Inbreeding, heterozygotnost a fitness Děsivé vraždy jejich pozadí je však ještě hrůznější
(Purpurové řeky příbuzenského křížení)
Ouborg et al. 2006
Inbrední deprese •
Inbrední jedinci by měli mít nižší fitness
•
Klesá heterozygotnost → Efekt škodlivých recesivních alel
•
Známo z laboratorního křížení zakládání inbredních kmenů (extrémní příklady)
•
Malé populace → větší riziko inbreedingu
•
Genetic rescue → heterosis (hybrid vigour)
výnos
(měřeno jako reprodukční úspěch nebo schopnost přežívat)
inbrední koeficient
Ne/N 0.1 – 0.5 (někdy i mnohem méně)
Odhady Ne • Demografie – Poměr pohlaví, variance repr. úspěchu, změny N
• Genetika – Více vzorků (z různé doby) – Jeden vzorek • LD • HW • Frekvence alel
– Koalescenční přístupy
•
Studium v přírodě je obtížné – malé populace, nebo po projití hrdlem lahve – Nejlépe dlouhověká a polygynní zvířata
Nejednoznačné výsledky dvojice příbuzných druhů • Eubalaena glacialis a E. australis
Eubalaena australis velryba jižní
• Téměř vyhubeny • E. australis se vzpamatovala, E. gracialis nikoliv
Eubalaena glacialis velryba černá
• Arctocephalus pusillus lachtan jihoafrický • V jižní Africe okolo 2 miliónů • V Austrálii méně než 10 tisíc Arctocephalus pusillus
Druhy prošlé bottleneckem Acinonyx jubatus
• Druhy s výrazným snížení genetické variability • Prošly hrdlem lahve • Prokázané snížení variability (mtDNA, alozymy) • gepardi snížení o více než 90 %
• Přesto se počty výrazně zvedly • Purging Mirounga angustirostris rypouš severní
homozygotnost
Alternativa
Počet generací inbreedingu
•
Inbreding a fitness konkrétních jedinců
•
Idea: potomci příbuzných rodičů → horší fitness
•
Problém – obvykle neznám rodokmen (a ani ho nejsem schopen rekonstruovat)
•
→ genotyp (heterozygotnost) jako odhad inbreedingu (příbuznosti rodičů)
Rana temporaria ve Skandinávii Lesbarreres et al. 2005 • 8 mikrosatelitových lokusů • Přežívání mláďat pozitivně korelováno s heterozygotností • Stejný vztah ve 4 populacích
• Genetic variability-fitness correlations
Korekce přes frekvenci heterozygotů na lokusu
AA
AB
Lokus 1 HO 0.15
Lokus 2 HO 0.85
AA
CC
AA AA AA
AA
BB AA
AB
AA AB AA
AA
AA
AA
AA
CD
BC AB
BC AA
AD
CD AC
AD
AC
AC
AD
AB
AA DD
AD
AA AA
BC
AB
→ standardizovaná (vážená) heterozygotnost
CD AC
Identity by state
Stejné alely na lokusu
Aa
Bb
Cc
AA
AB
Ab
CA
cA
2 příčiny: Identity by state IBS (stejný stav) Identity by descent IBD (stejný původ)
AA
– Pozoruji vždy identity by state – Zjištuji pravděpodobnost pro IBD – Jde o recentní IBD! Všechny alely mají společný původ, byť třeba hodně dávný.
– Vzácnější alely od obou rodičů → IBD
Identity by descent Aa
Bb
AB
Ab AA
Stejná alela na lokusu - korekce přes frekvenci alel na lokusu
AA Frekvence B 0,1 Frekvence A 0,9
AB AA
AA AA
AA
BB AA
AA
AB AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA AA
AA
Sdílení alely A může být jen náhoda Sdílení alely B → větší pravděpodobnost, že si rodiče byli příbuzní
IR internal relatedness • Sdílení alely na lokusu • Váženo přes frekvenci alely • Vzácnější alely mají větší váhu
• H počet homozygotních lokusů N počet lokusů fi frekvence i-té alely • Program RELATEDNESS – Mac, makra v Excelu, GENHET pro R
Problém s homozygotními imigranty
AB BB BB BB BB
AB
BB
BB
BB BB
AA
AB
AA
BB
BB BB
AA
AA
BB
AA AA
AA
AA
AB AA
AA AA
AA
AA
AA
AA AA
AA
Arctocephalus gazella lachtan antarktický
Hoffman et al. 04, 07 •
Skoro vyhuben
•
Filopatrie, vysoká variance reprodukčního úspěchu
•
Samci s nižším IR (tedy vyšší heterozygotností) → vyšší reprodukční úspěch
•
Konzistentní přes lokusy
•
Dva lokusy ale mají výrazně větší vliv
•
• •
Samice aktivně vyhledávají nepříbuzné heterozygotní samce (s vyšším IR) Silný vliv jednoho lokusu …it is difficult to imagine how a female could detect genome-wide relatedness
Velikost alel •
Doposud jsme pracovali jen s identitou alel (stejné x různé)
•
Nešlo by ale něco vyčíst i z rozdílu délek alel (počtu opakování)?
Rodiče nepříbuzní
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT TCTTTCTTTCTTTC
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
Rodiče příbuzní CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
Mean d2 n 1 2 2 mean d (ia ib ) n i 1
ia a ib jsou délky alel na lokusu i (v počtu repeatů) n lokusů Větší rozdíl v délce alel svědčí o menší příbuznosti předků jedince. Standardizace vydělením nejvyšší hodnotou (→ hodnoty 0 až 1)
Acrocephalus arundinaceus Hansson et al. 2001
• Silná filopatrie • Jižní Švédsko, populace založena v roce 1978 • 5 mikrosatelitových lokusů • d2, srovnání návratnosti sourozenců (největší úmrtnost v prvním roce) • Vrací se jedinci s vyšším d2
Problém • Indikují podobně dlouhé alely na jednom lokusu bližšího společného předka než alely rozdílných délek? • → k zodpovězení je nutno znát něco o evoluci mikrosatelitů (tedy jak vznikají nové alely)
Teoretické mutační modely Dva extrémy
• IAM – infinitive allele model (Při mutaci ztráta nebo získání libovolného počtu opakování. Vždy vzniká nová alela, která doposud v populaci nebyla)
CTTTCTTTCTTTCTTT
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
CTTTCTTT
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
• SMM – stepwise mutation model (Mutace způsobeny pouze ztrátou nebo získáním jediného opakování motivu. Mutací může vzniknout alela, která je již v populaci přítomna) pro msat asi vhodné předpokládat nutno však ověřit!
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
CTTTCTTTCTTTCTTTCTTT
CTTTCTTTCTTTCTTT
Další modely • TPM – two phase model (ztráta nebo zisk X opakování, při X=1 získáme SMM)
• K-allele model (V populaci je přesně K myslitelných alel. Alela s konstantní pravděpodobností mutuje ke stavu jedné z K-1 dalších alel.) •
A další…
Proč je tolik alel? (microsatellite instability) • Nerovnoměrný (Unequal) crossing-over (díky špatnému alignmentu)
• Sklouznutí polymerázy při replikaci Slip-strand mispairing (slippage) (při replikaci nejprve polymeráza sklouzne a vyrobí odlišný počet opakujícího se motivu mikrosatelitu, při alignmentu je pak část opakování vykloněna mimo dvoušroubovici, flanking regions tedy párují)
Opravné mechanismy 1. Proofreading
(Kontroluje se párování bazí těsně za replikační vidlicí, kličky vytvořené při slip-strand mispairing nejsou ve větší vzdálenosti rozpoznány) – Zřejmě má jen malý vliv – Má šanci ovlivnit jen mikrosatelity s krátkým motivem (1-2 bp) a s malým počtem opakování
2. Mismatch repear – Větší efekt – Klíčová role při udržování stability mikrosatelitů – Opět záleží na délce motivu
(delší změny jsou hůř rozpoznány)
Brownův pohyb • Simulace náhodné evoluce mikrosatelitů • Pohyb opilého námořníka Browna po molu • 1 krok vpřed • 1 krok náhodně vlevo nebo vpravo • Výchylky od rovného směru se postupně zvětšují • Dlouhé molo → pravděpodobný pád do moře
Výsledek 5ti pokusů opilého Browna dojít od hospody k majáku.
0
100
200
y
300
400
500
maják
-50
0
hospoda x
50
Aplikace na evoluci mikrosatelitů • Krok vlevo
– ztráta jedné repeat unit
Krok vpravo – nabytí jedné repeat unit • Náhoda → Random walking (Brownův pohyb) Náhodné přidávání a odebírání jednotek opakování
→ vede k neúměrnému prodloužení či zkrácení • Proti tomu svědčí častý výskyt stejných mikrosatelitových lokusů u příbuzných druhů • → proces prodlužování a zkracování asi není zcela náhodný
Bias (skutečná data) • Kratší mikrosatelity (s malým počtem opakování motivu) mají zřejmě tendenci se spíše prodlužovat (slabě převládají adice nad delecemi)
• Delší mikrosatelity se spíše zkracují (náchylnější k velkým delecím)
• Delší mikrosatelity rychleji mutují (díky více opakováním je vyšší pravděpodobnost pro SSM) •
Obtížné ke studiu – mutační rychlost je malá
Evoluce mikrosatelitů - závěr • Mechanismy evoluce mikrosatelitů stále nepříliš objasněny • Stepwise mutation model SMM platí jen omezeně
Mean d2 • Lze použít jen pokud platí stepwise mutation model (alely se liší jen počtem opakování motivu, např. u tetranukleotidového mikrosatelitu vždy přesně jen o násobky 4)
• Nelze tedy u složených mikrosatelitů! Např. (CA)n(CAA)n
• Nelze při výskytu „indels“ ve „flanking regions“ (delece a inserce v oblastech ohraničujících mikrosatelitový lokus)
flanking regions
Jak měřit nakolik je jedinec postižen inbreedingem? • Rodokmeny – z rodokmenů se usoudí, zda se kříží příbuzní, inbrední koeficient F, pozor na různé významy a definice!
• Heterozygotnost (průměrná heterozygotnost přes více lokusů)
• SH standardizovaná heterozygotnost vážení přes průměrnou heterozygotnost na lokusu
• HL homozygosity by loci (Aparicio et al. 2006) vážení přes variabilitu (očekávanou het. lokusů)
• IR internal relatedness („příbuznost“ dle alel na daném lokusu = shoda alel vážená přes frekvenci alely)
• d2 rozdíl velikosti alel lze opět vážit (standardizovat) přes průměrné rozdíly
d2
SH, IR a navzájem korelovány
Diomedea exulans
Amos et al. 2001 • Dataset: Tuleňi, kulohlavci, 3 druhy albatrosů
Thalassarche chrysostoma
• Mikrosatelity, reprodukční úspěch • IR a SH naznačují selekci pro maximálně odlišné partnery
Thalassarche melanophrys
Halichoerus grypus
Globicephala melas
IR a SH
Rozdíl heterozygotnosti (a IR) a d2 • Heterozygotnost (a IR) je ovlivněna především nedávnou historií (recentní výběr partnerů v populaci)
• d2 asi odráží hlubší historii populace (migrace mezi populacemi, smíšení dříve oddělených populací)
Co měříme?
Hansson 2010 d2
heterozygotnost
• SH - vliv více lokusů • d2 – silný vliv vysoce variabilních lokusů
d2 • Často vyjde • Zajímavé výsledky • Problematická interpretace • Možný vliv jen několika lokusů • Recent admixture, LD (vazba na konkrétní geny) – třeba testovat
Ficedula albicollis Merilä et al 2003
• Dlouhodobě sledovaná populace témeř 10 let • 3 mikrosatelitové lokusy • Lifetime reproductive success Lifetime fledging success
• Jasný vztah s d2 jednoho lokusu
Problémy •
Publikační zkreslení (publication bias) Negativní výsledky se většinou nepublikují.
•
Dostatečná data (počet lokusů a jedinců)
•
Odhad celkové heterozygotnosti – Celková heterozygotnost („general effect“) – Vazba na konkrétní lokusy („local effect“) – Při použití alozymů i přímý efekt studovaného lokusu – Rozlišení „general effect“ od „local effect“ - shoda přes lokusy → Náhodně vytvořená skupina lokusů dává stejné výsledky jako lokusy zbylé.
Rákosníci vliv konkrétních lokusů
Skokani celogenomový efekt
Vliv konkrétního lokusu • Marker v blízkosti genu→selective sweep • Ale možný i vliv mikrosatelitového lokusu – Hammock & Young 2005, Microtus ochrogaster – msat. v 5‘ oblasti avpr1a, vasopressin 1a receptor – modifikuje expresi a ovlivňuje chování
Lampila et al. 2011 Parus montanus
• 8 msat lokusů • Mimopárová mláďata heterozygotnější
Emberiza schoeniclus Kleven & Lifjeld 2005
• 9 mikrosatelitových lokusů • SH a d2
• Samci úspěšní v mimopárových kopulacích x podvedení samci • Mláďata z mimopárových kopulací x párová mláďata • Žádný rozdíl v heterozygotnosti a d2
Cyanistes caeruleus Foester et al 2003
• 2452 mláďat, 5-7 mikrosatelitových lokusů, SH, IR, d2 • SH a IR korelovány, d2 slabé korelace a nic nevysvětluje • SH koreluje se zbarvením samců • Mimopároví otci – Sousedi – větší a starší než podvedení samci – Cizinci – zvýšení heterozygotnosti
•
Stejné lokusy pro paternitu i heterozygotnost
•
Srovnání heterozygotnosti vnitro- a mimopárových mláďat
•
Simulace → bias
•
Mimopárová zdánlivě heterozygotnější
•
Efekt vzácných alel
•
Řešení: – Dostatek lokusů – Různé sety lokusů
Mimopárová jsou heterozygotnější
bias
BIAS Wetzel & Westneat 2009
Rangifer tarandus CÔTÉ et al. 2005 • 9 msat lokusů • 306 samic, žaludky • Nematoda: Ostertagia gruehneri and Marshallagia marshalli • žádný vztah heterozygotnosti (nebo d2) a promořeností parazity
Jeleni na ostrově Rum Slate & Pemberton 2002
• Jedinci z let 1970 až 1996 • 71 mikrosatelitových lokusů, 364 jedinců, SH, Mean d2
• Heterozygotnost: pozitivní ale slabá korelace mezi lokusy Mean d2: korelace není Malá korelace mezi SH a Mean d2 • Heterozygotnost vysvětluje porodní váhu Mean d2 nikoliv • Žádný efekt na přežívání mláďat • Dostatečný počet lokusů a jedinců!
Chapman & Sheldon 2011 Parus major
• 26 lokusů • Sýkory se známým rodokmenem • Heterozygotnost nemá vliv na nic • Žádné korelace příbuznosti přes rodokmeny a heterozygonosti
•
Srovnání sekvenačních (10 intronů) a msat (10 -27) dat
•
Slabé korelace pro populace
•
Žádné korelace pro jedince
Väli et al. 2008 šelmy
(π - nucleotide diversity, average number of nucleotide differences per site)
heterozygosity–fitness correlations – metaanalýza Chapman et al. 2009 • • • •
Žalostné výsledky Publication bias Vysvětlení 1% variance fenotypu Málo vzorků, málo markerů
SH a inbreeding Slate et al. 2004, Pemberton 2004
• Jak dobře heterozygotnost měří inbreeding? • 101 mikrosatelitových lokusů u 590 ovcí se známým rodokmenem • Vztah existuje, ale je překvapivě slabý
• Pokud možno → použít raději rodokmeny
771 SNPs Santure et al. 2010
Zajímavá alternativa Santure et al. 2010
•
Nejprve rekonstrukce rodokmenu z genetických dat (Colony)
•
Pak odhad příbuznosti
•
→ Lepší výsledky než přímý odhad inbreedingu na základě heterozygotnosti
•
Problém – potřeba mít více generací
Simulace a lidé Balloux et al. 2004 • Korelace silné až při ~200 lokusech • Slabá korelace mezi heterozygotností na různých lokusech (400 markerů v různých lidských populacích, 1000 jedinců z 52 populací)
• Pozitivní výsledky znamenají pravděpodobněji: – vazbu na konkrétní lokusy pod selekcí – Extrémní případy – např. silná polygamie, výrazná strukturovanost populace – Výrazná linkage dissequilibria
recentně založené populace několika málo jedinci → lokusy ve vazbě (málo generací na rozbití vazby rekombinací) Odpovídá u jelenů a rákosníků
Olano-Marin et al. 2011
•
1496 modřinek
•
79 msat lokusů (v exprimovaných i „neutrálních“ oblastech)
•
Pozitivní vliv heterozygotnosti neutrálních lokusů na přežívání, velikost snůšky, paternity … spíš celogenomové efekty, inbreeding
•
Negativní vliv heterozygotnosti „funkčních“ (exprimovaných) lokusů na líhnutí… spíš lokální efekty
• 1192 zebřiček, 11 fenotypovývh znaků spojených s fitness • 11 msat, 1359 SNPs, rodokmen (5 generací)
• 11 msat → korelace jako stovky SNPs • Lepší než F z rodokmenů • Pozor! Zebřička má specifický genom, málo rekombinace!
Závěr • Heterozygotnost jako odhad inbreedingu může fungovat hlavně v extrémních případech (např. populace po bottlenecku, velké rozdíly ve fitness) • Jinak hrozí, že i stovky lokusů neukážou skoro nic • Je třeba odlišit vliv celkové heterozygotnosti od vlivu jednotlivých genů • Mám-li štěstí, mohu se strefit na lokus s „local effect“ • Je dobré vědět i něco o genomu (rekombinaci) u sledovaného druhu
