit. naha
pigmentatsioon eurooplastel, juuste struktuur
aafriklastel; toitumisega seotud – näit. laktaasi
metabolismi geenid eurooplastel, alkoholi dehüdrogenaasi
geenid asiaatidel) valiku alla sattunud geene
- enamikku neist seostati maaviljeluse ja karjakasvatuse
kasutuselevõtuga (viimase 10 000 a. jooksul)
- selective sweep ka aafriklastel
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.
Koodoni kasutus (codon bias): /Koodonikasutuse kallutatus
kas sünonüümsed asendused on ikka päris neutraalsed?
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)
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
Koodoni kasutus (codon bias)
Drosophila 10 geeni liikide vaheline võrdlus
madala ekspressiooniga
kõrge ekspressiooniga
sün. asendusi
positsiooni kohta
erinevus koodoni
võrdsest kasutusest
Koodoni kasutus (codon bias)
- 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
usage of GAA versus its
synonym GAG, as a function of
the distance from intron–exon
junctions
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 tõesti suurem osa
mittekodeeriv ja olemas ka sünonüümsed positsioonid.
Siit avanesid ka suured võimalused „elu ajaloo”
uurimiseks, sest kell on abiks. Kuid paljut mis puudutab
mittesünonüümset (valkude AH tasemel) molekulaarset
evolutsiooni, ja kõike mis puudutab adaptiivset
evolutsiooni seletab LV edulisemalt.
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