Методы обнаружения отбора по данным секвенирования научный сотрудник каф. биологической эволюции С. Н. Лысенков
АДАПТАЦИЯ 1) Процесс повышения приспособленности организмов в череде поколений (адаптациогенез) 2) Приспособление организмов к меняющимся условиям в пределах нормы реакции
Выявление механизмов адаптаций до последнего времени вызывало значительную трудность, так как адаптациогенез – это комплексный процесс, происходящий на уровне целостного фенотипа. Редкие исключения – адаптации, возникающие всего за несколько поколений при очень сильном отборе, подхватывающем малую часть существующей в популяции изменчивости. Отбор можно отследить по фенотипическим эффектам, но поиск единичных генов-мишеней отбора затруднен из-за полигенности признаков. Лишь в редких случаях классические методы генанализа позволяют выявить отдельные гены, ответственные за адаптацию.
Устойчивость крыс к варфарину Варфарин – антикоагулянт, использовавшийся для борьбы с грызунами Ген первой субъединицы эпоксид редуктазы витамина (VKORC 1) содержит замены, приводящие к изменению аминокислоты, как в устойчивых к варфарину линиях мышей, так и у людей, нечувствительных к лечению варфарином. Повышенная экспрессия VKORC 1, but not VKORC 1 carrying the VKCFD 2 mutation, leads to a marked increase in VKOR activity, which is sensitive to warfarin inhibition.
Комплексный характер адаптации может проявляться даже в случае устойчивости к инсектицидам Lucillia cuprina (Calliphoridae) Флуктуирующая асимметрия – мера стабильности развития. Несимметричные организмы обычно имеют меньшую приспособленность по сравнению с нормальными. инсектицид диазинон
I w M Rop-1 II IV V VI Разница (лево – право) числа щетинок: 1) на лобной полоске; 2) на внешнем краю крыла; 3) жилке R 4+5 А – при наличии модификатора В – в отстутствии модификатора
«Старые» технологии секвенирования
Общие принципы секвенирования «нового поколения»
Adapted from Eric Green, NIH; Adapted from Messing & Llaca, PNAS (1998) История секвенирования ДНК 1870 Эффективность (пар оснований/человек/год) 1 15 Miescher: Открытие ДНК 1940 Avery: Показал, что ДНК - «генетическим материалом» 1953 Watson & Crick: Открытие структуры ДНК 1965 Holley: Секвенирование аланиновой т. РНК дрожжей 1970 Wu: секвенирование липкого конца ДНК 150 1, 500 15, 000 25, 000 50, 000 1980 Sanger: Терминация роста цепи дидезоксирибонуклеотидами Gilbert: химическая деградация Messing: клонирование M 13 1986 Hood et al. : Частичная автоматизация 1977 1990 200, 000 50, 000 100, 000, 000 2002 2008 • циклическое секвенирование • улучшенные ферменты секвенирования • улучшенные методы детекции флуоресценции • секвенирование нового поколения • Улучшенные ферменты и иные химикаты • Улучшенная обработка изображений
Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) Распространенность: у человека – 1 на 1331 основание, у нематод (C. briggsae) – 1 на 40. Типы однонуклеотидных полиморфизмов: • В некодирующем регионе • В кодирующем регионе • синонимичные • несинонимичные • меняющие аминокислоту (missense) • преждевременный стоп-кодон (nonsense) Несинонимичные замены (и замены в некодирующих регионах возле сайтов сплайсинга) могут быть селективно значимы (например, вызывать болезни).
Генетический дрейф происходит в любых популяциях конечных размеров. Поэтому в качестве нулевой гипотезы для объяснения имеющегося генетического разнообразия, используют нейтральные модели, учитывающие только эволюцию на основе случайных колебаний частот.
Коалесценция (схождение) Каждая пара аллелей в популяции имеет общего предка – т. е. они являются потомками одной копии аллеля, существовавшей несколько поколений назад. Точка, в которой находится общий предок всех нынешних копий, наз. точкой коалесценции. Потомки всех остальных живших в то время копий вымерли в силу отбора или дрейфа. Точка коалесценции – своя для каждого гена!
Методы детекции отбора в догеномную эпоху Отношение несинонимичных замен к синонимичным (Ka/Ks) Тест Мак. Дональда-Крейтмана – сравнение доли синонимичных и несинонимичных точечных мутаций среди полиморфных и дивергировавших локусов Фиксированные Полиморфные Синонимичные Ds Ps Несинонимичные Dn Pn Эти тесты имеют много ограничений, основной их недостаток – в общем случае неверное предположение о селективной незначимости синонимичных замен
ВЫМЕТАНИЕ ОТБОРОМ Движущий отбор, действуя на конкретный локус, увеличивает частоту не только благоприятствуемого варианта, но и лежащих непосредственно рядом участков генома, что приводит к возникновению широких участков с неравновесием по сцеплению. Это позволяет детектировать недавние селекционные события. Но с течением времени сигнал размывается за счет рекомбинации.
Работа лаборатории С. В. Нуждина по поиску локальных адаптаций у люцерны Основной метод – выявление маркеров, различающих популяции, с высоким уровнем неравновесия по сцеплению Medicago truncatula Попарные корреляции между маркерами, усредненные между всеми маркерами на данном расстоянии. Цветные линии обозначают разные хромосомы. Неравновесие уменьшается на половину (с 0, 8 до 0, 4) примерно на расстоянии 10 тысяч п. о. Темно-серая область – 20 -80% квантиль, светло-серая – 10 -90% квантиль. Неравновесие по сцеплению полностью исчезает между маркерами на расстоянии примерно 500 тысяч пар оснований. The dotted line shows a second-degree lowess fit across all data with span parameter set to 0. 01; linkage disequilibrium (LD) is fully decayed between markers approximately 500 kb apart.
Основная идея методов поиска следов отбора аналогична идее дисперсионного анализа: сравнение уровня изменчивости внутри и между популяциями Методика определения генов-мишеней отбора на размножение в более позднем возрасте у мух-дрозофил (лаборатория Нуждина). Основная статистика – отношение гетерозиготности в отбираемой популяции к дивергенции между нею и контролем. Вспомогательная статистика – отношение гетерозиготности в отбираемй популяции к гетерозиготности в контроле. Значения обеих статистик в отбираемом участке генома должны быть низкими.
Чтобы выявить участки генома, подверженные отбору, мы нормировали гетерозиготность в отбираемой популяции (Hs) к аллельной дивергенции между отбираемой и контрольной популяциями (D), где D вычислялось как среднее количество попарных различий между двумя популяциями. To detect regions where divergence was more likely driven by selection, we scaled heterozygosity in S populations (HS) by the allelic divergence between S and C populations (D), where D was calculated as the average number of pairwise differences between two populations. Гетерозиготность (в общем виде) Гетерозиготность (на нуклеотидный сайт) , где pi – доля варианта H=1 -([A]2+[G]2+[C]2+[T]2)
Аннотация генома – выявление функционального значения элементов генома на основе сравнения с известными последовательностями. Отыскав локусы, подверженные отбору, с помощью аннотаций можно предположить, как именно популяция адаптируется под воздействием отбора. Биологические функции, избыточно представленные (более, чем в 2, 5 раза по сравнению с стандартным транскриптомом) среди генов, вовлеченных в выметание отбором Биологический процесс Количест во генов Увеличение p-значение Иммунитет к грибным инфекциям 6 6, 8 3, 7 х10 -6 Протеолиз 15 2, 3 7, 8 х10 -3 Развитие фолликулярных клеток 7 1, 8 1, 2 х10 -2
Type(Urban and Natural) sample N 1 76 6. 57 N 2 74 37, 9 N 3 71 33. 02 U MSU 4 68 34. 1 U Michurinsky prosp 5 75 52. 5 U Vorobyovy Gory 6 45 30. 6 # sample number of individuals concentration, ng/mc. L
Проект изучения адаптаций растений к фрагментации местообитаний Фрагментация местообитаний – одно из последствий урбанизации, выражающееся в разделении зоны обитания вида на изолированные участки, между которыми затруднен поток генов (например, парки, разделенные автодорогами). Показано, что у многих растений во фрагментированных местообитаниях снижается репродуктивный успех. Возможные механизмы адаптации: 1)привлечение более эффективных в данных условиях опылителей 2)увеличение самосовместимости 3)переход на вегетативное размножение Преимущества генетических методов в данном случае: 1)позволяют выявить ныне действующий отбор, длящийся всего несколько поколений 2)аннотация выявленных подотборных генов позволяет сделать предположения о том, какие адаптации следует искать в ходе экологических и физиологических исследований (в том числе исходно неочевидные).
Скачать презентацию Методы обнаружения отбора по данным секвенирования научный сотрудник
eb7073b9632680cfad44f6065b2e657a.ppt