Download
slide1 n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Loodusliku valiku teooria PowerPoint Presentation
Download Presentation
Loodusliku valiku teooria

Loodusliku valiku teooria

294 Vues Download Presentation
Télécharger la présentation

Loodusliku valiku teooria

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

  1. Loodusliku valiku teooria Ühelookuseline populatsioonibioloogia Käsitleb suuri panmiktilisi populatsioone Lähtub Mendellikust (atomaarsest) pärilikkuse teooriast • alleelisagedus • genotüübi sagedus

  2. eessõna • P.S. Bioloogiline pärilikkus jagatav: • Mendellik e. geneetiline pärilikkus, mis põhineb (tuuma) DNA replikatsioonil ja rakkude jagunemisel • Epigeneetilinepärilikkus, sõltuvalt DNA modifikatsioonidest, gene silencing.. • Mitte-mendellik pärilikkus hõlmab tsütoplasmaatilist pärilikkust (mtDNA, plastiidide DNA..)

  3. Populatsioonigeneetika elementaarmudel ellujäämine LV viljakus Kõige üldisem populatsioonigeneetika operatsionaalne küsimus: Kui me teame alleeli (või genotüübi) sagedust ühes põlvkonnas, siis mis on see järgmises põlvkonnas? Alleelisageduste muutumine põlvkondade vahel on jaotatav nelja etappi Mudeli lihtsustus:

  4. Populatsioonigeneetika elementaarmudel • Mudeli lihtsustused • Käsitleda ainult LV “ellujäämise” komponenti (visates välja viljakuse komponendi varieeruvuse) • Eeldada juhuslikku ristumist (panmiksis) • Geenivoolu (migratsiooni) ei ole • Mutatsioone ei teki

  5. Hardy-Weinbergi tasakaal Alleeli ja genotüübi sagedused diploidsetel organismidel Genotüüp AAAaaa Sagedus P Q R Alleelid Aa Sagedus pq p = P + ½ Q q = R + ½ Q Alleelisagedustest omakorda ei saa tuletada genotüübisagedusi 100 genotüüpi 50 AA 50 Aa p=50+25=75% 200 alleeli 100 A 50 A 50 a 150A ja 50 a

  6. Hardy-Weinbergi tasakaal Genotüüpide AAAaaa vaba ristumine

  7. Hardy-Weinbergi tasakaal AA genotüüpe võib saada järgnevate paardumiste kaudu: AA x AA, AA x Aa (ja Aa x AA), Aa x Aa nende summa järgmises põlvkonnas on P’ = P2 + ½ PQ + ½ PQ + ¼ Q2 = (P + ½ Q) (P + ½ Q) kuna P + ½ Q = p (A alleeli sagedus), siis P’ = p2 Ehk sõltumata AA/Aa genotüüpide proportsioonidest algpopulatsioonis on järgmises põlvkonnas AA sagedus määratud üksnes A alleeli sageduse poolt. Juhul kui toimub vaba ristumine!

  8. Hardy-Weinbergi tasakaal sarnaselt arvutatavad Aa ja aa genotüüpide sagedused, kokkuvõtvalt Genotüüp AA Aa aa sagedus p2 2pq q2 Need ongi Hardy-Weinbergi seaduse järgi määratud alleeli ja genotüübi sagedused ehk nende tasakaaluolek. Seadus ütleb, et suures vabalt ristuvas populatsioonis jõuavad genotüübisagedused nende alleelisageduste poolt ettemääratud tasakaalu (ühe põlvkonna jooksul, ehk ühe vabaristlemise käigus). Kui ei ole LV-d jne.

  9. Hardy-Weinbergi tasakaal

  10. Hardy-Weinbergi tasakaal Valiku puudumisel lähevad genotüübisagedused Hardy-Weinbergi tasakaalu Näide 1 Näide 2 n Bb n BB n bb P=0.5; Q=0; R=0.5 p=0.5;q=0.5 P=0; Q=1; R=0 p=0.5;q=0.5 X X (vabaristumine, s.t. must-must, valge-valge, must-valge, kõik kõigiga) (vabaristumine, kõik kõigiga) p2 2pq q2 (0,5x0,5) (2x(0,5x0,5)) (0,5x0,5)= P=25% Q=50% R=25% (0,5x0,5) (2x(0,5x0,5)) (0,5x0,5)= P=25% Q=50% R=25%

  11. Hardy-Weinbergi tasakaal HW tasakaalulised genotüübisagedused lähtuvalt a alleelisagedusest

  12. Hardy-Weinbergi tasakaal HW kolme alleeli korral A1A1 : A1A2 : A1:A3 : A2A2 : A2A3 : A3A3 p2 2pq 2pr q2 2qr r2

  13. Hardy-Weinbergi tasakaal Kui genotüübisagedustest saab alati arvutada alleeli-sagedused siis vastupidine on võimalik vaid ennustusena, mis on täpne kui populatsioon on HW tasakaalus.

  14. Hardy-Weinbergi tasakaalu olulisus • Ajalooliselt: HWga tuldi välja 20saj esimesel kümnendil, just siis kui debatt mendelismi ja seguneva pärandumise üle oli kõige kuumem. Näidati kvantitatiivselt kuidas mendelliku päritavuse korral mitmekesisus püsib (samas kui seguneva mudeli puhul ei püsinud). • Hüpoteesi püstitusel: Kui näeme, et mingi popualtsioon ei ole mingis lookuses HW tasakaalus on põhjust uurida miks (kas on LV või mittejuhuslik ristumine) • Teoreetiline: neljaastmelisest popgen mudelist saame taandada 3, nii et alles jäävad vaid 1 ja 4 ja ainsaks arvutuseks nende vahele HW tasakaal. Sealt edasi tuleb siis LV ellujäämisel ja genotüübisagedused generatsioonis n+1. Nüüd on meil lihtne mudel kus LV-d (ellujäämisel) uurida

  15. Hardy-Weinbergi tasakaal

  16. Hardy-Weinbergi tasakaal Kasutame HW tasakaalu reaalses populatsioonis Küsimus. 9% mingist Aafrika populatsioonist põeb sirprakulist aneemiat (‘ss’). Kui suur osa populatsioonist on resistentne malaariale, eeldades, et ‘s’ alleel heterosügootidel tagab resistentsuse. Vastus. 9% on homosügoodid (ss) q2=0.09 -> q = 0.3 p = 1 – q = 0.7 Q = 2pq = 0.42 -> 42% populatsioonist eeldusel, et populatsioon on HW tasakaalus

  17. Hardy-Weinbergi tasakaal Kontrollime HW tasakaalu reaalses populatsioonis võrdle vaadelduid ja oodatuid

  18. Hardy-Weinbergi tasakaal Kontrollime HW tasakaalu reaalses populatsioonis võrdle vaadelduid ja oodatuid ei erine ühegi populatsiooni siseselt, kuigi populatsioonide vaheliselt on olulisi erinevusi alleelide sagedustes

  19. Hardy-Weinbergi tasakaal Kui populatsioon ei ole HWs, siis kas - valik - mittejuhuslik ristumine

  20. mittejuhuslik ristumine Assortatiivne paardumine – sarnane otsib sarnast sugulaste vaheline erijuht (inbreeding) seda välditakse lõhnadega (odoorsed mehhanismid, MHC erinevused) Disassortatiivne paardumine – erinevate fenotüüpidega isendite paardumine Vaata videot: http://www.pbs.org/wgbh/evolution/library/01/6/l_016_08.html

  21. Looduslik valik: populatsioonigeneetika mudelid • valik retsessiivse alleeli vastu • mutatsiooni ja valiku tasakaal: kahjulik dominantne alleel • heterosügootne eelis • sagedusest sõltuv kohasus: negatiivne/positiivne tagasiside • mitmekesisuse püsimine heterogeenses keskkonnas • Wahlundiefekt • geenivool: Island model • valiku ja geenivoolu tasakaal

  22. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu Loodusliku valiku lihtsaim mudel: üldiselt, genotüüp ellujäämise tõenäosus (kohasus w) AA, Aa 1 aa 1 - s s – selektsiooni (valiku) koefitsient, mida väljendatakse parima genotüübi suhtes Kui s on 0.1 siis aa ellujäämise (survival) tõenäosus on 90% AA omast

  23. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu • alleeli fikseerumise all mõeldakse seda kui tema sagedus saab 1-ks • valiku korral vähem kohased alleelid elimineeritakse, protsessi kiiruse määrab s • neutraalselt, juhusliku geneetilise triivi läbi, diploidse lookuse puhul tõenäosusega 1/2N • Retsessiivne – ‘kahanev’, ‘kokkutõmbuv’ • NB! retsessiivne alleel iseenesest ei tähenda, et tal oleks väiksem kohasus

  24. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu Valiku toime alleeli- ja genotüübisagedustele S=0.1 Siin populatsiooni arvukus väheneb. Tegelikkuses toimib valik pigem “varu” lisaviljakuse arvelt / piires.

  25. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu Valiku toime alleeli- ja genotüübisagedustele (formaalselt) - Valikujärgsed sagedused ei summeeru 1-ks, suhtelised sagedused jagatakse läbi keskmise kohasusega Keskmine kohasus = p2 + 2pq + q2(1-s) = 1 –sq2 Teades s –i saame arvutada genotüübisagedused peale valikut

  26. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu seega, p’ = p/(1-sq2) ja p = p’ – p = spq2/(1-sq2) vastupidi, kui me teame kuidas alleelisagedused muutuvad, võime arvutada selektsioonikoefitsienti: s = p/p’q2

  27. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu p’ = p/(1-sq2) ∆p = spq2/(1-sq2) Vaata LV1.xls - väikenegi kohasuse erinevus annab paljude põlvkondade lõikes olulise erinevuse

  28. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu See mudel (Haldane 1924) kehtib valiku korral, mis on suunatud retsessiivse homosügoodi vastu. Mudelit tuleb täiendada/muuta et ta toimiks teistel juhtudel. Meie seda ei tee PS. Kas valik suudab madalama kohasusega retsessiivse alleeli populatsioonist kaotada?

  29. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik Biston Betularia: klassikaline näide LVst kase-kedrikvaksik Tume ja hele vorm. Tumedat nähti esmakordselt 1848 Manchesteri lähedal, ilmselt harv enne seda, tõenäoliselt kergelt kahjulik. Saastunud aladel tõusis tumeda vormi sagedus kiiresti 90%. Kui 20saj keskel läks õhk puhtamaks hakkas ka heleda vormi sagedus taas tõusma. Kettlewell fotografeeris ja näitas, et linnud söövad erineva edukusega tumedaid või heledaid vorme vastavalt keskkonnale (samblikuga kaetud hele puu saastamata alal ja vastupidi)

  30. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik Miks ikkagi on tume vorm eelistatud saastatud piirkonnas? Saastatud õhk tappis puudel heledad samblikud misjärel osutusid tumedad liblikad lindudele kehvemini märgatavaks. Selle versiooni tõestuseks veel see, et õhu puhtamaks muutumisel kahanes tumeda vormi sagedus. Eriti kiiresti alates 1980’. Tumeda vormi kahanev sagedus Manchesteri ümbruses viimasel 50 aastal

  31. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik Samas, loodus on alati keerulisem. Kõrvalekalded oodatud geograafilisest jaotusest - Mitte kuskil tumedat >95% Puhas keskkond, ilmselt mitte ainult lindudest, + migratsioon

  32. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik Ristamiskatsed näitasid, et tegu ühe geeniga, cc hele, Cc tume. Tume värv siiski heterogeenne, on ka vahepealseid vorme ja tumedaid mutante, kes pole dominantsed. Kuid lihtsuse huvides jätkame me õndsas usus, et CC ja Cc on tumedad ja cc on hele.

  33. Looduslik valik: kohasuse mõõtmine genotüübi kohasus (fitness) põhineb selle genotüübi ellujäämise tõenäosustel sünnist täiskasvanueani(1) (sisuliselt eani kus antakse järglasi) ja sellega määrab ta alleelisageduste muutumise(2) põlvkonniti. Siit kaks võimalust kohasust mõõta. (märkus: Kohasus võib väljenduda ka erinevas viljakuses!) 1) Kettlewell’i markeerimise-tagasipüüdmise meetod ühe põlvkonna kestel, aga • jätab välja muna-vastse järgu erinevused • üldse kõik sigivusparameetrid 2) alleelisageduste muutumise mõõtmine põlvkonniti 3) kui alleelisagedused ei muutu (nt heterosügootne eelis) siis saab kasutada kõrvalekaldeid HW tasakaalust

  34. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik Kuidas hinnata (tumeda vormi suuremat) kohasust? 2 Arvuta alleelisagedustest Vaja teada C algsagedust: Haldane: mutatsiooni ja valiku tasakaal, mille järgi vastava alleeli sagedus on m/s, kus m – mutatsioonikiirus Haldane oletas, et m~10-6 ja s~0.1, algsagedus 1848 ~10-5 1898 aastaks heleda vormi (typica) sagedus saastunud piirkondades 1-10% (5% teeb alleelisageduseks 0.224) Millise s korral kasvaks C alleeli sagedus ca 50 põlvkonna jooksul 10-5 kuni 0.8-le? s = p/p’q2 s~0.34

  35. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik Kuidas hinnata tumeda vormi suuremat kohasust? Eksperimentaalselt: lase eri vormid loodusesse ja vaata palju ellu jääb 1 Kettlewelli markeerimis-tagasipüüdmiskatsed (1973) HENRY KETTLEWELL (1907-1979)

  36. Looduslik valik: valik retsessiivse alleeli vastu: kase-kedrikvaksik • Millest erinevused? Kettlewell 0.57, Haldane 0.33 • - valimiviga • varieeruvus pärilikkustüübis (erinevad mutandid erinevate kohasuskoefitsientidega, erinevad dominantsussuhted) • migratsioon • mittetäpne algsagedus (10-5) Haldane’il • ? B. b. carbonaria B. b. typica

  37. mõlema puhul oluline teada genotüübi-fenotüübi suhteid, suuri valimeid ja muude tegurite välistamist, kokkuvõttes, kohasuse mõõtmine pole lihtne, on üsna vähe töid kus seda adekvaatselt hinnata on suudetud

  38. Looduslik valik: ühe alleeli mudel on lihtsustatud mudel Üht alleeli eelistav valik (ühe alleeli mudel) on vaid üks lihtsamaid, tihti lihtsustatud, evolutsiooni juhte, tegelikkuses võib populatsioonides esineda - erinevused viljakuses - mitte-juhuslik paardumine - genotüübi kohasus muutub ajas/ruumis - genotüübi kohasus sõltub teistest genoomi osadest

  39. Looduslik valik: mutatsiooni ja valiku tasakaal mutatsiooni ja valiku tasakaalumudel mittekohane genotüüp tekib korduvmutatsiooni teel valik ei saa geeni muteerumist, seega mutante lõplikult ära kaotada Siin ja edaspidi: mutatsioon on sellelaadses arutelus mitte konkreetne asendus DNAs vaid suvaline muutus mis viib - siin näites vähem kohase alleeli tekkeni.

  40. LV: mutatsiooni ja valiku tasakaal-> kahjulik dominantne alleel Oletame, et meil on alleel a (sagedusega q), mis muteerub dominantseks alleeliks A (sagedus p), millel on kohasus aa genotüübiga võrreldes 1-s A alleele tekib iga põlvkond sagedusega m(1-p), kus m on mutatsioonikiirus A alleelide kadumise kiirus on ps Tasakaaluline p tähistatakse p* tasakaalulises populatsioonis on teke=kadu, ehk m(1-p*)=p*s -> m-mp*=p*s -> p*=m/(s+m), .....kui m<<s, siis p*=m/s

  41. LV: mutatsiooni ja valiku tasakaal-> kahjulik dominantne alleel Oletades, et kahjulik dominantne alleel püsib populatsioonis tänu p*=m/s tasakaalule, saame m-i alleelisagedustest arvutada. Näide: kääbuslus • Kondrodüstroofne • Kromosomaalne • hormonaalne • mittehormonaalne 1.Kahjustunud on ainult osad kõhrkoed. Tavaliselt on neil väiksed siis kas selgroog või käed-jalad.

  42. LV: mutatsiooni ja valiku tasakaal-> kahjulik dominantne alleel Kuidas määrata mutatsioonikiirust: p*=m/s Kondrodüstroofne kääbuslus, dominantne kahjulik alleel ca 10 sündi 94-st tuhandest, aA sagedus ~10.6 x 10-5, ehk siis p=5.3 x 10-5 =m, eeldades, et s=1 m= p*s Aga täpsustame s: Ühes uurimuses vaadeldi 108 kondrodüstroofset kääbust, kes said kokku 27 last. Arvestades, et nende 457 mittekääbusest õde-venda andsid kokku 582 last, siis kääbuste suhteline kohasus on (27x108)/(457x582)=0.196 ja s=0.804. Seda arvesse võttes, on m=4.3 x 10-5. NB! Mutatsioonikiirus sellelaadses kirjanduses tähendab kõigi selliste mutatsioonide teket, mis annavad vastava fenotüübi e. kahjuliku alleeli tekkesagedus mitte mingi konkreetse asenduse (taas)teke DNA ahelas.

  43. LV: mutatsiooni ja valiku tasakaal-> kahjulik dominantne alleel Järjekordne kitsendus! p*=m/s Töötab vaid siis kui tekkiv kahjulik mutatsioon on dominantne. Retsessiivse ja semidominantsuse korral teised valemid. Siin jälle selleks, et illustreerida üldist mehhanismi mutatsiooni/valiku tasakaalust.

  44. LV: heterosügootne eelis heterosügootne eelis (Fisher, Haldane 1920ndad) Genotüüp AA Aa aa Kohasus 1-s 1 1-t Sellisel puhul on kolm tasakaalu asendit. Kaks neist on triviaalsed: juhul kui p = 0 või p = 1 (eeldades, et mutatsioone ei sünni) Kolmas aga on huvitavam – mõlemad alleelid jäävad alles kuigi mõlema vastu töötab valik kui nad on homosügoodis. Arvutame analoogselt mutatsiooni/valiku tasakaalule t on nagu s – selektsiooni koefitsient 0-1

  45. LV: heterosügootne eelis Genotüüp AA Aa aa Kohasus 1-s 1 1-t valik töötab nii a kui A alleelide vastu kui kumbki on homosügoodis. Tasakaal valitseb siis kui mõlemal on võrdne võimalus saada valiku poolt elimineeritud. Milline on A alleeli kandja suhteline tõenäosus surra ilma järglasi andmata? Aa (2pq) on kohasusega 1, A alleeli kaduma minek AA genotüübis tõenäosusega p x s, a alleelil vastavalt q x t Tasakaal: p*s = q*t, ehk p*s =(1-p*)t p*= t / (s + t) q* = s / (s + t)

  46. LV: heterosügootne eelis Genotüüp AA Aa aa Kohasus 1-s 1 1-t Kui s = t, siis p = q = ½ tasakaalus, e. 25% 50% 25% Kui s > t siis p < 1/2 p = A sagedus, q = a segadus

  47. LV: heterosügootne eelis Sirprakuline aneemia AA, AS SS α hemoglobiini variant blokeerivad kapillaare ja põhjustavad aneemia SS peaaegu letaalne genotüüp 80% surevad ilma järglasteta Miks püsib suhteliselt suure, kuni 10%, sagedusega?

  48. LV: heterosügootne eelis Malaaria esinemine ja S alleeli sagedus on sarnase geograafiaga AS heterosügoot on malaariale resistentsem kui AA homosügoot Selgus, et AS heterosügootide punaverelibled, mis niisama ei sirbistu, teevad seda siis kui O2 tase langeb. See aga juhtub kui malaariatekitaja plasmodium liblesse tungib ja hemoglobiini (ilmselt) sööma hakkab. Lible sirbistub ja parasiit hukkub koos rakuga. Suurem osa rakke jäävad seega puutumata ja inimene elab edasi nagu muiste.

  49. LV: heterosügootne eelis Kohasuse määramise kolmas võimalus. Kõrvalekalle HW tasakaalust Eeldused: heterosügootne eelis, kohasus väljendub ellujäämises mitte viljakuses Genotüüp AA Aa aa Kohasus 1-s 1 1-t Gt sagedus p2(1-s) 2pq q2(1-t) Loe täiskasvanute genotüübid kokku ja arvuta HW Nigeerias vaadeldud H-W Kohasus Täiskasvanuil Oodatud Suhe (1-t), (1-s) SS 29 SA 2993 AA 9365 O/E Observed Expected 1. q = R + ½ Q 2. p2 2pq q2