Poslední úprava: RNDr. Radka Reifová, Ph.D. (22.09.2013)
Evoluční genetika je obor, který kombinuje poznatky klasické genetiky, molekulární biologie a Darwinovy evoluční teorie. Vysvětluje evoluci z pohledu mechanismů, které vytvářejí a formují genetickou variabilitu v populaci a přetvářejí ji do více méně trvalých 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 frekvence alel v populaci, 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 poskytují 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.
Poslední úprava: RNDr. Radka Reifová, Ph.D. (22.09.2013)
Please note, the lectures are given in Czech language. English version of the course can be requested in advance if there
are at least 5 students.
Evolutionary genetics is a broad field of studies that resulted from the integration of genetics and Darwinian evolution, called
the 'modern synthesis'. This field attempts to account for evolution in terms of changes in gene and genotype frequencies
within populations and the processes that convert the variation within populations into more or less permanent variation
between species. It is based on mathematical theory of population genetics founded by R. A. Fisher, S. Wright, and J. B. S.
Haldane, T. Dobzhansky and E. Mayr. In the last few years, massive infusion of the molecular data provided us unique
possibility to insight into the evolutionary forces shaping the patterns of biodiversity observed in nature. The aim of the
course is to introduce the basic principles of inheritance and population genetic theory. The central theme is the neutral
theory of molecular evolution. The available molecular data and approaches to their analysis will be described. We will show
how these approaches could contribute to the understanding the evolutionary mechanisms.
Literatura -
Poslední úprava: doc. RNDr. Jakub Prokop, Ph.D. (14.04.2008)
Philip W. Hedrick (2005). Genetics of Populations (Third Edition). Jones and Bartlett Publishers.
Dan Graur, Wen-Hsiung Li (2000). Fundamentals of Molecular Evolution. Sinauer Associates
Austin Burt and Robert Trivers (2006). Genes in conflicts. Harvard University Press.
Evolutionary Genetics: Concepts and Case Studies. C.W. Fox & J.B. Wolf (Eds.). Oxford University Press, Oxford, 2006
Poslední úprava: doc. RNDr. Jakub Prokop, Ph.D. (14.04.2008)
Philip W. Hedrick (2005). Genetics of Populations (Third Edition). Jones and Bartlett Publishers.
Dan Graur, Wen-Hsiung Li (2000). Fundamentals of Molecular Evolution. Sinauer Associates
Austin Burt and Robert Trivers (2006). Genes in conflicts. Harvard University Press.
Evolutionary Genetics: Concepts and Case Studies. C.W. Fox & J.B. Wolf (Eds.). Oxford University Press, Oxford, 2006
Požadavky ke zkoušce
Poslední úprava: RNDr. Radka Reifová, Ph.D. (17.08.2012)
Zkouška je ústní. Zápočet je udělen za přednesení referátu. Kromě přednášek je vhodné si prostudovat články dostupné ze stránky přednášky:
Další informace je možné čerpat z doporučené literatury.
Sylabus -
Poslední úprava: RNDr. Radka Reifová, Ph.D. (22.09.2013)
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.
Poslední úprava: RNDr. Radka Reifová, Ph.D. (22.09.2013)
1. Principles of genetics. Basic genetic terms. Gene, allele, lucus. Interactions between alleles and genes. Definitions of genes (molecular x genetic x evolutionary concepts). Structure of genes. How many genes comprise human genome? Organisation and structure of the genome. What did we learn from the whole genome sequences of various organisms? Importance of the non-coding DNA. Mendel's rules and their exceptions (paramutations, gene conversions, meiotic drive, genomic imprinting). From genotype to phenotype. Ontogenesis. Heritability. Influence of environment. Fenotypic plasticity and genetic canalization. Epigenetics.
2. Gene conflicts. Selfish gene. Weisman barrier and importance of germ line. Conflicts between genes with different ways of inheritance. Meiotic drive. Conflicts between sexes. Transpozons and oher selfish genetic elements. Importance of meiosis and recombination. Horizontal transfer.
3. Introduction to population genetics. Evolution in terms of in terms of changes in allele frequencies. Hardy-Weinberg principle. Mechanisms changing allele frequencies in population. Mutation, migration, selection, drift, evolutionary drives. Genetic linkage. Genetic hitchkiking, selective sweeps, background selection.
4. Mutations. Nucleotide substitutions, transitions/transversions, synonymous/nonsynonymous substitutions. Codon usage bias. Insertions/deletions. Frame shift mutations. Trinucleotide expansions. Differences between mutations in coding regions and regulation regions. Transpositions, inversions, duplications. Mechanisms affecting the frequency of mutations: replication, transcription, recombination, number of cell divisions in germline (male-driven evolution), position in genome (ausosomes/sex chromosomes/mt DNA). Adaptive mutations. Which mutations are the most important for evolution? Comparison of mutations in coding and regulatory regions. Evolution by gene duplications.
5. Neutral theory of molecular evolution. Probability of fixation of new mutation. Average time to fixation of new mutation. Effective population size. Effect of bottleneck. Molecular clocks. Gene genealogies and theory of coalescence. Measures of genetic variation. Mechanisms increasing genetic polymorphism in populations (balancing selection). Mechanism decreasing genetic polymophism in populations (positive selection, hitchhiking).
6. Selection. Pozitive and negative selection. Balancing selection. How to detect selection at molecular level? Distribution of allel frequences (Tajima's D). Comparison of intraspecific polymorphism and interspecific divergence. Relative number of synonymous and nonsynonymous substitutions (Ka/Ks). Linkage disequilibrium test. How many genes in genome are evolving under positive seletion? The rate of adaptive evolution in coding and regulatory regions. Faster evolution of X/Z chromosomes. What did we learn from whole genome population genetic data?
7. Population structure and speciation. Genetic differentiation of populations. Measures of genetic differentiations (Fst), migration, gene flow. Phylogeography. Speciation and reproductive isolation. Gene trees (genealogy) vs species trees (phylogenesis). Monophyly, paraphyly, polyphyly. Ancestral polymorphism and lineage sorting.
8. Evolution of gene expression. How large part of the genome is expressed? Importance of non-coding RNAs. Origin of adaptation by change of gene expression. Methods of measuring gene expression level (EST, SAGE, microarrays, tilling microarrays). Correlation between gene expression level and protein abundance. Analyses of proteins.
9. Functional genetics. How to find which genes are responsible for the particular phenotype? Forward and reverse genetics. Genetic maping and positional cloning of genes. Experimental crossing (backcross, F2 intrecross, recombination inbred strains, consomic strains). Analysis of pedigreeds. Associaon mapping (linkage disequlibrium analysis, haplotype structure of genome). Molecular markers (microsatelites, RFLP, SNP). Bioinformatics. Databases of nucleotide sequences, gene expression data and proteins.