molekulare evolution -...

Molekulare Evolution

Dr. Vera Warmuth SoSe2019

Nachbesprechung Phylo Übungen

Zeichne den Baum

(((A,B),(C,D)),(E,F))

((A,(B,C)),(D,E))

Wer ist näher verwandt...

a) A green alga is more closely related to a red alga than to a mossb) A green alga is more closely related to a moss than to a red algac) A green alga is equally related to a red alga and a mossd) A green alga is related to a red alga, but is not related to a moss

Wer ist näher verwandt...

a) A green alga is more closely related to a red alga than to a mossb) A green alga is more closely related to a moss than to a red algac) A green alga is equally related to a red alga and a mossd) A green alga is related to a red alga, but is not related to a moss

• Identifiziere dazu den letzten gemeinsamen Vorfahren!

x

y

Wer ist näher verwandt...

a) A seal is more closely related to a horse than to a whaleb) A seal is more closely related to a whale than to a horsec) A seal is equally related to a horse and a whaled) A seal is related to a whale, but is not related to a horse

Wer ist näher verwandt...• Identifiziere dazu den letzten gemeinsamen Vorfahren!

a) A seal is more closely related to a horse than to a whaleb) A seal is more closely related to a whale than to a horsec) A seal is equally related to a horse and a whaled) A seal is related to a whale, but is not related to a horse

x

Welcher ist falsch...

Welcher ist falsch...

Parsimonisch informative Positionen?

Ziel: finde den Baum, der mit den wenigsten Merkmalsänderungen die Datenmatrix erklärt

0 0 0

Ziel: finde den Baum, der mit den wenigsten Merkmalsänderungen die Datenmatrix erklärt

1 1 1

Ziel: finde den Baum, der mit den wenigsten Merkmalsänderungen die Datenmatrix erklärt

1 2 1

Ziel: finde den Baum, der mit den wenigsten Merkmalsänderungen die Datenmatrix erklärt

0+1+1+1+1+1+1+1+1+1+1+0+1+0+1+1+1+1 = 6 Parsimoniescore

Parsimoniescore und Baumlänge

• Parsimoniescore: Summe der Merkmalsänderungen an parsimonie-

informativen Positionen, die einen bestimmten Baum erklären

• Baumlänge: Summe aller Merkmalsänderungen im Baum (JEDE

Änderung wird gezählt)

Evolution

Veränderung von Allelefrequenzen über Zeit

Molekulare Evolution

Veränderung der Struktur und Sequenz von Makromolekülen

Molekulare Evolution der Genom Sequenz des Zika Virus zwischen 2013 und 2017

Molekulare Evolution

molekulare Evolution als Fachrichtung..

...ist die vergleichende Studien von Makromolekülen

...fragt danach, wie und warum sich Sequenzen im Laufe der Evolution ändern

...liefert die Basis zur Konstruktion von Sequenzstammbäumen – analog zu den

Stammbäumen auf der Basis phänotypischer Merkmale

Vorlesung

1.) Mechanismen: (Punkt-)mutation, Genduplikation

2.) Alignments als Grundlage der phylogenetischen Analyse molekularer Sequenzdaten

3.) Neutrale Theorie der neutralen Evolution und molekulare Uhr

Molekulare Evolution

• Permanente Änderungen des Erbmaterials (der DNA)

• Mutationen sind stochastisch und zufällig

• Ursachen: Fehler in der Replikation während der Zellteilung; radioaktive

Strahlung; Chemikalien; Vireninfektion; Transposon Aktivität

• Punktmutationen am Häufigsten

• Generell in der Grössenordnung von 10−9 to 10−8 /Position/Generation

(Viren ca 10−6 /Position/Generation)

Mutationen

Punktmutationen

Nicht alle Mutationen haben Fitness Konsequenzen

Aminosäuren bestehen aus Nukleotid Triplets (‚codon‘)

Substitutionen können

a) synonym sein: keine Änderung in der Aminosäure

b) Nicht-synonym sein: Änderung in der Aminosäure

GCA -> AlaninGCG -> Alanin vierfach-degenerierte StelleGCC -> Alanin (synonyme Stelle)GCT -> Alanin

AGA -> ArgininAGG -> Arginin zweifach-degenerierte StelleAGC -> SerinAGT -> Serin

AGT -> SerinGGT -> Glycin nicht-degenerierte StelleCGT -> Arginin (nicht-synonyme Stelle)TGT -> Cystein

Nicht alle Mutationen haben negative Fitness Konsequenzen

Nicht alle Mutationen haben Fitness Konsequenzen

-> Die Substitutionsrate von Nukleotiden kommt auf ihre Position im Kodon an

-> synonyme Substitutionsrate >> nicht-synonyme Substitutionsrate

Position

Nicht alle Mutationen haben negative Fitness Konsequenzen

Beispiel:Leucin: 6 mögliche codon Varianten

Tyrosin: nur 2 mögliche codon Varianten

TTA CTA CTT CTC CTG TTG

TAT TAC

Mechanismen molekularer Veränderung: Punktmutation

Nicht-synonyme Mutationen verändern Proteine: a) missense: Aminosäure ändert sich

Nicht-synonyme Mutationen verändern Proteine: a) non-sense: Aminosäure -> Stop Kodon

Mechanismen molekularer Veränderung: Punktmutation

Mechanismen molekularer Veränderung: Genduplikation

• Neue Gene können durch Genduplikation und Divergenz entstehen

• Genduplikationen lassen Rückschlüsse auf die Evolution von Genen zu

Duplikation erfolgt vor/bei ArtenbildungFunktion bleibt erhalten

Mechanismen molekularer Veränderung: Genduplikation

• Neue Gene können durch Genduplikation und Divergenz entstehen

• Genduplikationen lassen Rückschlüsse auf die Evolution von Genen zu

PseudogeneDuplizierte Gene, die ihre Funktion verloren haben

Duplikation erfolgt vor/bei ArtenbildungFunktion bleibt erhalten

Duplikation im Genom innerhalb einer Artneue Funktion

Genduplikation: Beispiel

Paralogie ist ein Problem für die Phylogenetik

Inferierte, falsche Phylogenie

Paralogie ist ein Problem für die Phylogenetik

Inferierte, falsche Phylogenie

Diskrepanz zwischen Genbäumen und dem Artenbaum

• Genduplikation: einer der Mechanismen in der molekularen Evolution die zu einer Diskrepanz zwischen Genbäumen und dem Artbaum führen kann!

Alignments

• Ein Alignment ist eine Datenmatrix in der alleNukleotide/Aminosäuren einer Spalte homolog zueinander sind.

• Problem: Indels (Insertion und Deletion events) erschweren die Identifizierung von homologen Nukleotiden. Substitution /

Missmatch

Alignment Algorithmen

• Jedes Alignment erhält eine Wertung (score)

• Werte für Übereinstimmung (match), Nicht-Übereinstimmung (mismatch), und Lücken

(gap)

• Einfaches Beispiel:

– Match = 1, Mismatch = -1, Gap = -2

Sequenz_1 ATCC-

Sequenz_2 AGCCG

Score: 1 - 1 + 1 + 1 - 2 = 0

Alignment Algorithmen

• Komplexere Methoden:

- Unterschiedliche Scores für Mismatches/Substitution

- Anfang einer Lücke (Gap opening) hat höhere Kosten als eine das Erweitern einer

Lücke (Gap extension)

Sequenz_1 ATCC-

Sequenz_2 AGCCG

Score: 1 - 1 + 1 + 1 - 2 = 0

Point accepted mutation (PAM) Matrix für Substitution-

Kosten

BLAST(Basic Local Alignment Search Tool)

• BLAST sucht Sequenzen mit hoher Übereinstimmung.

• Verglichen werden kleine Teile der Sequenzen

• Scores werden ähnlich wie bei paarweisen Sequenzvergleichen berechnet.

• Dient zum

• Identifizieren einer Sequenz.

• Suchen Sequenzen ander Arten.

Basic Local Alignment Search Tool

homolog oder paralog!

Basic Local Alignment Search Tool

homolog oder paralog!

Molekulare Evolution und Phylogenetik

• 1962: Zuckerkandl & Pauling. Unterschiede in Aminosäuren im Hämoglobin verschiedener Vertebraten akkumulieren linear (Molekulare Uhr)

• 1963: Margoliash: ‘genetic equidistance hypothesis’: AnzahlNukleotid Unterschieden in der Cytochrome C Sequenz zweierArten ist proportional zur Zeit seit dem letzen gemeinsamenVorfahren

• 1968: Motoo Kimura: Neutrale Theorie der molekularen Evolution

Neutrale Theorie der molekularen Evolution

Neutrale Mutationen und genetische Drift als zentrale Mechanismen derVeränderung von Proteinen

- Mutationen mit negativem Fitness Effekt werden schnell entfernt

- Mutationen mit positivem Fitness Effekt sind extrem selten

Wichtige Folgerungen

Rate der molekularen Evolution entspricht Rate neutraler Mutationen

Rate neutraler Mutationen ist konstant (Molekulare Uhr)

Achtung: gilt nur auf molekularer Ebene! Selektion dominiert Evolution auf phänotypischer Ebene

Evolutionary Rate at the Molecular Level Nature (1968)

“Calculating the rate of evolution in terms of nucleotide substitutions seems to give a value so high that many of the mutations involved must be neutral ones.”

Cytochrome C Genbaum(Margoliash, Fitch & Margoliash, 1960s)

die Veränderungsrate ist ungefähr konstant:17+10+2=31 from gemeinsamen Vorfahren zu Hefe

32 from gemeinsamen Vorfahren zu Primaten

=> Molekulare Uhr!

Traditionell werden datierte Fossilien benutzt, um Mutations Raten in

Zeiteinheiten umzurechnen und damit Knoten in phylogenetischen

Bäumen zu datieren (phylogenetische Mutationsrate)

Margoliash (1963)

Kalibrierung mit Hilfe von datierten Fossilien,z.B. bekannter Divergenz Mensch-Pferd

Traditionell werden datierte Fossilien benutzt, um Mutations Raten in

Zeiteinheiten umzurechnen und damit Knoten in phylogenetischen

Bäumen zu datieren (phylogenetische Mutationsrate)

Margoliash (1963)Kalibrierung mit Hilfe von datierten Fossilien,z.B. bekannter Divergenz Mensch-Pferd

Kalibrierung war falsch, heute auf 1 Billion Jahre geschätzt

Probleme mit der Molekularen Uhr

• Nicht alle Proteine haben die gleiche Substitutions Rate

• Nicht alle Taxa haben unterschiedliche Substitutionsraten

• Generationszeit ist oft nicht bekannt

• Das Alter der Fossilien relative zu den untersuchten evolutionären Zeiträumen beeinflusst das Ergebnis

• Fossilien aus dem ‚richtigen‘ Zeitalter sind oft nicht vorhanden

• Unterschiedliche Methoden/Algorithmen

• Und, und und...