Komputerowe modelowanie ewolucji genomów

• Authors: Stanisław Cebrat , Dorota Mackiewicz , Wojciech Waga

Title variants

EN

Computer modelling of genome evolution

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

EN

A dozen years of computer simulations of age structured populations composed of individuals represented by their diploid genomes show how evolution of the genetic pool of populations depends on the population size, intragenomic recombination rate and promiscuity. The cross-over rate and the effective population size decide about the probability of separation of genes located on one chromosome during the reproduction. If this probability is low, the genes are inherited as a cluster. Purifying selection, which tries to minimise the number of mutations by eliminating defective genes from a cluster, seems to be the more costly strategy and genomes may chose the strategy of complementation. Switching between the two strategies - purifying selection and complementation of haplotypes - has a character of transition. Results of the human chromosome analyses suggest that our chromosomes evolve in conditions close to this transition and formation of clusters and their complementation should be expected. The distribution of genes in the complementing clusters is not random and it is specific for evolving populations. Sympatric speciation, where one species splits into several within the same territory, should be considered as a very common phenomenon in spatially distributed populations and, in fact, it is observed during the computer simulations. In neo-Darwinian theory of evolution, sympatric speciation has been considered as an improbable and negligible phenomenon just because in the mean field models of very large Mendelian populations (panmictic, with very high intragenomic recombination rate) these effects cannot be observed. Computer modeling also showed that the shrinking of the Y chromosome observed during genome evolution of mammals is connected with promiscuity in the strategy of their reproduction.

• Journal: Kosmos
• Year: 2009
• Volume: 58
• Issue: 1-2
• Pages: 29-41

Dates

published

2009

Contributors

author

Stanisław Cebrat

• Zakład Genomiki, Wydział Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego, S. Przybyszewskiego 63/77, 51-148 Wrocław, Polska

author

Dorota Mackiewicz

• Zakład Genomiki, Wydział Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego, S. Przybyszewskiego 63/77, 51-148 Wrocław, Polska

author

Wojciech Waga

• Zakład Genomiki, Wydział Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego, S. Przybyszewskiego 63/77, 51-148 Wrocław, Polska

References

• Arbuthnot J., 1710. An argument for Divine Providence, taken from the constant regularity observed in the births of both sexes. Royal Society, London.
• Biecek P., Cebrat S., 2008. Why Y chromosome is shorter and women live longer? Europ. Physical J. B. 65, 149-153.
• Bońkowska K., Kula M., Cebrat S., Stauffer D., 2007. Inbreeding and outbreeding depressions in the Penna model as a result of crossover frequency. Int. J. Mod. Phys. C 18, 1329-1338.
• de Oliveira P. M. C., Moss de Oliveira S., Stauffer D., Cebrat S., Pękalski A., 2008. Does Sex Induce a Phase Transition? Europ. Phys. J. B. 63, 245-254.
• Edmands S., 2007. Between a rock and a hard place: Evaluating the relative risks of inbreeding and outbreeding for conservation and management. Mol. Ecol. 16, 463-475.
• Ferguson-Smith M., 2007. The Evolution of Sex Chromosomes and Sex Determination in Vertebrates and the Key Role of DMRT1. Sex Dev. 1, 2-11.
• Fisher, R. A., 1930. The Genetical Theory of Natural Selection, Clarendon Press, Oxford
• Gompertz B., 1825. On the nature of the function expressive of the law of human mortality, and on a new mode of determining the value of life contingencies. Phil. Trans. Roy. Soc. (London) 115, 513-585.
• Hardy G. H., 1908. Mendelian proportions in a mixed population. Science 28, 49-50.
• Hayflick L., Moorhead P. S., 1961. The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp. Cell Res. 25, 585-621.
• Helgason A., Pálsson S., Guðbjartsson D. G., Kristjánsson Þ., Stefánsson K., 2008. An association between the kinship and fertility of human couples. Science 319, 813-816.
• Jiggins C. D., 2006. Sympatric speciation: why the controversy? Curr. Biol. 16, R333-R334.
• Lobo M. P., Onody R. N., 2005. Degeneration of the Y chromosome In evolutionary aging models. Eur. Phys. J. B 45, 533-537.
• Łaszkiewicz A., Cebrat S., 2005. Monte Carlo Simulations of the Age Structure of the Human Population. J Insur. Med. 37, 3-12.
• Masa M., Cebrat S., Stauffer D., 2006. Does telomere elongation lead to a longer lifespan if cancer is considered? Physica A 364, 324-330.
• Mayr E., 1942. Systematics and the Origin of Species. Columbia Press, New York.
• Medawar P. B., 1952. An unsolved problem of biology. H. K. Lewis & Co., London.
• Moss De Oliveira S., De Oliveira P. M. C., Stauffer D., 1999. Evolution, Money, War and Computers. Stuttgard-Leipzig: Teubner.
• Niewczas E., Cebrat S., Stauffer D., 2000. The influence of the Medical Care on the Human Life Expectancy in 20th Century and the Penna Ageing Model. Theory Biosci. 119, 122-131.
• Penna T. J. P., 1995. A bit-string model for biological aging. J. Stat. Phys.78, 1629-1633.
• S'a Martins J. S., Cebrat S., 2000. Random Deaths in a Computational model for age-structured populations. Theory Biosci. 119, 156-165.
• Stauffer D., Moss de Oliveira S., de Oliveira P. M. C., S'a Martins J.S. 2006. Biology, Sociology, Geology by Computational Physicists. Amsterdam: Elsevier
• Waga W., Mackiewicz D., Zawierta M., Cebrat S., 2007. Sympatric speciation as intrinsic property of expanding populations. Theory Biosci. 126, 53-59.
• Zawierta M., Biecek P., Waga W., Cebrat S., 2007. The role of intragenomic recombination rate in the evolution of population's genetic pool. Theory Biosci. 125, 123-132.
• Zawierta M., Waga W., Mackiewicz D., Biecek P., Cebrat S., 2008. Phase Transition in Sexual Reproduction and Biological Evolution. Int. J. Mod. Phys. C 6, 917-936.
• Allel - jedna z dwóch albo wielu postaci danego genu odpowiedzialnego za pełnienie konkretnej funkcji, zajmującego zwykle to samo miejsce w genomie (locus).
• Allel dziki - funkcjonalna forma genu, allel funkcjonalny, występujący w naturalnej populacji.
• Autosom - chromosom inny, niż chromosom płciowy.
• centyMorgan (cM) - genetyczna jednostka długości chromosomu - prawdopodobieństwo zajścia crossing over na odcinku jednego centyMorgana, w czasie jednej mejozy wynosi 1%.
• Chromosomy płciowe - chromosomy, których występowanie się różni u obu płci i które są zaangażowane w różnicowanie płciowe (pozostałe chromosomy, to autosomy).
• Crossing-over - genetyczna rekombinacja wzajemna. Wymiana homologicznych fragmentów chromosomów w czasie mejozy, pozwala na pojawienie się chromosomów o strukturze genetycznej różnej, niż chromosomy rodzicielskie.
• Fenotyp - obserwowalna cecha osobnika, będąca wynikiem oddziaływania genotypu ze środowiskiem.
• Filogeneza - droga rozwoju, historia ewolucyjna, pochodzenie grupy organizmów (zwykle gatunku).
• Gameta - dojrzała komórka płciowa, zdolna do fuzji z gametą płci przeciwnej, w wyniku której powstaje zygota.
• Gen - brak dobrej definicji genu. Znaczenie terminu zmienia się zależnie od kontekstu. Tutaj, jednostka genetyczna odpowiedzialna za określoną funkcję.
• Genom - całkowita informacja genetyczna zawarta w organizmie. W przypadku eukariotów, termin jest często stosowany tylko dla pojedynczego zestawu chromosomów.
• Genom diploidalny - informacja genetyczna zawarta w obydwu kompletach chromosomów organizmu (diploidalnego).
• Genom haploidalny - informacja genetyczna zawarta w jednym komplecie chromosomów, gamety, bądź organizmu (haploidalnego).
• Genotyp - (1) - całkowita informacja genetyczna organizmu (odpowiada pojęciu genomu). (2) - genetyczna struktura organizmu pod względem jednego genu lub małej grupy genów.
• Haplotyp - (1) - termin używany zamiennie z genomem haploidalnym. (2) - specyficzny układ genów na jednym chromosomie lub w jednej gamecie.
• Hemizygota - organizm posiadający w swoim genomie tylko jedną kopię danego genu, serii genów lub chromosomu (na przykład samiec ssaka posiada tylko jedną kopię chromosomu X w swoim genomie).
• Heterogametyczna (płeć) - osobniki tej płci produkują dwa rodzaje gamet (samiec ssaka produkuje plemniki z chromosomem X albo z chromosomem Y).
• Heterozygota - osobnik, który co najmniej w jednym locus posiada dwa różne allele.
• Homogametyczna (płeć) - płeć, której osobniki produkują tylko jeden rodzaj gamet (wszystkie komórki jajowe samicy ssaka posiadają chromosom X).
• Homozygota - osobnik, który w konkretnym locus posiada identyczne allele, albo osobnik, który we wszystkich loci posiada identyczne allele.
• Locus (lm. loci) - miejsce w genomie lub na chromosomie, zajmowane przez dany gen (allel).
• Mutacja - zmiana w sekwencji nukleotydowej genu, najczęściej powodująca jego uszkodzenie i utratę funkcji.
• Mutacja letalna - mutacja powodująca uszkodzenie genu prowadzące do śmierci organizmu.
• Mutacja recesywna - mutacja, której efekt może być komplementowany (uzupełniany) przez dziki allel (w organizmie diploidalnym).
• Ortolog - gen homologiczny do danego genu, występujący w innym organizmie. Geny ortologiczne pochodzą od jednego genu występującego w organizmie wspólnego przodka obu organizmów.
• Poliandria - związek małżeński jednej kobiety z wieloma mężczyznami.
• Poligamia - związek małżeński, w której może być więcej niż jeden przedstawiciel jednej płci.
• Populacja panmiktyczna - populacja, w której dominującą strategią rozrodczą jest promiskuityzm. W opisywanym przypadku modelu w populacji występuje poliandria.
• Promiskuityzm - strategia rozrodcza, w której każdy osobnik populacji może kopulować z dowolnym innym osobnikiem płci odmiennej tej populacji.
• Pula genetyczna - zespół informacji genetycznej populacji (gatunku).
• Rekombinacja - wymiana, łączenie, wyłączanie, przemieszczanie informacji genetycznej w obrębie jednego genomu lub między genomami.
• Rekombinacja wzajemna - wymiana homologicznych odcinków chromosomów (patrz crossing over).
• Replikacja - podwajanie informacji genetycznej poprzez budowanie dwóch siostrzanych cząsteczek DNA na matrycy cząsteczki macierzystej.
• Rewersja - powrót zmutowanej formy genu do jego pierwotnej postaci na skutek kolejnej mutacji (bardzo rzadkie zjawisko).
• Śmierć genetyczna - śmierć organizmu, wynikająca z jego struktury genetycznej (na przykład na skutek mutacji letalnej).
• Specjacja - pojawienie się nowego gatunku.
• Specjacja sympatryczna - wyłonienie się nowego gatunku w obrębie istniejącej populacji bez występowania barier fizycznych, geograficznych lub ekologicznych.
• Subtelomerowe (rejony) - części chromosomów położone w pobliżu telomerów.
• Telomer - końcowa część chromosomu, zbudowana z wielu krótkich powtórzonych sekwencji nukleotydowych, które zapobiegają zlepieniu się chromosomów końcami.
• Współczynnik inbredu - wartość określająca średni stopień pokrewieństwa między rodzicami.
• Zygota - komórka (zwykle diploidalna), która powstaje na skutek fuzji gamety żeńskiej i męskiej.