Ahelduse tasakaalutus ehk linkage disequilibrium (LD)

1. Ahelduse tasakaalutus ehk linkage disequilibrium (LD) Geneetilise aheldatuse avastasid ca 100 aastat tagasi Reginald Punnet ja William Bateson tehes eksperimente kanade ja hernestega.

2. Geneetiline aheldatus ja ahelduse tasakaalutus Thomas Hunt Morgan näitas äädikakärbseid uurides, Et mõned tunnused on aheldatud X-kromosoomiga ja ennustas krossingoveri toimumist (1911). 1960 – esimest korda kasutavad terminit linkage disequilibrium (LD) ehk aheldatuse tasakaalutus Richard Lewontin ja K. Kojima R.C. Lewontin and K. Kojima (1960). "The evolutionary dynamics of complex polymorphisms".Evolution

3. Genoomid päranduvad segementidena. Kui me vaatame mingit ühte positsiooni kromosoomil, mis on pärandunud vanemalt järglasesle, siis on ülimalt tõenäone, et ka naaber positsioon on pärandunud sellelt samalt vanem-kromosoomilt. Mida kaugemale me meid huvitanud positsioonist liigume, seda suuremaks muutub tõenäosus, et on toimunud rekombinatsioon, ja järgmine lõik kromosoomi on pärit teiselt vanemalt.

4. Ahelduse tasakaalutus ja kahe ja enama lookuse mudelid. Juhul kui erinevad lookused on aheldatuse tasakaalus (s.t. nende vahel on juhuslikud sõltumatud suhted) siis kehtib igaühele neist populatsioonigeneetika teooria, mis kirjeldab ühe lookuse dünaamikat. Kahe ja enama lookuse mudelit on vaja rakendada siis, kui alleelide jaotused eri lookustes ei ole teineteisest sõltumatud

5. Ahelduse tasakaalutus. A Chr1 A B Chr1 a Chr2 Kahe bialleelse lookuse korral neli võimalikku haplotüüpi AB Ab aB ab (või A1B1 A1B2 A2B1 A2B2) ja 4 x 4 diplotüüpi (sh 10 erinevat) AB AB AB AB Ab ... AB Ab aB ab AB... Ahelduse puhul tuleb kasutusse termin haplotüüp. Genotüübid ja haplotüübid a b Chr2

6. Ahelduse tasakaalutus. “Haakuvad” ja “tõukuvad” haplotüübid. Rekombinatsioon. Üks lahendustest.

7. Ahelduse tasakaalutus. Gameetse tasakaalutuse ehk ahelduse tasakaalutuse parameeter D Kui alleelid kombineeruks juhuslikult oleks haplotüüpide sagedused lihtsad alleelisageduste korrutised. D mõõdab kõrvalekallet sellest eeldusest Haplotüüp Sagedus populatsioonis A1B1 a = p1q1 + D A1B2 b = p1q2 - D A2B1 c = p2q1 - D A2B2 d = p2q2 + D Rekombi-natsioon viib D nulli lähedale, ei suuda seda miinustesse ajada. 1 D sõltub alleelisagedustest: ei saa olla nii suur, et b<0 ja nii negatiivne, et a<0 See on mõneti sarnane nähtus kui HW tasakaal ühelookuselises populatsiooni geneetikas.

8. Ahelduse tasakaalutus. sõltumatud kombinatsioonid D = 0 = tasakaal D on sõltumatuse näitaja: B2 alleeli suhteline sagedus A1 ja A2 alleeli taustal peab olema sama mis B2 alleeli sagedus populatsioonis, D mõõdab kõrvalekaldeid sellest tasakaalust D>0 näitab, et A1 alleeli taustal on B2 alleeli eeldatust rohkem kui A2 taustal (B2 alleel võis tekkida ka A2 taustal, siis D’~1) B1 B2 D = (A1B1xA2B2) -(A1B2xA2B1) A1 A2

9. Ahelduse tasakaalutus ja ka tasakaal. B1 60% B2 40% populatsioonis B1 60% B2 40% A1 A2 D=0 B1 60% B2 40% Siin on ahelduse tasakaal. Siin on ahelduse tasakaalutus. B1 10% B2 90% populatsioonis B1 60% B2 40% A1 A2 D=0 B1 90% B2 10% D>0

10. Ahelduse tasakaalutus – kuidas mõõta? D´ D sõltub konkreetsetest alleelisagedustest. Ei saa võrrelda. Seetõttu kasutatakse D’mis on D jagatud D teoreetilise maksimumiga nende alleelisageduste juures Lewontin (1964) D’ = D/Dmax varieerub -1 ……. 0(no LD) .... +1 (total LD) Kui A1=0.5 ja B1=0.5 Dmax = 0.25 juhul kui: A1B1 = 0.5, A1B2 = 0.0, A2B1 = 0.0, A2B2 = 0.5 Tasakaalu korral, A1B1xA2B2 = A1B2xA2B1ja D = 0.

11. Ahelduse tasakaalutus – kuidas mõõta? D´ Kui alleelisagedused A1=0.5 ja B1=0.5 D = (A1B1xA2B2) -(A1B2xA2B1) D’ = D/Dmax B1 B2 A1 B1 B1 B2 A1 B1 0.5 D=0.25 D’=1 0.3 0.2 D=0.05 D’=0.2 A1 A2 A1 A2 0.5 0.2 0.3 A2 B2 A2 B2 B1 B2 B1 B2 A1 B1 0.5 0.25 D=-0.06 D’=-0.25 0.25 0.25 D=0 D’=0 A1 A2 A1 A2 A1 B2 0.25 0.25 0.25 A2 B2 A2 B1 A1 B1

12. Ahelduse tasakaalutus • Üldiselt on Linkage Disequilibrium (LD) terminina ebaõnnestunud. Tegelikult peegeldab gameetset tasakaalutust, füüsiline aheldus on üksnes üks komponent. • Viitab otseselt aheldusele (linkage), kuid tegelikult kohaldatav ka eri kromosoomidel paiknevate aheldamata lookustele • “Tasakaal” võib paljudel juhtudel osutuda tasakaalutuks

13. Ahelduse tasakaalutus ja valik Füüsiline lähedus (D) Aheldatuse tasakaalutus (LD) valiku (s) poolt põhjustatud (Heliconius) Mis juhtub ahelduse tasakaalutusega kui valikut ei ole? A1B1 haplotüübi sagedus (a) ei muutu rekombinatsioonis A1B1/A1B1 A1B1/A1B2 genotüüpide seas Väheneb rekombinatsiooni läbi ½ A1B1/A2B2 genotüüpide seas (2ad sagedusega) Suureneb rekombinatsiooni läbi ½ A1B2/A2B1 genotüüpide seas (2bc sagedusega)

14. Ahelduse tasakaalutus, rekombinatsioon, LD muutus põlvkonniti Olgu rekombinatsiooni toimumise tõenäosus (sagedus) r A1B1 haplotüübi sagedus a järgmises põlvkonnas a’ a’ = a – ½ r2ad + ½ r2bc Haplotüüp Sagedus populatsioonis A1B1 a= p1q1 + D A1B2 b=p1q2 - D A2B1 c=p2q1 - D A2B2 d=p2q2 + D a’ = a – r (ad - bc) ad – bc = D A1B1 haplotüüpide liia korral kahaneb nende hulk rD võrra põlvkonnas Dt = D0(1-r)t järgmises põlvkonnas

15. Ahelduse tasakaalutus, rekombinatsioon, LD muutus põlvkonniti Seega, valiku puudumisel kõduneb aheldatuse tasakaalutus populatsioonis vastavalt rekombinatsioonikiirusele ajas Mittejuhuslikud seosed LD Dt = D0(1-r)t Näiteks. r=0,1 ja D=0.25 Siis t=3 puhul väheneb ahelduse tasakaalutus: 0,25(1-0,1)3= 0,18225 r = 0.1 r = 0.2 r = 0.5 juhuslikud seosed põlvkonnad analoogselt HW tasakaaluga 1 lookuse korral kuigi mitte ühe põlvkonna jooksul

16. Ahelduse tasakaalutus Haplotüüp Sagedus populatsioonis A1B1 a = p1q1 + D A1B2 b = p1q2 - D A2B1 c = p2q1 - D A2B2 d = p2q2 + D 1 aheldatuse tasakaalu (puudumise) D=0 korral saab alleelisagedustest populatsioonis arvutada haplotüübi sageduse Sarnane HW tasakaalule ühelookuselises populatsiooni geneetikas. Valiku puudumisel, suures vabalt ristuvas populatsioonis liiguvad haplotüübisagedused ahelduse tasakaalulistele sagedustele ja püsivad seal. Erinevus selles, et HW korral toimub see ühe põlvkonna jooksul, siin sõltuvalt rekombinatsiooni “kiirusest” mitme põlvkonna jooksul.

17. Ahelduse tasakaalutus LD erosioon Üks konkreetne marker eellaskromosoom Aja jooksul rekombinatsiooni läbi aheldatud markerite blokk kitseneb, erinevates “liinides” tekivad erinevad blokid Valim hetkel esinevatest kromosoomidest

18. Ahelduse tasakaalutus – rekombinatsiooni hotspotid Haplotüübiblokkide paradigma Üks huvitav inimese genoomi haplotüüpiblokkide visualiseerimisprogramm asub Ben Fry lehel: http://benfry.com/isometricblocks/

19. Ahelduse tasakaalutuse oleku põhjused • Füüsiline lähedus • Mida väiksem on markerite (lookuste) omavaheline kaugus, • seda väiksem on rekombinatsiooni tõenäosus nende vahel • Valik • Kui mingid kombinatsioonid on eelistatud • Aeg • Kui aega on kulunud liiga vähe • Juhuslik geneetiline triiv • Triiv võib juhuslikult muuta mingi haplotüübi sagedust ja • suurendada seeläbi ATd. Mida tasakaalule lähemal on • populatsioon, seda suurem on tõenäosus, et triiv teda sealt • eemale kangutab (kui on tasakaalust kaugel siis võib triiv teda • liigutada siia sinna). Üldiselt on väikestes populatsioonides • triivi ja rekombinatsiooni tasakaal selline, et aheldus ei ole • päris tasakaluline. • Mittejuhuslik ristumine • Kui näiteks A1 kandjad eelistavad B1 kandjaid B2 kandjatele

20. Ahelduse tasakaalutus ja pöidlaküüdi efekt ehk küütvalik. Küütvalik (1974) seletab ka neutraalse teooria eeldusest madalamate heterosügootsusastmete esinemist looduslikes populatsioonides -> kui mingi kasuliku alleeli sagedus fikseerub viib ta endaga kaasa ka hulga neutraalseid lookusi, mille heterosügootsus väheneb (selective sweep) (termin 1991. aastast) vastavalt John Maynard Smithi arutlusele (1920-2004) Maynard Smith, J. and Haigh, J. 1974. The hitch-hiking effect of a favourable gene. Genetical Research

21. Ahelduse tasakaalutus ja pöidlaküüdi efekt ehk küütvalik. valik A’ B Hitchhiking Küütvalik Aheldusest tingitud mehhanismid A’ kohasem kui A p t

22. Ahelduse tasakaalutus ja pöidlaküüdi efekt ehk küütvalik (hitch-hiking effect). Suurelt saarelt tood 77 hiirt väiksele saarele. Vastuvõttev populatsioon oli tugevalt inbriiditud. Sissetoodud hiirte geenivariantide ja ka morfoloogiliste tunnuste sagedused tõusid. Ilmselt tänu AT-le kuna inbriiditus populatsioonis oli ilmselt palju fikseerunud kergelt kahjulikke alleele ja seega toimis sissetoodud alleelidele tugev positiivne valik mis sai ahelduse tõttu osaks ka teistele lookustele.

23. Ahelduse tasakaalutus ja pöidlaküüdi efekt ehk küütvalik.

24. Ahelduse tasakaalutus: küütvalik – 1) selective sweep ehk luudvalik selective sweep ehk valiku luuatõmme Nukleotiidse diversiteedi (π) muutus läbi aja luudvaliku korral sweep recovery    Advantageous mutation Neutral mutation Täesti neutraalses lookuses on palju mitmesusgust varieeruvust. Kui aga tekib üks kasulik mutatsioon ühes liinis, siis hakkab valik soosima just seda haplotüüpi koos lähedalasuvate aheldunud lookustega. Ja üsna kiiresti see fikseerub. Teiste haplotüüpidega seotud varieeruvus antud lookuses läheb seetõttu populatsioonist kaduma. Kui aega veel mööda läheb, siis lisandub juba fikseerunud haplotüüpidele uusi mutatsioone ja varieeruvus tõuseb.

25. Ahelduse tasakaalutus: küütvalik . Luudvaliku kontroll. Üldiselt on mitmekesisus väiksem seal, kus rekombinatsiooni vähem – tsentromeerile lähemal ja väikestes kromosoomides. Põhjusteks ongi ilmselt selective sweebid ja taustavalik. a a) D. simulans. Taustmitmekesisuse dünaamika väheneb tsentromeeri suunas, seal on vähem rekombinatsiooni. b) D. melanogaster. Sdic geeni alleel asendus hiljuti paremaga. Tema ümber polümorfsete saitide auk. b Polümorfsete saitide osakaal telomeer tsentromeer

26. Ahelduse tasakaalutus: küütvalik. Näide luudvalikust (selective sweep). • Malaaritekitaja Plasmodium falciparum-i vastu loodi 1946. aastal ravim – klorokiin. • 1957.aastal leiti esimesed klorokiiniresistentsed P.falciparum-id. • See omadus on viimase poole sajandi abil levinud üle kogu Maa troopilise piirkonna, kus malaariatekitaja elab. • Mis geen põhjustas resistentsust? • Kas eri populatsioonides eri lookused olulised? • Klassikalisel viisil oleks tulnud teha ristamiskatseid. Aga tänapäeval on meil teada nende kogu genoomi järjestus. • Tuleb otsida kahte märki: • kõrget kohalikku LD-d ja • märgatavalt madalat diversiteeti (luudvaliku toimet). • Wootton et al. (2002) leidsid märgatavat diversiteedilangust ja kõrgenenud LD-d 7.kromosoomis geeni pfcrt juures. See oli nii ka eri kontinentaalgruppide puhul. Oli näha, et mutatsioonid olid siiski sõltumatu tekkega, kuigi geen sama.

27. Ahelduse tasakaalutus: küütvalik – 2) background selectionehk taustvalik Background selection Charlesworth, B., Morgan, M. T. & Charlesworth, D. (1993). The effect of deleterious mutations on neutralmolecular variation. Genetics. Kahjulikud mutatsioonid tulevad ette samuti juhuslikult. Looduslik valik toimib nende vastu, võttes neid populatsioonist ära. Kuivõrd valik viib ära kahjulikke mutatsioone, siis ta vähendab ka kohaliku lookuse diversiteeti, sest iga varieeruvus, mis sellega on seotud, läheb ahelduse tõttu kaotsi. Mõlemad protsessid, nii luuatõmme kui taustvalik, vähendavad diversiteeti ja töötavad väikese rekombinatsioonikiiruse juures efektiivselt. Kuidas eristada?

28. Ahelduse tasakaalutus: küütvalik. Näide taustvalikust. Eksperiment, milles kaks erinevat Drosophila liini. Ristati nii, et letaalne retsessiivne Glued geen oleks lähestikku mitme teise markeriga.Alguses vähenesid kõigi sagedused. Aga siis, kui rekombinatsioon oli oma tööd teinud, siis tõusid teiste sagedused jälle. Mida suurema rekombinatsioonikiirusega (mida kaugemal Gluead-ist), seda kiiremini.

29. Ahelduse tasakaalutus ja küütvalik: 3) partial sweepehk osaline luuatõmme valik A’ B valik valik A’ B A’A/Bb A’A/BB A’ kohasem kui A Kuidas küütvalik soodustab heterosügootsust. p 1) Hitch-hiking t p 2) t Eeldame , et on heterosügootne eelis, ehk Bb kohasus suurem kui BB -l. Kuna A’ aheldatud B-ga on tal suurem tõenäosus sattuda kokku BB-ga kui A-l. Seega pärsib B heterosügootne eelis A’ sageduse kasvu populatsioonis.

30. Ahelduse tasakaalutus. Mitmekesisuse anomaaliaid kasutatakse valiku all olevate geenide / mutatsioonide otsimisel. Kui leiad piirkonna kus on ümbritsevaga võrreldes vähem mitmekesisust, võid oletada, et kuskil seal piirkonnas on hiljuti fikseerunud (või teel sinna) alleel. See ei ole ainuke seletus. Sama tulemuse annavad ka kohalik funktsionaalne piirang (tee McDonald Kreitmani dN/dS test) ja taustvalik (background selection), mis toimib nagu tagurpidi “hitchhiking” ainult et tihemini ehk koguaeg.

32. Ahelduse tasakaalutus. Kokkuvõte • Mitmelookuselise pop. gen. objektiks on haplotüübid (alleelisageduste asemel) • Rekombinatsioon viib aheldatuse tasakaalu, kus iga lookuse kohta võib rakendada ühe lookuse pop. gen. Mudelit • Koadapteeritud lookuste korral rekombinatsioon negatiivse valiku all • Küütvalik mõjutab valiku aluse lookusega seotud lookuste polümorfismi