MUTACIJE

1. MUTACIJE

2. Šta je mutacija? • promena u sekvenci DNK u genomu. • U evolucionoj biologiji zanimaju nas mutacije koje se prenose na potomstvo (gametske mutacije) – genetička promena koja nije nasleđena od roditelja, ali se nasleđuje u potomstvu.

3. Efekat mutacija na populacionom nivou • Menjaju se učestalosti alela u populaciji • Izvor genetičkih novina u populaciji Povećava se genetička varijabilnost populacije

4. Da li su mutacije slučajan proces? • Vruća mesta (hot spots) • Tranzicije vs. transverzije(češće G,C u A,T nego obratno) • Stope mutacija minor i major gena

5. Stopa mutacije (u) • Verovatnoća pojave određene mutacije po gametu po generaciji (klasična definicija) • Postoje različiti načini procene stope mutacije, pa i različiti tipovi stope mutacija: - stopa pojave mutacije po genskom lokusu po generaciji - stopa kojom se letalne (semiletalne) mutacije akumuliraju na hromozomu po generaciji - stopa kojom se mutacijama generiše nova fenotipska varijabilnost po generaciji - stopa supstitucije nukleotida po nukleotidu po godini

6. Genetičke metode procene stope mutacije • Kontrolisana ukrštanja jedinki koje su homozigotne po jednom ili većem broju gena tokom većeg broja generacija. • Kroz generacije se utvrđuju promene u genima preko promene stanja osobina koje ti geni kontrolišu (diskretne i poligene osobine). • Elektroforeza (još jedan način praćenja promena kroz generacije).

7. Eksperimenti sa Drosophila-om • Mukai, '64. (1.7 miliona mušica u eksperimentu): • Neto efekat mutacija na lokusima II para hromozoma (30% genoma). • 101 linija sa različitim tipom II hromozoma • Jedinke heterozigoti za II hrom./”balancer” hromozom. • ”balancer” hromozom ima multipne inverzije (sprečena rekombinacija) i dominantne markere, npr: Curly/Curly – letalno, Curly/+ - vijabilno (malo savijena krila), +/+ - vijabilno. • 60 generacija birao roditelje heterozigote

8. Mukai, '64. - nastavak • Akumulacija mutacija na II hromozomu kroz generacije. • Provera uticaja mutacija na vijabilitet (to se uočava u homozigotu): P: c/+ x c/+ F1: c/c c/+ +/c +/+ letalno 2 : 1 - svaki pad učestalosti +/+ u odnosu na H ukazuje na pad vijabiliteta usled akumulacija mutacija koje se ispoljavaju u homozigotu.

9. Rezultati eksperimenata • Stope mutacija na minor genima (poligeni sa pojedinačno malim efektom) procenjeni preko vijabiliteta (poligena složena osobina) na Drosophila-i od 0,29 – 1,48 po poligenu po zigotu (1 prosečna mušica nosi jednu novu mutaciju u poligenu). • Mukai i Cockerham, ' 77; Voelker i sar., ' 80.: Stope letalnih mutacija i mutacija na major genima (izražen fenotipski efekat) procenjeni preko elektroforetske pokretljivosti proteinskih varijanti na 7 lokusa na Drosophila-i tokom 220 generacija (500 linija) oko 1,28·10-8po genu po generaciji.

10. Rezultati eksperimenata • U drugim eksprimentima procene mutacija u alozimima se kreću i do 4·10-6 po gametu po generaciji. • Kod Drosophila-e poligeni mutiraju višom stopom od major gena za 10 do 50 puta. • Kod miševa stopa mutacija major gena iznosi 8·10-4 po gametu po generaciji. • Kod Makaka majmuna u Japanu 2,3·10-6 za alozime. • Kod ljudi oko 5·10-6 za alozime.

11. Generalni prosek stopa mutacija • Za major gene je oko 10-6 po gametu po generaciji, uz velika odstupanja oko ove vrednosti po genima i taksonima. • Za minor gene (poligene) je oko 10-4do 10-5, uz odstupanja i do 10-2 kod nekih osobina i nekih taksona. • Ukupne stope hromozomskih mutacija se procenjuju na 10-3 do 10-4.

12. Procene dobijene poređenjem nizova DNK • stopa supstitucije nukleotida po nukleotidu po godini. r = K/2T K- broj nukl. zamena po mestu između 2 homologa niza T- vreme divergencije 2 analizirana niza. • Za sinonimne zamene nukleotida r je oko 3,51 ·10-9 po mestu po godini. • Za nesinonimne zamene nukleotida r je oko 0,74 ·10-9 po mestu po godini.

13. Odnos mutacija i adaptacija • U odnosu na adaptacije mutacije su slučajne. • Tek nakon pojave mutacije, “testira” se da li je ona povoljna za svoje nosioce ili nije u sredini koju populacija naseljava. • “Testiranje” vrši PRIRODNA SELEKCIJA.

14. Neutralne mutacije i “neutralna teorija molekularne evolucije” • Prema Kimuri većina mutacija je štetna (80 – 96 %). • Prema “neutralistima” (mutacionistima) mutacije su osnovni evolucioni mehanizam, dok je selekcija samo filter za štetne mutacije. • Ravnotežne učestalosti alela se održavaju u populaciji putem balansa između mutacionog procesa i genetičkog drifta. q Mutacioni pritisak Genetički drift

15. Neutralne mutacije i “neutralna teorija molekularne evolucije” • Verovatnoća da će neutralna mutacija biti fiksirana u populaciji jednaka je stopi mutacije 1/2N – verovatnoća nove mutacije 2N·u – broj novih alela u populaciji Verovatnoća fiksacije mutiranog alela u populaciji je 2N·u · 1/2N = u

16. Neutralne mutacije i “neutralna teorija molekularne evolucije” • Ova teorija je prihvatljiva i primenljiva kada se evolucija proučava na molekularnom nivou. - sinonimne supstitucije nukleotida su česte i nisu fenotipski ispoljene (selekcija ih ne prepoznaje). - preko 90% DNK čine nekodirajuće sekvence (satelitska DNK, introni, pseudogeni) koje nemaju fenotipski efekat Teorija je primenljiva u analizi filogenetskih odnosa između različitih taksona uz primenu “molekulskog sata”.

17. Matematički modeli

18. Verovatnoća eliminacije mutacije • U populaciji su sve jedinke homozigoti AA • Pojavi se mutacija a • Ukrštanje: AA x Aa F1: AA AA Aa Aa ½ AA ½ Aa L – verovatnoća eliminacije mutacije je ½ Slučajna raspodela broja potomaka po porodici ima oblik Poasonove raspodele. Ako je populacija stabilna, prosečan broj potomaka po porodici iznosi 2 (k)

19. Verovatnoća eliminacije mutacije • Slučajna raspodela broja potomaka P(X=k)= λ k e –λ / k! λ-parametar Poasonove raspodele E(X)=λ V(X)= λ U slučaju stabilne populacije λ=k=2

20. Verovatnoća eliminacije mutacije • U prvoj generaciji verovatnoća da će mutacija biti eliminisana (L) je 37%, a da će opstati je 63%. • U sledećoj generaciji je verovatnoća opstanka 63% od predhodnih 63% i tako u svakoj narednoj generaciji. • Nakon 30 generacija verovatnoća eliminacije dostiže čak 95%. • Kako se onda održavaju novi aleli u populaciji i čak povećavaju svoje učestalosti? Odgovor je mutacioni proces koji se odvija u populaciji određenom stopom u.

21. Model jednosmernih mutacija • Konstantnom stopom u alel A mutira u alel a iz generacije u generaciju. - Početna učestalost alela A je p0. A a F1: p1 = p0 - u·p0 = p0 (1-u) F2: p2 = p1 - u·p1 = p1 (1-u) = p0 (1-u)(1-u) p2 = p0 (1-u)2 Ft: pt = p0 (1-u)t kada t ∞(1-u)t 0 ⇒pt = 0 Vreme u generacijama potrebno za promenu učestalosti alela od p0 dopt : t= 1/u · ln (p0/pt) u

22. Model direktnih i povratnih mutacija • Stopa mutacije alela A u a je u, a stopa povratnih mutacija (alela a u A) je v. • Početna učestalost alela A je p, alela a je q. A a • Posmatramo promenu učestalosti alela a F1: q1 = q - v·q + u·p Δq = q1 – q = u·p - v·q - Ravnotežne učestalosti alela Δq = 0 : u·p - v·q = 0 u(1-q) = vq u – uq = vq u = vq + uq = (v + u)q ⇒qe = u/(u+v), pe = v/(u+v) t = 1/(u+v)·ln[(q-qe)/(qt-qe)] u v

23. Mutacije i genetički drift • Ako zanemarimo uticaj selekcije (neutralne mutacije) genetički drift je mehanizam koji deluje nasuprot mutacionom procesu i održava balans u učestalosti i broju novih alela u populaciji. • “Model beskonačnog broja alela” (Kimura i Crow, 1964) pretpostavlja da svaka mutacija daje novi oblik gena (novi alel). • Ne – efektivna veličina populacije • u – stopa mutacije • F – verovatnoća da je jedinka autozigot Ft+1 = [1/2Ne + (1-1/2Ne)Ft]·(1-u)2

24. Mutacije i genetički drift Iz predhodne formule dobijamo da je verovatnoća da su 2 alela identična po poreklu jednaka: FST≈ 1/(4Ne·u + 1)