Sissejuhatus

1. Sissejuhatus Molekulaarne evolutsioon ja neutraalne molekulaarse evolutsiooni teooria Populatsioonigeneetika Molekulaarbioloogia Molekulaarne evolutsioon • makromolekulide evolutsiooni uurimine; • geenide ja organismide evolutsioonilise ajaloo uurimine ehk molekulaarne fülogeenia; • (elu tekke ja päritolu uurimine)

2. Looduslik valik – Neo-Darvinism Juhuslik geneetiline triiv – Neutraalne evolutsiooniteooria Molekulaarsel tasemel on evolutsioon jälgitav asendustena kas siis DNA või valgu järjestuses (ka RNA). Milline on valiku ja triivi vahekord molekulaarses evolutsioonis? Motoo Kimura 1924-1994

3. Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse Evolutsiooni Teooria tekkele oli valkude varieerumisandmestiku teke. Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel. Tegelikult pinna-pealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata DNAst) käis siiski valdavalt üle jõu. 1969 1968 Nature Science

4. Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse Evolutsiooni Teooria tekkele oli valkude varieerumisandmestiku teke. Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel. Tegelikult pinna-pealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata DNAst) käis siiski valdavalt üle jõu. • Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi: • Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga suured, et seletuda vaid LVga. • Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni konstantsus. • Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad evolutsioneeruvad aeglasemalt.

5. Neutraalne ja selektsionistlik mudel erinevad kasulike ja neutraalsete muudatuste vahekorra poolest molekulaarsel tasemel. Neutralistid ei eita kohastumiste evolutsiooni valiku teel! Pan-neutralism – peaaegu kõik neutraalsed: ei kõlba

6. neutraalse hüpoteesi eelduseks Funktsionaalse piirangu erinevused Page&Holmes 1998

7. Geeni järjestus: ..ACCCGTCAAGGGCCCAA... Enamus mutatsioone kahjulikud (deleterious) Selektsiooni koefitsient (s): + - kasulik mutatsioon/geneetiline variant – kasvav sagedus 0 - neutraalne - triiv - - kahjulik - kahanev sagedus Erinevus varasemast tähendusest kus maksimaalsele kohasusele anti väärtus 1 ja vähem kohaste kohasust väljendati 1-s. selektsionistlik neutraalne pan-neutraalne

8. Põhiline liikumapanev jõud Neutraalse Molekulaarse Evolutsiooni Teooria tekkele oli valkude varieerumisandmestiku teke. Andmed varieeruvusest molekulaarsel tasemel. Tegelikult pinna-pealsed kuna valkude AH järjendamine (rääkimata DNAst) käis siiski valdavalt üle jõu. • Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi: • Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga suured, et seletuda vaid LVga. • Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni konstantsus. • Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad evolutsioneeruvad aeglasemalt.

9. wopt - w L = wopt geneetiline koormus Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga Varieeruvus & mutatsiooni kiirused on liiga suured et seletuksid vaid LV-ga – nad tekitaks liiga suure geneetilise koormuse & LV hinna ja segregatsiooni koormuse. - kohaseim genotüüp, wopt geneetiline koormus Ehk L=1-w kui palju iga indiviidi kohasus on alla populatsiooni optimumi populatsioon keskmise kohasusega w (iga genotüübi kohasus korda tema sagedus) sisuliselt tähendab, kui suur on tõenäosus, et keskmine indiviid antud populatsioonis sureb enne järglaste andmist kuna ta kannab kahjulikku alleeli

10. geneetiline koormus Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga Kuna populatsioon koosneb lõplikust arvust indiviididest talub ta ainult mingit lõplikku suurust geneetilist koormust. Kui suurt? Ehk kui suurt mutatsioonikiirust?

11. geneetiline koormus Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga Geneetiline koormus võib populatsioonis püsida mitmel põhjusel. Mutatsiooni valiku tasakaal (p*= m/s) on üks. sisuliselt tähendab, kui suur on tõenäosus, et keskmine indiviid antud populatsioonis sureb enne järglaste andmist kuna ta kannab kahjulikku alleeli Meenuta, et p*= m/s kehtis vaid siis kui kahjulik mutatsioon on dominantne genotüüp AA Aa aa kohasus 1-s 1-s 1 sagedus p2 2pq q2 (1 – 2m) W = p2(1-s) + 2pq(1-s) +q2 = = 1 –p2s -2pqs L = 1 - w Kuna p väikene, W= 1 -2ps Mutatsiooniline koormus: on geneetiline koormus mutatsiooni/valiku tasakaalu korral p*= m/s Ja w = 1 – 2m L = 2m

12. surevus varieeruvus selektiivne viljakus Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga LV hind: suremus, mis on tingitud valikust LV hind (C ühik on populatsiooni suurus) summeerib surevuse põlvkonniti kuni hetkeni, mil A’ on elimineeritud Kujuta ette, et tekib suurt kohanemisvõimet tagav mutatsioon, mille tõttu populatsioonis kõigi seda mutatsiooni mitte kandvate indiviidide kohasus saab võrdseks 0-ga. See populatsioon sureks välja kuna ainus kohane indiviid ei leiaks endale partnerit.

13. LV hind Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga Hinnates diploidsete geenide keskmiseks piirhinnaks (C) 30 ja järglaste andmise varu 10% rehkendas Haldane, et alleeliasenduste piiriks e. max evolutsioonikiiruseks on 1 geeniasendus 300 põlvkonna kohta

14. Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga liiga suured mutatsioonikiirused 1960-ndate valgujärjestuste määramise eksperimentaalsed andmed näitasid palju kiiremat evolutsiooni, Kimura rehkenduses imetajate genoomi kohta, 1 aminohappeline asendus keskmiselt 2-3 aasta kohta, ehk enam kui 100 korda kiirem kui Haldane’i poolt rehkendatud taluvuse ülempiir Loodusliku valiku toimimisel oleksid kõik imetajad selliste asenduskiiruste juures ammu välja surnud Kimura lahendus oli muidugi lihtne: „Järelikult on enamus mutatsioone neutraalsed”

15. VASTUARGUMENT Selektiivne surevus HARD SELECTION taustsurevus Nt piiratud ressursse ekspluateeriv kasulik mut.-> “Kohane õgard” FN N Kui valik “toimetab” taust-surevuse piirides ei põhjusta ta LV hinna kasvu, mis omakorda lubab kiiremat evolutsiooni Täisk. Täisk. Täisk. Täisk. Vasts. Vasts. Vasts. Tuletage koha 5 miljonit muna meelde SOFT SELECTION Selektiivne surevus Iga teine tunnus taustsurevus FN N Täisk. Täisk. Täisk. Täisk. N - arvukus F - viljakus Vasts. Vasts. Vasts.

16. Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga segregatsiooniline koormus(segregational load) – leiab aset, kui polümorfismi säilitatakse tänu stabiliseerivale valikule, mis eelistab heterosügoote. Niikaua, kui heterosügoote eelistatakse, püsib geneetiline koormus Mendeli seaduste kohaselt ikka ja jälle tekkivate homosügootide surmade tõttu. Kuivõrd nähti, et polümorfisme on palju ja paljudes lookustes ja ainukeseks mehhanismiks, mis lubas polümorfismil populatsioonis püsida oli heterosügootne eelis, siis tekkis probleem: kui madalale langeb populatsiooni kohasus kui osa populatsioonist on heterosügoodid paljudes lookustes. Probleem tuli kahest valearusaamast 1) kohasused on eranditult multiplikatiivsed ja 2) heterosügootne eelis on ainus mehhanism mis hoiab populatsiooni polümorfsena.

17. genotüüp AA Aa aa kohasus 1-s 1 1-t Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga liiga suur varieeruvus Valkude elektroforeesiga (ebatäielik meetod) tuvastati 1960ndatel veel, et äädikakärbsel on 30% valkudest polümorfsed keskmise heterosügootsusega 10%. Äädikakärbsel on vähemalt 10 tuhat erinevat valku kodeerivat geeni. Tollal lubas teoreetiliselt vaid heterosügootneeelis seletada suurt hulka heterosügoote, seega Kust tasakaalulised p = t/(s+t) ja q = s /(s+t) Ning heterosügootide osakaal (2pq) H = 2st/(s+t)2 st Keskmine kohasus w = 1 - (selle lookuse suhtes) s+t Siit, w = 1 – H s, kus s = (s+t)/2

18. Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga liiga suur varieeruvus: segregatsiooniline koormus (segregational load) w = 1 – H s Kuivõrd äädikakärbsel 30% valkudest polümorfsed keskmise heterosügootsusega 10% (üle genoomi). Polümorfsete lookuste heterosügootsus 0.1/0.3=0.33. Oletades, et keskmine s on 0.1, siis keskmine kohasus lookuse kohta on 0.967 (heterosügoodi suhtes, kelle kohasus on 1). Kuivõrd äädikakärbsel on kokku 3000 polümorfset lookust, siis w = (1 – 0.33 x 0.1)3000 ~10-43 (1-0,33x0,1=0,967) S.t. et kui leiduks heterosügoot kõigis 3000 lookuses, siis oleks ta 1043 korda kohasem keskmisest kärbsest Ehk siis keskmine kärbes peaks tootma sellest arvust veelgi rohkem järglasi, et populatsioon välja ei sureks

19. Tunnused, mis alluvad valikule ei pea esinema sõltumatult. Nt. 2 silmaga organism pole “2x” efektiivsem, 1 silm kompenseerib osaliselt teise puudumist Ja heterosügootne eelis ei ole ainus LV tüüp, mis polümorfismi alles hoiab (sagedusest sõltuv valik). Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga liiga suur varieeruvus: segregatsiooniline koormus (segregational load) w = 1 – H s Kuivõrd äädikakärbsel 30% valkudest polümorfsed keskmise heterosügootsusega 10% (üle genoomi). Polümorfsete lookuste heterosügootsus 0.1/0.3=0.33. Oletades, et keskmine s on 0.1, siis keskmine kohasus lookuse kohta on 0.967 (heterosügoodi suhtes, kelle kohasus on 1). Kuivõrd äädikakärbsel on kokku 3000 polümorfset lookust, siis w = (1 – 0.33 x 0.1)3000 ~10-43 (1-0,33x0,1=0,967) S.t. et kui leiduks heterosügoot kõigis 3000 lookuses, siis oleks ta 1043 korda kohasem keskmisest kärbsest Ehk siis keskmine kärbes peaks tootma sellest arvust veelgi rohkem järglasi, et populatsioon välja ei sureks

20. 4Neu H = 4Neu + 1 Kimura 1, liig suur varieeruvus & evol. Kiirus seletumaks vaid LV ga Kimura: pole probleemi kui enamus polümorfismidest on neutraalsed heterosügoodid, tänu mutatsiooniprotsessile, transientsed (teke ja siis kas kadu või fikseerumine), ning säiluvad vastavalt tasakaalule: H Nu

21. VASTUARGUMENT Kimura 1, probleemid 4Nu H = 4Nu + 1 Populatsioonide siseselt on suurtes populatsioonides vähem heterosügootsust kui seda eeldaks neutraalne teooria. H Neutraalne “ootus” N mõõdetud

22. Kimura 1, probleemid Kimura: Varieeruvus & mutatsiooni kiirused on liiga suured sest tekitaks liiga suure geneetilise koormuse, LV hinna ja segregatsiooni koormuse. Tegelikult selgus, et valik on pigem pehme kui kõva (see viib geneetilise koormuse ja LV hinna alla) ja erinevate lookuste geenide kohasused ei ole tihti multiplikatiivsed ning heterosügootne eelis ei ole ainuke valik, mis hoiab polümorfismi. Ja üldine heterosügootsus on madalam kui NMET ennustab. Seega, LV hinna paradoks pole just kõige esinduslikum argument Neutraalse molekulaarse evolutsiooni teooria toetuseks

23. Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi: • Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga suured, et seletuda vaid LVga. • Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni konstantsus. • Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad evolutsioneeruvad aeglasemalt.

24. Ajalugu: Molekulaarbioloogia ja molekulaarne evolutsioon 1965 E. Zuckerkandl ja L. Pauling - molekulaarne kell Erinevate liikide hemoglobiinide võrdlus: Ühe ja sama valgu evolutsioonikiirus on kõikides evolutsiooniliinides ligilähedaselt sama! Tohutu potentsiaal liikide lahknemise ja liikidevaheliste fülogeneetiliste suhete rekonstrueerimiseks. AH erinevuste arv Lahknemise aeg Inimene – hiir 16 70 MAT Inimene – lind 35 270 MAT Inimene – konn 62 350 MAT Inimene – hai 80 450 MAT 1 asendus 11 – 18 Ma kohta

25. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus Molekulaarne kell 1965 Emile Zuckerkandl ja Linus Pauling Klassikaline sünteetiline evolutsiooniteooria pidas polümorfismi suhteliselt stabiilseks. Kimura järgi on polümorfism transientne faas molekulaarses evolutsioonis. Neutraalse teooria järgi peamiseks MOLEKULAARSE evolutsiooni teguriks pole mitte LV vaid mutatsioonid ja triiv. Pika aja vältel on fikseerunud asenduste kumuleerumise kiirus võrdeline neutraalsete mutatsioonide tekke sagedusega, sest kahjulikud elimineeritakse ja kasulike osakaal ebaoluline. See tagabki kella.

26. molekulaarne kell: -globiini AH asenduste arv eri liikidel võrrelduna inimesega kvoll Aminohappeline erinevus Lahknemiste aeg Page&Holmes 1998

27. nestevint

28. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus Molekulaarne kell on konstantne, erinevalt morfoloogilisest ebaühtlasest kellast mille taga on mittejuhuslik valikuline protsess Heterodontus portusjacksoni, “elus fossiil”, kes sarnaneb 300 miljoni aasta vanuste fossiilidega

29. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus Aminohappelisi erinevusi Inimese  vs  globiin 147 Karpkala  vs inimese  globiin 149 Hai  vs  globiin 150 Seega, vaatamata morfoloogilise evolutsiooni pidurdumisele hai liinis ei ole molekulaarne evolutsioon paigal seisnud.

30. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus = suhteliste kiiruste test (relative rate test) Inimese liinis evol. kiirus aeglasem Näitab, kas evol. kiirus oli sama kahes puu harus, mis ühendavad kahte liiki oma eellasega. EI ENAM - vale puu (valimi efekt) - erinevad mutatsioonikiirused erinevates liinides

31. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus Molekulaarne kell: kas kell tiksub reaalajas või generatsiooniajas? Darwinlik seletus: reaalajaga parem kooskõla, sest valik realiseerub keskkonna mõjude kaudu reaalajas

32. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus • Esiteks, mis põhjustab mutatsioone? • UV kiirgus ja keemilised mutageenid. (valdav arvamus 20saj) • Kell käib reaalajas • Mutatsioonid tekivad meioosis. • Kell käib generatsiooniajas. • Mutatsioonid tekivad replikatsioonil. (valdav arvam. 20saj lõpuks) • Põlvkonnapikkus mõjutab kella tiksumist.Kellal on põlvkonnaefekt. (oluline on mitooside hulk gameedist gameedini ja neid on pikema põlvkonna pikkusega liikidel küll rohkem aga see ei kompenseeri põlvkonna pikkuse vahet).

33. 43 Põlvkondade suhe 30/1 Replikatsioonide suhe Gameedist gameedini 5/1 43 230 Seega replikatsioone 90 a kohta: Inimene: 3*230=690 Rott: 3*30*43= 3870 43 ….30tk 60a 43 43 230 43 ….30tk 30a inimese põlvkonna pikkus 43 43 230 roti põlvkonna pikkus 43 ….30tk replikatsioone aeg

34. Kuidas kell tegelikult käib. Ehk mida näitavad andmed? 1977, valkude järjestuste võrdlemisel leiti, et kell käib pigem absoluutses ajas! Suhteliste kiiruste test!

35. Kimura 2, molekulaarne kell, selle konstantsus DNA: sünonüümsetes positsioonideson kellal põlvkonnaefekt. Mittesünonüümsetes positsioonides on asi aga pisut segane, tulemusi on nii ja naasuguseid… MAT

36. molekulaarne kell Põlvkonnapikkuste erinevused ei seleta kogu kella kiiruse varieerumist eri liinides. “Liiniefekt” sisaldab lisaks põlvkonnapikkusele ka: liiniefekt a) põlvkonnapikkused b) metabolismi kiirus c) reparatsiooniefektiivsus neutraalse hüpoteesi järgi peaks liiniefekt seletama kõiki kella kõrvalekaldeid; valiku korral nn. Jääkefekt

37. molekulaarne kell b) metaboolne hüpotees (Martin & Palumbi 1993) - kõrgema metaboolse aktiivsusega kaasneb kõrgem mutatsioonikiirus, vabad hapniku radikaalid olulised kehakaal ja püsisoojasus mtDNA toetus(kõrge metaboolne aktiivsus, vabad radikaalid – 10X kiirem kui tuuma DNA aga pole ka reparatsiooni) kõrvutades põlvkonnapikkustega siiski väiksem kaal

38. molekulaarne kell keha suurus ja evolutsioonilised kiirused kõigu- ja püsisoojastel

39. Rates of molecular evolution vary widely among lineages, but thecauses of this variation remain poorly understood. It has beensuggested that mass-specific metabolic rate may be one of the keyfactors determining the rate of molecular evolution, and that it canbe used to derive ‘‘corrected’’ molecular clocks. However, previousstudies have been hampered by a paucity of mass-specific metabolicrate data and have been largely limited to vertebrate taxa.Using mass-specific metabolic rate measurements and DNA sequencedata for >300 metazoan species for 12 different genes, wefind NO evidence that mass-specific metabolic rate drives substitutionrates. The mechanistic basis of the metabolic rate hypothesisis discussed in light of these findings.

40. molekulaarne kell c) reparatsiooni toime kõrge transkriptsioonilise aktiivsusega kaasneb efektiivsem reparatsioon

41. Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi: • Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga suured, et seletuda vaid LVga. • Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni konstantsus. OK • Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad evolutsioneeruvad aeglasemalt.

42. Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol Suuremate funktsionaalse piiranguga regioonides väiksemad evolutsioonikiirused • eksperimentaalne tõdemus • ka pseudogeenid, sünonüümsed.. proinsuliin insuliin “c”-peptiid 0,4x10-9/ah/a 2,4x10-9/ah/a kuue kordne erinevus evol. kiiruses

43. Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol Funktsionaalsed piirangud – AH tase Fibrinopeptiidid 9 asendust saidi kohta 109 aasta jooksul teiste valkudega interakteeruvad valgud evolveeruvad kiiremini 900 x erinevus 0,01 asendust saidi kohta 109 aasta jooksul Histoonid histoonid aeglased - interakteeruvad DNAga Page & Holmes 1998

44. Funktsionaalsed piirangud – AH tase inimene veis kana hai Sama loogika ka ühe valgu piires – olulisemad/vähemolulisemad piirkonnad hg- hg- mg hg- hg- mg konserveerunud fenüülalaniin44 ja histidiin94hemoglobiini alfa- ja beeta-ahelates kui ka müoglobiinis

45. Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol Sama kehtib koodoni sees, kus sünonüümsed positsioonid evolutsioneeruvad umbes 5 korda kiiremini kui mittesünonüümsed. Pseudogeenid evolutsioneeruvadveel pisut kiiremini kui sünonüümsed positsioonid, pan-neutraalselt, kus kõik asendused on neutraalsed.

46. Funktsionaalsed piirangud Syn Non-syn 49 geeni (kombineeritult primaadid, närilised ja sõralised) Page & Holmes 1998

47. Kimura 3, funktsionaalne piirang - aeglasem evol Selektsionistlik seletus väiksema funktsionaalse piiranguaga geenide kiiremale evolutsioonikiirusele oleks sagedasem “fine tuning”.. ent sellele puudub igasugune eksperimentaalne tugi. Idee oli selles, et suure funktsionaalse piiranguga piirkonnas on iga mutatsioon suure (kahjuliku) mõjuga aga kuskil eemal väiksega. Nüüd kui valk juba teeb enamvähem seda mida peab siis valik kohandab (täpsustab) tema kohasust väikeste sammudega (st mutatsioonidega väiksema funktsionaalse piiranguga piirkonnas). Neutralistid: Funktsionaalselt suurema piiranguga piirkondades/geenides on netraalsete asenduste osakaal väiksem, sest täpselt spetsialiseerunud struktuuri muutmine on suure tõenäosusega kahjulik. Sünonüümsetes positsioonides ka ennekõike mootoriks juhuslik triiv, v.a. mõned näited, kus sõltuvus vastavatest tRNA molekulidest on näidatud (codon bias)

48. Kimura ja King & Jukes kolm põhiteesi: • Molekulaarse evolutsiooni üldine kiirus ja üldine varieeruvus molekulaarsel tasandil on mõlemad liiga suured, et seletuda vaid LVga. • Molekulaarne kell – molekulaarse evolutsiooni konstantsus. OK • Suurema funktsionaalse piiranguga geenid või geeniosad evolutsioneeruvad aeglasemalt. OK

49. peaaegu neutraalsed mutatsioonid Nearly Neutral Theory of Molecular Evolution Nearly neutral mutations Kimura Wright Ohta 1968 Tomoko Ohta: Kuulake Tomoko ettekannet (>1h) kuidas ta selle peale tuli: http://online.kitp.ucsb.edu/online/infobio01/ohta/

50. Puhtalt neutraalsel teoorial mitu muret. • Põlvkonnaefekti suurem mõju sünonüümsele kellale kui mittesünonüümsele kellale • Kell ei ole piisavalt konstantne (võiks seletuda näiteks põlvkonnapikkuse muutumisega ajas) • Heterosügootsus on suurtes populatsioonides neutraalse teooria poolt ennustatuga võrreldes liiga väike, ja üleüldse eri liikidel liiga sarnane. • Geneetiline mitmekesisus ja evolutsioonikiirused ei korreleeru nii nagu neutraalne teooria ennustab