Evoluční genetika

Sylabus

1. Teorie dědičnosti. Mendlovy zákony a jejich výjimky (paramutace, genová konverze, meiotický tah, genový imprinting). Weismanova bariéra a význam germinální linie. Dědičnost kvantitativních znaků. Dědivost. Epigenetická dědičnost. Cesta od genotypu k fenotypu. Ontogeneze. Vliv prostředí. Fenotypová plasticita a vývojová kanalizace.

2. Struktura a evoluce genomu. Velikost genomu. Organizace a struktura genomu. Definice pojmu gen (molekulární vs. genetické pojetí). Encyklopedie DNA elementů. Nekódující RNA a jejich význam. Repetitivní sekvence.

3. Genové konflikty. Sobecký gen. Vnitrogenomový konflikt genů. Konflikty mezi geny s různým způsobem dědičnosti. Meiotický a zygotický tah. Sobecké pohlavní chromosomy. Transpozony. Význam meiózy a rekombinace při zabránění konfliktů. Horizontální přenos.

4. Úvod do populační genetiky I. Chápání evoluce ve smyslu změn ve frekvenci alel. Mutace jako zdroj genetické variability. Typy mutací. Mutační rychlost. Evoluce genomovou duplikací. Panmiktická populace. Hardy-weinbergův zákon. Efektnivní velikost populace. Mechanismy odpovědné za změny ve frekvenci alel v populaci. Gentický drift.

5. Úvod do populační genetiky II. Selekce jako mechanismus změn frekvence alel v populaci. Typy selekce. Populační struktura. Migrace. Význam genetické vazby. Vazebná nerovnováha. Genetické svezení se (hitchhiking, selective sweeps).

6. Neutrální teorie molekulární evoluce. Genetický polymorfismus a jeho odhady. Doba fixace mutace. Molekulární hodiny a odhad doby divergence dvou taxonů. Faktory ovlivňující rychlost molekulárních hodin (hypotéza generační doby, metabolická hypotéza, hypotéza dlouhověkosti). Téměř neutrální teorie evoluce. Souvislost mezi rychlostí molekulární a fenotypické evoluce.

7. Detekce selekce na molekulární úrovni. Negativní selekce, pozitivní selekce, balancing selekce. “Selective sweep” a jeho průvodní jevy. Testy selekce založené na: distribuci frekvence alel (Tajima’s D test), míře vazebné nerovnováhy, míře diferenciace populací (Fst outlier test), porovnání vnitrodruhového polymorfismu a mezidruhové divergence (Hudson-Kreitman-Aguadé test, McDonald-Kreitman test), relativním počtu nesynonymních a synonymních substitucí mezi druhy (KA/KS test). Identifikace pozitivně selektovaných genů v lidské populaci.

8. Teorie koalescence. Genové genealogie. „Most Recent Common Ancestor (MRCA)“. Mitochondriální Eva. Rekonstrukce haplotypových stromů. Genový vs. fylogenetický strom. Sortování linií a ancestrální polymofismus. Genové genealogie a rekombinace.

9. Funkční genetika. “Forward” a “reverse” genetika a jejich nástroje. Cílená mutageneze. Genové pasti. Genetické mapování a poziční klonování. Mapování kvantitativních znaků (“Qutatitative Trait Loci”, QTL). Vazebná analýza pomocí BC či F2 křížení. Rekombinantně inbrední kmeny, konzomické kmeny. Vazebná analýza pomocí rodokmenů. Haplotypová mapa lidského genomu a asociační mapování. Příklady genů odpovědných za lidské choroby identifikovaných pomocí nových přístupů asociačního mapování.

10. Evoluce genové exprese. Metody studia genové exprese. Variabilita v genové expresi v rámci druhu a mezi druhy. Vznikají adaptace častěji změnou v kódující sekvenci či změnou v genové exprese? Studium evoluce genové exprese. Jsou mezidruhové rozdíly v genové expresi neutrální či adaptivní? Jsou změny v expresi způsobené častěji mutacemi v cis- anebo trans- regulačních oblastech? Mapování expresních QTL. “Copy number variation” (CNV) jako příčina změny genové exprese. Evoluce transkriptomu změnami v alternativním sestřihu

11. Speciace. Definice pojmu druh. Sympatrická a alopatrická speciace. Speciace hybridizací. Reprodukčně izolační mechanismy. Genetická podstata reprodukční izolace. Dobzansky-Muller nekompatibility. Haldaneovo pravidlo a velký vliv pohlavních chromosomů na vznik reprodukční izolace. Speciační geny. Mezidruhová hybridizace a genový tok mezi druhy

Anotace

Evoluční genetika je obor, který kombinuje poznatky klasické genetiky, molekulární biologie a evoluční biologie. Obor vznikl v první polovině 20 století syntézou Darwinovy evoluční teorie a Medelovy teorie dědičnosti známou jako „moderní syntéza“. Vysvětluje evoluci z pohledu mechanismů, které vytvářejí a formují genetickou variabilitu v populaci a přetvářejí ji do rozdílů mezi druhy. Základ evoluční genetiky tvoří teoretické práce R. A. Fischera, S. Wrighta a J. B. S. Haldanea popisující vliv genetického driftu, selekce či genového toku na genetickou variabilitu populace, a dále pak neutrální teorie evoluce vytvořená S. Ohnem a teorie koalescence. V současnosti obor nabývá nových dimenzí díky přílivu ohromného množství molekulárních dat zahrnujících celogenomové sekvence různých organismů. Existence matematických modelů evoluce a dostupnost skutečných molekulárních dat nám nyní poskytuje jedinečnou možnost nahlédnout do konkrétních mechanismů odpovědných za vnik adaptivních vlastností a biologické rozmanitosti, kterou kolem sebe pozorujeme. Náplň přednášky zahrnuje: (1) repetitorium základních principů dědičnosti, (2) nahlédnutí do struktury a evoluce genomu, (3) vysvětlení procesů, které se podílejí na vzniku a formování genetického polymorfismu v populaci i mezi druhy a (4) popis důležitých matematických teorií evoluce a jejich využití při analýze empirických dat. Důležitou součástí přednášky je vysvětlení moderních přístupů analýzy molekulárních dat, které mohou přispět k pochopení mechanismů evoluce. Poněvadž je evoluční genetika rychle se rozvíjející disciplínou, jsou studenti motivováni ke sledování novinek v oboru prostřednictvím krátkých studentských referátů.