KONU 5 Evrim Mekanizmaları I: Seçilim ve Mutasyon. Aslı Sade Memişoğlu

Transkript

1 KONU 5 Evrim Mekanizmaları I: Seçilim ve Mutasyon Aslı Sade Memişoğlu

2 Başlıklar 5.1 Popülasyonlarda Mendel Genetiği: Hardy- Weinberg denge prensibi 5.2 Seçilim 5.3 Seçilim Modelleri: Popülasyon genetiği teorisi tahminlerinin sınanması Çekinik ve baskın aleller üzerine işleyen seçilim Heterozigot ve homozgotlar üzerine işleyen seçilim Frekansa bağımlı seçilim 5.4 Mutasyon Mutasyonun H-W analizine eklenmesi Mutasyon ve seçilim

3 Giriş 2018 Nobel Kimya Ödülü Kalıtım mekanizması doğru şekilde anlaşılmadığı sürece evrim teorisi eksiktir Popülasyon genetiği, Mendel genetiği ve evrim teorisini bütünleştirir Popülasyon genetiği bakış açısıyla evrim, allel frekanslarının nesiller boyunca değişimidir

4 5.1 Hardy-Weinberg Denge Prensibi CCR5-Δ32 için homozigot bireyler HIV e yakalanmıyorsa, AIDS salgını süresince bu allel insan popülasyonlarında artabilir mi? Artarsa ne kadar hızla artar? Bunun için önce AIDS salgını olmaksızın bu allelin nasıl davranacağını bilmeliyiz Popülasyon genetiği, ideal bir popülasyonda allel ve gen frekanslarına ne olacağını gösteren bir model ile işe başlar İdeal popülasyonda genlerin nasıl davrandığını bilirsek, gerçek durumlarda nasıl davranacaklarını anlayabiliriz

5 Bir simülasyon Rastgele birleşme Popülasyondaki tüm erginlerce üretilen tüm yumurta ve spermler Gen havuzu Gametler Zigotlar A ve a allellerine sahip olan A lokusunu inceleyelim Her gamet A lokusunun bir allelini alır Erginler Çocuklar Popülasyon

6 Bir simülasyon Yumurta ve spermlerin %60 ının A aleli ve %40 ının a alel kopyasını aldığını varsayalım Gen havuzunda A allel frekansı 0.6, a allel frekansı 0.4 Yumurta ve spermler birleştiklerinde ne olur? Zigotların ne kadarı AA genotipinde olacaktır? Bu zigotlar ergin olup da gamet ürettiklerinde bu yeni neslin gen havuzunda A ve a allel frekansları ne olur? Model: Sperm ve yumurtalardan başlayarak bir sonraki neslin gen havuzuna kadar allelleri izlemek

7 Gözleri kapatıp bir yumurta seçelim Sonra da bir sperm seçelim Bu işlemi 100 zigot oluşacak kadar yapalım

8 Bir simülasyon 100 zigottan 34 ü AA, 57 si Aa ve 9 u aa genotipinde olmuş Hepsinin üreme çağına kadar hayatta kaldıklarını ve eşit sayıda gamet ürettiklerini varsayalım!!! Hepsi 10 gamet üretse: 34 AA = 340 A 57 Aa = toplam 570 gamet = 285 A ve 285 a 9 aa = toplam 90 gamet = hepsi 90 a Toplam 1000 gamet Yeni gen havuzunda frekanslar A: 0,625 Popülasyon evrimleşti! a: 0,375

9 Erişkin sayısı Yavru sayısı Zigot sayısı İlk allel frekansları Son allel frekansları Genotip Evrim popülasyon allel frekansında değişimdir Genotip Genotip

10 Simülasyon tekrarlandığında bulunan frekanslar her seferinde değişiklik gösterir Bu küçük farklar tamamen şansa bağlıdır. Kör şansın kendisi, önceden tahmin edilemez bir biçimde popülasyonun evrimleşmesine neden olabilir = genetik sürüklenme (6. konu)

11 Eğer şans durumu olmasaydı ne olurdu? Punnett karesi kullanılarak iki birey arasındaki bir çaprazın oluşturacağı zigotların genotipi tahmin edilebilir Yumurta Zigotlar

12 Yumurta Aynı şekilde popülasyonun vereceği döller için de hesap yapabiliriz. Bağımsız iki olayın aynı anda gerçekleşmesi olasılığı: her iki olayın olasılıklarının çarpımıdır Yumurta Zigot Olasılık Zigotlar A = 0.6 a = 0.4

13 0.36, 0.48 ve 0.16 genotip frekanslarına sahip bir popülasyon gametler ürettiğinde 25 bireylik bir popülasyon frekanslar yine 0.6 ve 0.4 olur (A) frekansı= : 9x = 30/50 = 0.6

14 Toplam Erginler Gametler Toplam

15 Şans hiçbir rol oynamadığında popülasyonda bir nesilden diğerine allel frekansları değişmemektedir. Allel frekansları toplamı 1 olduğu sürece geçerli!!! Erişkin sayısı Zigot sayısı Yavru sayısı İlk allel frekansları Son allel frekansları Genotip Genotip Genotip

16 Genelleme yaparsak A1 ve A2 allelleri olan A lokusu olsun Yumurta Zigot Olasılık Yumurta Zigotlar A1 olasılığı = p A2 olasılığı = q

17 Bir sonraki nesilde allel frekanslarını hesaplarsak Yeni nesilde gametlerin frekansının değişmediğini görürüz Erginler Gametler

18 5.1.1 Hardy-Weinberg denge prensibi Şans hiçbir rol oynamadığı zaman ve allel frekansları toplamı 1 olduğu sürece nesilden nesile oranları değişmez. İdeal popülasyonlar evrimleşmez İki temel sonuç: 1. Bir popülasyondaki allel frekansları nesilden nesle değişmeden kalır 2. Bir popülasyondaki allel frekansları p ve q olarak ifade edilirse genotip frekansları p 2, 2pq ve q 2 olarak hesaplanabilir

19 5.1.2 H-W denge prensibi ne işe yarar? Koşullardan bir veya daha fazlası bozulduğu an H-W sonuçları geçerli olmaz Koşullar: 1. Seçilim yoktur 2. Mutasyon yoktur 3. Göç yoktur 4. Şansa bağlı olay yoktur (sürüklenme yoktur) 1. Bazı genotipteki bireyler şans eseri bir sonraki daha fazla gamet aktarmaz 5. Bireyler eşlerini rastgele seçerler

20 Sağlandıklarında popülasyonların evrimleşmeyecekleri ideal koşullarla aslında evrime sebep olabilecek güçleri sıralamış oluruz Bu durumda H-W denge prensibi sıfır modeldir Eğer bir popülasyon sonuç 1 veya 2 yi sağlamıyorsa Allel frekansları nesilden nesle değişiyor veya allel frekanslarından genotip frekansları hesaplanamıyorsa Bu popülasyon dengede değil demektir ve koşullardan bir veya birkaçı bozulmuştur Yani popülasyon evrimleşiyor demektir

21 Evrimin 4 mekanizması Sürüklenme Mutasyon Seçilim Göç

22 5.2 Seçilim İdeal popülasyon 1. koşulu bireylerin eşit hayatta kalma şansına ve eşit üreme başarısına sahip olduğuydu Doğal seçilim sürecinde bu koşul bozulur Bu koşul bozulduğunda ne olur?

23 Erişkin sayısı Yavru sayısı Zigot sayısı 5.2 Seçilim ardışık nesillerde allel frekanslarında değişime neden olabilir İlk allel frekansları Son allel frekansları Genotip Seçilim ölüm Genotip Genotip Gerçekte bu kadar belirgin bir seçilim baskısı çok nadir görülür!!!

24 B1 allel frekansı Düşük de olsa, sürekli seçilim baskısı allel frekansını değiştirebilir mi? Seçilim olasılıkları Hayatta kalma yüzdesi Güçlü Nesil Zayıf EVET

25 CCR5-d32 allel frekansı HIV ve doğal seçilim dirençli insanlar popülasyonda artar mı? Farklı üç senaryo: a) CCR5-Δ32 allel frekansı yüksek ve popülasyonun büyük çoğunluğuna HIV bulaşıyorsa (gerçekte böyle bir popülasyon görülmemiştir) b) Allel frekansı yüksek fakat HIV enfeksiyonu az (Çoğu Avrupa popülasyonu) c) Allel frekansı düşük fakat enfeksiyon fazla (çoğu Afrika popülasyonu) A senaryosu görülmediğinden HAYIR İlk frekans Hayatta kalan oranı İlk frekans Hayatta kalan oranı İlk frekans Hayatta kalan oranı Nesil

26 5.3 Seçilim modelleri 1. Çekinik ve baskın aleller üzerine işleyen seçilim 2. Homozigot ve heterozigotlar üzerine işleyen seçilim 1. Heterozigotları koruyan seçilim 2. Homozigotları koruyan seçilim 3. Frekansa bağımlı seçilim

27 Çekinik ve baskın aleller üzerine işleyen seçilim Yaşaşmayı sağlayan baskın allel frekansı Ölümcül çekinik allel frekansı Unkurdu popülasyonları Ölümcül çekinik allel Laboratuvarda heterozigotlarla başlatılan deney İlk allel frekansları 0.5 Yaygın çekinik alleller üzerine etki ettiği zaman doğal seçilim evrime neden olan en kuvvetli kaynaktır Fakat çekinik bir allel nadir olduğu zaman evrim çok yavaş işler Bu alelin kopyalarının çoğu heterozigotlarda maskelenmiş durumdadır ve seçilimden kurtulur Bu durum insanlarda 300 nesillik bir şemayla eşdeğerdir Nesil

28 Yaşamayı sağlayan allel frekansı Heterozgot ve homozigotlar üzerine işleyen seçilim a) Heterozigot üstünlüğü 2 popülasyon allel frekansı = 0.5 olarak deneye başlanır VV ve VL hayatta kalır ve LL ölür Fakat sonunda unkurtlarından çok farklı bir denge durumuna gelinmiştir V frekansı 0.79 civarında dengelenmiştir??? Eğer heterozigotlar, homozigotların her ikisine göre daha yüksek bir uyum gücüne sahipse Denge durumunda ölümcül allelin heterozigotlara sağladığı seçilim avantajı ile homozigotlara sağladığı ölüm dezavantajı birbirini dengeler Mavi veri: bilgisayarla sınama Nesil

29 Orak hücreli anemi ve sıtmaya direnç gelişiminin evrimi: Heterozigot avantajı Heterozigotların yüksek oranda bulunduğu popülasyonlarda sıtma daha az görülmektedir Sıtma dağılımı Orak hücreli anemi heterozigot dağılımı

30 Zorunlu kısırlaştırma örneği 1927 yılında ABD yüksek mahkemesi, Virginia Eyaleti kısırlaştırma yasasını kabul etti. Kalıtsal delilik, geri zekalılık ve diğer zihinsel bozukluklara sahip bireyler istekleri dışında kısırlaştırılabilecekti 1960 a kadar üzerinde insan rızaları dışında kısırlaştırıldı Amaç gelecek nesillerin genetik kalitesini geliştirmekti Sonradan, seçilen kişilerin kalıtsal hastalığa sahip olduğu konusunda yanlış kararlar verildiği anlaşıldı Peki doğru kararlar verilseydi gerçekten popülasyon temizlenebilir miydi?

31 Zorunlu kısırlaştırma örneği Popülasyon genetiği modelleriyle, başlangıç frekansları ve uyum başarıları kriterlerine göre hesaplanabilir Hesaplamalar unkurdunda görülen grafiğe benzer bir grafik ileri sürer. Hastalık popülasyonda %1 sıklıkta görülüyorsa, 250 yıl sonra frekansının 1000 de 3 e düşeceğini öngörür. Heterozigotların saklanması prensibi Tamamen temizlenmesi mümkün değil Ayrıca o zamanki bilim adamlarının frekans belirlemede ve kalıtsal olanları ayırmada büyük hatalar yaptıkları anlaşılmıştır

32 Erişkin sayısı Yavru sayısı Zigot sayısı 5.4 Evrimsel mekanizma olarak mutasyon İlk allel frekansları Son allel frekansları Genotip A kopyalarını 1/10000 oranında Mutasyon a kopyalarına dönüştürür Genotip Genotip

33 A frekansı Aslında çok zayıf bir evrim mekanizmasıdır!!! Fakat uzun nesiller boyunca devam ettiğinde mutasyon, allel frekansında fark edilir bir değişime yol açabilir. Aynı zamanda bu önemli olmadığı anlamına gelmez Nesil

34 Hücre büyüklüğü Mutasyon, seçilim ile beraber işlediğinde önemli bir evrimsel süreç haline gelir!!! Bakterilerde yararlı mutasyonların seçilimi hızlı sıçramalara neden olmuştur Mutasyon olmasaydı evrim dururdu!!! Nesil Mutasyon ile bakteri evrimi

35 5.4.1 Mutasyon-seçilim dengesi Popülasyonlarda seçilim zararlı mutasyonları elerken Yeni mutasyonlar da sürekli eklenir Bazı durumlarda seçilim-mutasyon arasındaki bu denge zararlı mutasyonların neden halen bulunduğunu açıklar

36 Kistik fibroz örneği Kistik fibroz otozomal çekinik olarak kalıtılan bir hastalıktır. Hastalar kronik akciğer enfeksiyonlarına maruz kalır Çok öldürücü olmasına rağmen bazı popülasyonlarda %4 kadar taşıyıcı bulunur. Neden bu kadar yüksek bir oranda halen bulunmaktadır? Heterozigot üstünlüğü olabilir Yeni mutasyonlar her nesilde hastalık allellerine katkıda bulunuyor olabilir

37 CEVAP 7. Kromozomda CFTR adlı protein kodlanır Bağırsak ve akciğer hücre zarı proteini Mutasyon sonucu işlevsiz proteinler üretilir Kistik fibroz için heterozigot olan bireylerin tifoya karşı dirençli olduğu fark edilmiş HETEROZİGOT ÜSTÜNLÜĞÜ