Молекулярно-генетические аспекты популяционной биологии Введение в молекулярногенетические

Молекулярно-генетические аспекты популяционной биологии

Введение в молекулярногенетические методы в зоологии

Лекция 1. • Генетические маркеры, их применимость для разных зоологических задач • Базы данных (Gene. Bank, базы по геномам) • Разные форматы файлов, работа с последовательностями из Ген. Банка, • Поиск микро- и минисателлитов (программа Repeat. Finder).

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

What is phylogenetics? crocodiles birds lizards snakes rodents primates marsupials 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 : эволюция в природе или в лаборатории, компьютерная симуляция Данные: например, а. к. последовательности или количество щетинок >Seq 1 ASGCTAFKL . . . ACGCTAFKL I -> L ACGCTAFKI A -> G GCGCTAFKI >Seq 3 GCGCTLFKI >Seq 4 GCGCTGFKI. . . Построенное дерево древовидный граф, вычисленный на основе данных, может отражать или не отражать реальные события

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 chicken human fruit fly oak chicken human – bones bacteria archaea oak – cell nuclei fruit fly bacteria archaebacteria oak archaebacteria fruit fly + cell nuclei human + bones chicken

Tree Types Evolutionary trees measure time. Phylograms measure change. sharks seahorses frogs Root 50 million years Root owls crocodiles armadillos bats seahorses frogs owls crocodiles armadillos 5% change bats

Tree Properties Ultrametricity Additivity All tips are an equal distance from the root. X Distance between any two tips equals the total branch length between them. a Root b c d e Y a=b+c+d+e a X b Root c e d XY = a + b + c + d + e In simple scenarios, evolutionary trees are ultrametric and phylograms are additive. Y

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 Hair? Wings? + wings Bat + hair Chimp bat chimp no hair no wings hawk Hawk + wings Apomorphy: Homoplasy: identity due to shared identity despite ancestry separate ancestry (evolutionary signal) (evolutionary noise)

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

Изучение нуклеотидных последовательностей ядерные гены – 18 S р. РНК, 28 S р. РНК, 5 S р. РНК; т. РНК; м. РНК, мя. РНК, гены белков (опсин и др. ) и т. д. митохондриальные гены – >cyt b (Vertebrata), >COI (Invertebrata)

Митохондриальная ДНК • не участвует в рекомбинационном процессе • обладает высокой скоростью эволюции и значительным внутривидовым полиморфизмом • нейтральная природа мутаций • большое количество копий на клетку • Универсальные праймеры – баркодинг • изучение последовательностей мит. ДНК позволяет делать внутривидовые филогенетические построения (иногда…). • в эволюционно молодых группах расхождение линий происходит быстрее, чем в ядерных генах • филогеография ограничения: метод не может быть применим для групп, далеко отстоящих друг от друга по времени образования

Ядерная ДНК • большое количество генов, по которым можно проводить филогенетические построения • имеет консервативное строение • нейтральная природа мутаций • изучение последовательностей яд. ДНК 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 -100 н. п. , кластер-0. 2 -20 тыс. н. п; микросателлиты – повтор. звено-2 -6 н. п. , кластер-20 -60 н. 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

Сравнение техники микросателлитного (SSR) и межмикросателлитного (ISSR) анализа 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.

Что дает секвенирование? • Построение филогении группы – Для разных групп требуются различные гены – Консервативность различных генов различна (mt. DNA-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) (ii) Белок – это большая молекула, сохраняющая в живой клетке постоянную пространственную структуру, т. е. – взаимное расположение ковалентно связанных атомов (конформацию) (iii) Последовательность определяет в какую пространственную структуру свернется белок в клетке (iv) Функция белка в клетке (и некоторые хим. свойства) проявляется только при сохранении уникальной пространственной структуры

Пространственное совмещение полипептидных цепей белков mta 1_yeast и mat 2_yeast На плоской картинке видно плохо

Схематическое изображение совмещенных структур 1 Белок 1 2 3 4 5 6 Сα атомы 3 2 1 6 7 10 7 8 11 8 12 9 Белок 2 Соответствие между Сα атомами двух совмещенных структур, основанное на близости в пространстве

Выравнивание

Хроматограмма последовательности ДНК

Филогения Glossophonidae

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

Формат файла Gen. Bank

Формат файла Fasta (. fasta)

Формат файла. nex (nexus)

Формат файла. phy

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