Sekvenssievoluutio ja fylogeniat

Transkriptio

1 Sekvenssievoluutio ja fylogeniat Miksi sekvenssien evoluutionopeus vaihtelee? -erot korvautumisnopeudessa geenien tai geenin eri osien välillä, -erot korvautumisnopeudessa eri fylogeneettisten linjojen välillä -erot synonyymisissa (Ks) ja ei-synonyymisissa (Ka) korvautumisissa Käsitellään seuraavien tekijöiden vaikutusta: -mutaationopeus -valinta -populaatiokoko

2 5. Evoluutionopeuden vaihtelu 5.1. Nukleotidikorvautumisen nopeus ja patternit Synonyymisten ja ei-synonyymisten korvautumisnopeuksien erot Valinnan löystyminen pseudogeenissä Geenien eri alueiden ja erilaisten nukleotidipaikkojen erot Geenien väliset erot Koirasvetoinen evoluutio 5.2. Korvautumisnopeuden tasaisuus eri linjoissa: molekyylikello Molekyylikellon testaus: relative rate test Miksi molekyylikello tikittää epätasaisesti?

3 5.1 Nukleotidikorvautumisen nopeus r = korvautumisnopeus r = K/2T T = aika joka on kulunut kahden sekvenssin eroamisesta; (paleontologinen tieto/ biogeografinen tieto) T T aika K = nukleotidisubst. kahden sekvenssin välillä Sekvenssi 1 Sekvenssi 2 Esim. Lajien välillä on 0,09 synon. korvautumista/nukleotidipaikka (Ks), ja lajien tiedetään eronneet n. 10 miljoonaa vuotta sitten. Mikä on evoluutionopeus? Vast. r = 0,09 / (2 x 10 x 10 6 ) = 4,5 x 10-9 korv. /nukleotidipaikka / vuosi

4 Kertausta korvautumisnopeudesta: Mutaationopeus: voi vaihdella geenien välillä; vaihtelee todennäköisesti vain vähän geenin sisällä Fiksaatiotodennäköisyys: riippuu mutaatioon kohdistuvasta valinnasta -positiivinen valinta fiks.todennäköisyyttä -negatiivinen valinta fiks.todennäköisyyttä Populaatiokoko vaikuttaa positiivisen ja neg. valinnan tehokkuuteen. Pienessä populaatiossa lievästi haitalliset ja edulliset mutaatiot käyttäytyvät kuin neutraalit s < 1/ (2Ne) Neutraalien mutaatioiden korvautumisnopeus ei riipu populaatiokoosta (u) Pos. ja neg. valinta kohdistuu enimmäkseen nukleotidipaikkoihin, nukleotidipaikat ovat neutraalimpia.

5 Synonyymisten ja ei-synonyymisten korvautumisnopeuksien erot Voi päätellä onko evoluutio neutraalia vai onko positiivista tai negatiivista valintaa. Neutraalisuus: K A = K S Mutaationopeus synonyymisissä ja ei-synonyymisissä paikoissa on sama. Jos negat./posit. valintaa ei ole, synon. korvautumisnopeuden pitäisi olla sama kuin ei-synonyymisen. Esim. pseudogeenit

6 Puhdistava valinta K A < K S Korvautusmisnopeus on usein alhaisempi ei-synonyymisissä kuin synonyymisissä paikoissa. Ei-synonyymiset (aminohappoa muuttavat) mutaatiot aiheuttavat todennäköisemmin haittaa proteiinin toiminnassa kuin synonyymiset, ja siksi karsiutuvat nopeasti pois. Synonyymiset mutaatiot ovat todennäköisemmin neutraaleja ja vain satunnaisajautuminen vaikuttaa niihin. Suurempi osuus synonyymisistä mutaatioista fiksoituu. Mitä suuremmat toiminnalliset rajoitteet proteiinilla on, sitä vähemmän aminohappomuutoksia sallitaan. Esim. Hiiren/rotan ja ihmisen välillä : Aktiini-α : K A / K S = 0,01 x 10-9 /2,92x10-9 = 0,003 Interferoni-α1 : K A / K S = 1,47 x 10-9 /3,24x10-9 = 0,453

7 Positiivinen valinta K A >K S Ei-synonyymisten korvautumisten nopeus on suurempi kuin synonyymisten. Esim. Immunoglobuliinigeenissä on suurempi ei-syn. kuin synon. nopeus, mutta vain alueella joka vastaa komplementaarisuudesta. Selityksenä on balansoiva valinta joka pitää yllä vasta-aineiden suurta muuntelua. Samalla lajien välille kertyy paljon eisynonyymisiä korvautumisia.

8 FOXP2 -geenin uskotaan olleen positiivisen valinnan kohteena ihmislinjassa Enard ym Nature 418, 869

9 Positiivisen valinnan merkitys: Neutraaliteorian mukaan suurin osa substituutioista selittyy mutaatiolla, satunnaisajautumisella ja haitallisiin mutaatioihin kohdistuvalla puhdistavalla valinnalla. Vain pieni osa mutaatioista on edullisia. >Kuinka suuri osa geeneistä on ollut positiivisen valinnan kohteena? K A >K S on aika tehoton testi, koska positiivinen valinta usein kohdistuu vain pieneen osaan nukleotideista. > käytetään MacDonald-Kreitman-tyyppisiä testejä

10 MacDonald-Kreitman testi: polymorfiadata D. Simulans divergenssi D. simulans - D. Yakuba 115 geeniä (Eyre-Walker 2006 Trends Ecol Evol 21:) Divergenssi Polymorfismi Ei-synonyyminen Synonyyminen jos evoluutio neutraalia, ei-syn. fiks. erojen suhde syn. fiks. eroihin on oltava sama kuin ei-syn. polymorfisten kohtien - tässä tapauksessa ei-synonyymisiä fiks. eroja on enemmän. >> estimoidaan että 49% substituutioista lajien välillä on adaptiivisia. -Vastaväite: osa fiksoituneista ei-synonyymisistä eroista lajien välillä on haitallisia mutaatiota, jotka fiksoituneet populaatiokoon pienetessä väliaikaisesti esim. lajiutumisen yhteydessä.

11 >Millaiset geenit ovat olleet positiivisen valinnan kohteena? - K A >K S tarkastelu yksittäisissä geeneissä: Lois-isäntä-vuorovaikutukseen liittyvät proteiinit Lisääntymiseen liittyvät proteiinit << kilpavarustelu -Genomien sekvensointi: nopein ei-syn. muutosnopeus ja eniten geeniperheiden evoluutiota geeneissä jotka liittyvät lisääntymiseen ja resistenssiin.

12 Jos käytettävissä on geenin sekvenssejä useasta lajista voidaan myös tutkia missä yksittäisissä kodoneissa on ollut positiivista valintaa. Esim. Abalonen fertilisaatioproteiinit Ka/Ks pun 3,1 sin 0,91 harmaa 0,09 Barton ym. 2007

13 red abalone, Haliotis rufescens, Siittiöiden kärjessä oleva lysiini puhkaisee aukon munasolun vitelliinikuoreen. Nopean evoluution mahdollisia syitä: -seksuaalivalinta - sukupuolten välinen konflikti - immuunipuolustus - oman lajin tunnistus

14 Geenien eri alueiden ja erilaisten nukleotidipaikkojen korvautumisnopeuden erot GL108

15 Yleensä voi olettaa että mutaatio on sama kaikissa osissa geeniä. Mitä hitaampi substituutionopeus on, sitä enemmän on karsivaa valintaa. paljon funktionaaliset rajoitteet vähän

16 Kolmio: interaktio R/B-tyypp. BHLH transkriptiofaktoreiden kanssa Tähti: solusta soluun siirtyminen Sin. viiva: R3 MYB domaini Wang ym Koodaavalla alueella eri domaineilla voi olla eroja toiminnallisten rajoitteiden suuruudessa.

17 Transitiot vs. transversiot -4-kertaisesti degeneroituneissa paikoissa kaikki muutokset ovat synonyymisiä: karsivaa valintaa on erittäin vähän, joten kaikki mutaatiot osallistuvat korvautumisiin. Näissä paikoissa transitioita havaitaan 1,5 kertaa enemmän kuin transversioita. (Odotus jos kaikki muutokset yhtä mahdollisia: osuus transversioita ja osuus transitioita.)

18 Valinnan löystyminen pseudogeenissa Millaisia ovat spontaanit mutaatiot? Pseudogeeni linja a Sekv. 1 Sekv. 2 Sekv. 3 mut. Laji A Laji A LajiA linjassa a A G G G>A A G A - A G C? G G A -

19 Substituutio ihmisen prosessoiduissa pseudogeeneissä A, G puriinit C, T pyrimidiinit

20 Geenien väliset erot Barton ym. 2007

21 Miksi geenien välillä on eroja korvautumisnopeudessa? 1000-kertaiset erot ei-synonyymisissä substituutionopeuksissa geenien välillä: < suurin rooli on toiminnallisten rajoitteiden (puhdistavan valinnan intensiteetin) eroilla. Myös synonyymiset korvautumisnopeudet eroavat geenien välillä: < osa synonyymisistä mutaatioista on haitallisia (esim. tiettyjä synonyymisiä kodoneita suositaan (kodonin käytön vääristymä, codon bias)) < mutaationopeus voi vaihdella geenien välillä, jolloin sekä ei-synonyyminen että synonyyminen korvautumisnopeus on joissain geeneissä suuri ja joissain pieni.

22 Koirasvetoinen evoluutio Koiraiden sukusolulinjassa on enemmän solunjakautumisia kuin naaraiden sukusolulinjassa, esim. ihmisillä 200 vs. 33 kun sukupolven väli on 20. Hypoteesi: jos mutaatiot tapahtuvat pääasiassa replikaation yhteydessä, koiraiden mutaationopeus on suurempi kuin naaraiden. Verrataan autosomissa (on yhtä paljon naaraissa ja koiraissa) ja Y-kromosomissa (koko ajan koiraissa) sijaitsevan geenin tai autosomaalisen ja X-kromosomissa (2/3 ajasta naaraissa ja 1/3 ajasta koiraissa) sijaitsevan geenin mutaationopeuksia.

23 Esim. Autosomissa ja X-kromosomissa sijaitsevan geenin vertailua: α = (u m ) / (u f ) Mut. nopeus/sukupolvi autosomissa: A = (u m + u f )/2 Mut. nopeus/sukupolvi X-kromosomissa: X = 1/3 (u m )+ 2/3 (u f ) = (u m + 2u f )/3 X/A = [(u m + 2u f )/3 ] / (u m + u f )/2 = 2(2+ α) / 3(1+ α) >> ratkaistaan α Tuloksia: ihmisillä α~6; hiiri,hamsteri, kettu α~2; linnuilla joilla naaras WZ ja koiras WW, α = 4-7

24 5.2. Substituutionopeus eri linjoissa: molekyylikello Molekyylievoluution nopeus on vakio = Molekyylikello -aminohappokorvautumisten vauhti on sama kaikissa linjoissa (Zuckerkandl ja Pauling (1962, 1965) ja Margoliash (1963))

25 α-globiinin aminohappokorvautumisten määrä lajien välillä Barton ym. 2007

26 Aminohappoerot α- ja β-globiinin välillä eri lajeissa -α- ja β-globiini erosivat n. 450 miljoonaa v.s.: ne ovat jatkaneet evoluutiota kussakin linjassa lähes samalla nopeudella Barton ym. 2007

27 Aminohapposubstituution nopeus r = K / 2T T T aika K= aminohapposubstituutioiden määrä/paikka geenien eroamisen jälkeen Sekv 1 Sekv 2 K T= aika vuosina eroamisen jälkeen, paleontologinen data, tarvitaan kellon kalibroimiseksi Esim. Ei-synonyyminen substituutionopeus on 0.56*10-9 subst./ei.syn paikka/vuosi hemoglobiinin alfaketjussa. Ihmisen ja rotan sekvenssit eroavat K= 0,093 subst./ei-syn.paikka. Milloin ihminen ja rotta erosivat toisistaan? r= K/2T -> T= K/2r = 0,093/2x0,56*10-9 = 0,08 *10 9 ~ 80 milj. vuotta sitten

28 -havaittu suhteellisen tasainen evoluutionopeus selittyy neutraaliteorialla: suurin osa muutoksista on (tehollisesti) neutraaleja -Huom. Vaikka molekyylitasolla proteiinievoluutio on enimmäkseen tasaista, morfologisella ja fysiologisella tasolla evoluutio ei ole aina tasaista.

29 Molekyylikellon testaus: relative rate test -Molekyylitasollakin havaitaan joissain geeneissä nopean evoluution kausia joissain linjoissa; kello ei käy aina tasaisesti - Molekyylikellon testaukseen tarvitaan kolme sekvenssiä. -Testataan onko evoluutionopeus yhtä suuri linjoissa O-A ja O-B. Estimoidaan K AC, K BC ja K AB O A B C 0-hypoteesi: d = K OA -K OB = (K AC K BC ) = 0 V(d) =V(K AC )+V(K BC )-2V(K OC ) Jos [d] > 2 x V(d), on ero tilastollisesti merkitsevä

30 Miksi molekyylikello tikittää epätasaisesti? 1) Valinta vaihtelee eri linjoissa (vaik. ei-syn. evoluutioon) -Valinnan löystyminen geenissä (esim. geeniduplikaation jälkeen) -Positiivinen valinta jossain linjassa (esim. adaptiivisen radiaation aikana) -Populaatiokoon muutos jossain linjassa: Karsivan valinnan tehokkuus on korkea suurissa populaatioissa; tehokkuus on alhainen pienissä populaatioissa. >> Haitallisia ei-syn. mutaatiota kertyy pienissä populaatioissa -Jotkut linjat voivat joutua olosuhteisiin joissa on tiukempaa karsivaa valintaa kuin muualla

31 2) Mutaationopeus vaihtelee eri linjoissa: -vaikuttaa sekä syn. että ei-syn. evoluutioon -Sukupolven väli: esim. jyrsijöiden sukupolven väli on pieni, mutta ituradan solujen replikaatioiden lkm/sukupolvi on yhtä suuri kuin ihmisillä > ituradan replikaatioita/vuosi paljon. Tämä selittää suureksi osaksi nopeamman evoluution jyrsijöissä verrattuna kädellisiin. -DNA-korjauksen tehokkuus -Metabolian nopeus (vaik. esim. DNA-turnoveriin, happiradikaalien syntymisvauhtiin)

32 Jyrsijöiden nopea evoluutio aminohapot joissa ihminen lintu ovat samanlaisia ja jyrsijä erilainen. =600 -aminohapot joissa jyrsijä ja lintu ovat samanlaisia ja ihminen on erilainen =416 ihminen jyrsijä lintu

33 Kirjallisuutta molekyylikellosta: Bromham ja Penny Modern molecular clock. Nature Reviews Genetics 4: