Esercizio calcolo Ka/Ks sequenze di MHC di camoscio (dati di Mona et al. 2008)

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1 Esercizio calcolo Ka/Ks sequenze di MHC di camoscio (dati di Mona et al. 2008) Dopo aver scaricato le sequenze da genbank (vedi file.docx con esercizio), abbiamo calcolato con MEGA il Ka/Ks e testato se fosse diverso da 1 e se fosse > o < di 1. Per fare questo conto è necessario che sia Ka che Ks siano diversi da zero. Osservazione: caricando il file in dnasp è possibile visualizzare i siti con cambiamenti sinonimi e non sinonimi (data > assign coding region quindi display > view data in basso a destra si può chiedere di visualizzare i siti syn e nonsyn) Non ci sono cambiamenti sinonimi! Com è possibile allora calcolare Ks? Provare a calcolare Ka e Ks per tutti I confronti tra sequenze (Analysis > Synonymous and Nonsyn subst) : appare una tabella, vedrete che tutti I confronti con le sequenze DRB*22 e DRB*24 hanno un Ks diverso da zero. Perchè? Perchè *22 e *24 sono diverse dalle altre in alcuni codoni per più di una mutazione, questo significa che ci sono più percorsi mutazionali da tenere in considerazione, alcuni dei quali implicano un possibile passaggio sinonimo (vedi prossima diapositiva)

2 TAC > GTG almeno un percorso prevede un passaggio syn Es: DRB*40 DRB*22/*24 TAC > TTC > GTC > GTT tyr > phe > val > val

3 Evoluzione regressiva

4 In questa lezione parleremo di Che cosa intendiamo per evoluzione regressiva Alcune possibili spiegazioni evolutive Il caso del pesce cieco Astyanax Bibliografia: Losing Sight of Regressive Evolution Monika Espinasa & Luis Espinasa, Evo Edu Outreach. 2008; 1: Regressive Evolution in Astyanax Cavefish William R. Jeffery, Annu Rev Genet. 2009;43: Genes, modules and the evolution of cave fish. Horst Wilkens, Heredity. 2010; 105(5):

5 Evoluzione costruttiva Il processo che comporta lo sviluppo di nuove strutture o strutture modificate. Es. becchi dei fringuelli, collo delle giraffe Evoluzione regressiva Perdita o degenerazione di un tratto fenotipico Assenza dei denti negli uccelli Regressione di parte degli arti nei cetacei Assenza di coda nei primati superiori

6 Evoluzione regressiva Spalax ehrenbergi Proteus anguinus Jeffery 2009

7 Evoluzione regressiva Proviamo a rispondere: Perché i pesci di caverna hanno perso gli occhi? Jeffery 2009

8 Evoluzione regressiva Spiegazioni possibili Jeffery 2009 I geni che controllano lo sviluppo degli occhi diventano neutrali La selezione favorisce la perdita della vista Selezione indiretta

9 Evoluzione regressiva Alcune definizioni utili Convergenza evolutiva: Fenomeno per il quale nello stesso tipo di ambiente, o in nicchie ecologiche simili, sulla spinta delle stesse pressioni ambientali, gli organismi evolvono per selezione naturale determinate strutture o adattamenti che li portano ad assomigliarsi fortemente. Queste caratteristiche originano più volte in modo indipendente, non hanno una struttura antenata comune. Jeffery 2009

10 Evoluzione regressiva Convergenze evolutive nei pesci ciechi: tratti regressivi Jeffery 2009 Cavallari et al. Plos Biol Kruckenhauser et al. BMC evol biol 2011 Convergenze anche per tratti costruttivi, come aumento delle modalità sensoriali extravisione, aumento dell efficienza metabolica

11 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1:

12 Regressive evolution: the loss or degeneration of a trait. Model #1. Neutral-mutation theory: pseudogenization by mutation and random drift Model #2. Direct natural selection: something about losing this function in particular makes it possible for a fish to survive better in the dark. Model #3. Indirect natural selection genetic hitchhiking and pleiotropy: the genes involved in pathway are either directly or somewhat stably linked to other unrelated features that help the fish survive or reproduce in the dark.

13 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: Model #1. Neutral-mutation theory Descrizione Se i geni per gli occhi non aumentano né diminuiscono la sopravvivenza dell organismo la selezione naturale che prima manteneva l integrità e funzionalità di questi geni non opera più. Sostenuta da Horst Wilkens (1988) per spiegare la perdita della vista in Astyanax I geni accumulano mutazioni che ne compromettono la funzione e di conseguenza le strutture non più necessarie degenerano

14 Evoluzione regressiva : neutralità e rilassamento della selezione Un ipotetico cambiamento ambientale (nel nostro caso la mancanza di luce) può rilassare la selezione rimuovendola del tutto nel caso più estremo. Di conseguenza non ci sono fenotipi con fitness maggiore di altri diagramma che mostra gli eventi nello sviluppo e successiva degenerazione dell occhio in embrioni di Astyanax (da Jeffery 2009) Lens: cristallino

15 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: Limiti Secondo questa teoria tutti i geni che non vengono mantenuti sotto pressione selettiva dovrebbero accumulare mutazioni e degenerare. Gli esperimenti di trapianto del cristallino mostrano che dopo migliaia di anni di evoluzione in grotta la maggior parte dei geni dell occhio rimangono perfettamente funzionanti. Lavori di William Jeffery e colleghi mettono in luce questi limiti Un numero ridotto di master genes che controllano lo sviluppo dell occhio sono invece mutati e sembrano responsabili della degenerazione di questa struttura

16 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: Model #2. Direct natural selection Descrizione I pesci senza occhi sopravvivono o si riproducono meglio perchè non sprecano energia per sviluppare l occhio e mantenerlo funzionante

17 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: A. Superficie x A. grotta (es. AABBCC) (es. aabbcc) F1: ibridi (AaBbCc) F1 x F1 F2 Nelle F2 i geni che controllano i tratti sono segregati e possono essere studiati separatamente. Conclusione degli studi di fitness: pesci senza occhi non mostrano fitness più alta Limiti L energia necessaria per sviluppare un occhio (proteine globulari che incapsulano acqua), potrebbe essere meno di quanta sia necessaria per il tappo di grasso ed ossa dell occhio del pesce cieco (il grasso ha più calorie delle proteine). La complessità non è sempre sinonimo di costo energetico. Ci sono però evidenze che la retina (costosa!) possa essere contro-selezionata

18 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: Descrizione Pesci con gli occhi hanno un tasso di sopravvivenza inferiore o si riproducono meno perché hanno più probabilità di essere feriti ed avere infezioni (gli occhi sono organi delicati) Limiti Questa teoria non considera che anche nei pesci di superficie 1. gli occhi hanno strutture protettive 2. la linea laterale è sufficientemente efficace da prevenire scontri che provochino danno in condizioni di assenza di luce (es. notte). Inoltre ci sono evidenze di cave molto inquinate da guano di pipistrello con pesci che hanno occhi poco degenerati.

19 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: Model #3. Indirect natural selection I geni coinvolti nella visione e nello sviluppo dell occhio sono o direttamente o in qualche modo stabilmente legati ad altre caratteristiche che non hanno a che fare con la vista, ma che aiutano il pesce a sopravvivere e riprodursi al buio

20 Evoluzione regressiva Monika Espinasa & Luis Espinasa Evo Edu Outreach (2008) 1: Yamamoto, Stock and Jeffery(2004): isolamento di Sonic Hedgehog (shh) shh: master regulator dello sviluppo in animali shh (T + E ) Pleiotropia Carattere costruttivo: maggiore sviluppo di organi di senso gustativi (taste bud, T) Carattere regressivo: degenerazione degli occhi (E) Limiti: non ci sono prove sperimentali che avere più papille gustative aumenti la fitness

21 Here we show that sonic hedgehog (shh) gene expression is expanded along the anterior embryonic midline in several different cavefish populations. The expansion of hh signalling results in hypo/hyperactivation of downstream genes, lens apoptosis and arrested eye growth and development (Yamamoto et al. 2004) da Jeffery 2009

22 In conclusione Astyanax di grotta è simile alle forme imparentate di superficie; in molti casi si tratta della stessa specie. La differenza è che i primi hanno perso gli occhi via evoluzione convergente...molte volte in molti posti. Se la selezione naturale è una spiegazione, è possibile che popolazioni diverse abbiano perso la vista per ragioni differenti. Alcune potrebbero avere aumentato il senso del gusto. Altre il senso dell olfatto Altre aver migliorato le prestazioni metaboliche. E possibile anche una combinazione di fattori. Forse altri (attualmente sconosciuti) vantaggi della perdita della vista aspettano di essere scoperti.

23 CAVEFISH AS MODEL SYSTEMS Troglobitic (exclusively subterranean) fish evolved under conditions that contrast with those of their epigean (surface dwelling) ancestors mainly by the absence of daily cycles of light (and in many cases, also of temperature cycles). Astyanax mexicanus Phreatichthys andruzzii C.Bertolucci Dip. Biologia ed Evoluzione CONVERGENT EVOLUTION

24 Phreatichthys andruzzii ( post-fertilisation Anophtalmic (eye loss 36 hours Scales not present Complete depigmentation Reduced metabolism and oxygen consumption Negative phototaxis C.Bertolucci Dip. Biologia ed Evoluzione

25 What are the advantages to use Phreatichthys andruzzii? ( relatives - Cyprinids (close - Isolated for 2 million of years Comparative analysis between zebrafish and the Somalian cavefish C.Bertolucci Dip. Biologia ed Evoluzione

26 Opsines Clock controlled genes

27 Clock entrained by periodic food availability No longer entrained by light Candidate non visual photoreceprots genes with loss-of-function mutation (Melanopsin and TMT opsin)

28 Cyprinids Divergence time around 30 MYA Squalius cephalus (Cavedano) Tinca tinca (Tinca) Ctenopharyngodon idella (carpa erbivora) Cyprinus carpio (Carpa) P. andruzzii Danio rerio (Zebrafish) Aim: obtain the full coding sequence of melanopsins to perform molecular evolutionary analyses

29 Coding sequences Aligment Phylogenetic reconstruction Estimate of ω (dn/ds) using different evolutionary models Model comparison to choose the best one (Likelihood ratio tests of hypotheses) PAML: Phylogenetic Analysis by Maximum Likelihood (Ziheng Yang)

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31 Scenario 1: pseudogenization is the consequence Ancient giant pandas started to change their diet to bamboo due to meat scarcity. Umami taste less important: pseudogenization of Tas1r1. The gene loss may have in turn reduced the attraction of returning to meat eating because of the lack of the umami perception Scenario 2: pseudogenization is the cause The giant panda lost Tas1r1 prior to its change of diet, due to genetic drift in a small population. This scenario appears much less likely because, although the giant panda is endangered today, it may not have had a particularly small population in its evolutionary history.

32 1. B vs A: forte selezione purificante nell evoluzione dei carnivori 2. A vs C: evoluzione accelerata nel ramo del Panda 3. D vs C: il ramo del Panda ha un significativamente inferiore ad 1 il rilassamento selettivo non è iniziato subito dopo la divergenza