Mutace

Mutace jsou významné, protože jsou hlavním zdrojem veškeré genetické variability. Nejjednodušší mutací je bodová mutace zvaná substituce, kdy je jedna nukleotidová báze zaměněna za jinou v sekvenci DNA (např. T za C). Mnoho substitucí má malý nebo žádný efekt (např. z důvodu degenerovanosti genetického kódu - kodonové rodiny). Inzerce a delece nukleotidových bází mohou mít větší důsledky na fenotyp, kdy může dojít k posunu čtecího rámce, kdy jsou odlišně čteny kodony za mutací. Významnou příčinou inzerce nebo delece jsou pohyblivé elementy DNA, které se nazývají transposibilní elementy nebo transposony. Poslední třídou mutací jsou chromozomální aberace (přeuspořádání hmoty chromozomu) - inverze a translokace. Tyto mutace mohou mít velké fenotypové efekty, závislých na tom, zda geny nebo genové komplexy jsou porušeny přeuspořádáním. Je však důležité si uvědomit, že bez působení dalších faktorů (selekce) nemají mutace možnost měnit frekvence alel v průběhu generací. Mutace jsou však ve většině případů recesivní a fatální (fitness je W = 0, a selekční koeficient s = 1).

Původní geny se označují jako wildtype (původního typu). Původní typy genů mutují velmi pomalu, typickým rozpětím je 10^-4 až 10^-6 mutací na jeden gen za jednu generaci. I když je nízká intenzita mutace, může se vytvořit mnoho nových mutantních alel, protože ve velkých populacích je velký počet genů, které mají možnost zmutovat. V populaci o N diploidních jedincích je 2N kopií každého genu, které mohou zmutovat v každé generaci. Mutace nejsou časté, ale ve velkých populacích může mnoho alel zmutovat. Pro zjištění, zda je mutace síla měnící frekvence alel, je nutné změřit intenzitu mutace (poměr vzniku mutací; poměr nových mutovaných alel k počtu gamet; pravděpodobnost mutace). Např. je-li intenzita mutace 10^-9 na nukleotidový pár za generaci, pak v každé gametě (pokud DNA obsahuje 10⁹ párů bází) budou průměrně 3 nové mutace v každé generaci a každé nově oplozené vajíčko ponese průměrně 6 nových mutací. Pokud populace člověk dnes čítá 6 miliard jedinců, pak vůči předcházející generaci bude ta současná nést o 36 miliard nových mutací více.

Nevratná mutace - jednosměrná

Ihned po mutaci je její výskyt v populaci minimální, pokud je velikost populace velká. Známe-li intenzitu mutace (), můžeme odhadnout změnu ve frekvenci alel za jednu generaci.

Alela A mutuje intenzitou na alelu a; p₀ a q₀ jsou původní frekvence alel před mutací a p₁ a q₁ po mutaci. Uvažujeme mutaci, která má malý efekt na schopnost přežití a reprodukci, a kterou selekce znatelně neovlivňuje jejich frekvenci. Mutace je nevratná, což znamená, že nedochází ke zpětné mutaci a na A. Abychom se vyhnuli změně frekvencí alel v důsledku náhody, budeme předpokládat populaci s nekonečně velkou početností.

Vyskytne-li přesně jedna mutace za generaci a budeme ignorovat vliv náhodného genetického driftu, pak frekvence alely a se zvyšuje přesně podle řady 1/(2N), 2/(2N), 3/(2N)... Jestliže N (velikost populace) má velkou hodnotu (např. N = 10⁶), pak je zvýšení frekvence alely a velmi pomalé z generace na generaci. Pak tendence pro změnu frekvence alely, která je výsledkem opakující se mutace (mutační tlak), je velmi malá. Na druhou stranu, kumulativní efekty mutace po delší období mohou být zjevné.

Model nevratné mutace:

• p₀ = -p₀
• q₀ = +p₀ (nebo q₀ = (1 - p₀)

Nové četnosti alel A a a:

• p₁ = p₀ - p₀
• q₁ = q₀ + p₀ (nebo q₁ = (1 - p₁)

Změna četnosti alel za jednu generaci:

• p = p₁ - p₀ = (p₀ - p₀) - p₀= -p₀
• q = q₁ - q₀ = (q₀ + p₀) - q₀= + p₀

Teoretická změna ve frekvenci alely na lokusu v důsledku mutace se může vypočítat jako: p_t = p₀ (1 - )^t ,

kde p_t je frekvence původní alely v generaci t a (1 - ) je podílem původního typu alely, které nemutují každou generaci.

Teoretická změna frekvence alely na jednom lokusu vlivem mutace. V první generaci se vyskytovala pouze alela A (p = 1,00). S intenzitou mutace 1,0 x 10^-5 by bylo nutné 70 tisíc generací, aby se snížila četnost na p = 0,5. Vliv mutace na změnu frekvence alely je extrémně slabý. Efekt výše uvedeného mutačního tlaku na frekvenci alely je ilustrován na obrázku:

Je také možné z uvedených rovnic vypočítat potřebný čas ke snížení frekvence alely A na polovinu. Zjištění polovičního snížení frekvence platí p_t = 0,5 p₀ a tento vztah naznačuje, že 0,5 = (1 - )^t. Po zlogaritmování obou stran rovnice získáme:

t_1/2 = ln(0,5) / ln(1 - ) = 0,6931 /

V případě mutační intenzity 10^-5 je t_1/2 = 69314 generací (popř. při. = 10^-6 je t_1/2 = 693100 generací).

Aktualizováno: 03.02.2015