Скачать презентацию Популяционная генетика — 5 Факторы эволюции Скачать презентацию Популяционная генетика — 5 Факторы эволюции

6429f6eed48d695f9bf25ae2176b0d47.ppt

  • Количество слайдов: 72

Популяционная генетика - 5 Популяционная генетика - 5

Факторы эволюции • мутации • отбор • половое размножение • генетико-автоматические процессы (генетический дрейф) Факторы эволюции • мутации • отбор • половое размножение • генетико-автоматические процессы (генетический дрейф) • миграция

Как отличить Дарвина от Кимуры? Как отличить Дарвина от Кимуры?

kотбор = Nus kнейт. = u kотбор = Nus kнейт. = u

kотбор = Nus kнейт. = u Преобладает отбор Преобладает дрейф s > 1/N s kотбор = Nus kнейт. = u Преобладает отбор Преобладает дрейф s > 1/N s < 1/N

Положительный отбор Положительный отбор

Эпизодические адаптации Эпизодические адаптации

Dважн/Dнейтр = ? Dважн/Dнейтр = ?

human rat mouse human rat mouse

ожидаем наблюдаем 25% : 50% : 33% : 37% : 25% 30% Bazykin et ожидаем наблюдаем 25% : 50% : 33% : 37% : 25% 30% Bazykin et al. Nature 2004

взаимодействие между кодонами доля замен, происходящих в 0. 5 разных линиях 0. 4 0 взаимодействие между кодонами доля замен, происходящих в 0. 5 разных линиях 0. 4 0 100 расстояние, пар нуклеотидов Bazykin et al. Nature 2004

rat rat

rat rat

rat rat

rat rat

повсеместность «кластеров» Pseudomonas Muridae Pyrococcus Bacillus Salmonella Buchnera ожидание Chlamydia Escherichia Staphylococcus Streptococcus Helicobacter повсеместность «кластеров» Pseudomonas Muridae Pyrococcus Bacillus Salmonella Buchnera ожидание Chlamydia Escherichia Staphylococcus Streptococcus Helicobacter Vibrio Bazykin et al. Nature 2004

В каких участках белка положительный отбор чаще и сильнее – в важных или в В каких участках белка положительный отбор чаще и сильнее – в важных или в неважных? положительный отбор: Dважная > Dнейтр отрицательный отбор: Dважная < Dнейтр

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 1 2 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence mel-pse-vir in 21 bp window Bazykin et al. submitted

Эволюция патогенов • ВИЧ-1 • грипп А Эволюция патогенов • ВИЧ-1 • грипп А

ВИЧ-1 • мало генов, сотни последовательностей • модельная система для изучения эволюции • основной ВИЧ-1 • мало генов, сотни последовательностей • модельная система для изучения эволюции • основной подход: Dn/Ds по позициям образец 1 образец 2 … образец N ATG TCC CTA TAC GGA GCT ATG TCT CAT TAT AGA GAT ACG TCT CTT TAT AGG GCT Dn 1 Ds 1 Dn 2 Ds 2 Dn 3 Ds 3 Dn 4 Ds 4 Dn 5 Ds 5 Dn 6 Ds 6

Positive selection mapping of HIV-1 protease from 40, 000 patient samples. The Ka/Ks value Positive selection mapping of HIV-1 protease from 40, 000 patient samples. The Ka/Ks value represents the greatest selection pressure among all the individual amino acid mutations at each codon. The dotted line indicates the Ka/Ks value of 1 (Ka = d. N, Ks = d. S)

Отношение числа несинонимичных к числу синонимичных замен (Dn/Ds) Bazykin et al. PNAS 2006 Отношение числа несинонимичных к числу синонимичных замен (Dn/Ds) Bazykin et al. PNAS 2006

ВИЧ-1 • мало генов, сотни последовательностей • модельная система для изучения эволюции • основной ВИЧ-1 • мало генов, сотни последовательностей • модельная система для изучения эволюции • основной подход: Dn/Ds по позициям • … хорошо работает для поиска отбора, действовавшего равномерно в течение длительного времени … • … но плохо – для поиска переменного отбора.

Другой подход: Эпизоды положительного отбора должны вызывать ВРЕМЕННОЕ увеличение скоростей замен – «пулеметные очереди» Другой подход: Эпизоды положительного отбора должны вызывать ВРЕМЕННОЕ увеличение скоростей замен – «пулеметные очереди» замен (множественные замены в быстрой последовательности)

AAC AAA ATC AAC GGG GCC 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et AAC AAA ATC AAC GGG GCC 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006

0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006

Пары замен 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006 Пары замен 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006

Пары замен 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006 Пары замен 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006

Расстояние между заменами в паре 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. Расстояние между заменами в паре 0. 1 нук. замен на сайт Bazykin et al. PNAS 2006

Расстояние между заменами в паре несинонимичные расстояние между последовательными синонимичными заменами приблизительно соответствует ожиданию Расстояние между заменами в паре несинонимичные расстояние между последовательными синонимичными заменами приблизительно соответствует ожиданию последовательные несинонимичные замены идут «очередями»

Расстояние между заменами в паре несинонимичные «сосредоточение» сильнее выражено в консервативных сайтах Bazykin et Расстояние между заменами в паре несинонимичные «сосредоточение» сильнее выражено в консервативных сайтах Bazykin et al. PNAS 2006

Сайты под положительным отбором (Yamaguchi-Kabata and Gojobori, 2000) Консервативные сайты под эпизодическим положительным отбором Сайты под положительным отбором (Yamaguchi-Kabata and Gojobori, 2000) Консервативные сайты под эпизодическим положительным отбором Bazykin et al. PNAS 2006

Distances between successive nonsynonymous (Upper) and synonymous (Lower) substitutions on the phylogenetic trees. The Distances between successive nonsynonymous (Upper) and synonymous (Lower) substitutions on the phylogenetic trees. The mean distance between successive nonreversing substitutions is shown for codon sites with each total number of substitutions on the tree (dots). Solid lines present mean distances between successive substitutions within each sliding 30 -site window. Dashed lines show mean distances between independent substitutions obtained in simulations. Bazykin et al. PNAS 2006

dn/ds тест для отдельных ветвей филогенетического дерева Bazykin et al. PNAS 2006 dn/ds тест для отдельных ветвей филогенетического дерева Bazykin et al. PNAS 2006

Grenfell et al. Science 2004 Grenfell et al. Science 2004

Bush et al. Science 1999 Bush et al. Science 1999

Plotkin et al. PNAS 2000 Plotkin et al. PNAS 2000

Тест Макдональда-Крейтмана Тест Макдональда-Крейтмана

kполезная ~ 2 Nus kнейтральная ~ u kполезная ~ 2 Nus kнейтральная ~ u

Bazykin et al. Biology Direct 2007 Bazykin et al. Biology Direct 2007

Тест Макдональда-Крейтмана Основное объяснение: • движущий отбор Альтернативное объяснение: • усиление отрицательного отбора (напр. Тест Макдональда-Крейтмана Основное объяснение: • движущий отбор Альтернативное объяснение: • усиление отрицательного отбора (напр. из-за увеличения размера популяции) этот тест чувствителен к особенностям популяционной демографии

Simpson’s paradox Shapiro et al. PNAS 2007 Simpson’s paradox Shapiro et al. PNAS 2007

0. 2 0. 18 0. 16 0. 14 0. 12 ratio 0. 1 0. 0. 2 0. 18 0. 16 0. 14 0. 12 ratio 0. 1 0. 08 0. 06 0. 04 0. 02 0 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence yak-pse-vir in 21 bp window Dn/Ds

0. 2 0. 18 0. 16 0. 14 0. 12 ratio 0. 1 0. 0. 2 0. 18 0. 16 0. 14 0. 12 ratio 0. 1 0. 08 0. 06 0. 04 0. 02 0 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence yak-pse-vir in 21 bp window Dn/Ds Pn/Ps (with singletons)

1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 12 0. 5 0. 1 0. 4 0. 08 0. 3 0. 06 0. 2 0. 04 0. 1 0. 02 0 0 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio 0. 9 (with singletons) Dn/Ds Pn/Ps (with singletons)

Smith and Eyre-Walker 2002: 45% Bierne and Eyre-Walker 2004: 25% Shapiro et al. 2007: Smith and Eyre-Walker 2002: 45% Bierne and Eyre-Walker 2004: 25% Shapiro et al. 2007: 30% 1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 12 0. 5 0. 1 0. 4 0. 08 0. 3 0. 06 0. 2 0. 04 0. 1 0. 02 0 0 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio 0. 9 (with singletons) Dn/Ds Pn/Ps (with singletons)

1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 12 0. 5 0. 1 0. 4 0. 08 0. 3 0. 06 0. 2 0. 04 0. 1 0. 02 0 0 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio 0. 9 (with singletons) Dn/Ds Pn/Ps (no singletons) Pn/Ps (with singletons)

1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 1 0. 2 0. 18 0. 16 0. 7 0. 14 0. 6 0. 12 0. 5 0. 1 0. 4 0. 08 0. 3 0. 06 0. 2 0. 04 0. 1 (no singletons) (with singletons) Dn/Ds Pn/Ps (no singletons) Pn/Ps (with singletons) 0. 02 0 ratio 0. 9 0 0 1 2 3 -5 6 -8 9 -10 11 -15 16 -20 divergence yak-pse-vir in 21 bp window Bazykin et al. submitted

Ometto et al. Mol. Biol. Evol. 2005 Ometto et al. Mol. Biol. Evol. 2005

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором Вокруг сайта под отбором изменчивости не будет! «Выметание» отбором Вокруг сайта под отбором изменчивости не будет!

«Выметание» отбором Hamblin and Di Rienzo, 2000 Am. J. Hum. Genet. 66: 1669– «Выметание» отбором Hamblin and Di Rienzo, 2000 Am. J. Hum. Genet. 66: 1669– 1679

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором «Выметание» отбором

«Выметание» отбором Вокруг сайта под отбором изменчивость понижена «Выметание» отбором Вокруг сайта под отбором изменчивость понижена

Неравновесие по сцеплению Sabeti et al. , 2002 Nature 419: 832 -837 Неравновесие по сцеплению Sabeti et al. , 2002 Nature 419: 832 -837

Насколько адаптивна эволюция? Насколько адаптивна эволюция?

kполезная ~ 2 Nus kнейтральная ~ u kполезная ~ 2 Nus kнейтральная ~ u

Bazykin et al. Biology Direct 2007 Bazykin et al. Biology Direct 2007

Lynch et al. Science 2003 Lynch et al. Science 2003

Lynch et al. PNAS 2007 Lynch et al. PNAS 2007

Отбор: выводы • отрицательный отбор: самая распространенная форма отбора. Легко засечь. Под отбором ~10% Отбор: выводы • отрицательный отбор: самая распространенная форма отбора. Легко засечь. Под отбором ~10% нуклеотидов в геноме человека, ~50% нуклеотидов в геноме мухи. • положительный отбор: многие адаптации могут быть получены с помощью разных мутаций. Вероятность закрепления каждой такой мутации невелика, поэтому адаптивная эволюция непредсказуема. Доли замен под отбором и (тем более) силы отбора не знаем. • постоянный: отдельные истории • переменный: по-видимому, широко распространён

Общие выводы • эпистатические взаимодействия играют большую роль и не изучены • признаки, адаптивные Общие выводы • эпистатические взаимодействия играют большую роль и не изучены • признаки, адаптивные сейчас, не обязательно были адаптивными при возникновении • в эволюции геномов огромную роль играют нейтральные (а не адаптивные) процессы