Molekyylievoluutio. (753327A, S), 4 op syksy Photo Marie-Hélène Müller

Transkriptio

1 Molekyylievoluutio (753327A, S), 4 op syksy 2011 Photo Marie-Hélène Müller

2 Molekyylievoluutio (753327A, S), 4 op, syksy Helmi Kuittinen p , PT312, helmi.kuittinen@oulu.fi harj. HK ja Ulla Kemi p , ulla.kemi@oulu.fi -luennot 12 x 2 h -harjoitukset kolmessa ryhmässä H01, H02, H03 (mm. laskuja ja tieteellisten artikkelien lukemista) 6x2h -harjoituksissa läsnäolopakko.

3 -oheiskirjallisuutena * Graur ja Li, Fundamentals of molecular evolution, * Futuyama D Evolution. -muita kivoja kirjoja: * Bromham L Reading the story in DNA a beginners guide to molecular evolution. Oxford Univ. Press * Barton N et. al Evolution. CSHL Press. Ja lisää

4 - kotitentti, tai perinteinen tentti -kotitentti: omin sanoin kirjoitettu yhteenveto luennoista, 10 s. (fontti 12 riviväli 1,5), ja tarkemmin yhdestä luennon aiheesta, 3 s. Tehdään luentomuistiinpanojen, luento- ja harjoitusten materiaalin perusteella, voi täydentää oheiskirjallisuudella tai muulla kirjallisuudella (etenkin syventävä osio) -kotitentin arvioinnissa plussaa sitä että asiat on ymmärretty ja sisäistetty: -johdonmukaisuus -suorasanainen, ehdottomasti omin sanoin kirjoitettu, ei suora käännös tai suora lainaus. -kokonaisuuden hyvä hahmotus. Yksityiskohtien suuri määrä ei tuo lisäarvoa, parempi keskittyä punaiseen lankaan, johon yksittäiset asiat sitoutuvat. -kotitentti palautus word-tiedostona Urkund-sivustolle, /tentti (?). Arvostelu 1-5/hyl. -4 op = 108 h kaikki työ mukaan lukien -> Luentojen ja harjoitusten lisäksi itsenäistä työtä 72 h: kotitehtävät + kotitentti/tenttiin luku.

5 Luentomateriaali ja tehtävät: salasana: kimura Luennot aamulla klo 7.30 mennessä netissä

6 Dioissa on kuvia kirjoista: Graur ja Li 1999, Fundamentals of molecular evolution. Sinauer. Pääasiallinen lähdekirja. Futuyma 1998 Evolutionary Biology Frankham et al. 2003, Introduction to Conservation Genetics; Hedrick 1983, 2005, Genetics of Populations; Barton ym. 2007, Evolution Lisäksi kuvia on tieteellisistä artikkeleista, etenkin genomiikkaosuudella. Kurssin nettisivulla on jonkun verran lisäkirjallisuutta: äskettäisiä review-artikkeleita.

7 Tehtävä: Mitä on molekyylievoluutio? Mainitse esimerkki molekyylievoluutiosta(/evoluutiosta)

8

9 1. Johdanto: kurssin sisältö Evoluution aikaskaala Graur ja Li 1999

10 Frankham et al. 2003

11 Genotyyppi AA Aa aa Fenotyyppi musta musta vaalea Biston betularian värimuuntelu, melanismi

12 How insects lost their limbs Evolution through changes in Hox protein function. Levine, 2002 Nature 415,

13 -evoluutio voidaan määritellä alleelifrekvenssien muutokseksi. Sitä voi tapahtua jo yhdessä tai muutamassa sukupolvessa. Populaatiogenetiikka käsittelee alleelifrekvenssien muutoksia lajin populaatioissa suhteellisen lyhyillä ajanjaksoilla. Lajien evoluutiotarkasteluissa on kyseessä samat prosessit (evoluutiovoimat), jotka muuttavat Molekyylipopulaatioiden alleelifrekvenssejä, mutta evoluution tarkasteltava ajanjakso on pitkä. kurssi Jotta uudella mutaatiolla olisi merkitystä lajin evoluutiossa, sen pitää yleistyä populaatiossa ja fiksoitua, eli syrjäyttää muut alleelit. Kun alleeli on syrjäyttänyt edellisen alleelin on tapahtunut substituutio eli korvautuminen.

14 Kurssin sisältö -evoluutiovoimat -sekvenssievoluutio ja fylogeniat -genomin evoluutio -lajiutuminen molekyylitasolla

15 Evoluutiovoimat Ydinkysymykset Mikä on mutaation, valinnan ja sattuman merkitys evoluutiossa? -sattuman sysäily: populaatiokoon vaikutus -valinta: positiivinen, tasapainottava ja negatiivinen -mutaatiot: neutraalien, positiivisten ja haitallisten mutaatioiden osuus kaikista uusista mutaatioista ja niiden kohtalo -evoluutioteoriat -neutraalihypoteesin testaus

16 Sekvenssievoluutio ja fylogeniat Miksi ja miten korvautumiset lasketaan havaittujen sekvenssierojen perusteella? -sekvenssien linjaus -mitä eroa on nukleotidieroilla ja nukleotidikorvautumisilla - nukleotidikorvautumisten arviointi nukleotidieroista (Jukes-Cantor, Kimura-2-P-menetelmät) -nukleotidikorvautumisten arviointi synonyymisissä ja ei synonyymisissä paikoissa -mitä menetelmää pitäisi käyttää?

17 Miten fylogenioita voidaan käyttää hyväksi eliökunnan historian tutkimisessa? -fylogeneettisen puun käsite -mihin fylogenioita käytetään? -fylogenioiden tavalliset rakennusmenetelmät: parsimonia, UPGMA, neighbor joining, maximum likelihood -puun luotettavuuden arviointi bootstrap-menetelmällä -mitä rakennusmenetelmää pitäisi käyttää?

18 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

19 Genomin evoluutio Miten genomin koko ja rakenne muuttuvat ja miten sitä tutkitaan? -duplikaatiot: geenien, geenin osien duplikaatiot, segmentaaliset, koko genomin duplikaatiot -duplikoituneiden geenien evoluutio -genomin koon evoluutio -siirtyvät elementit -kromosomitason muutokset -vertaileva kartoitus -kokonaisten genomien sekvensointiprojektit

20 Lajiutumisen genetiikkaa Mitä geneettisiä tapahtumia liittyy lajiutumiseen? -lisääntymisisolaatiot -sisäsyntyinen posttsygoottinen isolaatio: geeninen (Muller-Dobzshansky interaktiot) kromosomaalinen -sattuman ja valinnan merkitys lajiutumisessa

21 Molekyylievoluution sovelluksia -eliökunnan sukulaisuussuhteiden tutkiminen, taksonomia, fylogeografia -valinnan etsiminen: mitkä geenit/muutokset ovat edistäneet sopeutumista? -geenien ja niiden funktioiden tunnistaminen bioinformatiikan keinoin

22 Yhteydet muihin kursseihin: Edeltävä kurssi: Genetiikan perusteet (1. vuosi kevät) Genetiikan perusteiden harjoitukset (1. vuosi kevät) Seuraavat kurssit: Populaatiogenetiikka (2. vuoden syksy) Bioinformatiikan perusteet (750340A) (2. vuoden kevät) Bioinformatiikka (753629S) FM, 1. vuosi. Molekyylievoluution harjoitukset (753622S) FM, 1. vuosi. DNA:n populaatiogeneettinen analyysi (753616S) FM, 1 vuosi. Evoluutioekologia Eliökunnan evoluutio ja systematiikka Molekyyliekologia

23 2. Evoluutiovoimat 2.1. Määritelmiä Lokus = geenin paikka Lokuksessa on erilaisia alleeleita eli geneettistä muuntelua (polymorfiaa). Evoluutio = alleelifrekvenssien muutos ajassa. Evoluutiovoimat (mutaatio, valinta ja satunnaisajautuminen) muuttavat alleelifrekvenssejä. Fiksoitua = (alleeli) syrjäyttää muut alleelit populaatiossa/lajissa Substituutio = korvautuminen = alleeli korvautuu toisella > ero lajien välille Sattuma Geenipooli Mutaatio B b b b b B A a a a A a Valinta Negatiivinen Positiivinen Balansoiva

24 FRIGIDA-geeni AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGACG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCTCAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCTCAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCTCAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG AGCCAACCGTCTCAGGAG ATTGTACCGGAGACGTCG Etsi a) nukleotidipaikat (nucleotide site) joissa lajien välillä on fiksoitu ero (lajeissa ei yhteisiä variantteja) b) polymorfiset nukleotidipaikat. Arabidopsis lyrata Arabidopsis thaliana

25 Muuntelun mitat a) Geenitasolla H e heterotsygotia-aste/geenidiversiteetti. Todennäköisyys että kaksi satunnaisesti poimittua alleelia ovat erilaiset (heterotsygoottien HW:n mukaan odotettu osuus) 2 alleelia: h = 2pq p ja q alleelifrekvenssit b) Sekvenssitasolla π nukleotididiversiteetti, vastaa geenidiversiteettiä nukleotiditasolla. Tn että satunnainen nukleotidi on erilainen kahden satunnaisesti valitun sekvenssin välillä lasketaan h kullekin polymorfiselle nukleotidipaikalle, summataan ja jaetaan nukleotidipaikkojen kokonaismäärällä: n π = 2p i q i /n n =nukleotidipaikkojen määrä i=1

26 Esim. A. lyrata FRI-geeni AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGACG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCTCAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCTCAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCTCAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG AGCCAATCGTCACAGGAGCCTGCGGAGACTGTACCGGAGACGTCG π = (2 x 3/12 x 9/ x 1/12 x 11/12 )/45 = 0,0117

27 Nukleotididiversi teetti (π) eri organismeissa Barton ym 2007

28 2.2 Mutaatio -on ainoa uuden muuntelun lähde. Frankham et al. s.157

29 2.3 Valinta Kun ainakin osa fenotyyppisestä muuntelusta selittyy geneettisillä eroillajaerifenotyypeilläon kelpoisuus (fitness)-eroja, niin alleelifrekvenssit muuttuvat seuraavassa sukupolvessa. Ne alleelit jotka tuovat kantajalleen muita korkeamman fitnessin, runsastuvat. Paras kelpoisuus on niillä jotka saavat eniten lisääntymiskykyisiä jälkeläisiä seuraavaan sukupolveen. Suuntaava positiivinen valinta yleistää hyödyllisiä mutaatioita. (directional positive selection) Negatiivinen (=karsiva, puhdistava) valinta karsii haitallisia mutaatioita.(negative/ purifying selection) Molemmat ovat suuntaavaa valintaa. (directional selection) Tasapainottava valinta (esim. ylidominanssi: heterotsygootin fitnes on suurin) johtaa siihen että alleelit säilyvät tietyillä frekvensseillä populaatiossa. On positiivisen valinnan muoto. (balancing selection; overdominance; älä sekoita stabiloivaan valintaan) Alidominanssi (heterotsygootin fitness on huonoin) johtaa siihen että toinen alleeli häviää. (underdominance)

30 Suuntaava positiivinen valinta Mitä tapahtuu kun aika kuluu? Esim. antibioottiresistenssi GL s.44

31 Ylidominanssi Mitä tapahtuu ajan kuluessa? Esim: Sirppisoluanemia GL s.46

32 Negatiivinen valinta Keksi esimerkki haitallisesta mutaatiosta, mitä tapahtuu?

33 2.4 Satunnaisajautuminen (sattuman sysäily, drifti) Tarkoittaa alleelifrekvenssien satunnaista heilahtelua sukupolvesta toiseen ( << sukusolujen eli gameettien otanta). Mitä pienempi populaatiokoko, sitä suurempaa on alleelifrekvenssien heilahtelu. Mitä tapahtuu ajan kuluessa? GL s49

34 Efektiivinen populaatiokoko = käsite joka standardoi erilaiset populaatiot suhteessa driftin vaikutuksiin. Pop 1 Pop 2 N yksilömäärä N e efektiivinen koko N e = 100 N=1300 N e = 200 N=500 Ideaalipopulaatiossa (kooltaan N) kaikilla vanhemmilla on yhtä suuri todennäköisyys olla minkä tahansa jälkeläisen vanhempi: gameetit on otettu satunnaisesti kaikilta populaation yksilöiltä, ja todennäköisyys että tietty yksilö tuottaa seuraavaan sukupolveen siirtyvän gameetin on 1/N. Efektiivinen populaatiokoko N e = yksilömäärä joka käyttäytyessään ideaalipopulaation tavoin tuottaisi samanlaisen alleelifrekvenssien varianssin tai saman verran sukusiitosta kuin tarkasteltava populaatio. Ne:n pienenemiseen johtaa sukulaisten välinen pariutuminen, itsesiitos, epätasainen jälkeläismäärä jne

35 Todellisuudessa: Valinta ja drifti yhdessä Satunnaisajautuminen heittelee alleelifrekvenssejä sattumanvaraisesti ylös ja alas. Valinta suosii ruumiin väriä koodaavassa lokuksessa villialleelia ja karsii mustan värin aiheuttavaa alleelia (red flour beetle). Ajautuminen on pienintä ja valinta tehokkainta isoissa populaatioissa. Frankham s.179