VARIJABILNOST H. sapiens sapiens

Transcript

1 VARIJABILNOST H. sapiens sapiens

2 Problem definisanja ljudskih populacija Biološki Kontinuiran raspored Veliki protok gena Kulturološki Religija, običaji, jezik Političke granice? Etnička grupa populacija koja čuva svoju različitost od drugih izolacionim mehanizmima (geografske i socijalne barijere) Strukturiranost varijabilnosti ljudi je odraz različitog stepena mešanja, ne rigidne podeljenosti u grupe. Ernst Renon nacija (narod) je grupa ljudi ujedinjenih pogrešnom predstavom o svojoj prošlosti i mržnjom prema susedima

3 Tipološki pogled na raznovrsnost Rasistička ideologija Fiksirane genetičke razlike između rasa Postojanje specifičnih gena za rase Ovi zaključci proizilaze iz nekih fenotipskih razlika Npr. Karl Line: H. europeus prilagodljiv, pouzdan, nežan, ponaša se prema zakonima i moralu H. asiaticus ozbiljan, surov, isključiv, pohlepan, ponaša se prema sopstvenom mišljenju H. afer - nefleksibilan, uvek srećan, ponaša se prema običajima

4 Prvi antropolozi rasisti Blumenbah (18. vek) savršena lobanja (belac) sa Kavkaza, planina Ararat.

5 Kvazinauke Na istoj ideološkoj matrici nastale: - Frenologija (grč. phren um, logos nauka) - Kranioskopija studija veličine i oblika lobanja - Fiziognomija studija unutrašnjih karakteristika iz spoljašnjih manifestacija (pre svega lica)

6 Ideja kvazinauka predodređenost ljudi idealan lekar lice zločina jevrejski tip

7 Eugenika program za poboljšanje ljudske vrste Frensis Golton ( ) Eugenički zakoni u SAD od 1907 do godine: nasleđe igra najznačajniju ulogu u prenošenju kriminala, idiotije, imbecilnosti, epilepsije, pijanstva, zavisnosti od droga, moralnog i seksualnog perverznjaštva,...

8 Evoluciona istorija i genetička varijabilnost čoveka Demografska slika vrlo komplikovana sa genetičke tačke gledišta. Osnivanje novih populacija (founder effect) Prolasci kroz uska grla (bottleneck effect) Izolacije nekih populacija Više ciklusa migracija Mešanja populacija u različitim vremenskim periodima Selekcioni pritisci na neke genetičke varijante u nekim regionima sveta

9 Dodatna komplikacija Analize genetičke varijabilnosti različitih genskih markera na među- i unutar- populacionom nivou daju različite rezultate Antropološka slika izgleda još komplikovanije iz genetičkog aspekta

10 Različiti markeri različiti rezultati Nekoliko tipova sa različitim načinima transmisije, stopama mutacija i učestalosti rekombinacija: Tip molekulskog markera jedarni autozomni mikrosateliti, pseudogeni; SNPs; Y hromozom; mtdnk Heterozigotnost - lokusi sa visokom H pokazuju niže vrednosti F ST Neutralnost

11 mtdnk Sekvenciranje čitavog genoma i/ili dva hipervarijabilna regiona u kontrolnom delu mitohondrijskog genoma (HV1 i HV2) Prednosti u odnosu na jedarne markere: Nasleđuje se samo od majke. Stopa mutacije nekoliko puta veća (do 10 puta veći polimorfizam). Nema rekombinacija. Efektivna veličina populacije je 4 puta manja od jedarnih lokusa veća osetljivost na smanjenja brojnosti populacije kroz evoluciju.

12 NRY Skoro 95% čitave dužine Y hromozoma pripada nerekombinujućim delovima. Prednosti NRY: Nasleđuje se od oca na muško potomstvo. Stopa mutacije slična kao za druge jedarne gene teže je pronaći polimorfizme, ali lakša genealogija od mtdnk Veća dužina DNK na NRY od mtdnk kompenzuje manju stopu mutacija.

13 Autozomalni jedarni lokusi mtdnk i NRY su uniparentalni transmisioni markeri prednosti u rekonstrukciji porekla populacije i filogenije. Ali, oni su mala frakcija kompletnog nasleđa koje dobijamo od prethodnih generacija u demografiji je veliki značaj nuklearnih lokusa 10 generacija u nazad: 2 10 predaka (1024) Samo 1 mtdnk haplotip od ženskog pretka pre 10 generacija npr. 28% brazilaca svetle puti nose mtdnk sekvence identične afričkim 3% brazilskih belaca sa Y iz Evrope

14 Upotreba neutralnih markera Procena starosti zajedničkog pretka Procena starosti vrste (?) vreme nastanka prvog genskog pula Procena vremena populacione divergencije Procena veličine predačke populacije Procena stopa i puteva migracija, itd.

15 Neutralna teorija molekularne evolucije Neutralne mutacije nevidljive za selekciju Prema neutralistima (Motoo Kimura) većina alela u populaciji je neutralno (štetne mutacije eliminiše selekcija). Stopa evolucije na jednom lokusu = stopa zamene jednog alela drugim. Neutralna evolucija sadejstvo mutacija i genetičkog drifta. supstitucija alela alelom aleli Evoluciona supstitucija fiksacija nove mutacije mutacija mutacija generacije

16 Brzina neutralne supstitucije Stopa neutralne supstitucije jednaka je stopi mutacije (v). Populacija veličine N 2N alela (kopija gena) 1 2N - ista verovatnoća fiksacije za bilo koji alel 2Nv - broj novih alela u populaciji 1 2Nv v - verovatnoća fiksacije mutiranog alela po generaciji 2 N Stopa neutralne supstitucije ne zavisi od N (Ne): - U velikoj populaciji više mutacija, ali manja verovatnoća fiksacije driftom - U maloj populaciji manje mutacija, ali veća verovatnoća fiksacije driftom

17 Skoro neutralne mutacije Pokazalo se i da neke nesinonimne zamene nukleotida (očekivano selektivno prepoznatljive) imaju sličnu stopu supstitucije kao neutralne. Ohta (1972, 1977) matematički model: mutacije se ponašaju kao selektivno neutralne ako s 1 2Ne U velikim populacijama efekat drifta je mali, mali broj mutacija je efektivno neutralan. U malim populacijama efekat drifta je veliki, veći broj mutacija je efektivno neutralan.

18 Problem neutralnosti Selektivno čišćenje (engl. selective sweep) Smanjivanje varijabilnosti neutralnih genetičkih markera (povećanje učestalosti) u okolini gena (vezanost) čije je određene alele favorizovala prirodna selekcija. Sličan fenomen je pozadinska selekcija (engl. background selection) - eliminacija neutralnih markera koji su vezani za štetnu mutaciju na selektovanom genu. Procena: efekti selektivnog čišćenja kod ljudi (haplotipovi bliskih lokusa nenarušenih rekombinacijama) generacija (oko godina)

19 Nukleotidni diverzitet (π) Verovatnoća da će dve kopije gena u populaciji biti međusobno različite. - uzorak alela iz populacije (određene dužine broja bp) - porede se parovi (svaki sa svakim) ij p i p j ij - p i i p j su učestalosti alela i i j - π ij je proporcija nukleotidnih razlika između para alela (broj razlika/ukupan broj analiziranih bp)

20 Testovi neutralnosti Očekivani nivo nukleotidnog diverziteta θ neutralni parametar ili populacioni mutacioni parametar θ=4nev ( ¼ za mtdnk i Y; ¾ za X markere) v stopa mutacije, Ne efektivna veličina populacije očekivan broj nukleotidnih razlika između dve slučajne genske kopije veći je u velikim nego u malim populacijama Tajima D V Tajima D = 0 - neutralnost markera, const. brojnost populacije + Tajima D strukturiranost populacije ili balansna selekcija (visoka učestalost većeg broja alela) - Tajima D pozitivna (direkciona) selekcija ili rapidni rast nakon prolaska kroz usko grlo (visoka učestalost jednog ili malog broja alela)

21 Raspodela nepodudarnosti (mismatch) - opis Distribucija broja parnih razlika (nukleotidne razlike, RFLP mesta ili polimorfizam dužine kod mikrosatelita) Sekvence I AGTCTTACGTATC II AGTCTTGCGTATC III AGTTTTACGTATC IV AGTCTTGCGTGTC V AGTCTTACGTATC Parne razlike (mismatches) I II III IV V I / II 1 / III 1 2 / IV / V / Učestalost parnih razlika p.d. broj učestalost učestalost Distribucija parne razlike

22 Mismatch distribucija - upotreba Pokazatelj prosečnog diverziteta sekvenci (za razliku od π nije podeljen sa brojem analiziranih bp) Oblik distribucije (nazubljenost, neravnine) govori o populacionoj istoriji (epizodama ekspanzije) Nenazubljena (unimodalna) distribucija Rapidni pop. rast (od predačkog alela) Nazubljena (multimodalna) distribucija Stabilna brojnost pop. (tokom dužeg vremena) učestalost učestalost parne razlike parne razlike

23 Testovi neutralnosti Uporede se sekvence i proceni se proporcija: Nesinonimnih mutacija - d N Sinonimnih mutacija - d S ω = d N /d S ω > 1 pozitivna selekcija ω < 1 negativna selekcija Logika: Ako je ω > 1, pozitivna selekcija uzrokuje širenje ovakvih mutacija u populaciji brže nego genetički drift širenje neutralnih mutacija

24 Savremena matematika o varijabilnosti Hijerarhija biološke organizacije: jedinke (I) organizovane su u lokalne grupe ili subpopulacije (S) koje mogu sačinjavati veće strukturirane populacije (P ili C) sve do nivoa vrste.

25 Genetičke posledice Jedinke koje su prostorno bliske najčešće međusobno stupaju u reproduktivne odnose i genetički su sličnije manji protok gena između lokalnih grupa (veća izolacija) Veći stepen srodstva jedinki koje se ukrštaju Efekat genetičkog drifta smanjuje se varijabilnost unutar subpopulacija povećava se stepen genetičke divergencije između subpopulacija

26 Valundov efekat Valundova varijansa V p pq P 1 S P 1 S 2 i p i p 1 q 1 p 2 q H Hi 2 piq S S i H-W p q Q 1 S Q 1 S 2 i q i p 3 q 3 p 4 q 4 P p 2 V p Q q 2 Vp V p 1 S p i p 2 H 2 pq 2 V p

27 F statistika Procena udela različitih nivoa biološke hijerarhije u ukupnoj genetičkoj varijabilnosti neke vrste ili metapopulacije (od individualne varijabilnosti do nivoa čitave vrste). Zasniva se na indeksu fiksacije: Sewall Wright Fi Hdob 1 1 Hoč Hdob 2 pq

28 Matematička osnova F statistike Zasniva se na indeksu fiksacije, odnosno heterozigotnosti (H) Tri hijerarhijske mere heterozigotnosti za najjednostavniji populacioni sistem (I, S, T): H I H S H T

29 Matematička osnova F statistike H I prosečna dobijena heterozigotnost unutar subpopulacije: H S - prosečna očekivana heterozigotnost unutar panmiksične subpopulacije: Hdob N Ni k Hi H k i k i I 1 1 k i i i i S q p p H

30 Matematička osnova F statistike H T očekivana heterozigotnost u totalnoj panmiksičnoj populaciji (metapopulacija): H T 1 k i1 p 2 i 2 pq

31 Parametri F statistike F IS H S H - prosečna redukcija heterozigotnosti unutar subpopulacije usled neslučajnog ukrštanja, - verovatnoća da su dva alela u genotipu jedinke (I) unutar subpopulacije (S) identična po poreklu, - parametar predstavlja meru inbridinga u subpopulaciji (F) od -1 (sve jedinke su heterozigoti) do +1 (sve analizirane jedinke su homozigoti) S H I

32 Parametri F statistike F ST H T H H T S - stepen smanjenja heterozigotnosti usled genetičkih razlika između subpopulacija u odnosu na očekivanu heterozigotnost kada nema strukturiranosti; što su veće genetičke razlike između subpopulacija u učestalostima alela, to je već pad heterozigotnosti (Valundov efekat) - verovatnoća da su dva slučajno izabrana alela unutar subpopulacije identična po poreklu (stepen lokalnog ukrštanja) od 0 (nema divergencije subpopulacija, tj. totalna populacija je panmiktična) do +1 (divergencija je kompletna)

33 Parametri F statistike F IT H H F F 1 T I IT IS IS ST H T F F - prosečna redukcija individualne heterozigotnosti relativno u odnosu na totalnu populaciju - verovatnoća da je jedinka autozigot u čitavoj metapopulaciji - relativan odnos između dva niža nivoa biološke hijerarhije (F IS i F ST )

34 Logika F statistike Parametri ne predstavljaju apsolutne mere genetičke varijabilnosti Primenom F statistike možemo sagledati koji deo totalne varijabilnosti jeste rezultat individualnih razlika unutar subpopulacija, a koji procenat predstavlja rezultat međupopulacione genetičke divergencije Homo sapiens: međupopulaciona komponenta (5-15%) unutarpopulaciona komponenta (85-95%)

35 STRUKTURA GENETIČKE VARIJABILNOSTI SAVREMENIH LJUDI Varijabilnost (%) Genetički marker Unutar populacije Između pop. unutar grupe Između grupa Autozomi 17 klasičnih markera 85,4 8,3 6,3 30 mikrosatelita 84,5 5,5 10,0 60 mikrosatelita 87,9 1,7 10,4 30 SNP 85,5 1,3 13,2 21 Alu insercija ,2 8,9 mtdnk RFLP 81,4 6,1 12,5 HVS I 72,0 6,0 22,0 Y hromozom 30 markera 59,0 25,0 16,0 14 binarnih markera 42,5 17,4 40,1

36 Klasifikovanje ljudi Globalna predstava o prostornom rasporedu genetičkih polimorfizama (na velikoj prostornoj skali)

37 Mikrosateliti Ogroman polimorfizam dužine Heterozigotnost i do 99% Međupopulaciona komponenta varijanse manja od 5% 60 lokusa za razdvajanje subsaharskih Afrikanaca, Evropljana i istočnih Azijata bar 150 mikrosatelitskih lokusa za globalnu sliku populacione strukture ljudske vrste

38 Rosenberg i saradnici (2002) 377 autozomalnih mikrosatelitskih lokusa 1056 osoba iz 52 unapred definisane ljudske populacije

39 Studija Od 4199 alela koji su pronađeni više od jednom u uzorku: 46,7% su bili prisutni u svim većim regionima (Afrika, Evropa, Srednji istok, Centralna i južna Azija, Istočna Azija, Okeanija i Amerika) 7,4% alela je bilo prisutno u samo jednom regionu i obično su bili vrlo male učestalosti (medijana je 1%).

40 Ideja Prvo, na osnovu utvrđenih genotipova formiranje grupa koje se genetički najviše razlikuju (klasterski algoritam) Drugo, odrediti verovatnoću pripadnosti osobe svakoj od tih grupa Treće, pridružiti definisani geografski i etnički faktor u cilju dobijanja prostorne distribucije.

41 Klasteri Afrika Evropa Srednji istok Centralna Istočna Okeanija Amerika Azija Azija K=5 Afrika - Evropa sa Srednjim istokom i Centralno-južnom Azijom - - Istočna Azija - Okeanija - Amerika