Genetyka populacji i ewolucja

Genetyka populacji zajmuje się badaniem częstości występowania alleli
w populacji, ewolucja zaś zmianami częstości ich występowania w czasie. Zagadnienia przedstawione w tej sekcji są ze sobą ściśle związane.

Darwin zaobserwował, że zaledwie część potomstwa danego gatunku przeżywa
i rozmnaża się, przekazując swoje cechy genetyczne dalszym pokoleniom.

Oszacowanie częstości genotypów jest możliwe na podstawie częstości występowania alleli przy założeniu, że częstości te nie podlegają zmianom. Umożliwia to ilościową analizę zmian, a rozszerzone równania mogą posłużyć do przewidywania zmian częstości alleli, wynikających z ciągłości tych zmian.
Stąd możliwe jest przewidywanie ewolucyjnych rezultatów poszczególnych scenariuszy.

W większości populacji istnieje ogromna zmienność genetyczna. Pochodzi ona
z mutacji i jest podstawowym terenem działania doboru, jednakże istnieją trudności w określeniu jej wielkości. Utrzymanie całej zmienności wymagałoby zbyt dużej śmiertelności wynikającej z doboru naturalnego. Większość zmienności może być selekcyjnie neutralna i może być obiektem działania dryfu (zmian losowych). Trwa debata na temat znaczenia doboru i dryfu
w utrzymywaniu zmienności.

Nowa Syntetyczna Teoria Ewolucji łączy dobór naturalny z naszą wiedzą
o dziedziczeniu i genetyce populacji. Dobór postrzega się jako mechanizm oddziałujący na jednostki genetyczne, allele, które trwają przez pokolenia.

Chromosomy każdego gatunku mają charakterystyczną wielkość, kształt i liczbę. Komplet chromosomów danego gatunku nazywany jest jego kariotypem. Chromosomy, będące nośnikami informacji genetycznej, zmieniają w czasie ewolucji swój kształt i liczbę. Przyczynia się to do zróżnicowania wewnątrzgatunkowego oraz procesów specjacji.

Osobniki jednego gatunku mogą potencjalnie dzielić wspólną pulę genową. Podstawowym wydarzeniem dla procesu specjacji jest sytuacja, w której osobniki dwóch populacji danego gatunku przestają się krzyżować i wymieniać materiał genetyczny. Wówczas różnice genetyczne mogą się kumulować, powodując rozbieżne zmiany w ekologii i behawiorze, do czasu, aż każda
z populacji staje się nowym gatunkiem.

Czasem pojawiają się osobniki z dodatkowym, kompletnym zestawem chromosomów, będącym zwykle efektem hybrydyzacji między gatunkami. Osobniki takie mogą tworzyć nowe gatunki, ponieważ nie mogą krzyżować się
z diploidami, a około połowa wszystkich gatunków roślin jest poliploidalna. Dodatkowe genomy są także podatne na mutacje, w wyniku czego mogą powstać nowe funkcje genów.

Porównanie sekwencji DNA i częstości alleli pozwala retrospektywnie zbadać oddzielanie się i dywergencję populacji i gatunków.

Ewolucja przez dobór naturalny

Dobór naturalny jest ograniczeniem, nakładanym przez warunki naturalne na wielkość populacji, zmuszając osobniki tego samego gatunku do współzawodniczenia o ograniczone zasoby. Te osobniki, które efektywnie wykorzystują zasoby, aby się rozmnażać, przekazują materiał genetyczny swemu potomstwu i są promowane przez dobór. Zaś osobniki nieefektywne lub nieudane nie odnoszą sukcesu reprodukcyjnego i dobór eliminuje je. Jest to proces analogiczny do_, stosowanej przez hodowców, selekcji najlepszych zwierząt
i roślin hodowli. Powoduje to stopniowe zmiany w genetycznej strukturze populacji. Promowane przez dobór cechy fenotypowe staną się coraz częstsze, pod warunkiem że są genetycznie kontrolowane. Względne dostosowanie jest zróżnicowaną wypadkową sukcesu reprodukcyjnego osobników o różnych genotypach (kombinacjach alleli). Karol Darwin pierwszy zaproponował dobór naturalny jako przyczynę ewolucji, lecz nie wiedział, jak działa dziedziczenie.

Obserwacje Darwina były następujące:
(1) potencjalna liczba potomstwa danego gatunku jest nieskończona. Rodzi się znacznie więcej potomstwa niż może przeżyć;
(2) ten potencjalny wzrost populacji jest powstrzymywany przez ograniczone zasoby; populacje mają stosunkowo stałą wielkość;
(3) istnieje między osobnikami wiele różnic, które wpływają na ich zdolność przeżycia i reprodukcji.

Wobec tego wnioski Darwina były następujące:
(1) istnieje walka o ograniczone zasoby;
(2) te osobniki, które przeżyją i efektywnie się rozmnożą, przekażą swemu potomstwu cechy, które pozwoliły im utrzymać się przy życiu i osiągnąć sukces reprodukcyjny;
(3) odziedziczone cechy, pomocne we współzawodnictwie rozrodu, stopniowo będą się stawały coraz częstsze w populacji. Ta stopniowa przemiana to ewolucja.

Modele doboru

(1) Dobór stabilizujący eliminuje fenotypy zbytnio odstające od optimum (normy). W stabilnym środowisku zmiany czy odchylenia zwykle prowadzą do powstania fenotypów gorzej dostosowanych.

(2) Dobór kierunkowy dąży do nowego optimum i działa przeciwko jednemu krańcowi zakresu fenotypów, co powoduje przesunięcie średniej wartości danej cechy w kierunku nowego optimum. Sytuacja taka może wystąpić po zmianie
w środowisku, a także wewspółzawodnictwie z innym gatunkiem. Selekcja jest silniejsza, gdy nisze dwóch gatunków pokrywają się, wówczas każdy z nich
podlega doborowi w kierunku większego zróżnicowania jednego

w stosunku do drugiego (np. kiedy jeden gatunek staje się większy, to drugi mniejszy, prowadzi to do zmniejszenia współzawodnictwa),
(3) Dobór rozrywający działa przeciwko fenotypom średnim, faworyzując dwa różne optima fenotypów skrajnych. Może się on rozwinąć jako różnica płci (np. samica krogulca jest większa od samca i poluje na większą zdobycz). Dobór rozrywający może działać, gdy występują dwa odmienne typy jakościowe, lecz istnieją problemy teoretyczne związane z ciągłą zmiennością cech, ze względu na nieustanne powstawanie niedostosowanych osobników pośrednich.

Specjacja początkowa

Rasy są zaczątkiem gatunku. Różnice genetyczne pomiędzy izolowanymi populacjami mogą narastać, aż stają się one początkowo różnymi rasami, aby ostatecznie uzyskać status oddzielnych gatunków.

Dobór płciowy
U gatunków poligamicznych osobniki jednej płci, zwykle samce, konkurują o partnera. Dobór wewnątrz płci to konkurencja między osobnikami tej samej płci
o dostęp do partnera. Najczęściej jest to konkurencja między samcami, która selekcjonuje zwiększone rozmiary ciała i oręża, jak np. poroże jeleni. Konkurencja między płciami jest interakcją między członkami przeciwnych płci, gdy jedna z płci „reklamuje się", aby wykazać swoje dostosowanie i przyciągnąć partnera. Druga płeć, najczęściej „grymaśne" samice, wybierają swych partnerów na podstawie prezentowanej „reklamy". Tego typu dobór tworzy niezwykłe przykłady ozdabiania ciała (np. ogon pawia). Można by je określić jako „utrudnienia", lecz terminy „reklama" czy „status symboli" celniej odzwierciedlają ich rolę.

Samolubny DNA, samolubne geny

Tylko kopie DNA czy genów mogą przetrwać przez pokolenia (fenotypy giną wraz z osobnikami, zaś genotypy są rozrywane podczas mejozy). Elementy transpozycyjne (transpozony) to krótkie regiony DNA (wiele nawiązuje do retrowirusów), które są kopiowane i wbudowywane we wszystkie chromosomy komórki, skutkiem tego wzrasta ich częstość bez zwiększania dostosowania osobnika, w którym się znajdują. Sekwencje DNA są selekcjonowane, aby polepszyć przekazywanie kopii ich samych, nawet ze szkodą dla innych genów genomu danego gospodarza. W ekstremalnych przypadkach DNA lub całe chromosomy mogą przejawiać mechanizm zakłócania segregacji mejotycznej
w czasie podziału komórki, aby podwyższyć swoją częstość w gametach
i zygotach, albo spowodować zniszczenie gamet, które nie zawierają ich kopii obniżając tym samym konkurencję. Taki samolubny lub pasożytniczy DNA może obniżać fenotypowe dostosowanie osobników zawierających go, pod warunkiem że zakłócanie segregacji mejotycznej przewyższa redukcję dostosowania.

W roku 1838 Karol Darwin uznał dobór naturalny jako mechanizm powodujący ewolucję, lecz nie opublikował działa „O powstawaniu gatunków" aż do roku 1859; do tych samych wniosków doszedł niezależnie Alfred Russel Wallace w 1858 roku. Poprzednie teorie ewolucji zakładały, że organizmy podwyższają swój status dzięki własnym wysiłkom (dziedziczenie cech nabytych), teoria ta znana jest dziś jako „Lamarkizm" po jej ostatnim wielkim wyznawcy. Zakładała ona, że istnieje progresja od mułu, z którego według jej zwolenników powstało życie, aż do człowieka

Zmiany chromosomów w ewolucji

Kariotyp opisuje liczbę i kształt (morfologię) chromosomów. Organizmy diploidalne mają 2n chromosomów, a n to liczba haploidalna, występująca
w gametach. Autosomy to takie same chromosomy niezależnie od płci, natomiast charakterystyczne dla danej płci to chromosomy płci. Każdy gatunek ma specyficzny kariotyp — zespół par chromosomów o określonej wielkości
i kształcie. W zależności od położenia centromeru wyróżniamy chromosomy metacentryczne (centromer w pobliżu środka), submetacentryczne (centromer przesunięty w stronę jednego ramienia), akrocentryczne (centromer w pobliżu końca) i telocentryczne (centromer graniczący z telomerem). Odpowiadające sobie chromosomy w obrębie jednego gatunku niekiedy różnią się wielkością
i kształtem (polimorfizm), a także ewoluują. U niektórych organizmów zmiany te są bardzo duże, zaś w innych przypadkach bardzo nieznaczne.

Polimorfizm chromosomów a płodność

Heterozygotyczność pod względem rearanżacji (aberracji) może prowadzić do nieprawidłowej segregacji genów w mejozie. Rekombinacja (tworzenie chiazm, cross-over) między normalnym i zmienionym segmentem prowadzi do powstania niezbalansowanych gamet, z podwójną kopią lub brakiem niektórych fragmentów chromosomu (duplikacje lub delecje). Z tej przyczyny nowo powstałe rearanżacje trudno się utrwalają. Jest to jeden z postzygotycznych mechanizmów izolacji między gatunkami, powodujący sterylność mieszańców. Gdy jednak polimorfizm chromosomów istnieje, to zwykle działają specjalne mechanizmy, które redukują szkodliwe efekty aberracji i utrzymują polimorfizm.

Mechanizmy rearanżacji chromosomów

Aby nastąpiła rearanżacja (aberracja), w chromosomie musi dojść do rozerwania nici DNA w przynajmniej dwóch miejscach i ponownego ich połączenia w innym układzie niż wyjściowy. Prawdopodobną przyczyną nieuprawnionej rekombinacji między rozproszonymi, powtarzalnymi sekwencjami zasad, głównie między transpozonami, a następnie nieprawidłowego odtworzenia rozerwanych dwuniciowych łańcuchów DNA, może być działanie promieniowania lub innych czynników mutagennych. Rearanżacje mogą występować wewnątrz chromosomu lub dotyczyć wymiany lub przeniesienia między chromosomami.

Delecje

Delecje to mutacje prowadzące do utraty materiału genetycznego. Stopień ich szkodliwości zależy od tego, jak wielu i jak ważnych genów zostanie pozbawiony dany osobnik. Jeśli na skutek mutacji fragment chromosomu pozostanie bez centromeru (fragment acentryczny), to komórka ten fragment straci.

Duplikacje

W efekcie duplikacji dochodzi do utworzenia się dodatkowej kopii fragmentu chromosomu wraz ze znajdującymi się na nim genami. Mutacje te są mniej szkodliwe niż delecje, a nowo powstała kopia genu może dalej ewoluować
i zacząć pełnić nową rolę. W ten sposóc w czasie ewolucji, powstała prawdopodobnie większość nowych genów. Ostra selekcja zwielokrotnionych kopii genów (np. oporność na wiele leków) zwykle „wyłapuje" komórki ze zduplikowanymi genami (amplifikacja genów), widocznymi często jako odmiennie barwiące się regiony chromosomów.

Fuzja i podział centromerów

Dwa chromosomy akrocentryczne lub telocentryczne (bez krótszych ramion) mogą się połączyć centromerami i utworzyć jeden chromosom metacentryczny (centromer blisko środka) lub submetacentryczny (oba ramiona nierównej długości). Jest to tak zwane połączenie centryczne lub inaczej translokacja typu Robertscr Jej przeciwieństwem jest podział centromerów, który powoduje,
że jeden chromosom metacentryczny rozpada się na dwa chromosomv telocentryczne. Obie sytuacje prowadzą do zmian w liczbie chromosomów.
Aby mejoza mogła przebiegać prawidłowo w komórkach heterozygotycznych, do jednego bieguna muszą przejść dwa chromosomy telocentryczne, a do drugiego bieguna jeden metacentryczny (z dwoma ramionami).

Translokacja

Translokacja prowadzi do wymiany dystalnych odcinków między chromosomami niehomologicznymi (genetycznie różnymi). Do wytworzenia prawidłowej, genetycznie zbalansowanej gamety konieczne jest przejście do jednej komórki albo dwóch chromosomów z translokacja, albo obu chromosomów nie zmutowanych. W czasie mejozy, gdy dochodzi do koniugacji pomiędzy chromosomem normalnym i zmutowanym, tworzą się pierścienie lub łańcuchy
z kilku chromosomów. Jeśli dwa sąsiadujące chromosomy będą przechodzić do tego samego bieguna komórki, to powstaną gametv niezbalansowane genetycznie. Natomiast, jeśli do tego samego biegun przejdą różne chromosomy, gamety będą prawidłowe. Pewne gatunki są heterozygotyczne pod względem wielu translokacji i w czasie mejozy ich chromosomy tworzą długie łańcuchy lub pierścienie.

Inwersje

Na skutek inwersji część chromosomu ulega odwróceniu o 180° i zmienia się biegunowość tego fragmentu. Inwersje perycentryczne obejmują swoim zasięgiem centromer, inwersje paracentryczne dotyczą jedynie ramion bez centromerów. Chromosom z inwersją może koniugować z normalnym chromosomem podczas mejozy u heterozygot, o ile utworzy on pętlę inwersyjną. Mejotyczna rekombinacja w obrębie pętli inwersyjnej prowadzi do duplikacji jednego końca każdej z chromatyd i delecji jej dwóch przeciwległych końców. W wyniku rekombinacji tworzą się więc nieżywotne gametv i nie dochodzi do powstania potomstwa. Konsekwencją inwersji jest zatem supresja rekombinacji między odwróconym i normalnym fragmentem chromosomu. Gatunki, które charakteryzuje duży polimorfizm inwersyjny mają mechanizmy zapobiegające niepłodności.

Inwersje paracentryczne

Te mutacje nie obejmują centromerów. Na skutek rekombinacji w mejozie, w pętli inwersyjnej tworzy się chromatyda dicentryczna (z dwoma centromerami)
i fragment acentryczny (bez centromeru). U większości Diptera (muchówki) tego typu mutacje są tolerowane, ponieważ u samców tych owadów nie występuje rekombinacja, a to oznacza, że produkowane przez nie gamety zawierają komplet chromosomów. Samice natomiast mają mechanizmy powodujące, że jedynie niezrekombinowane chromatydy przechodzą do komórek jajowych. Po połączeniu takich gamet powstają więc normalne zygoty.

Inwesje perycentryczne

Mutacje te obejmują swym zasięgiem centromery, a w wyniku rekombinacji żadna z czterech chromatyd nie może uniknąć duplikacji i delecji, bo mają one wspólny centromer. W efekcie większość zygot powstałych z połączenia się takich gamet będzie miało niezbalansowane genomy. Inwersje perycentryczne mogą utrzymywać się jako polimorfizmy u tych gatunków, u których w mejozie nie dochodzi do rekombinacji.

Zmiany w chromosomach płci

Chromosomy Y zawierają jedynie kilka genów i istnieją gatunki, u których tych chromosomów w ogóle brak (XX samica, X0 samiec). Połączenie chromosomu X z autosomem powoduje w tym przypadku, że pozostała wolna kopia autosomu staje się neochromosomem Y. Dotyczy to jedynie samców, które mają dodatkową kopię dołączoną do ich pojedynczego chromosomu X. Natomiast, w przypadku fuzji chromosomu Y z autosomem, niepołączony autosom staje się neochromosomem X. Jedna wolna kopia zostaje u samców (aby zrównoważyć kopię dołączoną do Y), dwie kopie, jak wcześniej, zostają u samic. Jeśli u danego osobnika występują dwa (lub więcej) różne chromosomy X lub Y, to oznacza się je odpowiednio Xi, X₂, Yi, Y₂ itd.

Efekty ewolucyjne

Polimorfizmy inwersji paracentrycznych są powszechne u Diptera, które mogą posiadać zestawy alleli koadaptowane dla kontroli płci, lub przystosowane do poszczególnych nisz ekologicznych. Supresja rekombinacji chroni grupy sprzężeń między genami i ułatwia ich koewolucję. Mutacje chromosomowe są powszechne w ewolucji, mogą powodować sterylność mieszańców między blisko spokrewnionymi gatunkami, a zatem są jednym z mechanizmów postzygotycznej izolacji

Ewolucja


Ewolucja przez dywergencję

Ewolucja zachodzi na skutek zmian częstości występowania alleli w czasie. Nowe gatunki tworzą się wtedy, gdy populacje danego gatunku wykazują tak znaczną dywergencję genetyczną, że nie mogą się krzyżować. Gatunki takie mogą dalej ewoluować i różnicować się niezależnie. Stopień dywergencji dla cech nie podlegających doborowi naturalnemu jest miarą czasu rozdzielenia się populacji. Wspólne cechy, które rozwinęły się u wspólnych przodków, są określane jako homologiczne (na przykład tylne nogi u ssaków). Struktury, które uzyskały podobne funkcje niezależnie, są strukturami analogicznymi (na przykład skrzydła nietoperza i skrzydła ptaka). Ewolucja zachodząca z różnych punktów startu
powodująca upodabnianie się gatunków jest nazywana ewolucją konwergentną (na przykład walenie i ryby). Gatunki spokrewnione mają struktury homologiczne pochodzące od wspólnych przodków, lecz nie dzielą cech, które powstały u nich po oddzieleniu od wspólnego pnia.

Populacje

Różnice między populacjami, wewnątrz gatunku, mogą znaleźć odbicie
w określonych wzorach migracji i kolonizacji i wskazują na stopień dywergencji poprzedzającej specjację. Dywergencja może być wynikiem doboru. Ciemna skóra u ludzi z regionów równikowych może zmniejszyć skutki promieniowania słonecznego, jasna skóra w krajach północnych pomaga w syntezie witaminy D pod wpływem promieni słonecznych. Wielkie różnice w częstościach grup krwi w różnych populacjach ludzi mogą być spowodowane selekcją wywołaną chorobami lub są wynikiem dryfu genetycznego, lub efektu założyciela, w małych szczepach kolonizujących dany obszar.

Specjalizacja kolista przez oddalenie

Specjacja kolista jest obserwowana w gatunku o zasięgu ciągłym, kolistym, lub wokół jakiejś przeszkody. Populacje na przeciwległych końcach zasięgu są na tyle zróżnicowane, że tworzą odrębne gatunki nawet wtedy, kiedy ich zasięgi się zetkną. Przykładem jest tutaj północny gatunek mewy o występowaniu globalnym, którego zasięg w Europie pokrywa się i gdzie wyróżnia się dwa gatunki mewa srebrzysta i mewa żółtonoga. Przykład ten pokazuje, że dystans sam w sobie może być efektywnym mechanizmem izolacyjnym.

Zegar molekularny

Tempo, z jakim w genach akumulują się mutacje zmieniające aminokwasy określonych białek, jest stałe w czasie. Podobnie, określone tempo mają zmiany w sekwencjach rybosomowego RNA, synonimiczne zmiany sekwencji kodujących -mutacje ciche - i zmiany sekwencji niekodujących. Zjawisko to może być wykorzystane jako zegar molekularny, przy czym szybciej różnicujące się sekwencje — do mierzenia zjawisk mniej odległych w czasie.
Stopień dywergencji między dwoma gatunkami oddaje czas ii ich niezależnej ewolucji. Trwa debata, czy tempo zegara molekularnego jest szybsze w czasie przyspieszonej ewolucji adaptatywna) czy wolniejsze podczas staży, a także
o skutkacit długości życia pokolenia i liczby podziałów komórek linii zarodkowej.

Filogenia

Ułożenie gatunków w porządku wzrastającej dywergencji daie drzewo filogenetyczne odzwierciedlające historię ewolucyjną. Gatunki wewnątrz grupy ewolucyjnej porównywane są z pokrewnymi gatunkami spoza grupy w celu określenia korzeni filogenetycznych gatunku wyjściowego przodka. Zwierzęcy, mitochondrialnv DNA ewoluuje szybko i nie występuje w nim rekombinacja, dlatego jest on idealny do badania niedawnej dywergencji. Ludzki mitochondrialny DNA daje podstawy do przypuszczeń, że wszyscy ludzie są
w linii żeńskiej potomkami jednej kobiety, która żyła w Afryce 140 000-290 000 lat temu. Konserwatywne białka (na przykład cytochrom c) i rybosomowy RNA użyteczne są do badania całego okresu trwania życia na Ziemi. Filogeneza wykazuje rozbieżność w ocenie tempa ewolucji u poszczególnych linii rodowych. W dodatku, algorytmy użyte do odtworzenia filogenezy zakładają w sposób arbitralny dychotomiczne rozgałęzianie się poszczególnych linii, co jest jedynie prawdą dla mitochondrialnego DNA i chromosomu Y, które nie wykazują rekombinacji.

Ewolucja człowieka

Wszystkie współczesne populacje ludzkie są tym samym gatunkiem. Ludzie są oczywiście ssakami, blisko spokrewnionymi z szympansami i gorylami. Hominidzi oddzielili się od małp około 4 miliony lat temu. Dwunożność rozwinęła się wcześnie, uwolnienie rąk umożliwiające użycie narzędzi i broni do polowania
i obrony wydaje się kluczowym etapem w ewolucji. Pierwsi ludzie niemal na pewno wyewoluowali w Afryce, gdzie narzędzia kamienne używane były przez Homo habilis, już około 2,5 miliona lat temu. Homo erectus, z większym mózgiem i bardziej wymyślnymi narzędziami, pojawił się 1,5 miliom lat temu w Afryce. Homo erectus skolonizował Eurazję około 700 000 lat temu i zastąpiony został przez Homo sapiens, pochodzącego także z Afryki, około 120 000 lat temu.

Łańcuchowa reakcja polimeryzacji

Łańcuchowa reakcja polimeryzacji (PCR) pozwala na ponad milionkrotne kopiowanie, czyli amplifikację specyficznych sekwencji DNA w jednej reakcji enzymatycznej. DNA, odpowiadający genom lub fragmentom genów, może być namnażany z próbek chromosomowego DNA zawierającego tysiące genów. Namnożony DNA jest używany do analizy lub manipulacji gentycznych.

Do każdej reakcji PCR potrzebne są cztery ważne składniki:
(1) matryca DNA zawierająca docelową sekwencję DNA przeznaczoną do namnożenia;
(2) startery oligonukleotydowe — krótkie jednoniciowe cząsteczki DNA łączące się przez komplementarne parowanie zasad z odcinkami przeciwległych nici matrycy DNA, oskrzydlającymi sekwencję podlegającą namnożeniu;
(3) polimeraza DNA. Enzym ten kopiuje sekwencje docelowe i jest termostabilny. Używa się jednej z kilku polimeraz, najczęściej polimerazy DNA Taq; (iv) substraty dla polimerazy.
( 4) Trifosforany deoksynukleotydów dNTP, odpowiadających 4 zasadom
w DNA - adenina, guanina, tymina i cytozyna.

Docelowy DNA ulega namnażaniu podczas 20-40 cykli synezy DNA. Każdy cykl składa się z trzech etapów przeprowadzanych w różnych temperaturach:
(1) denaturacja — próby ogrzewa się do ponad 90°C, by rozdzielić nici helisy DNA;
(2) przyłączenie startera do matrycy — próby schładza się do 40-60°C, co pozwala starterom na związanie się z jednoniciowymi matrycami DNA;
(3) elongacja — próby są ogrzewane do temperatury 72°C, w której polimeraza wykazuje największą aktywność i w której następuje kopiowanie docelowej sekwencji DNA. Każda skopiowana cząsteczka DNA staje się matrycą do syntezy nowej nici w następnym cyklu. Prowadzi to do bardzo dużego wzrostu ilości docelowego DNA w kolejnych cyklach reakcji.

PCR jest szeroko stosowana w badaniach genów w biologii oraz medycynie
i w istotny sposób przyczyniła się do postępu badań chorób dziedzicznych i raka. Ma ona także praktyczne zastosowania w takich dziedzinach jak medycyna sądowa czy biotechnologia.

---