Τμήμα Μοριακής Βιολογίας & Γενετικής / ΔΠΘ. Φυσική επιλογή ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ & ΕΞΕΛΙΞΗ. Πέρη Πάσχου. Αριστοτέλης Χ. Παπαγεωργίου

Transcript

1 Τμήμα Μοριακής Βιολογίας & Γενετικής / ΔΠΘ Φυσική επιλογή ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΠΛΗΘΥΣΜΩΝ & ΕΞΕΛΙΞΗ Αριστοτέλης Χ. Παπαγεωργίου Πέρη Πάσχου

2 Οι παρατηρήσεις του Δαρβίνου Σε όλα τα είδη περισσότεροι απόγονοι, από όσους μπορούν να συντηρηθούν Οι οργανισμοί διαφέρουν στην ικανότητά τους να επιζήσουν και να αναπαραχθούν Σε κάθε γενιά τα χαρακτηριστικά που προάγουν την επιβίωση σε ένα δεδομένο περιβάλλον, έχουν αυξημένη συχνότητα στην αναπαραγωγική ηλικία και έτσι μεταβιβάζονται δυσανάλογα συχνά στους απογόνους στην επόμενη γενιά ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 2

3 Φυσική Επιλογή Τα αλληλόμορφα που προάγουν την επιβίωση και την αναπαραγωγή, αυξάνονται σταδιακά από γενιά σε γενιά και ο πληθυσμός γίνεται βαθμιαία ικανότερος να επιζήσει και να αναπαραχθεί στο περιβάλλον. «Ονόμασα αυτή την αρχή σύμφωνα με την οποία, κάθε μικρή παραλλαγή, εάν είναι χρήσιμη, διατηρείται, με τον όρο Φυσική Επιλογή» Charles Darwin, The Origin of Species (1859) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 3

4 Πως λειτουργεί η επιλογή Έχουμε επιλογή όταν άτομα με διαφορετικό γενότυπο που ζουν κάτω από συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες, δίνουν συστηματικά διαφορετικό αριθμό απογόνων Αυτό είναι το στατιστικό μέτρο της διαφοράς στην ικανότητα επιβίωσης ή αναπαραγωγής, μεταξύ ατόμων που διαφέρουν σε κάποιο κρίσιμο γνώρισμα Κρίσιμος είναι ο φαινότυπος Όταν το γνώρισμα είναι κληρονομικό, τότε γίνεται κρίσιμος ο γενότυπος και έχουμε επιλογή Το στατιστικό αυτό μέτρο λέγεται αρμοστικότητα του γενότυπου Η αλλαγή των γονιδιακών συχνοτήτων μέσω της επιλογής είναι μια συστηματική, και πολλές φορές αργή, διαδικασία και η κατεύθυνση όσο και η ποσότητα της αλλαγής μπορεί να προβλεφθεί ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 4

5 Φυσική επιλογή Αντίσταση στο σαπούνι γενιά 1: 1.00 μη ανθεκτικό 0.00 ανθεκτικό ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 5

6 Φυσική επιλογή Αντίσταση στο σαπούνι γενιά 1: 1.00 μη ανθεκτικό 0.00 ανθεκτικό ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 6

7 Φυσική επιλογή Αντίσταση στο σαπούνι γενιά 1: γενιά 2: 1.00 μη ανθεκτικό 0.00 ανθεκτικό 0.96 μη ανθεκτικό 0.04 ανθεκτικό μετάλλαξη! ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 7

8 Φυσική επιλογή Αντίσταση στο σαπούνι γενιά 1: γενιά 2: γενιά 3: 1.00 μη ανθεκτικό 0.00 ανθεκτικό 0.96 μη ανθεκτικό 0.04 ανθεκτικό 0.76 μη ανθεκτικό 0.24 ανθεκτικό ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 8

9 Φυσική επιλογή Αντίσταση στο σαπούνι γενιά 1: γενιά 2: γενιά 3: γενιά 4: 1.00 μη ανθεκτικό 0.00 ανθεκτικό 0.96 μη ανθεκτικό 0.04 ανθεκτικό 0.76 μη ανθεκτικό 0.24 ανθεκτικό 0.12 μη ανθεκτικό 0.88 ανθεκτικό ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 9

10 Αρμοστικότητα Fitness (w) Επιβίωση ως την ηλικία αναπαραγωγής Επιτυχία στην προσέλκυση συντρόφου Ικανότητα για γονιμοποίηση Αριθμός απογόνων Αρμοστικότητα: Αναπαραγωγική ικανότητα ενός γονότυπου (σε σχέση με άλλους γονότυπους του πληθυσμού) Ο ρυθμός με τον οποίο ο γονότυπος αυξάνει ή μειώνει την παρουσία των αλληλομόρφων του στον πληθυσμό στην επόμενη γενιά Η αρμοστικότητα μπορεί να αναφέρεται και σε έναν φαινότυπο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 10

11 Φυσική επιλογή και εξέλιξη Ο Δαρβίνος έλεγε: Πιο πολλά άτομα παράγονται από όσα μπορούν να επιβιώσουν ανταγωνισμός Οι φυσικοί πληθυσμοί έχουν μεγάλη κληρονομούμενη ποικιλότητα Η επιβίωση των ατόμων δεν είναι τυχαία, αλλά εξαρτάται από τις κληρονομούμενες ιδιότητές τους Η γενετική πληθυσμών μπορεί: Να εκτιμήσει τα επίπεδα της ποικιλότητας Να προβλέψει τις αλλαγές στις συχνότητες των αλληλομόρφων που θα προκύψουν κάτω από διαφορετικές τιμές αρμοστικότητας Δεν μπορεί όμως να δει τις τιμές και τις μεταβολές της αρμοστικότητας ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 11

12 Σχετική αρμοστικότητα Η πληροφορία των απόλυτων αριθμών επιβίωσης και γονιμότητας δεν μας δίνει πληροφορίες για την εξέλιξη Εξέλιξη έχουμε μόνο όταν οι κάποιοι γονότυποι έχουν διαφορετική αρμοστικότητα από κάποιους άλλους Χρειαζόμαστε τη σχετική αρμοστικότητα Π.χ. σε πληθυσμούς ζώων, οι διαφορές στη βιωσιμότητα επηρεάζουν την αρμοστικότητα εφόσον αναφέρονται σε ηλικίες πριν από τη λήξη της αναπαραγωγικής δραστηριότητας Στα θηλυκά άτομα, η γονιμότητα είναι συνάρτηση του αριθμού των αποτιθέμενων αυγών ή των γεννήσεων Στα αρσενικά, η γονιμότητα είναι συνάρτηση του αριθμού των απογόνων (επιτυχία του αρσενικού να βρει ταίρι, επιλογή θηλυκής με υψηλή γονιμότητα) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 12

13 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 13

14 Περιβάλλον και αρμοστικότητα Η αρμοστικότητα ενός γονότυπου αναφέρεται σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον Ο ίδιος γονότυπος σε ένα διαφορετικό περιβάλλον μπορεί να έχει διαφορετική αρμοστικότητα Υπάρχουν γονότυποι που έχουν συγκεκριμένη αρμοστικότητα σε όλα τα περιβάλλοντα Π.χ. ομόζυγοι γονότυποι για θανατηφόρα αλληλόμορφα Στις περισσότερες περιπτώσεις η αρμοστικότητα καθορίζεται από το περιβάλλον Επομένως, σε γονίδια που σχετίζονται με την προσαρμογή, οι συχνότητες γονοτύπων και αλληλομόρφων ποικίλουν από τόπο σε τόπο και από εποχή σε εποχή, καθώς υπάρχουν χωρικές και χρονικές περιβαλλοντικές αλλαγές Δεν υπάρχει επομένως σκοπός στη διαδικασία της φυσικής επιλογής Το αν θα αυξηθεί ή θα ελαττωθεί η συχνότητα ενός αλληλόμορφου εξαρτάται από τη σχετική αρμοστικότητα των αντίστοιχων γονοτύπων κατά τη στιγμή αυτή και μόνο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 14

15 Η φυσική επιλογή μπορεί να δράσει μόνο αν -Υπάρχουν φαινοτυπικές διαφορές ανάμεσα στα άτομα ενός πληθυσμού -Οι φαινοτυπικές διαφορές μεταφράζονται σε διαφορές στην αρμοστικότητα -Οι φαινοτυπικές διαφορές είναι κληρονομήσιμες ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 15

16 Σχετική αρμοστικότητα (relative fitness) ή αρμοστικότητα (w): Η αναπαραγωγική επιτυχία ενός γονότυπου σε σχέση με κάποιον άλλο: δίνουμε αυθαίρετα την τιμή 1 στο γονότυπο με την υψηλότερη αρμοστικότητα διαιρώντας όλες τις τιμές με τη μεγαλύτερη Συντελεστής επιλογής (selection coefficient) (s): Η ποσοτικοποίηση των δυνάμεων που δρουν πάνω σε κάθε γονότυπο για να υποβιβάσουν την αρμοστικότητα του, το προσαρμοστικό μειονέκτημα δηλαδή του γονότυπου απέναντι στον πιο επιτυχημένο γονότυπο του πληθυσμού (για ένα συγκεκριμένο γονίδιο) Η διαφορά της σχετικής αρμοστικότητας ενός γονότυπου, σε σχέση με τον καλύτερο. Είναι απλά s = 1 - w Η μέση αρμοστικότητα ή η αρμοστικότητα του πληθυσμού (w): Ο μέσος όρος (σταθμισμένος με τη συχνότητα) των αρμοστικοτήτων των γονοτύπων του πληθυσμού, δηλ. είναι το άθροισμα των γινομένων της αρμοστικότητας κάθε γονότυπου επί τη συχνότητα του ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 16

17 Βασικό μοντέλο Θεωρούμε έναν θεωρητικό πληθυσμό, όπου ισχύουν όλες οι συνθήκες HW εκτός από το γεγονός ότι κάποιοι γονότυποι έχουν διαφορετικές πιθανότητες επιβίωσης από άλλους Ο αριθμός των ζυγωτών που επιβιώνουν και φτάνουν σε ενήλικο στάδιο είναι διαφορετικός για κάθε γονότυπο Αν για παράδειγμα οι γονότυποι Α 1 Α 1, Α 1 Α 2 και Α 2 Α 2 ξεκινήσουν με 100, 200 και 100 ζυγώτες αντίστοιχα και φτάσουν σε 80, 160 και 50 ενήλικα άτομα, τότε τα ποσοστά επιβίωσης για κάθε γονότυπο θα είναι 0.8, 0.8 και 0.5 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 17

18 Σχετική αρμοστικότητα Θεωρούμε ότι ο γονότυπος με το μεγαλύτερο ποσοστό επιβίωσης έχει αρμοστικότητα1, οπότε οι άλλοι γονότυποι παίρνουν τιμή από το 0 ως το 1 αντίστοιχα w 11 =0.8/0.8=1 w 12 =0.8/0.8=1 w 22 =0.5/0.8=0.625 Εξελικτική πίεση εναντίον του ομόζυγου Α 2 Α 2 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 18

19 Συχνότητες γονοτύπων w Μέση αρμοστικότητα πληθυσμού p 2 2 0w11 2p0q0w12 q0 w22 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 19

20 Συχνότητα αλληλομόρφου q στην επόμενη γενιά 1 p q w q 2 2 w q w w p q w q 2 w q w ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 20

21 Ρυθμός αλλαγής συχνότητας q q q q 1 0 pq q w w p w w q w Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να προσομοιώσουμε τις συχνότητες των αλληλομόρφων σε έναν πληθυσμό ύστερα από έναν αριθμό γενεών ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 21

22 Σχέση w και ετεροζυγωτίας Θεωρούμε w12=1 Αν w11>1>w22 τότε έχουμε κατευθύνουσα επιλογή υπέρ του Α1 Αν w11<1<w22 τότε έχουμε κατευθύνουσα επιλογή υπέρ του Α2 Αν w11<1>w22 τότε έχουμε επιλογή ισορροπίας (πλεονέκτημα ετεροζυγωτού ή υπερκυριαρχία) Αν w11>1<w22 τότε έχουμε αστάθεια (μειονέκτημα ετεροζυγωτού ή υποκυριαρχία) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 22

23 Περιπτώσεις επιλογής ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 23

24 ΤΥΠΟΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ Η φυσική επιλογή δρα όπου υπάρχουν φαινοτυπικές διαφορές μεταξύ ατόμων,... οι οποίες όμως μεταφράζονται σε διαφορές βιωσιμότητας και γονιμότητας Για να φέρει επομένως αποτέλεσμα η φυσική επιλογή, θα πρέπει η φαινοτυπική διαφορά να έχει γενετική βάση ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΟΥΣΑ ΕΠΙΛΟΓΗ (ΕΠΙΛΟΓΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ή ΥΠΕΡΚΥΡΙΑΡΧΙΑ) : Οι μέσες φαινοτυπικές τιμές έχουν μεγαλύτερη αρμοστικότητα ΚΑΤΕΥΘΥΝΟΥΣΑ ΕΠΙΛΟΓΗ : Μια από τις δύο ακραίες φαινοτυπικές τιμές έχει μεγαλύτερη αρμοστικότητα ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΟΥΣΑ Ή ΔΙΑΣΠΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ : Και οι δύο ακραίες φαινοτυπικές τιμές έχουν μεγαλύτερη αρμοστικότητα από την ενδιάμεση και ευνοούνται εις βάρος της. ΣΥΧΝΟΕΞΑΡΤΩΜΕΝΗ ΕΠΙΛΟΓΗ : Η αρμοστικότητα ενός φαινοτύπου εξαρτάται από τη συχνότητα του στον πληθυσμό ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 24

25 Μια από τις δύο ακραίες φαινοτυπικές τιμές έχει μεγαλύτερη αρμοστικότητα Το υποτελές αλληλόμορφο οδηγείται προς εξαφάνιση (W 11 >=W 12 >W 22 ) Γονότυποι ΑΑ Αα αα Συχνότητες p 2 2pq q 2 Αρμοστικότητα s ΚΑΤΕΥΘΥΝΟΥΣΑ ΕΠΙΛΟΓΗ (Directional Selection) Αλλαγή συχνότητας του Α σε μια γενιά Δp = spq 2 / (1-sq 2 ), δηλαδή όταν όταν p~q, τότε η μεταβολή Δp είναι πιο έντονη, ενώ p>>q, τότε η μεταβολή Δp είναι πιο μικρή, και επομένως η διαδικασία για την πλήρη εξάλειψη ενός επιβλαβούς γονιδίου είναι μακροχρόνια και η πλήρης εξάλειψη είναι πιθανώς αδύνατη. Όταν το αλληλόμορφο είναι σπάνιο, τείνει να συντηρείται στα ετερόζυγα άτομα στους φυσικούς πληθυσμούς πολλά επιβλαβή γονίδια με μικρές συχνότητες ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 25

26 Θανατηφόρο υποτελές [1,1,0] s = 1 Πολλές κληρονομούμενες ασθένειες π.χ. σε ανθρώπους (κυστική ίνωση) ή φυτά (μεταλλάξεις χλωροφύλλης) q 2 q0 1 q 0 Συχνότητα υποτελούς μετά από t γενιές t 1 q t 1 q 0 Ρυθμός αλλαγής συχνότητας υποτελούς Αριθμός γενεών ώστε q = q t q t q0 1 tq 0 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 26

27 Αριθμός γενεών για θανατηφόρο υποτελές Σελ πίνακας ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 27

28 p 0 =0.5 w(aa)=1 w(aa)=1 w(aa)=0 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 28

31 Σπάνια επιβλαβή υπολειπόμενα αλληλόμορφα... Η συχνότητά τους μειώνεται ραγδαία όταν αυτά είναι αρχικά συχνά αλλά όταν είναι σπάνια, τότε κρύβονται στους ετεροζυγώτες και η επιλογή αδυνατεί να τα απομακρύνει από τον πληθυσμό. Τέτοια αλληλόμορφα είναι συνολικά συχνά στον πληθυσμό και υπολογίζεται ότι κάθε άτομο φέρει 1-3 από αυτά ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 31

32 Επιβλαβή και επικρατή αλληλόμορφα... Τι συμβαίνει αν είναι θνησιγόνος και ο γονότυπος Αα όπως και ο αα? Σε μια γενιά το α θα έχει εξαφανιστεί... Με δράση πιο ήπιας επιλογής η αλλαγή δεν είναι τόσο δραματική Για ποιο λόγο δεν παρατηρούμε τέτοιες περιπτώσεις; ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 32

33 Επιλογή ενάντια σε υπολειπόμενο [1,1,1-s] Τα θανατηφόρα υπολειπόμενα αλληλόμορφα είναι υποπερίπτωση της κατηγορίας όπου ο υπολειπόμενος γονότυπος έχει μειωμένη αρμοστικότητα σε σχέση με τους άλλους γονότυπους κατά s Η επιλογή στην περίπτωση αυτή είναι πιο ήπια, δηλαδή μειώνεται η θνησιμότητα των απογόνων στις επόμενες γενιές Το αλληλόμορφο που έχει πλεονέκτημα (επικρατές) αυξάνει συνεχώς τη συχνότητά του αλλά δεν παγιώνεται Γιατί γίνεται αυτό; ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 33

34 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 34 Συχνότητα q και αριθμός γενεών t sq q sq q Ρυθμός αλλαγής συχνότητας υπολειπόμενου Αριθμός γενεών ώστε q = q t ln 1 q q q q q q q q s t t t t t

35 p 0 =0.1 w(aa)=1 w(aa)=1 w(aa)=0.2 s=0.8 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 35

38 Ενδιάμεση κυριαρχία (αθροιστική δράση) [1,1-s/2,1-s] Εμφανίζεται σε αρκετά γονίδια των ποσοτικών χαρακτήρων Βασικό μοντέλο της ποσοτικής γενετικής Απουσία κυριαρχίας και επίστασης Ο ετερόζυγος έχει ενδιάμεση προσαρμοστική τιμή σε σχέση με τους δύο ομόζυγους ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 38

39 Συχνότητα q και αριθμός γενεών t q sq q sq Ρυθμός αλλαγής συχνότητας υπολειπόμενου Αριθμός γενεών ώστε q = q t 1 q 0 qt q0 1 qt t ln s q q q 1 q 0 t t 0 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 39

40 p 0 =0.1 w(aa)=1 w(aa)=0.9 w(aa)=0.8 s=0.2 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 40

42 Ενδιάμεση κυριαρχία Στην περίπτωση που η αρμοστικότητα του ετερόζυγου βρίσκεται ανάμεσα στις τιμές αρμοστικότητας των δύο ομόζυγων, το αλληλόμορφο με το πλεονέκτημα παγιώνεται αυτό με το μειονέκτημα χάνεται Αντίθετα, στην περίπτωση της δράσης ενάντια σε υπολειπόμενο αλληλόμορφο, αυτό δεν χάνεται τελείως από τον πληθυσμό, αν και η συχνότητά του διαρκώς μειώνεται. Γιατί συμβαίνει αυτό; ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 42

43 Ενδιάμεση κυριαρχία Στην περίπτωση που η αρμοστικότητα του ετερόζυγου δεν είναι 1, όλοι οι γονότυποι που περιέχουν το αλληλόμορφο με μειονέκτημα έχουν μικρότερη αρμοστικότητα Το αλληλόμορφο με το μειονέκτημα χάνεται γιατί δεν μπορεί να «κρυφτεί» στον ετερόζυγο γονότυπο, όπως γίνεται στην περίπτωση που το αλληλόμορφο που μειονεκτεί είναι υπολειπόμενο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 43

44 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 44 Επιλογή ενάντια στο επικρατές [1,1-s,1-s] Ρυθμός αλλαγής συχνότητας επικρατούς Αριθμός γενεών ώστε q = q t q sq q sq q t t t t q q q q q q q q s t 1 1 ln

47 Επιλογή ενάντια στο επικρατές Στην περίπτωση που η αρμοστικότητα του ετερόζυγου είναι ίδια με αυτή του ομόζυγου γονότυπου για το αλληλόμορφο που προκαλεί μειονέκτημα (επικρατές), όλοι οι γονότυποι που περιέχουν το αλληλόμορφο με μειονέκτημα έχουν μειωμένη αρμοστικότητα Το επικρατές αλληλόμορφο χάνεται πολύ γρήγορα, ανάλογα με τον συντελεστή επιλογής s Το αλληλόμορφο που μειονεκτεί δεν μπορεί να «κρυφτεί» στον ετερόζυγο γονότυπο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 47

48 ΚΑΤΕΥΘΥΝΟΥΣΑ ΕΠΙΛΟΓΗ Αν μια νέα μετάλλαξη είναι ευνοϊκή (ή γίνει ευνοϊκή σε ένα νέο περιβάλλον), τείνει να επικρατήσει στον πληθυσμό Η ταχύτητα με την οποία θα αυξηθεί η συχνότητα του νέου αλληλομόρφου εξαρτάται από το αν θα είναι επικρατές ή υπολειπόμενο. Στην πρώτη περίπτωση, η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη από τη δεύτερη Όταν το αλληλόμορφο που πλεονεκτεί είναι επικρατές, τότε τα άλλα αλληλόμορφα του ίδιου γονιδίου στον πληθυσμό δεν χάνονται τελείως, αλλά παραμένουν σε χαμηλές συχνότητες, ανάλογα με το s Στην κατευθύνουσα επιλογή, ένα αλληλόμορφο τελικά «νικά» (παραμένει στον πληθυσμό σε μεγάλη συχνότητα) και η γενετική ποικιλότητα για ένα συγκεκριμένο γονίδιο μειώνεται ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 48

49 Κατευθύνουσα επιλογή στις νυχτοπεταλούδες του είδους Biston betularia Πριν τη βιομηχανική επανάσταση η μαύρη μορφή εμφανιζόταν σε συχνότητα 1% - σήμερα πάνω από 90%. Το αλληλόμορφο του μαύρου είναι μερικώς επικρατές και προκαλεί 50% υψηλότερη βιωσιμότητα σε περιοχές με βιομηχανική ρύπανση. Ωστόσο, η γκρίζα μορφή δεν έχει εξαφανιστεί. ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 49

50 Παράδειγμα φυσικής επιλογής Η ανάπτυξη της ανθεκτικότητας των βακτηρίων στα αντιβιοτικά φάρμακα ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 50

51 Επιλεκτική υπεροχή του ετεροζυγωτού ( Επιλεκτική Υπερκυριαρχία Ετέρωση ) Ο ενδιάμεσος φαινότυπος έχει τη μεγαλύτερη αρμοστικότητα, δηλ. W 11 < W 12 > W 22 Γονότυποι Α 1 Α 1 Α 1 Α 2 Α 2 Α 2 Συχνότητες p 2 2pq q 2 Αρμοστικότητα 1-s 1 1-t Όπου s και t, οι συντελεστές επιλογής για Η επιλογή οδηγεί τον πληθυσμό σε κατάσταση ισορροπίας, με συχνότητες p ^ = t / (s+t) και q ^ = s / (s+t), δηλαδή Υπάρχει μόνο μία κατάσταση ισορροπίας και η ισορροπία αυτή είναι σταθερή. Οι συχνότητες επιστρέφουν στο ίδιο σημείο αν για κάποιο λόγο διαταραχθούν (π.χ. μετανάστευση ή τυχαία γενετική παρέκκλιση) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 51

52 Πλεονέκτημα ετεροζυγωτών [1-s,1,1- t] Επιλογή που οδηγεί σε κυριαρχία δύο αλληλομόρφων στον πληθυσμό Λέγεται και επιλογή ισορροπίας, επειδή οδηγεί σε σταθερή κατάσταση δύο αλληλομόρφων, με αμετάβλητες συχνότητες Ρυθμός αλλαγής συχνότητας αλληλομόρφου Α2 q pq sp tq ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ sp tq

53 p 0 =0.5 w(aa)=0.7 w(aa)=1.0 w(aa)=0.8 s=0.3 t=0.2 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 53

56 Υπερκυριαρχία ή επιλογή ισορροπίας Αρχικές συχνότητες pa=0.5 και pα=0.5 Γονότυπος ΑΑ Αα αα Συχνότητα χωρίς επιλογή Αρμοστικότητα Θάνατος λόγω επιλογής Επιλογή: επιζεί το 90% αυτής της γενιάς Γονότυπος ΑΑ Αα αα Συχνότητα 0.2/ / /0.9 ή Συχνότητες μετά από επιλογή pa=0.5 pα=0.5 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 56

57 Επιλεκτική υπεροχή του ετεροζυγωτού (Υπερκυριαρχία) Δρεπανοκυτταρική αναιμία Φαινότυποι ομόζυγων και ετερόζυγων ατόμων : Κανονικοί Φαινότυποι ομόζυγων για το υποτελές : Δρεπανοειδή κύτταρα - Άλλες αιμοσφαιρινοπάθειες, όπως η θαλασσαιμία, φαίνεται επίσης να προσφέρουν ένα είδος αντοχής στην ελονοσία ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 57

58 Δρεπανοκυτταρική αναιμία και ελονοσία Συχνότητα ομοζυγωτών SS περιοχές εμφάνισης ελονοσίας (πριν το 1920) συχνότητα εμφάνισης δρεπανοκυτταρικής αναιμίας ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 58

59 Υπερκυριαρχία... Για παράδειγμα για την δρεπανοκυτταρική αναιμία (παρουσία ελονοσίας) ισχύει: Γονότυπος ΑΑ ΑS SS Αρμοστικότητα Πότε θα επέλθει ισορροπία? Γονότυπος ΑΑ ΑS SS Αρμοστικότητα 1-s 1 1-t Σε ισορροπία η συχνότητα του Α είναι t/(s+t) Έτσι στο παράδειγμά μας είναι 1(0.2+1)= ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 59

60 Υπερκυριαρχία Σταθερή ισορροπία Ένας υποθετικός πληθυσμός μόνο με ετεροζυγώτες θα ήταν ο πιο πλεονεκτικός δεν μπορεί να υπάρξει λόγω μενδελιανής κληρονομικότητας Κόστος ασθένειας για τον πληθυσμό (π.χ. Κάποια άτομα με ελονοσία, κάποια με αναιμία) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 60

61 Ψευδο-υπερκυριαρχία & Γενετική συμπαράσυρση Ψευδο-υπερκυριαρχία : ταυτόχρονη επιλογή σε δύο γενετικούς τόπους χωρίς να υπάρχει υπερκυριαρχία στον έναν ή στον άλλο. Γονότυποι Α 1 Α 1 Α 1 Α 2 Α 2 Α 2 Β 1 Β 1 Β 1 Β 2 Β 2 Β 2 Αρμοστικότητα s s 2 Η επιλογή δρα πάνω σε γειτονικές περιοχές του γονιδιώματος κι όχι πάνω στον πολυμορφισμό που αποτελεί το αντικείμενο της παρατήρησης Αν υπάρχει ανισορροπία σύνδεσης Α1-Β2 και Α2-Β1 τότε ο ετεροζυγώτης έχει τη μεγαλύτερη αρμοστικότητα: Α 1 Β 2 Α 2 Β 1 Α 1 Β 2 Α 1 Β 2 Α 2 Β 1 Α 2 Β 1 W = 1- s 2 W = 1- s 1 W = 1 Γενετική συμπαράσυρση (Hitchhiking) : Ένα αλληλόμορφο (ουδέτερο ή ελαφρώς επιβλαβές) διατηρείται στον πληθυσμό επειδή βρίσκεται σε ανισορροπία σύνδεσης με το αλληλόμορφο ενός γειτονικού τόπου το οποίο επιλέγεται θετικά ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 61

62 Επιλεκτική κατωτερότητα του ετεροζυγωτού Ο ενδιάμεσος φαινότυπος έχει τη μικρότερη αρμοστικότητα, δηλ. W 11 > W 12 < W 22 Γονότυποι Α 1 Α 1 Α 1 Α 2 Α 2 Α 2 Συχνότητες p 2 2pq q 2 Αρμοστικότητα 1+s 1 1+t Η επιλογή οδηγεί τον πληθυσμό σε κατάσταση ΑΣΤΑΘΟΥΣ ισορροπίας, με συχνότητες p = s / (s+t) και q = t / (s+t) Ο πληθυσμός μπορεί να γίνει μονομορφικός για το Α 1 ή το Α 2 και αυτό εξαρτάται από τις αρχικές συχνότητες και από αιτίες που αλλάζουν τις συχνότητες, δηλαδή αν p > p τότε θα κυριαρχήσει το Α 1 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 62

63 Μειονέκτημα ετεροζυγωτού [1+s,1,1+t] Όταν ο ετεροζυγωτός έχει χαμηλότερη αρμοστικότητα από τους ομοζυγωτούς Οδηγεί σε αστάθεια Ρυθμός αλλαγής συχνότητας αλληλομόρφου Α2 q pq ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 63 tq 2 sp 1 sp tq 2

64 Υποκυριαρχία Τι θα συμβεί σε αυτή την περίπτωση? Γονότυπος ΑΑ Αα αα Αρμοστικότητα s 1 1+t Η ισορροπία είναι στο p α =0.28 (p = s / (s+t) ) Αν η αρχική p α είναι μικρότερη από 0.28 τότε το αλληλόμορφο α θα εξαφανιστεί (παρά το γεγονός ότι αυτό δεν αυξάνει την αρμοστικότητα του πληθυσμού) ασταθής ισορροπία Αν η αρχική p α είναι μεγαλύτερη από 0.28 τότε το αλληλόμορφο α θα διατηρηθεί ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 64

65 p 0 =0.29 w(aa)=1.5 w(aa)=1.0 w(aa)=1.2 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 65

66 p 0 =0.27 w(aa)=1.5 w(aa)=1.0 w(aa)=1.2 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 66

67 Πολλαπλά αλληλόμορφα Ως τώρα θεωρήσαμε ένα μοντέλο με δύο αλληλόμορφα Δεχόμενοι τη συνθήκη HW μπορούμε να επεκτείνουμε το μοντέλο και για περισσότερα αλληλόμορφα p i p i wi w w Μεταβολή συχνότητας Αi Μέση αρμοστικότητα για άτομα που περιέχουν Αi Μέση αρμοστικότητα του πληθυσμού w w j 1 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 67 n i n i 1 j 1 p n i p p j j w w ij ij

68 R.A. Fisher Μεταβολές της μέσης αρμοστικότητας Η μέση αρμοστικότητα w μεταβάλλεται από γενιά σε γενιά, καθώς αλλάζουν οι συχνότητες των γονοτύπων και των αλληλομόρφων στον πληθυσμό Λογικά αυξάνεται οδηγώντας σε καλύτερη προσαρμογή του πληθυσμού Θεμελιώδες θεώρημα του Fisher: Ο ρυθμός αλλαγής της μέσης αρμοστικότητας ενός οργανισμού σε μια δεδομένη χρονική στιγμή είναι ίσος με τη διακύμανση της αρμοστικότητας ανάμεσα στους γονοτύπους την ίδια στιγμή ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 68

69 R.C. Lewontin Lewontin 1974 «Αν και δεν υπάρχει καμία δυσκολία στην περιγραφή της φυσικής επιλογής με μαθηματικό τρόπο, στην πρακτική της περιγραφή οι δυσκολίες είναι ανυπέρβλητες». «Ως τώρα (τότε) κανείς δεν κατάφερε να μετρήσει με οποιαδήποτε ακρίβεια την αρμοστικότητα σε οποιοδήποτε γονίδιο σε οποιοδήποτε φυσικό περιβάλλον» Αυτό ισχύει ακόμα στις μέρες μας... Δηλαδή, η φυσική επιλογή στη φύση είναι πολύ πιο πολύπλοκη από τα μαθηματικά και οι χαρακτήρες που επιλέγονται εκφράζονται με σύνθετο τρόπο Διάφορα παράδοξα: π.χ. αφού η επιλογή τείνει να μειώνει την ποικιλότητα, αυτή πως διατηρείται σε φυσικούς πληθυσμούς; ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 69

70 Πολλαπλές μορφές επιλογής Ως τώρα θεωρήσαμε (απλοποιήσαμε) ένα μοντέλο όπου η επιλογή συμβαίνει λόγω των διαφορών στη βιωσιμότητα ανάμεσα στους γενότυπους Η επιλογή μπορεί να προκύψει και από διαφορές στη γονιμότητα, στις προτιμήσεις κατά τη διασταύρωση και στην παραγωγή γαμετών ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 70

71 Επιλογή βιωσιμότητας στα φυτά [πίνακας σελ. 132 κάτω] ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 71

72 Οικολογική γενετική Δεκαετία 60: προσπάθεια ενοποίησης της Γενετικής Πληθυσμών με την Πληθυσμιακή Οικολογία Βασική παραδοχή: η αρμοστικότητα δεν εξαρτάται μόνο από το γενότυπο αλλά και από το περιβάλλον Άρα αναμένεται να υπάρχει διακύμανση της προσαρμοστικής τιμής στο χώρο και το χρόνο Erebonectes nesioticus ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 72

73 Υδατικό stress στο κυπαρίσσι Παπαγεωργίου 1997 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 73

74 Διατήρηση ποικιλότητας Βασικό ερώτημα στη μελέτη της εξέλιξης: Πως διατηρούνται σταθερές γενετικές δομές στους πληθυσμούς και δεν χάνονται αλληλόμορφα; Πως διατηρείται η γενετική ποικιλότητα σε υψηλά ποσοστά; Ως τώρα, μόνο μέσα από την υπερκυριαρχία είχαμε ισόρροπη κατάσταση Όλα τα άλλα μοντέλα οδηγούν σε επικράτηση (παγίωση) ενός αλληλόμορφου Δεν είναι και τόσο συχνό φαινόμενο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 74

75 Πληθυσμιακή δομή Όταν γίνεται επιλογή σε υποσύνολα, η συνολική εικόνα μπορεί να μοιάζει με υπεροχή ετεροζυγωτού, χωρίς όμως αυτό να συμβαίνει σε κανένα από τα υποσύνολα [πίνακας σελ. 158 κάτω] ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 75

76 Ποικιλότητα στο χώρο Levene (1953) Τυχαία αναπαραγωγή για όλο το σύστημα των υποπληθυσμών Η επιλογή δρα διαφορετικά σε κάθε υποπληθυσμό (οικοθέση) Κατά την αναπαραγωγή, οι γαμέτες ανακατεύονται από την αρχή ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 76

77 Σε μία οικοθέση k ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 77

78 Για όλες τις οικοθέσεις ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 78

79 Για σταθερό πολυμορφισμό Πρέπει όταν q=0 Και τελικά Αρμονικός μέσος τιμών αρμοστικότητας ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 79

80 Οπότε, για χωρική ποικιλότητα Για να είναι σταθερός ο πολυμορφισμός (να μην χαθεί αλληλόμορφο) απαιτείται ο αρμονικός μέσος των τιμών της αρμοστικότητας των δύο εναλλακτικών ομόζυγων να είναι μικρότερος του 1 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 80

81 J.B.S. Haldane Επιλογή και χρονική ποικιλότητα Αντί για διαφορετικές οικοθέσεις, έχουμε διαφορετικές τιμές αρμοστικότητας για διαφορετικές γενιές Η αρμοστικότητα των γονοτύπων αλλάζει με το χρόνο - με τη γενιά Για να είναι σταθερός ο πολυμορφισμός (να μην χαθεί αλληλόμορφο) απαιτείται ο γεωμετρικός μέσος των τιμών της αρμοστικότητας των δύο εναλλακτικών ομόζυγων να είναι μικρότερος του 1 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 81

82 Είδη επιλογής Αρνητική επιλογή: μείωση της προσαρμοστικής ικανότητας (fitness) του ατόμου Θετική επιλογή: αύξηση της προσαρμοστικής ικανότητας ικανότητας του ατόμου ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 82

83 Συχνοεξαρτώμενη επιλογή Σε ένα κλουβί με δροσόφιλες με λευκά μάτια, ένα μοναδικό αρσενικό με κόκκινα μάτια θα δώσει περισσότερους απογόνους Σε ένα κλουβί με δροσόφιλες με κόκκινα μάτια, ένα μοναδικό αρσενικό με λευκά μάτια θα δώσει περισσότερους απογόνους Οι θηλυκές δροσόφιλες προτιμούν τα «ασυνήθιστα» αρσενικά... ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 83

84 Συχνοεξαρτώμενη επιλογή Frequency dependent selection Αρνητική: όσο αυξάνει η συχνότητα ενός φαινότυπου, τόσο μειώνεται η αρμοστικότητά του Π.χ. στη χρωματική μίμηση πεταλούδων με δηλητήριο Σπάνιος τύπος αποφεύγεται από πουλιά Συχνός τύπος προτιμάται από πουλιά ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 84

85 Συχνοεξαρτώμενη επιλογή Frequency dependent selection Perissodus microlepis Είδος ψαρού, ενδημικό στην Ταγκανίκα Διμορφισμός στο στόμα, δεξιά / αριστερά Ψάρια με το στόμα δεξιά τρώνε τα λέπια από μεγαλύτερα ψάρια από την αριστερή πλευρά Όσο αυξάνεται η συχνότητα ενός τύπου, τόσο μειώνεται η επιτυχία του και αυξάνεται η αρμοστικότητα του άλλου τύπου ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 85

86 Συχνοεξαρτώμενη επιλογή Frequency dependent selection Θετική: όσο αυξάνει η συχνότητα ενός φαινότυπου, τόσο αυξάνει και η αρμοστικότητά του Π.χ. στα τοξικά κολεόπτερα Oreina gloriosa Οι θηρευτές γνωρίζουν την τοξικότητα του συχνού τύπου Ο σπάνιος τύπος έχει χαμηλή αρμοστικότητα ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 86

87 Συχνοεξαρτώμενη επιλογή Αρνητική Frequency dependent selection Οδηγεί σε πολυμορφισμό τύπων μέσα στον πληθυσμό Θετική Οδηγεί σε ομοιομορφία μέσα στους πληθυσμούς και διαφορές μεταξύ των πληθυσμών ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 87

88 Το παράδειγμα του HLA (Human Leukocyte Antigen) 1620 διαφορετικά αλληλόμορφα σε 19 τόπους (HLA sequence database) Πολλά αλληλόμορφα διαφέρουν μεταξύ τους σε 5-17% των νουκλεοτιδίων (συνήθης διαφορά μεταξύ αλληλομορφων σε άλλα γονίδια 1%) Εξήγηση: Πλεονέκτημα ετεροζυγώτη: μεγαλύτερη αντίσταση σε λοιμώδη νοσήματα Επιλογή εξαρτώμενη από τη συχνότητα των αλληλομόρφων: υπεροχή των αλληλομόρφων χαμηλών συχνοτήτων λόγω της προσαρμογής των παθογόνων στα προϊόντα των αλληλομόρφων υψηλών συχνοτήτων ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 88

89 Εξισορροπητική επιλογή στο CFTR? Κυστική Ίνωση (CF): η συχνότερη αυτοσωμική υπολειπόμενη νόσος στους Ευρωπαίους CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance regulator): πάνω από 1000 μεταλλάξεις ΔF508: 2/3 των χρωμοσωμάτων με CF ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 89

90 Εξισορροπητική επιλογή στο CFTR? Πλεονέκτημα του ετεροζυγώτη: προστασία από χολέρα (υπερβολική αποβολή ιόντων Cl - και υγρών) Το CFTR ρυθμίζει τη διαπερατότητα του επιθηλίου του λεπτού εντέρου για τα ιόντα χλωρίου ή από τυφοειδή πυρετό Το βακτήριο Salmonella typhi χρησιμοποιεί το CFTR ως υποδοχέα για την είσοδό του στο επιθήλιο Καμία από τις δύο υποθέσεις δεν έχει αποδειχτεί ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 90

91 Η κατανομή F ST ως μέτρο ουδετερότητας F ST : μέτρο της διαφοροποίησης ανάμεσα στους πληθυσμούς F ST = Η Τ Η S H T Σε ουδέτερες συνθήκες καθορίζεται από την τυχαία γενετική παρέκκλιση (drift), που επηρεάζει όλους τους πληθυσμούς με τον ίδιο τρόπο Αποκλίσεις από την κατανομή μπορεί να αποτελούν ενδείξεις της δράσης φυσικής επιλογής ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 91

92 Επιλογή στα αντιγόνα της ομάδας αίματος Duffy Το αλληλόμορφο FΥ*O εμφανίζει μία από τις υψηλότερες γνωστές τιμές F ST (F ST =0.78) μονομορφικό στους αφρικανικούς πληθυσμούς και σπάνιο έξω από την Αφρική Δράση κατευθύνουσας επιλογής ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 92

93 Ουδέτεροι τόποι Απόσταση σε Kb από τη μετάλλαξη FY*O Τιμές F ST για πολυμορφισμούς γύρω από τη μετάλλαξη FY*O Hamblin et al ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 93

94 Εμπλουτισμός γονιδιακών περιοχών για SNPs με υψηλό Fst (Ένδειξη θετικής φυσικής επιλογής) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 94 Barreiro et al. Nature Genetics 2008

95 Ανιχνεύσεις ολόκληρου του γονιδιώματος, για ενδείξεις δράσης φυσικής επιλογής Αναζήτηση δεικτών ή απλοτύπων που ξεφεύγουν από το τυχαίο και την κανονική κατανομή (πχ διαφοροποίηση πληθυσμών, απλότυποι μεγάλης έκτασης, εκτεταμένες περιοχές ομοζυγωτίας) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 95

96 Τοπική προσαρμογή στο βακαλάο του Ατλαντικού Πολυμορφισμός στο γένωμα ανάμεσα σε δύο φυλές βακαλάου: του μεταναστευτικού και του μόνιμου στην ανατολική ακτή του Καναδά SNP Βρέθηκε διαφοροποίηση σε ομάδα συνδεδεμένων γονιδίων (LG1) που συνδέεται με χρωμοσωμική αντιστροφή Τα γονίδια της LG1 συνδέονται με την προσαρμογή στην αλατότητα και στη θερμοκρασία των υδάτων Sinclair-Waters et al ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 96

97 Συχνότητα του αλληλομόρφου που σχετίζεται με την αντοχή στη λακτόζη ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 97 Gerbault et al 2011

98 Προσαρμογή πληθυσμών οξιάς Πείραμα κοινού περιβάλλοντος, σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής του 2050 Μέσο χρονικό διάστημα φύτρωσης (ημέρες) Σύγκριση μεταξύ 8 πληθυσμών από Δράμα και Έβρο Ο λήθαργος των σπερμάτων είναι πολύ πιο σύντομος στον Έβρο Προσαρμογή σε υγρασία και θερμοκρασία Βαρσάμης 2016 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 98

99 Διαφοροποίηση πληθυσμών σε ποσοτικά γνωρίσματα Διαφοροποίηση 7 πληθυσμών οξιάς στο χρόνο έκπτυξης οφθαλμών, σε κοινό περιβάλλον και σε 2 σενάρια κλίματος (Α1 με ανοιχτό γαλάζιο, Α2 με σκούρο μπλε) ΔΡΑΜΑ_4 Βαρσάμης 2016 Οι πληθυσμοί της Δράμας και ο Έβρος-3 εκπτύσσουν τους οφθαλμούς τους πολύ αργότερα από τους υπόλοιπους πληθυσμούς του Έβρου Βρέθηκε συσχέτιση των αποτελεσμάτων αυτών με τη μεγαλύτερη υγρασία των περιοχών του Έβρου (πλην Έβρος-3) ΔΡΑΜΑ_3 ΔΡΑΜΑ_2 ΕΒΡΟΣ_4 ΕΒΡΟΣ_3 ΕΒΡΟΣ_2 ΕΒΡΟΣ_ ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ Αριθμός ημερών έκπτυξης A2 A1 99

100 Διαφοροποίηση πληθυσμών οξιάς στο γονίδιο ARF Το γονίδιο Auxine Response Factor (ARF) ρυθμίζει το χρόνο έκπτυξης των οφθαλμών στα φυτά Στα φυτά οξιάς της προηγούμενης διαφάνειας, σε 16 SNP, βρέθηκε διαφοροποίηση στο γονίδο αυτό, που συμπίπτει με τις επιδόσεις των φυτών στη βλαστική περίοδο κάτω από υδατικό stress GER D1 E3 D4 D3 D2 E1 E2 E4 Πιθανό αποτέλεσμα κατευθύνουσας επιλογής 0.05 Καραντώνα 2017 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 100

101 Οι αλληλεπιδράσεις των εξελικτικών δυνάμεων Τέσσερις δυνάμεις μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στις συχνότητες των αλληλομόρφων - η γενετική παρέκκλιση - η γονιδιακή ροή - οι μεταλλάξεις - η φυσική επιλογή Το αποτέλεσμα των τριών τελευταίων είναι αιτιοκρατικό (μπορεί να προβλεφθεί από τις αρχικές συνθήκες) Το αποτέλεσμα της γενετικής παρέκκλισης είναι στοχαστικό (τυχαίο) Στη φύση κάθε πληθυσμός βρίσκεται κάτω από τη σύγχρονη πίεση αυτών των δυνάμεων. ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 101

102 Αρμοστικότητα w Το προσαρμοστικό τοπίο Η φυσική επιλογή, ανάλογα με τις αρχικές συνθήκες, θα οδηγήσει τον πληθυσμό στο πλησιέστερο τοπικό μέγιστο αρμοστικότητας (που μπορεί να είναι χαμηλότερο από το γενικό μέγιστο) από το οποίο δεν μπορεί να ξεφύγει εκτός αν δράσουν άλλες δυνάμεις όπως η γενετική παρέκκλιση ή αν αλλάξει το προσαρμοστικό τοπίο (αλλαγή του περιβάλλοντος). ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 102

103 Προσαρμοστικό τοπίο που δεν μεταβάλλεται ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 103

104 Δυναμικό προσαρμοστικό τοπίο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 104

105 ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΠΑΡΕΚΚΛΙΣΗ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗ Όσο μικρότερο το μέγεθος του πληθυσμού και ασθενέστερη η επιλογή, τόσο μεγαλώνει η πιθανότητα να αποκλίνει η γονιδιακή συχνότητα από την τιμή που προβλέπει η θεωρία της επιλογής Το τελικό αποτέλεσμα είναι συνάρτηση του γινομένου 4Ν e s, όπου N e το δραστικό μέγεθος του πληθυσμού και s ο συντελεστής επιλογής - όταν 4Ν e s >>1 η επιλογή καθορίζει το αποτέλεσμα - όταν 4Ν e s <<1 η γενετική παρέκκλιση καθορίζει το αποτέλεσμα - Παραδείγματα με το PopG για κατευθύνουσα επιλογή και επιλογή ισορροπίας Συνέπεια των παραπάνω: Ένας εξισορροπημένος πολυμορφισμός μπορεί να οδηγηθεί σε μονομορφισμό αν N e μικρό Μια μεταλλαγή μπορεί να επικρατήσει σε ένα μικρό πληθυσμό ακόμα και αν είναι ελαφρά επιβλαβής ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 105

106 p 0 =0.5 Ν=10000 w(aa)=1 w(aa)=1 w(aa)=0 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 106

107 p 0 =0.5 Ν=100 w(aa)=1 w(aa)=1 w(aa)=0 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 107

108 p 0 =0.5 Ν=10000 w(aa)=0.8 w(aa)=1.0 w(aa)=0.8 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 108

109 p 0 =0.5 Ν=10 w(aa)=0.8 w(aa)=1.0 w(aa)=0.8 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 109

110 Shifting balance theory Συνδυασμός της επιλογής και της γενετικής παρέκκλισης επιτυγχάνει περισσότερα από ότι η επιλογή μόνη της ΜΕΤΑΤΟΠΙΖΟΜΕΝΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ (Wright, 1977) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 110

111 ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΜΕΤΑΞΥ ΜΕΤΑΛΛΑΞΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΛΟΓΗΣ Έστω ότι εμφανίζεται μια νέα μετάλλαξη στον πληθυσμό που είναι επιλεκτικά επιβλαβής. Αν u είναι ο ρυθμός μεταλλαγής και s ο συντελεστής επιλογής του ομοζυγωτού, τότε ο πληθυσμός θα φτάσει σε μια κατάσταση ισορροπίας (Δq=0) όταν q = (u / s) 1/2 Αν u = 10-5 και s = 10-4, τότε q = 0.32 Pαα = 9% Αν u = 10-5 και s = 1, τότε q = Pαα ~ 0 Πιθανώς αυτός ο μηχανισμός είναι υπεύθυνος για τη διατήρηση κάποιων γενετικών παθήσεων. ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 111

112 ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΙ ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΡΟΗ Έστω ότι ένα αλληλόμορφο είναι επιλεκτικά υπολειπόμενο στον πληθυσμό και διατηρείται σε χαμηλή συχνότητα Το αλληλόμορφο αυτό είναι δυνατό να φτάσει στον πληθυσμό μέσω μετανάστευσης (γονιδιακής ροής) από άλλους πληθυσμούς, όπου το αλληλόμορφο βρίσκεται σε υψηλή συχνότητα Αυτό μπορεί να οφείλεται στην τυχαία γενετική παρέκκλιση ή στο ότι είναι επιλεκτικά ουδέτερο (ή ακόμη ανώτερο) στον πληθυσμό των μεταναστών. Συμβαίνει κυρίως όταν το περιβάλλον μεταβάλλεται βαθμηδόν κατά μήκος της γεωγραφικής κατανομής του είδους και η επιλογή επιβάλει ένα συνεχές φάσμα γονιδιακών συχνοτήτων Παράδειγμα - O πολυμορφισμός της αμινοπεπτιδάσης (ap94) στο μύδι Mytilus edulis : υδρόλυση πρωτεϊνών και καθορισμός οσμωτικής πίεσης στο κύτταρο ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 112

113 Η συχνότητα του αλληλομόρφου ap 94 της αμινοπεπτιδάσης σε πληθυσμούς του μυδιού κατά μήκος ενός κλινούς αλατότητας ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 113

114 Ομομειξία και φυσική επιλογή Η ομομειξία δεν μεταβάλλει τις συχνότητες των αλληλομόρφων, παρά μόνο αυτές των γονοτύπων Μειώνει την ετεροζυγωτία σε έναν πληθυσμό Αυξάνει την εμφάνιση ομόζυγων γονοτύπων για υπολειπόμενα θανατηφόρα αλληλόμορφα Ομομεικτική κατάπτωση Η ομομειξία επιταχύνει την κατευθύνουσα επιλογή και οδηγεί σε ταχεία παγίωση (καθιέρωση) του αλληλομόρφου που υπερέχει προσαρμοστικά Στην περίπτωση της υπερκυριαρχίας, η ομομειξία επιβραδύνει τη συνολική προσαρμογή των πληθυσμών, καθώς μειώνονται οι ετεροζυγώτες (που έχουν υψηλή αρμοστικότητα) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 114

115 Η ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΟΙΚΙΛΟΤΗΤΑΣ πιθανά σενάρια οι γονότυποι είναι κατά προσέγγιση επιλεκτικά ισοδύναμοι και οι συχνότητες τους μεταβάλλονται μόνο από γενετική παρέκκλιση οι γονότυποι δεν είναι επιλεκτικά ισοδύναμοι αλλά το έργο της φυσικής επιλογής δεν έχει ολοκληρωθεί. Επομένως, οι πολυμορφισμοί που παρατηρούμε είναι σε εξέλιξη (παροδικοί) που θα καταλήξουν σε μονομορφισμό είτε διότι η επιλογή δρα απευθείας πάνω τους ή σε γονίδια γειτονικά με τα οποία οι πολυμορφισμοί βρίσκονται σε ανισορροπία σύνδεσης το έργο της επιλογής αντισταθμίζεται από τη δράση της μεταλλαγής το έργο της επιλογής αντισταθμίζεται από τη δράση της γονιδιακής ροής η επιλογή δρα με τέτοιο τρόπο ώστε να διατηρεί στον πληθυσμό έναν εξισορροπημένο πολυμορφισμό (Dobzhansky, 1955) ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 115

116 Η «αυστηρή» θεωρία της επιλογής πριν την εποχή της μοριακής γενετικής Τα άτομα που φέρουν επιβαρυντικά αλληλόμορφα απομακρύνονται από τον πληθυσμό (γενετικό φορτίο) Η υπερεπικρατής και η αρνητική επιλογή αυξάνουν το γενετικό φορτίο Ο αριθμός πολυμορφισμών που μπορεί να είναι συμβατός με τη διατήρηση ενός πληθυσμού, είναι μικρός Πρόβλεψη του Muller: Μόνο ένα γονίδιο στα 1000 θα είναι πολυμορφικό ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 116

117 Η ουδέτερη θεωρία (neutral theory) Η εξέλιξη της μοριακής γενετικής αποκάλυψε την αυξημένη ποικιλομορφία του DNA Ασυμβατότητα με την «αυστηρά» επιλεκτική θεωρία Kimura 1968: Ουδέτερη θεωρία της μοριακής εξέλιξης ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 117

118 Η ουδέτερη θεωρία (neutral theory) Οι πολυμορφισμοί και οι αντικαταστάσεις δεν είναι το προϊόν επιλογής αλλά αντιπροσωπεύουν κυρίως το τυχαίο αποτέλεσμα της αλλαγής των συχνοτήτων διαφόρων ουδέτερων αλληλομόρφων Η αρνητική επιλογή μπορεί να απομακρύνει επιβαρυντικά αλληλόμορφα αλλά η θετική και η εξισορροπητική επιλογή θεωρούνται γεγονότα πολύ σπάνια Έμφαση στο ρόλο της τυχαίας γενετικής παρέκκλισης (random genetic drift) και ανάπτυξη αναλυτικών μεθόδων ελέγχου για τη δράση ή όχι επιλογής ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 118

119 Ν=10000, p0=0.0001, t=1000, 1000 προσομοιώσεις Ένα νέο αλληλόμορφο (ουδέτερο) έχει εξαιρετικά μικρή πιθανότητα να παγιωθεί σε έναν μεγάλο πληθυσμό 998 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 119

120 Ν=100, p0=0.0001, t=1000, 1000 προσομοιώσεις Ένα νέο αλληλόμορφο (ουδέτερο) έχει (έστω και μικρή) πιθανότητα να παγιωθεί σε έναν μικρό πληθυσμό 999 ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 120

121 Στις μέρες μας, η ουδέτερη θεωρία αρχίζει να ανατρέπεται αποκαλύπτεται ισχυρή δράση θετικής φυσικής επιλογής στο γονιδίωμα ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 121

122 Η εξέλιξη συνεχίζεται... Περιβαλλοντικές μεταβολές Μεταβολή των επιλεκτικών πιέσεων αρμοστικότητα αρμοστικότητα Γονότυπος Εξισορροπημένος πολυμορφισμός Αποδέσμευση από την επιλεκτική πίεση Γονότυπος Αποδέσμευση από την αρνητική πίεση στον γονότυπο αα Μείωση συχνότητας του ΑΑ ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΛΟΓΗ 122