VARIJABILNOST H. sapiens sapiens

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”

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

Prvi antropolozi rasisti

Blumenbah (18. vek) – savršena lobanja (belac) sa Kavkaza, planina Ararat.

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)

Ideja kvazinauka – predodređenost ljudi

idealan lekar

lice zločina

jevrejski tip

Eugenika

“program” za poboljšanje ljudske vrste

Frensis Golton(1822 – 1911)

Eugenički zakoni u SAD od 1907 do 1965. godine:“nasleđe igra najznačajniju ulogu u prenošenju kriminala, idiotije, imbecilnosti, epilepsije, pijanstva, zavisnosti od droga, moralnog i seksualnog perverznjaštva,...”

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

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

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 FST

Neutralnost

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.

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.

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: 210 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

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.

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.

alel

i

generacijemutacija mutacija

supstitucija alelaalelom

Evoluciona supstitucija – fiksacija nove mutacije

Brzina neutralne supstitucije

Stopa neutralne supstitucije jednaka je stopi mutacije (v).

Populacija veličine N → 2N alela (kopija gena)

N2

1 - ista verovatnoća fiksacije za bilo koji alel

Nv2 - broj novih alela u populaciji

- verovatnoća fiksacije mutiranog alela po generacijivN

Nv 2

12

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

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

Nes

2

1

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.

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) – 10 000 generacija (oko 250 000 godina)

Nukleotidni diverzitet (π)

Verovatnoća da će dve kopije gena u populaciji biti međusobno različite.

ij

ijji pp - pi i pj su učestalosti alela i i j

- πij je proporcija nukleotidnih razlika između para alela (broj razlika/ukupan broj analiziranih bp)

- uzorak alela iz populacije (određene dužine – broja bp)- porede se parovi (svaki sa svakim)

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

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)

VD

Raspodela nepodudarnosti (mismatch) - opis

Distribucija broja parnih razlika (nukleotidne razlike, RFLP mesta ili polimorfizam dužine kod mikrosatelita)

SekvenceI AGTCTTACGTATCII AGTCTTGCGTATCIII AGTTTTACGTATCIV AGTCTTGCGTGTCV AGTCTTACGTATC

Parne razlike (mismatches)I II III IV V

I /II 1 /III 1 2 /IV 2 1 3 /V 0 1 1 2 /

Učestalost parnih razlikap.d. broj učestalost0 1 0.11 5 0.52 3 0.33 1 0.1

učes

talo

st0.

1 0

.2

0.3

0.4

0.5

parne razlike0 1 2 3

Distribucija

Pokazatelj prosečnog diverziteta sekvenci (za razliku od π nije podeljen sa brojem analiziranih bp)

Oblik distribucije (nazubljenost, neravnine) govori o populacionoj istoriji (epizodama ekspanzije)

Mismatch distribucija - upotrebauč

esta

lost

parne razlike

učes

talo

st

parne razlike

Nenazubljena (unimodalna) distribucijaRapidni pop. rast (od predačkog alela)

Nazubljena (multimodalna) distribucijaStabilna brojnost pop. (tokom dužeg vremena)

Testovi neutralnosti

Uporede se sekvence i proceni se proporcija: Nesinonimnih mutacija - dN

Sinonimnih mutacija - dS

ω = dN/dS

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

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.

Savremena matematika o varijabilnosti

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

Valundovefekat

p1 q1

p4 q4p3 q3

p2 q2

p q

21pp

SV ip

211ii p

SP

SP

iii qpS

HS

H 211

211ii q

SQ

SQ

pVqpH 22

pVpP 2pVqQ 2

H-W

qp

Vp

Valundova varijansa

F statistika

Sewall Wright

Procena udela različitih nivoa biološke hijerarhije u ukupnoj genetičkoj varijabilnosti neke vrste ili metapopulacije (od individualne varijabilnosti do nivoa čitave vrste).

pq

Hdob

Hoč

HdobFi

211

Zasniva se na indeksu fiksacije:

Matematička osnova F statistike

Zasniva se na indeksu fiksacije, odnosno heterozigotnosti (H)

Tri hijerarhijske mere heterozigotnosti za najjednostavniji populacioni sistem (I, S, T):

HI

HS

HT

Matematička osnova F statistike

HI – prosečna dobijena heterozigotnost unutar subpopulacije:

HS - prosečna očekivana heterozigotnost unutar panmiksične subpopulacije:

HdobN

Ni

k

HiH

k

i

k

iI

11

k

iiiiS qppH

1

2 21

Matematička osnova F statistike

HT – očekivana heterozigotnost u totalnoj panmiksičnoj populaciji (metapopulacija):

k

iiT qppH

1

2 21

Parametri F statistike

- 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

ISIS H

HHF

Parametri F statistike

- 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)

T

STST H

HHF

Parametri F statistike

- 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 (FIS i FST)

T

ITIT H

HHF

STISISIT FFFF 1

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%)

40,117,442,514 binarnih markera

16,025,059,0Y hromozom30 markera

22,06,072,0HVS I

12,56,181,4mtDNKRFLP

8,98,282.921 Alu insercija

13,21,385,530 SNP

10,41,787,960 mikrosatelita

10,05,584,530 mikrosatelita

6,38,385,4Autozomi17 klasičnih markera

Izmeđugrupa

Varijabilnost (%)

Između pop. unutargrupe

UnutarpopulacijeGenetički marker

STRUKTURA GENETIČKE VARIJABILNOSTI SAVREMENIH LJUDI

“Klasifikovanje ljudi”

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

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

Rosenberg i saradnici (2002)

377 autozomalnih mikrosatelitskih lokusa

1056 osoba iz 52 unapred definisane ljudske populacije

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%).

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.

Klasteri

K=5 Afrika - Evropa sa Srednjim istokom i Centralno-južnom Azijom -- Istočna Azija - Okeanija - Amerika

Afrika Evropa Srednji istok Centralna Istočna Okeanija AmerikaAzija Azija