Молекулярно-генетические аспекты популяционной биологии Введение в молекулярно-генетические методы

Молекулярно-генетические аспекты популяционной биологии

Введение в молекулярно-генетические методы в зоологии

Лекция 1. Генетические маркеры, их применимость для разных зоологических задач Базы данных (GeneBank,базы по геномам) Разные форматы файлов, работа с последовательностями из ГенБанка, Поиск микро- и минисателлитов (программа RepeatFinder).

What is phylogenetics? Phylogenetics is the study of evolutionary relationships among and within species. crocodiles birds lizards snakes rodents primates marsupials

What is phylogenetics? This is an example of a phylogenetic tree.

Зачем нужны филогенетические деревья? Биологические задачи: сравнение 3-х и более объектов (кто на кого более похож .... ) реконструкция эволюции (кто от кого, как и когда произошел…)

Реальные события : Данные: Построенное дерево эволюция в природе или в например, древовидный граф, лаборатории, а.к. последо- вычисленный на основе компьютерная симуляция вательности или данных, может количество отражать или не щетинок отражать реальные события >Seq4 GCGCTGFKI . . . . . >Seq1 ASGCTAFKL . . . >Seq3 GCGCTLFKI A -> G I -> L

So… who cares? Phylogenetic Character Mapping Classification/Taxonomy/Systematics Biogeography Speciation Co-evolution Adaptation Rates of evolution Practical applications in conservation, health, law enforcement, etc.

Phylogenetic Tree Node = ancestral taxa Root = common ancestor of all taxa on the tree Clade = group of taxa and their common ancestor Branch length may be scaled to represent time, substitutions Nodes may be rotated without a change in meaning May include extant and extinct taxa

Rooted vs. Unrooted Trees Rooting a tree polarizes character state changes Outgroup = taxon outside the clade of interest

Rooting and Tree Interpretation

Tree Types

Tree Properties In simple scenarios, evolutionary trees are ultrametric and phylograms are additive.

Selecting characters Types of characters: Morphologic, behavioural DNA sequence Protein sequence Genomic characters

Data for Phylogeny Can be classified into two categories: – Numerical data • Distance between objects e.g., distance(man, mouse)=500, distance(man, chimp)=100 Usually derived from sequence data – Discrete characters • Each character has finite number of states e.g., number of legs = 1, 2, 4 DNA = {A, C, T, G}

Apomorphy and Homoplasy no hair no wings Apomorphy: identity due to shared ancestry (evolutionary signal) Homoplasy: identity despite separate ancestry (evolutionary noise)

nх230 копий искомого фрагмента ДНК 30 циклов 1. Сбор материала 2. Выделение ДНК 3. ПЦР-амплификация фрагмента мтДНК 4. Сиквенс пцр-фрагмента 5. Стыковка и множественное выравнивание последовательностей 6. Филогенетическая реконструкция Общая схема изучения нуклеотидных последовательностей

Изучение нуклеотидных последовательностей ядерные гены – 18S рРНК, 28S рРНК, 5.8S рРНК, 5S рРНК; тРНК; мРНК, мяРНК, гены белков (опсин и др.) и т.д. митохондриальные гены – >cyt b (Vertebrata), >COI (Invertebrata)

Ядерная ДНК большое количество генов, по которым можно проводить филогенетические построения имеет консервативное строение нейтральная природа мутаций изучение последовательностей ядДНК позволяет делать межвидовые и более высокого ранга филогенетические построения ограничения: метод слабо применим для внутривидовых филогенетических построений, требует предварительной модификации для работы с новым организмом

Микросателлитный и минисателлитный анализ изучение тандемных повторов в строении ДНК (минисателлиты – повтор.звено-6-100н.п., кластер-0.2-20 тыс.н.п; микросателлиты – повтор.звено-2-6н.п., кластер-20-60н.п.) универсальность метода в использовании высокая степень полиморфизма возможность делать внутривидовые филогенетические построения, в том числе изучать малые, изолированные и однополые популяции ограничение: участие в рекомбинационном процессе, трудно сравнивать далекие в систематическом отношении организмы

SSR and ISSR. SSR employs primers targeting a single repeat region, while ISSR employs a single primer containing repeats to amplify regions between two repeats. Сравнение техники микросателлитного (SSR) и межмикросателлитного (ISSR) анализа

Что дает секвенирование? Построение филогении группы Для разных групп требуются различные гены Консервативность различных генов различна (mtDNA-интроны- «новые» и «старые» гены Эффект «насыщения» мутациями Выявление криптических видов Митохондриальная ДНК «универсальные» праймеры Желательно наличие близких групп в генбанке Праймеры для определения вида методом видоспецифичной ПЦР

Что дают микросателлиты? Наличие генетической дифференциации популяций и выявление популяционной структуры вида Криптические симпатрические виды на ранних этапах видообразования (с оговорками) Поток генов (миграция) между популяциями НО: генетические маркеры надо искать для каждой группы!

Основные этапы анализа молекулярной эволюции Выбор последовательностей и их выравнивание Построение/выбор эволюционной модели Реконструкция эволюции реконструкция филогенетического дерева оценка силы давления и направления отбора сравнение скоростей эволюции Оценка статистической значимости реконструкции

Чтобы понять смысл выравнивания, вернемся к тому, что такое последовательность аминокислотных остатков и что такое белок

(i)Последовательность – удобный способ закодировать структурную (химическую) формулу молекулы белка (до посттрансляционных модификаций) (iii) Последовательность определяет в какую пространственную структуру свернется белок в клетке (ii) Белок – это большая молекула, сохраняющая в живой клетке постоянную пространственную структуру, т.е.– взаимное расположение ковалентно связанных атомов (конформацию) (iv) Функция белка в клетке (и некоторые хим. свойства) проявляется только при сохранении уникальной пространственной структуры

Пространственное совмещение полипептидных цепей белков mta1_yeast и mat2_yeast На плоской картинке видно плохо 

Схематическое изображение совмещенных структур

Выравнивание

Хроматограмма последовательности ДНК

Филогения Glossophonidae

Работа с генетическими базами данных National Center for Biotechnology Information http://www.ncbi.nlm.nih.gov GenBank molecular sequence database The EMBL Nucleotide Sequence Database http://www.ebi.ac.uk/embl/ (EMBL-Bank) DNA Data Bank of Japan (DDBJ) http://www.ddbj.nig.ac.jp/ SwissProt (Swiss institute of bioinformatics) http://expasy.org/people/swissprot.html

Формат файла GenBank

Формат файла Fasta (.fas .fasta)

Формат файла .nex (nexus)

Формат файла .phy

http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html