KONU 5

Evrim Mekanizmaları I:

Seçilim ve Mutasyon

Aslı Sade Memişoğlu

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

Giriş

• 2018 Nobel Kimya Ödülü

– https://www.youtube.com/watch?v=CnPAmI_cROs

• 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

https://www.youtube.com/watch?v=CnPAmI_cROs

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

Bir simülasyon

Gametler

Gen havuzu

Erginler

Popülasyon

Çocuklar

ZigotlarPopülasyondaki tüm

erginlerce üretilen

tüm yumurta ve

spermler

A ve a allellerine

sahip olan A

lokusunu inceleyelim

Her gamet A

lokusunun bir allelini

alır

Rastgele birleşme

• 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

Bir simülasyon

Gözleri kapatıp bir yumurta seçelim

Sonra da bir sperm seçelim

Bu işlemi 100 zigot oluşacak kadar yapalım

• 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

a: 0,375

• Popülasyon evrimleşti!

Bir simülasyon

İlk allel frekansları

Son allel frekansları

Genotip

GenotipGenotip

Zig

ot

say

ısı

Ya

vru

say

ısı

Eri

şkin

say

ısı

Evrim

popülasyon allel

frekansında

değişimdir

• 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)

Eğer şans durumu olmasaydı ne olurdu?

Punnett karesi kullanılarak iki birey arasındaki bir çaprazın

oluşturacağı zigotların genotipi tahmin edilebilir

Yumurta

Zigotlar

Aynı şekilde popülasyonun vereceği döller için de hesap

yapabiliriz.

Bağımsız iki olayın aynı anda gerçekleşmesi olasılığı: her iki

olayın olasılıklarının çarpımıdır

A = 0.6

a = 0.4

Yu

mu

rta

Zigotlar

ZigotYumurta Olasılık

(A) frekansı= : 9x2 + 12 = 30/50 = 0.6

25 bireylik bir

popülasyon

0.36, 0.48 ve 0.16

genotip frekanslarına

sahip bir popülasyon…

…gametler ürettiğinde…

…frekanslar yine 0.6

ve 0.4 olur

Erginler

Gametler

Toplam

Toplam

İlk allel frekansları

Son allel frekansları

Genotip

GenotipGenotip

Zig

ot

say

ısı

Ya

vru

say

ısı

Eri

şkin

say

ısı

Şans hiçbir rol oynamadığında popülasyonda bir nesilden

diğerine allel frekansları değişmemektedir.

Allel frekansları toplamı 1 olduğu sürece geçerli!!!

Genelleme yaparsak

A1 ve A2 allelleri olan A lokusu olsun

A1 olasılığı = p

A2 olasılığı = q

ZigotYumurta Olasılık

Yumurta

Zigotlar

Erginler

Gametler

Bir sonraki nesilde allel frekanslarını hesaplarsak

Yeni nesilde gametlerin frekansının değişmediğini görürüz

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 p2, 2pq ve q2

olarak hesaplanabilir

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

• 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

Evrimin 4 mekanizması

Sürüklenme

MutasyonSeçilim

Göç

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?

5.2 Seçilim ardışık nesillerde allel frekanslarında değişime

neden olabilir

İlk allel frekansları

Son allel frekansları

Genotip

GenotipGenotip

Zig

ot

say

ısı

Ya

vru

say

ısı

Eri

şkin

say

ısı

Seçilim

ölüm

Gerçekte bu kadar belirgin bir seçilim baskısı çok nadir görülür!!!

Düşük de olsa, sürekli seçilim baskısı allel frekansını değiştirebilir mi?

Seçilim olasılıkları

Hayatta kalma yüzdesi

Güçlü

Zayıf

Nesil

B1

all

elfr

eka

nsı

EVET

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

CC

R5

-d3

2 a

llel

frek

an

sı

5.3 Seçilim modelleri

1. Çekinik ve baskın aleller üzerine işleyen

seçilim

2. Homozigot ve heterozigotlar üzerine

işleyen seçilim1. Heterozigotları koruyan seçilim

2. Homozigotları koruyan seçilim

3. Frekansa bağımlı seçilim

5.3.1. Çekinik ve baskın aleller üzerine işleyen seçilim

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

Ölü

mcü

l çe

kin

ik a

llel

frek

ansı

Yaş

aşm

ayı

sağ

layan

bas

kın

all

elfr

ekan

sı

Nesil

6.3.2. 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

Yaş

amay

ı sa

ğla

yan

all

elfr

ekan

sı

Nesil

Mavi veri: bilgisayarla sınama

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

• 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 60.000 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?

Zorunlu kısırlaştırma örneği

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

5.4 Evrimsel mekanizma olarak mutasyon

İlk allel frekansları

Son allel frekansları

Genotip

GenotipGenotip

Zig

ot

say

ısı

Eri

şkin

say

ısı

A kopyalarını

1/10000 oranında

a kopyalarına

dönüştürür

Ya

vru

say

ısı

Mutasyon

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

A f

rek

an

sı

Nesil

Mutasyon ile bakteri evrimi

Mutasyon, seçilim ile beraber işlediğinde önemli bir evrimsel

süreç haline gelir!!!

Bakterilerde yararlı mutasyonların seçilimi hızlı sıçramalara neden

olmuştur

Mutasyon olmasaydı evrim dururdu!!!

Hücr

e büy

üklü

ğü

Nesil

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

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

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