GENE 09

Evoluční genetika
KBI/GENE
Mgr. Zbyněk Houdek
Evoluční teorie
Evoluční teorii vyslovil Ch. Darwin v díle O
původu druhů (1859), kde ukazoval, že druhy
se postupně měnily v dlouhých časových
periodách.
Dokumentoval zde také rozštěpení některého
druhu v jiné 2 nebo více oddělených druhů a
naopak zánik jiných druhů.
Jeho teorie byla pro mnoho lidí nepřijatelná,
protože zastávali názor stvoření druhů Bohem a
jejich neměnitelnost.
Přírodní výběr
Darwin předpokládal, že jedinci s dobře
vyvinutými znaky mohou lépe přežívat a mají v
průměru více potomků než ostatní jedinci.
V důsledku nestejného příspěvku do další
generace se tak znaky, které zlepšují existenci a
reprodukci, stávají u daného druhu četnějšími.
V průběhu mnoha generací se pak znaky
postupně mění a dochází tak k vývoji druhů –
přírodní výběr.
Umělý výběr
Darwin si dobře uvědomoval, jak umělá selekce
mění znaky domestikovaných druhů.
Rozpoznal jeho význam při vytváření nových
plemen skotu, psů, drůbeže, kultivarů rostlin
atd.
Při 5-leté cestě na britské lodi Beagle do J.
Ameriky si všímal mnoha zajímavostí při
pozorování přírody.
Nejznámější jsou jeho pozorování různých druhů
pěnkav na Galapágách, u kterých předpokládal
jejich příbuznost.
Nedostatky Darwinovy
teorie
Tato teorie nenabídla žádné vysvětlení původu
variability mezi jedinci a její dědičnost.
Až znovuobjevení Mendelových zákonů na
začátku 20. st. poskytlo hledané vysvětlení, že
znaky jsou určovány geny (různé alely) a geny
jsou přenášeny z rodičů na potomstvo
prostřednictvím gamet rodičů.
Analýza genetického přenosu pomocí
experimentálních křížení a rodokmenů v rámci
populace dala vznik evoluční genetice (1930 – R.
A. Fischer).
Genetická variabilita
Fenotypová variabilita
V rostlinné říši se projevuje fenotypová
variabilita různou barvou květů, u živočichů
zase různou barvou srsti (savci), peří (ptáci)
nebo kresby na křídlech (motýli).
Napříč druhy se objevují různé druhy
polymorfizmu:
Světlé a tmavé formy motýla drsnokřídlece
březového ve Velké Británii.
Bílé nebo modré květy letničky Limanthus
parryae (pouštní sníh) v Mojavské poušti v
Severní Americe.
Polymorfizmus krevních skupin u člověka – různé
antigeny červených krvinek.
Chromozomová
variabilita
Fenotypová variabilita bývá odrazem genetické v.
Polytenní chromozomy octomilky dávají vědcům
možnost studovat variabilitu na úrovni
chromozomální.
Tyto ch. nesou různé pruhy, jejichž uspořádání
se vyskytuje různé v různých oblastech, ale i
obdobích.
Pro udržování těchto polymorfizmů v přírodě
hraje významnou úlohu stabilizující výběr.
Variabilita struktury
bílkovin
Variabilita proteinů byla objevena v r. 1966 R. C.
Lewontinem, J. L. Hubbim a H. Harrisem v přírodních
populacích pomocí gelové elektroforézy v rámci
aminokyselinového složení.
Gelová elektroforéza separuje makromolekuly na
základě jejich velikosti a náboje.
Např. proteiny z pletiv rostliny trojčetu Trillium
pusillum obsahují enzym izocitrátdehydrogenázu,
která byla v různých rostlinách separována
elektroforézou.
Zjistilo se, že existují různé formy tohoto enzymu
(alozymy), kódované různými alelami genu.
Polymorfní proteiny
Alozymy patří mezi proteiny, které se od sebe liší
1 nebo více aminokys. v jejich celkovém pořadí.
Pokud se 2 z těchto variant vyskytují v populaci
více než v 1 %, pak jsou polymorfní.
Proteiny, které elekroforetickou variabilitu
nevykazují jsou monomorfní.
Nerozpustné, hydrofobní proteiny, které jsou
často vázány na membrány se nedají analyzovat
pomocí elektroforézy.
Variabilita
nukleotidových sekvencí
Variabilita proteinů nám, ale zcela neodkrývá
variabilitu genetické informace (DNA).
Např. člověk má ve svém genomu asi 78 %
negenové DNA a tak vědci museli vyvinout
metody, které ji vyhodnocují.
Touto metodou je sekvenování DNA, kde mohou
genetici odhalit i polymorfizmy, které se neprojeví
ve struktuře proteinů – mlčící polymorfizmus.
Mezi nové technologie, které zkoumají variabilitu
DNA patří t. genových čipů.
Molekulární evoluce
Její podstatou je přenos molekul DNA z rodičů na
potomky.
Tento přenos genetických informací však není
bezchybný, ale dochází k mutacím přenos
pozměněné molekuly DNA.
Dochází pak k akumulaci mutací a sekvence
nukleotidů se mění.
Molekuly DNA podobně jako fosilie obsahují
informace o historii života, protože každá dnešní DNA
prodělala mutace, rekombinace, selekci a drift genů.
Výhody molekulární evoluce
Analýza sekvencí DNA nebo následných proteinů má
své výhody oproti tradičním metodám studia evoluce
(srovnávací anatomie, fyziologie a embryologie),
protože sekvence DNA a proteinů sleduje jednoduchá
pravidla dědičnosti.
Údaje o molekulárních sekvencích jsou jednoduše
dosažitelné a je možné je podrobit kvantitativní
analýze, která je přímočařejší než morfologické údaje.
Nakonec molekulárně sekvenční data umožňují
porovnat evoluční vztahy mezi vzdálenými org.
Nevýhody
molekulární evoluce
Nevýhodou je nedostupnost sekvencí DNA a
proteinů z vyhynulých org.
Výjimečně byly získány vzorky těchto molekul
z fosílií org. starých několik tisíc let.
Dalším problémem je pochybnost, zda
molekulárně sekvenční data vždy odpovídají
na otázky evoluce fenotypu.
Evoluční vztahy mezi org. jsou shrnuty v
diagramech – fylogenetické stromy.
Fylogenetické
stromy
Fylogenetické stromy, které pouze ukazují vztahy
mezi org. bez časové osy – nezakořeněné stromy.
Pokud je ukázána souvislost mezi org. a vztažena k
časové ose – zakořeněný strom.
U obou typů se rodokmen štěpí na jednotlivé větve a
terminální větve jsou zakončeny sledovanými org.
Větvení stromu představuje společného předka org.
Potomci společných předků DNA nebo proteinů se
nazývají homologní, i když se mohou výrazně
odlišovat.
Konstrukce fylogenetických
stromů
Dvě sekvence, které jsou si podobné, ale jsou
odvozeny z odlišných sekvencí předka, se nazývají
analogní.
Metody konstrukce fylogenetických stromů ze
sekvencí DNA nebo proteinů mají tato pravidla:
Seřazení sekvencí, které umožňují jejich srovnání
Zjištění rozsahu podobnosti nebo rozdílnosti mezi
každými 2 sekvencemi
Seskupování sekvencí na základě podobnosti
Umístění sekvencí do vrcholů stromů.
Princip úspornosti
Tento princip znamená, že nejlepší
fylogenetický strom, je ten, který vyžaduje k
vysvětlení stromových sekvencí ze společného
předka nejméně mutací.
Fylogenetické stromy vypovídají o evolučních
vztazích mezi sekvencemi DNA nebo proteinů,
ale můžeme určit i dobu a rychlost s jakou
sekvence vznikaly.
Rychlost molekulární
evoluce
K získání údajů o rychlosti m. evoluce je nutné určit
průměrný počet aminokys. Změn, které se odehrály od
doby, kdy došlo k rozštěpení ze společného předka.
Tato rychlost je průměrným počtem změn na
aminokys. místě děleným celkovým časem, po který
se 2 linie vyvíjely.
Byla zjištěna konstantnost rychlosti evoluce různých
proteinů.
To znamená, že aminokys. substituce fungují v
evolučním čase jako hodiny.
Molekulární hodiny
Rychlost molekulární evoluce se však ve
skutečnosti mezi jednotlivými liniemi různí.
Když fungují molekulární hodiny a známe
rychlost evoluce, pak můžeme určit dobu, kdy
došlo oddělení 2 linií ze společného předka.
Tento přístup byl použit při datování oddělení
člověka a šimpanze od společného předka,
protože fosilní nálezy jsou vzácné.
Bylo zjištěno, že k oddělení došlo před 5-6
mil. lety.
Variabilita evoluční rychlosti
Pozorované rychlosti evoluce aminokys. sekvencí se od sebe
značně liší – až v rozsahu 3 řádů.
K extrémům patří např. fibrinopeptid (srážení krve), který se
vyvíjí rychlostí > než 8 aminokys. substitucí v určitém místě za
1 mild. let.
Opačným extrémem jsou histony, které se vyvíjejí pouze 0,01
specifických aminokys. substitucí za 1 mild. let.
Variabilitu evoluční rychlosti lze také pozorovat u studovaných
sekvencí DNA.
Sekvence DNA v pseudogenech (beze smyslu) mají nějvyšší
evoluční rychlost.
Naopak nukleotidy v 1. a 2. pozicích kodonu funkčního genu
se vyvíjejí rychlostí mnohem menší.
Mutace
Mutace jsou základem všech nukleotidových
a aminokys. substitucí, které se v evoluci
odehrávají.
Experimentálně zjištěné mutační rychlosti
jsou v řádu 10-9 až 10-8 změn na určitý
nukleotid každou generaci.
Tyto rychlosti odrážejí chyby ve fci
polymerázy a chemická poškození DNA.
Tato rychlost by byla vyšší, kdyby bb. nebyly
vybaveny opravnými mechanismy pro DNA.
Molekulární a fenotypová
evoluce
Změna na molekulární úrovni však nezaručuje
změnu ve fenotypu.
Např. krokodýli, žraloci a ostrorepi (živé
fosílie) nashromáždili podobné množství
aminokys. a nukleotidových změn jako jiné,
ale vysoce diverzifikované skupiny živočichů
(ptáci, savci a hmyz).
Toto pozorování naznačuje, že mnoho
nukleotidových a aminokys. substitucí má
málo vliv na fenotypovou evoluci.
Evoluce nových fenotypů
Fenotypová evoluce zřejmě často souvisí s
duplikacemi genů:
Globinové g. živočichů – mihule – pouze 1 druh
hemoglobinového g., ale žraloci a čelistnaté ryby už
mají 2 druhy těchto g. a u člověka je nahloučeno 7 αglobinových g. na ch. 16 a 6 β-globinových g. na ch.
11. výsledné polypeptidy jsou funkční v různých
periodách života.
Přeskupování exonů – geny se skládají z exonů dříve
přítomných v různých g.
Strukturní a časové změny v expresi genů – např.
homeoboxové g. – změnou místa a času jejich exprese
u octomilky jedinec má přídatné přívěsky na hlavě
nebo hrudi.