Kahe- ja paljude lookuste populatsioonigeneetikaLD- linkage disequilibrium (ahelduse tasakaalutus)

P- Ameerika pääsusabade tiivamustrite geneetika

Papilio glaucus♂ ♀ ♀

Mitte-mürgised

Emaste tume vorm jäljendab mürgist liiki (Bates’i mimikri)

Papilio glaucus ♀ Battus philenor

mürginenigra

Levialad kattuvad osaliselt ja katseliselt näidatud, et linnud väldivad ka mittemürgist nigra pääsusaba. Nigra puhul pärandub terve mimikri tunnuste komplekt.

Malaisia, Indoneesia, Papilio memnon ♀

Papilio memnon anura

Haruldane Java saare Anura vorm sarnaneb achates vormidega kuid on sabatu. Ristub teiste memnonitega andes sarnaseid tiivamustreid kuid erinevalt Nigrast ka ilma “sabata”. Järeldati, et vähemalt 2 lookust ja Anura on rekombinantne vorm.

mudel

P. memnon

achates

♂

Tundus, et mimikri pärandub ka siin komplektis. Mustrite segunemist ei täheldatud. Üks lookus ja palju alleele?

Interpretatsioon: rekombinatsioon

T+, T- alleelid määravad “saba” olemasolu ja “C” lookusvärvid ja mustrid tiibadel. Tegelikult kokku 5 lookust.

Tavaliselt päranduvad kõik 5 koos sest on füüsilise läheduse tõttu tugevasti aheldunud

Anura vormil toimunud rekombinatsioonT+ “C1”

T- “C2”

achates

non achates

T- “C1”achates

T+ “C2”non achates

Kui palju lookusi füüsiliselt lähestikku, siis nad käituvad kui üks “supergeen”

Papilio puhul, ilmselt vähemalt 4 erinevat lookust, mis määravad ees- ja tagatiiva värvuse (+ saba +/-)

Nt. T+W1F1E1B1/T+W1F1E1B1 genotüüp

Erinevate lookuste genotüübid võivad alluda valikule koos,ko-adaptatsioon

T+ ühes lookuses, näiteks, on positiivse valiku all ainult siis kui ta esineb koos veel W1, F2, E1, B3 genotüüpidega teistest neljast lookusest

achates

Achates saba on positiivse valiku all vaid siis kui ta esineb koos teiste achates tunnustega. Poolik mimikri on paku head kaitset.

Lookused ei pruugi esineda koos füüsiliselt ühe supergeenina, vaid sõltumatult segregeeruvate üksustena – valik tekitab koosesinemise mustri : Heliconius

Erinevate lookuste genotüübid võivad alluda valikule koos,ko-adaptatsioon

Heliconius: mimikrit kontrollivad 12 – 15 mitte aheldunud lookust (eri liikidel).

Ei pärandu komplektidena, Ristamisel saame mustrite ja värvide kaleidoskoobi. Iva selles, et looduses eri piirkondade vormid ei ristu. P. Memnonil ristuvad.

Genotüübid ja haplotüübid

Kahe bialleelse lookuse korral neli võimalikku haplotüüpi

AB Ab aB ab

ja

4 x 4 diplotüüpi (sh 10 erinevat)

AB AB AB AB Ab ...AB Ab aB ab AB...

A BChrChr1

Chr2B

A

Ühelookuseline pop. gen. uuris alleeli- ja genotüübisageduse muutumist – mitmelookuseline pop. gen. räägib haplotüübisagedusest

AB aB Ab ab

AB AB/AB AB/aB AB/Ab AB/ab

aB aB/AB aB/aB aB/Ab aB/ab

Ab Ab/AB Ab/aB Ab/Ab Ab/ab

ab ab/AB ab/aB ab/Ab ab/ab

Haplotüüp Sagedus populatsioonisA1B1 a = p1q1 + DA1B2 b = p1q2 - DA2B1 c = p2q1 - DA2B2 d = p2q2 + D

1

D – linkage disequilibrium, aheldatuse tasakaalutus

Linkage (dis)equilibrium / aheldatuse tasakaal(utus)

See on mõneti sarnane nähtus kui HW tasakaal ühelookuselises populatsiooni geneetikas.

Kui alleelid kombineeruks juhuslikult oleks haplotüüpide sagedused lihtsad alleelisageduste korrutised. D mõõdab kõrvalekallet sellest eeldusest

D sõltub alleelisagedustest: ei saa olla nii suur, et b<0 ja nii negatiivne, et a<0

D = 0

sõltumatud kombinatsioonid

= 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 tasakaalustD>0 näitab, et A1 alleeli taustal on B2 alleeli eeldatust rohkem kui A2 taustal

(B2 alleel võis tekkida ka A2 taustal, siis D’~1)

D = (A1B1xA2B2) - (A1B2xA2B1) A1A2

B1 B2

Linkage (dis)equilibrium

A1A2

B1 60%B2 40%

B1 60%B2 40%

B1 60%B2 40%

D=0

A1A2

B1 60%B2 40%

B1 10%B2 90%

B1 90%B2 10%

D=0

populatsioonis

populatsioonis

D>0

P. memmoni tiivamustrigeenid on tugevas aheldatuse tasakaalutuses. Saba (T+) esineb pea alati koos W1F1E1B1 alleelidega ja peaaegu mitte kunagi koos W2,3,4; F2,3,4; E2,3,4; B2,3,4 alleelidega. Selle liblika puhul on tegemist aheldusega mida põhjustab nii lookuste füüsiline lähedus kui valik (rekombinandi mimikri ei ole täpne).

Dmax = 0.25 juhul kui:A1B1 = 0.5, A1B2 = 0.0, A2B1 = 0.0, A2B2 =

0.5

Tasakaalu korral, A1B1xA2B2 = A1B2xA2B1 ja D = 0.

Lewontin (1964) D’ = D/Dmax

varieerub -1 ……. 0(no LD) .... +1 (total LD)

D sõltub konkreetsetest alleelisagedustest. Ei saa võrrelda. Seetõttu kasutatakse D’ mis on D jagatud D teoreetilise maksimumiga nende alleelisageduste juures

LD mõõdikud

Kui A1=0.5 ja B1=0.5

0.5

0.5

A1A2

B1 B2

D=0.25D’=1

A1B1

A2B2

0.3 0.2

0.2 0.3

A1A2

B1 B2

D=0.05D’=0.2

A1 B1

A2 B2

0.250.25

0.250.25

A1A2

B1 B2

D=0D’=0

A1 B1

A2 B2

0.50.25

0.25

A1A2

B1 B2

D=-0.06D’=-0.25

A1 B2

A1 B1A2B1

r2 = D2/PA1PA2PB1PB2

varieerub 0 (sõltumatu alleelide lahknemine, aheldatuse tasakaal) ja 1 (rekombinatsiooni puudumine, füüsiline lähedus)

LD mõõdikud

Üldiselt on Linkage Disequilibrium (LD) terminina ebaõnnestunud.

1) Viitab otseselt aheldusele (linkage), kuid tegelikult kohaldatav ka eri kromosoomidel paiknevate aheldamata lookustele

2) “Tasakaal” võib paljudel juhtudel osutuda tasakaalutuks

Aheldatuse tasakaalutus

Füüsiline lähedus (D)

valiku (s) poolt põhjustatud (Heliconius)

A1B1 haplotüübi sagedus (a) ei muutu rekombinatsioonis

A1B1/A1B1 A1B1/A1B2 genotüüpide seas

Väheneb rekombinatsiooni läbi

A1B1/A2B2 genotüüpide seas (2ad sagedusega)

Suureneb rekombinatsiooni läbi

A1B2/A2B1 genotüüpide seas (2bc sagedusega)

½

½

Mis juhtub ahelduse tasakaalutusega kui valikut ei ole?

(LD)

Olgu rekombinatsiooni toimumise tõenäosus (sagedus) r

A1B1 haplotüübi sagedus a järgmises põlvkonnas a’

a’ = a – ½ r2ad + ½ r2bc

a’ = a – r (ad - bc)

ad – bc = D

A1B1 haplotüüpide liia korral kahaneb nende hulk

rD võrra põlvkonnas

järgmise põlvkonna Dt = D0(1-r)t

Haplotüüp Sagedus populatsioonisA1B1 a= p1q1 + DA1B2 b=p1q2 - DA2B1 c=p2q1 - DA2B2 d=p2q2 + D

Seega, valiku puudumisel kõduneb aheldatuse tasakaalutus populatsioonis vastavalt rekombinatsioonikiirusele ajas

r = 0.1

r = 0.2

r = 0.5

LD

põlvkonnad

Mittejuhuslikud seosed

juhuslikud seosed

analoogselt HW tasakaaluga 1 lookuse korral kuigi mitte ühe põlvkonna jooksul

Haplotüüp Sagedus populatsioonisA1B1 a = p1q1 + DA1B2 b = p1q2 - DA2B1 c = p2q1 - DA2B2 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.

Aja jooksul rekombinatsiooni läbi aheldatud markerite blokk kitseneb, erinevates “liinides” tekivad erinevad blokid

Üks konkreetne marker

eellaskromosoom

Valim hetkel esinevatest kromosoomidest

LD erosioon

Haplotüübiblokkide paradigma

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

Aheldatuse tasakaalutuse oleku põhjused

1)Füüsiline lähedusMida väiksem on markerite (lookuste) omavaheline kaugus,seda väiksem on rekombinatsiooni tõenäosus nende vahel

2)Valik Kui mingid kombinatsioonid on eelistatud

3)AegKui aega on kulunud liiga vähe

4)Juhuslik geneetiline triivTriiv 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.

5)Mittejuhuslik ristumineKui näiteks A1 kandjad eelistavad B1 kandjaid B2 kandjatele

Olgu kaks lookust, A ja B, mis määravad tõenäosused ellu jääda 1-6 kuu vanuses ja 6-12 kuu vanuses, vastavalt.

Genotüüp A1A1 A1A2 A2A2Ellujäävus w11 w12 w22

Genotüüp B1B1 B1B2 B2B2Ellujäävus x11 x12 x22

Üldine tõenäosus elada 12 kuuni, kuna need kaks ellujäävust on sõltumatud:

Genotüüp A1A1 A1A2 A2A2B1B1 w11x11 w12x11 w22x11B1B2 w11x12 w12x12 w22x12B2B2 w11x22 w12x22 w22x22

Need on multiplikatiivsed kohasused

Loodusliku valiku kahelookuseline mudel

Olgu kaks lookust, A ja B, mis määravad võime seedida kahte erinevat tüüpi toitu

Genotüüp A1A1 A1A2 A2A2Ellujäävus w11 w12 w22

Genotüüp B1B1 B1B2 B2B2Ellujäävus x11 x12 x22

Üldine tõenäosus elada 12 kuuni, kuna mõlemad ellujäävused mõjutavad ühte asja (energiaomastamist):

Genotüüp A1A1 A1A2 A2A2B1B1 w11 + x11 w12 + x11 w22 + x11B1B2 w11 + x12 w12 + x12 w22 + x12B2B2 w11 + x22 w12 + x22 w22 + x22

Need on aditiivsed kohasused

Loodusliku valiku kahelookuseline mudel

Lisaks multiplikatiivsele ja aditiivsele,

epistaatiline Nt. koerte karva värvus

pääsusabade mimikri

Ahelduse tasakaalutus kaob aja jooksul alati kui kohasused on multiplikatiivsed. Üks alleel fikseerub ja D=0

Aga mis juhtub LD-ga epistaatiliste suhete korral?

Lihtsustades pääsusabade juhtu

T+ / T- - tiivasabaC1 / C2 - värvus

dominantsed

C1C1 ja C1C2 – sabaga mimikri

C2C2 - sabata mimikri

Genotüüp T+T+ T+T- T-T-C1C1 w11 w11 w21C1C2 w11 w11 w21C2C2 w12 w12 w22

w12, w21 < w11, w22

Valik suurendab T+C1 ja T-C2 haplotüüpide sagedustja kõiki alleele hoitakse alles . Siin on ahelduse tasakaalutus(D > 0) tasakaaluline.

Genotüüp T+T+ T+T- T-T-C1C1 w11 w11 w21C1C2 w11 w11 w21C2C2 w12 w12 w22

w12, w21 < w11, w22

Mitte kõik epistaatilised kohasussuhted ei põhjusta tasakaalulist LD-d kuid pea kõik tasakaalulised LD-d on põhjustatud epistaatiliste kohasussuhete poolt

LD üldiselt kõrge aseksuaalselt sigivatel organismidel,Nt. E. Coli (Maynard Smith et al. 1993).

puudub rekombinatsiooniline mehhanism LD kõdunemiseks

Mõistagi ka Y kromosoomi mitterekombineeruv osa ning mtDNA

LD võib olla populatsioonile kasulik,Nagu näiteks pääsusabade aheldatud mimikri alleelidel

LD võib olla populatsioonile kahjulik,Nagu näiteks näide aheldusest heterosügootse eelisega lookusega.

Veel, kergelt kahjulike alleelide kuhjumisel kasuliku alleeliga aheldatud lookustes võib LD olla pärssiva toimega antud kahjulikest alleelidest lahti saamisel

LD on enamasti neutraalneNeutraalse mutatsiooni hitchhiking

Kasulik alleel

Kergelt kahjulikud mutatsioonid

Hitchhiking

1) A’ B

valik

2)

A’A/BbA’A/BB

Aheldusest tingitud mehhanismid

t

p

t

p

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.

A’ kohasem kui A

valik

A’ B

valik

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.

Hitchhiking Aheldusest tingitud mehhanismid

Hitchhiking / Background selectionAheldusest tingitud mehhanismid

Hitchhiking 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)

vastavalt John Maynard Smithi arutlusele1920-2004

Aheldusest tingitud mehhanismid

selective sweep

sweep recovery

Advantageous mutation

Neutral mutation

a

b

Polü

morf

sete

sait

ide o

sakaal

telomeer tsentromeer

Üldiselt on mitmekesisus väiksem seal, kus rekombinatsiooni vähem – tsentromeerile lähemal ja väikestes kromosoomides. Põhjusteks ongi ilmselt selective sweebid ja taustavalik.

a) D. simulans. Taustmitmekesisuse dünaamika väheneb tsentromeeri suunas, seal vähem rekombinatsiooni.b) D. melanogaster. Sdic geeni alleel asendus hiljuti paremaga. Tema ümber polümorfsete saitide auk.

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.

Looduslik valik 2006

300 ind.

800 000 SNP

Eur/Aaf/Aasia

- leiti mitmeid nii nn. üldisi (näit. rasvhapete metabolismi reg. geenid, paljunemisega seotud geenid) kui ka regioonispetsiifilisi (morfoloogiaga seotud – näit. naha pigmentatsioon eurooplastel, juuste struktuur aafriklastel; toitumisega seotud – näit. laktaasi metabolismi geenid eurooplastel, alkoholi dehüdrogenaasi geenid asiaatidel) valiku alla sattunud geene

- enamikku neist seostati maaviljeluse ja karjakasvatuse kasutuselevõtuga (viimase 10 000 a. jooksul)

- selective sweep ka aafriklastel

Over 3 million SNPs have been genotyped in 420 chromosomes from three continents

1. Leia kandidaat piirkonnad st. selective sweep piirkonnad

• Long-RangeHaplotype (LRH)• the integrated Haplotype Score (iHS)• Cross Population Extended Haplotype

Homozogysity (XP-EHH)

2. Kuivõrd leitud piirkonnad on suured (825kb, ca 4 geeni) ja SNP-d on palju 400-4000 siis MILLINE OLI SEE MIDA VALITI?

• Alleel peab olema uus (st. derived compared to chimp)

• Alleeli sagedus peab olema populatsiooniti erinev (sest hiljutine valik võiks olla kohalikest oludest lähtuv /mhm/)

• Uuel alleelil peab olema muutunud funktsioon

mtDNA Lääne- ja Ida Euraasia spetsiifilised puu harud

Kokkuvõte

1. Mitmelookuselise pop. gen. objektiks on haplotüübid (alleelisageduste asemel)

2. Rekombinatsioon viib aheldatuse tasakaalu, kus iga lookuse kohta võib rakendada ühe lookuse pop. gen. mudelit

3. LD võib tekkida/püsida tänu valikule (epistaatiline), mitte-juhuslikule paardumisele või triivi tõttu

4. Koadapteeritud lookuste korral rekombinatsioon negatiivse valiku all

5. Hitchhiking mõjutab valiku aluse lookusega seotud lookuste polümorfismi

A phylogenetic analysis of 1125 global human mitochondrial DNA (mtDNA) sequences permitted positioning of all nucleotide substitutions according to their order of occurrence. The relative frequency and amino acid conservation of internal branch replacement mutations was found to increase from tropical Africa to temperate Europe and arctic northeastern Siberia. Particularly highly conserved amino acid substitutions were found at the roots of multiple mtDNA lineages from higher latitudes. These same lineages correlate with increased propensity for energy deficiency diseases as well as longevity. Thus, specific mtDNA replacement mutations permitted our ancestors to adapt to more northern climates, and these same variants are influencing our health today.