Популяционная генетика - 5

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

Как отличить Дарвина от Кимуры?

k нейт. = u k отбор = Nus

k нейт. = u k отбор = Nus Преобладает отборs > 1/N Преобладает дрейфs < 1/N

Положительный отбор

Эпизодические адаптации

D важн /D нейтр = ?

mouse rat human

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

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

rat

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

положительный отбор: D важная > D нейтр отрицательный отбор: D важная < D нейтр В каких участках белка положительный отбор чаще и сильнее – в важных или в неважных?

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% divergence mel-pse-vir in 21 bp window Bazykin et al. submitted

Эволюция патогенов ВИЧ-1 грипп А

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

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.

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

AACATCATC AAAAAC GGGGCC 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 Пары замен Bazykin et al. PNAS 2006

0.1 нук. замен на сайт Пары замен Bazykin et al. PNAS 2006

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

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

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

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 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

Grenfell et al. Science 2004

Bush et al. Science 1999

Plotkin et al. PNAS 2000

Тест Макдональда-Крейтмана

k нейтральная ~ u k полезная ~ 2Nus

Bazykin et al. Biology Direct 2007

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

Shapiro et al. PNAS 2007 Simpsons paradox

divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio D n /D s

divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio D n /D s P n /P s (with singletons)

divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio D n /D s P n /P s (with singletons) (with singletons)

divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio D n /D s P n /P s (with singletons) (with singletons) Smith and Eyre-Walker 2002: 45% Bierne and Eyre-Walker 2004: 25% Shapiro et al. 2007: 30%

divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio D n /D s P n /P s (no singletons) P n /P s (with singletons) (with singletons)

divergence yak-pse-vir in 21 bp window ratio D n /D s P n /P s (no singletons) P n /P s (with singletons) (no singletons) (with singletons) Bazykin et al. submitted

Ometto et al. Mol. Biol. Evol. 2005

«Выметание» отбором

Вокруг сайта под отбором изменчивости не будет!

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

«Выметание» отбором

Вокруг сайта под отбором изменчивость понижена

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

Насколько адаптивна эволюция?

k нейтральная ~ u k полезная ~ 2Nus

Bazykin et al. Biology Direct 2007

Lynch et al. Science 2003

Lynch et al. PNAS 2007

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 сейчас, не обязательно были адаптивными при возникновении в эволюции геномов огромную роль играют нейтральные (а не адаптивные) процессы