Faktori koji menjaju genetiFaktori koji menjaju genetičku čku strukturu populacijastrukturu populacija

-evolutivni faktori--evolutivni faktori-

mutacijamutacijaselekcijaselekcija

ggenetienetički driftčki driftprotok genaprotok gena

M u t a c i j eM u t a c i j e

Germinativne mutacijeGerminativne mutacije samo imaju efekat samo imaju efekat na genetičku strukturu populacijena genetičku strukturu populacije

Genske, hromozomske, DNK polimorfizmiGenske, hromozomske, DNK polimorfizmi SluSlučajni dogadjajičajni dogadjaji Osnovni izvor varijabilnosti genofondaOsnovni izvor varijabilnosti genofonda

MutaMutacijecije promene upromene u genima genima, ,

hromozomimahromozomima slučajni dogadjajislučajni dogadjaji spontane / induspontane / indukovanekovane germinativgerminativnene/somat/somatskeske

nastanak tumorakarcinogeneza

delovanjem agenasa, mutagena

naslednekroz generacijeu populacijama

učestalostučestalost mutacijamutacija broj mutacijabroj mutacija po gametu, spori, po gametu, spori,

populaciji...populaciji...

stopastopa mutacija - mutacija - promena učestalosti,promena učestalosti,po generacijipo generaciji

po ćelijskoj deobipo ćelijskoj deobi

po replikacijipo replikaciji sstopa topa spontanihspontanih genskih mutacija genskih mutacija je niska: je niska: 1010-4--

1010-8

A1 A1 uu A2 A2 uu stopa mutacije stopa mutacije

učestalost alela A1 u sledećoj generaciji učestalost alela A1 u sledećoj generaciji pp’’ = p – up = p – up = p (1 - u),= p (1 - u),

a a opsegopseg promene promenep = p – pp = p – p’’ = p - = p - p (1 - u)p (1 - u)]]

Ako ovaj proces teče iz generacije u generaciju, nakon t Ako ovaj proces teče iz generacije u generaciju, nakon t generacija učestalost alela A1 bićegeneracija učestalost alela A1 bićeppt = p (1 - u) = p (1 - u) t

Stopa zamene jednog alela, ukoliko samo deluje mutacija, po stopi 10-5

POVRATNE MUTACIJEPOVRATNE MUTACIJE

upupe = vq = vqe

A1 A1 uu A2 A2 A1 A1 v v A2 A2 p’p’ = p - up + vq = p - up + vq pp = p’ - p = p’ - p p = 0 (mutaciona p = 0 (mutaciona

ravnoteravnotežža)a) = (p - up + vq) - p = (p - up + vq) - p = vq – up= vq – up

ppe + q+ qe = 1 = 1 qqe = 1 - p = 1 - pe upupe e = v(1 - p= v(1 - pee)) upupee + vp + vpee = v = v ppee = v / (u + v) = v / (u + v) qqee = u / (u + v) = u / (u + v)

Uspostavljanje Uspostavljanje ravnotežne učestalostiravnotežne učestalosti je nezavisno od početne je nezavisno od početne uučestalosti alelačestalosti alelazavisi samo od stopa mutacija u oba smerazavisi samo od stopa mutacija u oba smera

GENSKE MUTACIJE

bez efekta na fenotip 1. “tihe”- NE MENJAJU AMINO KISELINU2. neutralne – MENJAJU AMINO KISELINU

NE MENJAJU POLIPEPTID

sa efektom na fenotip 1. na nivou translacije proteinanonsens - zaustavljanje translacijemissens - zamena amino kiseline“frameshift”- promena celog polipeptida

U odnosu na adaptivnu vrednost1. NE UTIČU NA ADAPTIVNU VREDNOSTI2. UTIČU NA ADAPTIVNU VREDNOST

SNPSNP((polimorfizmi pojedinačnih polimorfizmi pojedinačnih nukleotidanukleotida) )

mesta u genomu po kojima se mesta u genomu po kojima se osobe razlikuju u pojedinačnim osobe razlikuju u pojedinačnim nukleotidimanukleotidima

DNK profilisanjeDNK profilisanje - mapiranje, - mapiranje, odredjivanje takvih mesta u odredjivanje takvih mesta u genomugenomu

Baze podatakaBaze podataka, upotreba u , upotreba u biomedicini, farmacijibiomedicini, farmaciji

neki SNP utiču na osobinu, neki su neki SNP utiču na osobinu, neki su neutralni(markeri)neutralni(markeri)

SNP može biti SNP može biti u asocijacijiu asocijaciji sa sa osobinom jer je statistički korelisan osobinom jer je statistički korelisan sa nekom uzročnom varijantomsa nekom uzročnom varijantom

http://learn.genetics.utah.edu/units/pharma/phsnipping/

molekul DNK

vezani SNP van genabez efekta na stvaranje i funkciju proteina

uzročni SNP u genu

nekodirajući SNP menja količinu stvorenog proteina

kodirajući SNP menja aminokiselinsku sekvencu

prirodna prirodna selekcijaselekcija

genetička raznovrsnost fenotipska raznovrsnost uraznovrsnost + spoljne sredine raznovrsnost adaptivnoj vrednosti

ADAPTIVNA VREDNOST (W) - FITNES

relativna sposobnost različitih genotipova da prenesu svoje alele budućim generacijama

relativna mera reproduktivnog uspeha genotipova

fenotip-sredina

isti genotip ima različite adaptivne vrednosti u različitim sredinama

SELEKCIONI KOEFICIJENT (S) stepen smanjenja adaptivne vrednosti s+w=1

G e n o t i p A1A1 A1A2 A2A2

Broj polno nezrelih jedinki 4 6 4Broj jedinki koje su dostigle polnu zrelost 3 5 3 Vijabilitet 3/4 5/6 3/4

Broj potomaka 6 9 2Fertilitet 6/3 9/5 2/3

Adaptivna vrednost (apsolutna) 3/4 x 6/3 = 1,5 5/6 x 9/5 = 1,5 3/4 x 2/3 = 0,5Relativna adaptivna vrednost (W) 1,5 : 1,5 = 1 1,5 : 1,5 = 1 0,5 : 1,5 = 0,33

Selekcioni koeficijent (s = 1 - W) 0 0 0,67

osnovne komponente adaptivne vrednosti : vijabilitet i fertilitet

(broj potomaka, fekunditet, uspešnost u parenju, broj polno zrelih jedinki, itd...)

G e n o t i p A1A1 A1A2 A2A2Broj jedinki koje se pare 16 10 20Broj potomaka 128 40 40Prosečan broj potomakapo roditelju (fertilitet) 128/16 = 8 40/10 = 4 40/20 = 2

Relativni broj potomaka(adaptivna vrednost; W) 8/8 = 1 4/8 = 0,5 2/8 = 0,25

Selekcioni koeficijent (s =1 - W) 0 0,5 0,75

Pojednostavljeno.....

max. br.

Selekcija deluje na različitim stadijuma životnog ciklusa

Prirodna selekcija je odraz razlika u adaptivnoj vrednosti medju jedinkama populacije

Prednost pojedinih genotipova

Povećanje adaptivne vrednosti pojedinih genotipova

Veći doprinos pojedinih alela adaptivnoj vrednosti – viša učestalost u narednoj generaciji

G e n o t i p A1A1 A1A2 A2A2 Ukupno

učestalost pre selekcije p2 2pq q2 1

Relativni fitnes W11 W12 W22 -

učestalost posle selekcije p2W11 2pqW12 q2W22 W

Relativne učestalosti (p2W11) /W (2pqW12) /W (q2W22) /W 1

učestalost genotipova pre i posle selekcije

W = p2W11 + 2pqW12 + q2W22 prosečan fitnes populacije

Delovanje i efekat prirodne selekcije

q’ = (q2W22) / W¯ + (1/2) (2pqW12) /W = (q2W22+ pqW12) /W = q (qW22 + pW12) /W

qW22 + pW12 je prosečan fitnes alela A2, W2 (fitnes alela je odredjen fitnesom genotipova)

q’ = q (W2 /W)Ako je prosečni fitnes alela A2 veći od prosečnog fitnesa populacijetada jeW2 /W >1 i q’ > q i učestalost alela A2 će porasti u populaciji

promena alelske učestalosti posle delovanja selekcije

Učestalost alela koji doprinosi višem fitnesu će porasti u populaciji

q = q (qW22 + pW12) /W - q = q (qW22 + pW12) / (p2W11 + 2pqW12 + q2W22) - q = pq p(W12 - W11) + q(W22 - W12) /W

Promena alelskih učestalosti – kvantifikovanje populaciono genetičkih promena

populacija teži maximalnoj W

mora postojati varijabilnost

"aditivni" ili "prosečni" efekat zamene gena

A2A2 A1A2 A1A1

q = q’ - q 1) preko adaptivnih vrednosti

W = p2W11 + 2pqW12 + q2W22 prosečan fitnes populacije

G e n o t i p A1A1 A1A2 A2A2 Ukupno

Relativni fitnes W11 W12 W22 -učestalost pre selekcije p2 2pq q2 1učestalost posle selekcije p2W11 2pqW12 q2W22 WRelativne učestalosti (p2W11) /W (2pqW12) /W (q2W22) /W 1

G e n o t i p Ukupno

A1A1 A1A2 A2A2

Relativni fitnes 1 1 1-s _učestalost pre selekcije p2 2pq q2 1Procenjeni doprinos p2 2pq q2(1-s) 1-sq2

učestalost posle selekcije p2 / (1-sq2) 2pq / (1-sq2) q2(1-s) / (1-sq2) 1

prosečan fitnes populacije W = p2(1) + 2pq(1) + q2(1-s) = p2 + 2pq + q2 - sq2 = 1 - sq2

Promena alelskih učestalosti – kvantifikovanje populaciono genetičkih promena

2) preko selekcionog koeficijenta

q’ = (1/2)(2pq) / (1-sq2) + q2(1-s) / (1-sq2)

= pq + q2(1-s) / (1-sq2)

= q(p+q-sq) / (1-sq2) = q(1-sq) / (1-sq2)

Nove alelske učestalosti posle delovanja selekcije

q = q(1-sq) / (1-sq2) - q = q(1-sq) - q(1-sq2) / (1-sq2) = q(1-sq-1+sq2) / (1-sq2) = (-sq2p) / (1-sq2).

Promena alelskih učestalosti

Promena alelskih učestalosti – kvantifikovanje populaciono genetičkih promena

2) preko selekcionog koeficijenta

Promena alelske učestalosti usled selekcijeu zavisnosti od stepena dominantnosti (h) posmatranog alela p = - spq h - (2h - 1) q / (1 - 2hspq - sq2).

W11=W12=W22=1 nema selekcije

(W11=W12)<1, W22=1 selekcija protiv dominantnog alela

(W22<1), (W11=W12)=1 selekcija protiv recesivnog alela

(W11 i W22)<1, W12=1 overdominansa- favorizovanje heterozigota

W12<(W11 i W22)=1 selekcija protiv heterozigota

Od čega će zavisiti efikasnost selekcije?

osnovni tipovi delovanja prirodne selekcije

Intenzitet selekcije varirau zavisnosti od razlika u W

početno q=0.99

ex: štetni alel je kodominantan, heterozigotiimaju različiti fitnes

(W11=W12)<1, W22=1 selekcija protiv dominantnog alelafavorizovanje recesivnog alela

Različite početne učestalosti alela i različiti selekcioni koeficijentiutiču na efikasnost selekcije

niska početna učestalost male razlike u fitnesu

viša početna učestalost veće razlike u fitnesu

jači selekcioni pritisak

(W22<1), (W11=W12)=1 selekcija protiv recesivnog alela

različite učestalosti alela u populacijiutiču na efikasnost selekcije

eliminacija samo homozigota sa štetnim recesivnim alelom - recesivni alel ostaje u populaciji

A2A2 A1A2 A1A1

A2A2 A1A2 A1A1

A2A2 A1A1

A1A2

A2A2 A1A1 A1A2

1-s 1-s/2 1

1-s 1-hs 1

1-s 1

1-s2 1-s1 1

EX:A1 = retki povoljni alel u populacijis=0.5 različiti stepen dominantnosti, h

favorizovanje heterozigota

favorizovanje dominantnog alela

semidominantnost (h=1/2)jednak efekat i na A1 i na A2

Promena alelske učestalosti usled selekcije u zavisnosti od stepena dominantnosti (h) posmatranog alela

favorizovanje recesivnog alela-neefikasno

(WSS i WAA)<1, WAS=1 overdominansa- favorizovanje heterozigota

s1 malarija, protiv AAs2 srpasta anemija, protiv SS

qe= s1/s1+s2

a) Učestalost alela koji se odnosi na rezistenciju na insekticid,

b) Učestalost alela lokusa za enzim koji je nevezan sa metabolizmom insekticida

Efekat selekcije na učestalost alela u prirodnom populacijama.

populacije izložene insekticidu i neizložene

brzo širenje povoljnog retkog alela , nove mutacije

Boja tela Biston betularia MUTACIJA (carbonaria) industrijski melanizam

Niska početna učestalosti alela ali visok selekcioni koeficijent odnosno prednost genotipova koji sadrže mutirani alel vodi brzoj promeni učestalosti

Favorizovanje alela prirodnom selekcijomFavorizovanje alela prirodnom selekcijom- - primer selekcije ka poveprimer selekcije ka povećanju učestalosti ćanju učestalosti dominantnog aleladominantnog alela

Enzim laktaza je lociran u ćelijama tankog creva i služi da razgradi Enzim laktaza je lociran u ćelijama tankog creva i služi da razgradi laktozu iz mlekalaktozu iz mleka

Postoji varijabilnost u sposobnosti (odraslih) ljudi da vare laktozu Postoji varijabilnost u sposobnosti (odraslih) ljudi da vare laktozu iz mleka (posebno drugih vrsta) iz mleka (posebno drugih vrsta)

Osobina – netolerancija na laktozu, sOsobina – netolerancija na laktozu, seleelektivna ktivna hipolaktazija,hipolaktazija, se se nasledjuje autozomalno recesivno.nasledjuje autozomalno recesivno. I pretranskripciona i I pretranskripciona i posttranskripciona regulacija su uključene u nisku ekspresiju posttranskripciona regulacija su uključene u nisku ekspresiju enzima. enzima.

Osobina - tolerancija na laktozu se nasledjuje dominantOsobina - tolerancija na laktozu se nasledjuje dominantnno i visoka o i visoka učestalost u nekim populacijama je rezultat najjačeg poznatog učestalost u nekim populacijama je rezultat najjačeg poznatog selekcionog pritiskselekcionog pritiska, favorizovanja dominantne mutacijea, favorizovanja dominantne mutacije

Tolerancija uključuje izmene u regulaciji ekspresije gena za enzim Tolerancija uključuje izmene u regulaciji ekspresije gena za enzim laktazu i uzrokovana je višesturkim nezavisnim mutacijama koje laktazu i uzrokovana je višesturkim nezavisnim mutacijama koje su dostigle visoku učestalost u različitim populacijama, zbog su dostigle visoku učestalost u različitim populacijama, zbog koristi od konzumiranja mlekakoristi od konzumiranja mleka

Entero bakterije mogu modifikovati netoleranciju ka toleranciji Entero bakterije mogu modifikovati netoleranciju ka toleranciji Primer Primer biokulturološkebiokulturološke evolucije evolucije

Istorijski, mleka Istorijski, mleka (sopstvene vrste)(sopstvene vrste) nema nakon dojenja nema nakon dojenja i i laktaza postaje beskorisna, čak i problematična u varenju, laktaza postaje beskorisna, čak i problematična u varenju, pa je najpre evolutivno-genetički bilo favorizovano pa je najpre evolutivno-genetički bilo favorizovano smanjenje produkcije laktaze i smanjenje produkcije laktaze i nenetolerancija je održavana tolerancija je održavana

Istorijsko ekonomski uzroci Istorijsko ekonomski uzroci nastanka tolerancije nastanka tolerancije - - oslanjanje na stočarstvo, čime se omogućava konzumiranje oslanjanje na stočarstvo, čime se omogućava konzumiranje mleka i posle dojenjamleka i posle dojenja, i uslovi , i uslovi čuvanja svežeg mleka čuvanja svežeg mleka

SSa razvijanjem stočarstva, u tim populacijama javila se a razvijanjem stočarstva, u tim populacijama javila se prednost alela ka tolerancijiprednost alela ka toleranciji

Potomci ovih naroda su uglavnom evropske grupe i one Potomci ovih naroda su uglavnom evropske grupe i one imaju češću toleranciju na laktozu (i hladnija je klima i imaju češću toleranciju na laktozu (i hladnija je klima i razvijenije čuvanje mleka pa su tolerantrazvijenije čuvanje mleka pa su tolerantnni imali imali i još veću još veću prednost) prednost)

u Africi je učestalija netolerancija, osim onih grupa koje se u Africi je učestalija netolerancija, osim onih grupa koje se oslanjaju na stočarstvo, kao oslanjaju na stočarstvo, kao Fulani Fulani ii Tutsi Tutsi koji su tolerantni koji su tolerantni na laktozuna laktozu

Učestalost Učestalost nenetolerancijetolerancije The American Journal of Clinical Nutrition (1994)The American Journal of Clinical Nutrition (1994) uu E Evvropropii učestalost raste ka istoku i jugu, skoroučestalost raste ka istoku i jugu, skoro 70% 70% u južnoj u južnoj

Italiji i Turskoj, Italiji i Turskoj, Scandinavia Scandinavia i i Northwest Europe (3-8%) Northwest Europe (3-8%) Preko Preko 50% 50% uu South America, Africa, Asia South America, Africa, Asia, skoro, skoro 100% 100% u u

većem deluvećem delu Southeast Asia. Southeast Asia. U USAU USA, 15% , 15% medju kavkascimamedju kavkascima, 53% , 53% medjumedju Mexican- Mexican-

Americans Americans ii 80% 80% u afrikanskoj populacijiu afrikanskoj populaciji.. AustraliaAustralia, , New Zealand 6%New Zealand 6% i i 9%. 9%. Generalno, oko 2/3 sveta ima neperzistentnu aktivnost Generalno, oko 2/3 sveta ima neperzistentnu aktivnost

laktazelaktaze

Efekat 3 tipa selekcije na srednju vrednost osobine u populaciji

X0 je srednja vrednost osobine pre selekcijeX1 je srednja vrednost osobine posle selekcije

Prirodna selekcija i kvantitativne osobine u populaciji

STABILIZIRAJUĆA SELEKCIJA

najviši fitnes imaju srednji fenotipovi