Genetyka populacyjna

Transkrypt

1 Genetyka populacyjna analizuje strukturę genetyczną całych populacji oraz wyniki kojarzeń wewnątrz populacji lub pomiędzy różnymi populacjami, opiera się na modelach matematycznych Prawo równowagi Hardy ego-weinberga

2 Prawo równowagi Hardy ego-weinberga (prawo zachowywania struktury genetycznej populacji z pokolenia na pokolenie): w dostatecznie licznej populacji osobników swobodnie się krzyżujących (panmiktycznej), częstość alleli i genotypów nie zmienia się w kolejnych pokoleniach, o ile nie zachodzą w niej: mutacje, migracje, selekcja, dobór par do kojarzenia i dryf genetyczny.

3 Jeśli istnieją tylko dwa allele danego genu i p A - częstość allelu dominującego A, q a - częstość allelu recesywnego a, to z definicji częstości: p A + q a = 1 stąd: p A = 1 q a, q a = 1 p A p 2 + 2pq + q 2 = 1 w populacji zrównoważonej zgodnie z prawem H-W: p 2 =f AA 2pq=f Aa q 2 =f aa Prawo H-W dotyczy organizmów diploidalnych rozmnażających się generatywnie, jest prawdziwe także dla alleli wielokrotnych i więcej niż jednego genu, nie dotyczy natomiast cech dziedziczonych cytoplazmatycznie. Od r wiadomo, że dowolna populacja osiąga stan równowagi po jednym pokoleniu panmiksji.

4 Jak obliczyć częstość alleli? * w każdej populacji jeśli znamy częstość f Aa i częstość przynajmniej jednego typu homozygot, to p A = f AA + ½f Aa i q a = 1 p A lub q a = f aa + ½f Aa i p A = 1 q a np.: znamy f Aa = 0,48 i f AA = 0,16 p = 0,16 + 0,48/2 = 0,4 stąd q = 1 0,4 = 0,6 * w populacji zrównoważonej dla której znamy tylko częstość homozygot dominujących lub recesywnych p A = f AA i q a = 1 p A lub q a = f aa i p A = 1 q a np.: w populacji zrównoważonej znamy tylko f AA = 0,16 p = 0,16 =0,4 stąd q = 1 0,4 = 0,6

5 Jak określić stan równowagi dla populacji? Załóżmy, że w populacji mamy 15 AA, 145 Aa, 80 aa ( =250) f AA = 15/250 = 0,06 f Aa = 145/250 = 0,58 f aa = 80/250 = 0,36 zatem częstości alleli wynoszą: p A =0,06+0,58/2=0,35 q a =1 0,35=0,65 aby populacja znajdowała się w stanie równowagi, częstości genotypów powinny wynosić: p 2 = (0,35) 2 = 0,1225 0,12 2pq = 2 0,35 0,65 = 0,4550 0,46 q 2 = (0,65) 2 = 0,4225 0,42 genotypy AA Aa aa częstość stanu równowagi 0,12 0,46 0,42 częstość rzeczywista 0,06 0,58 0,36 badana populacja nie jest w stanie równowagi genetycznej

6 Mukowiscydoza to choroba autosomalna recesywna u rasy białej występuje z częstością 1/2500 urodzeń. Chorobę powoduje mutacja w genie kodującym białko transportujące chlorki zaangażowane w wydzielanie śluzu. Bez tej funkcji śluz jest lepki i akumulowany jest w organizmie, uszkadza trzustkę, wątrobę i szczególnie płuca. Śluz zalegający w oskrzelach sprzyja częstym infekcjom bakteryjnym. Jak można oszacować liczbę nosicieli (heterozygot) w populacji? Skoro homozygoty recesywne (osoby chore) występują z częstością 1/2500, to: q 2 =1/2500=0,0004 Þ q=0,02 p=1 0,02=0,98 Zatem, częstość nosicieli genu mukowiscydozy wynosi: 2pq=2 0,98 0,02=0,0392 0,04 czyli 1/25 Jedna na 25 osób wśród rasy białej jest nosicielem zmutowanego genu. Heterozygoty, mają podwyższoną odporność na toksynę cholery i niektóre gatunki Salmonella. W czasie tych chorób dochodzi do utraty płynów przez jelita. Ponieważ zagęszczony śluz zapobiega szybkiemu odwodnieniu, na obszarach objętych epidemią cholery, większą szansę przeżycia mieli nosiciele zmutowanego genu.

7 Allele genu grup krwi MN u człowieka znajdującego się na chr. 2 są w stosunku do siebie kodominujące, dlatego heterozygota ma odrębny fenotyp. Wśród 1000 białych Amerykanów znaleziono: 357 osób MM (714 alleli M) 485 osób MN (485 alleli M i 485 alleli N) 158 osób NN (316 alleli N) Częstości genotypów: f MM =357/1000=0,36 f MN =485/1000=0,48 f NN =158/1000=0,16 Częstości alleli p M i q N : p M =( ):2000=0,5995»0,6 =f MM +½ f MN q N =( ):2000=0,4005»0,4 =f NN +½ f MN Częstość alleli M i N jest różna w różnych populacjach, np. u australijskich Aborygenów wynosi p M =0,178, q N =0,822 częstość grup krwi MM MN NN u białych Amerykanów 0,36 0,48 0,16 u Aborygenów 0,30 0,29 0,68 inne są też częstości stanu równowagi

8 Częstość alleli i genotypów w przypadku cech sprzężonych z płcią Recesywną cechą sprzężoną z płcią u ludzi jest daltonizm, częstość genu d warunkującego tę cechę w populacji wynosi średnio q d =0,08, zatem p D =1 0,08=0,92 Jak oszacować częstość występowania daltonizmu u kobiet i mężczyzn? u kobiet (płeć homozygotyczna), możliwe są 3 genotypy: X D X D zdrowe p 2 =0,92 2 =0,8464 (84,64%) X D X d zdrowe nosicielki 2pq=2 0,92 0,08=0,1472 (14,72%) X d X d daltonistki q 2 =0,08 2 =0,0064 (0,64%) u mężczyzn (płeć heterozygotyczna), występują 2 genotypy: X D Y zdrowi p D =0,92 (92%) X d Y daltoniści q d =0,08 (8%) W populacji ludzkiej daltonizm występuje u 8% mężczyzn i 0,64% kobiet. Jeśli odniesiemy to do grupy osób, daltonizm pojawi się u 64 kobiet i aż u 800 mężczyzn.

9 Czynniki naruszające równowagę genetyczną populacji W populacjach krzyżujących się losowo dla danej częstości alleli istnieje tylko jedno położenie stanu równowagi. Każda zmiana częstości alleli powoduje zmianę położenia równowagi populacji. Czynniki zmieniające równowagę w populacji to: mutacje migracje selekcja dryf genetyczny dobór par do kojarzeń (nielosowe kojarzenie)

10 tempo mutacji jest różne dla różnych genów w danym środowisku większość mutacji jest neutralna, reszta na ogół szkodliwa, a mutacje korzystne są rzadkością

11 wiek ojca w chwili poczęcia też wpływa na zdrowie i inteligencję potomka

12 Jeśli mutacja zmienia właściwości przystosowawcze organizmu, może być utrwalona w wyniku selekcji np. anemia sierpowata, choroba występująca u ludzi powodująca zmianę kształtu erytrocytów. Anemię sierpowatą powoduje mutacja typu zmiany sensu, podstawienie waliny w miejsce kwasu glutaminowego w cząsteczce β-globiny. Mutacja ta zmienia ładunek cząsteczki hemoglobiny. Homozygota recesywna Hb S Hb S zapada na ciężką postać anemii sierpowatej i umiera zwykle w dzieciństwie. Heterozygota Hb + Hb S ma większe szanse przeżycia i pozostawienia potomstwa na obszarach zagrożonych malarią niż osobnik Hb + Hb +. Obecność zmienionej formy hemoglobiny nie sprzyja rozwojowi zarazka malarii. Wysoka gorączka w czasie malarii uszkadza proces spermatogenezy u mężczyzn Hb + Hb +, dlatego allel Hb S utrzymuje się w wysokiej frekwencji na obszarach malarycznych. Danemu allelowi nie można przypisywać stałej wartości szansy przeżycia i wydania potomstwa.

13 Migracja powoduje wprowadzenie nowych allei do puli genowej (imigracja) lub ubytek alleli (emigracja). Wielkość zmian w częstości genotypów zależy od ilości poszczególnych alleli we wprowadzonej lub ubywającej grupie osobników. Jeśli migracja jest zjawiskiem jednorazowym, to po pewnym czasie w populacji ustali się stan równowagi. Imigracja (wprowadzenie obcych osobników do danej populacji): imigracja osobników obu płci zmienia się częstość genów matczynych i ojcowskich (np. mieszanie ziarna siewnego), imigracja tylko jednej płci, najczęściej męskiej zmiana w częstości genów ojcowskich, (np. zapylanie roślin na plantacjach obcym pyłkiem lub dołączenie do stada samca), krzyżowanie dwóch populacji jedna populacja żeńska, druga męska (np. krzyżowanie dwóch odmian kukurydzy).

14 Dryf (dryft) genetyczny jest podstawowym procesem neutralnej ewolucji. Proces ten polega na fluktuacji częstości neutralnego allelu genu w populacji, wynikającej z losowego charakteru przekazywania genów przez rodziców potomstwu. Szybkość eliminacji, oraz szybkość fiksacji allelu w populacji zależy od jej rozmiaru. Im mniejsza populacja, tym szybciej allel ulegnie eliminacji bądź zdominuje populację. Dlatego efekt dryfu genetycznego jest łatwiej obserwowalny w małych, izolowanych populacjach. Dryf genetyczny może prowadzić do specjacji, czyli powstawania nowych gatunków. Symulacja zmian częstości alleli w 9 grupach o wielkości (a) 25 osobników (b) 500 osobników i wyjściowej częstości alleli p=q=0,5

15 Dystrybucja alleli genu bw w 107 grupach po 16 drozofil (32 allele genu bw) o wyjściowej częstości obu alleli genu p + =q bw =0,5 w początkowych populacjach, 1, 5, 10, 15 i 19 ich pokoleniu

16 Efekt założyciela jest szczególnym przypadkiem dryfu genetycznego, występującym gdy populacja w przeszłości przeszła przez stadium z bardzo niewielką liczbą osobników wskutek migracji niewielkiej liczby osobników na izolowaną wyspę. Przypadek spowoduje, że taka populacja będzie miała drastycznie odmienną i zubożoną pulę genetyczną w stosunku do populacji wyjściowej.

17 Wpływ efektu założyciela na częstość fenotypów grup krwi AB0

18 Efekt wąskiego gardła (ang. bottleneck effect) - powstaje w wyniku katastrofy Różnica między efektem założyciela, a efektem wąskiego gardła polega na tym, że: * w pierwszym przypadku obok pierwotnej populacji powstaje nowa populacja, * a wskutek wąskiego gardła zmianie ulega cała populacja.

19 Selekcja polega na eliminowaniu niektórych genotypów. Czynniki środowiska działają na korzyść pewnych genotypów i dzięki selekcji zmienia się częstość genotypów, a w efekcie również częstość genów. Zmiany w strukturze genetycznej populacji zależą od tego, jakie geny i genotypy są preferowane. Selekcję naturalną powodują naturalne czynniki środowiska: szkodniki, temperatura, wilgotność, choroby. Selekcja sztuczna jest spowodowana ingerencją człowieka: technikami uprawy, zabiegami chemizacyjnymi, wyborem określonych genotypów do hodowli.

20 Dobór par do kojarzeń Kojarzenie podobnego z podobnym np. wygląd u ludzi jest ważnym czynnikiem przy wyborze partnera i tak osoby wysokie chętniej wybierają wysokiego partnera, natomiast niskie preferują partnerów o niskim wzroście. W świecie zwierząt biało-niebieskie śnieżne gęsi wybierają partnerów o podobnym kolorze. Kojarzenie się osobników o identycznych genotypach powoduje wzrost częstości homozygot kosztem heterozygot. Przykład: Mamy stado 1000 kur andaluzyjskich, częstości alleli wynoszą p = 0,5 i q = 0,5. Frekwencja genotypów C B C B = 0,25; C B C W = 0,5; C W C W = 0,25. Jeśli w stadzie tym będziemy prowadzić kojarzenie z zachowaniem zasady podobny z podobnym, to uzyskamy następujący rozkład genotypów: rodzice częstości w potomstwo w F 1 pokoleniu P C B C B C B C W C W C W C B C B x C B C B p 2 = 0,25 1,0 - - C B C W x C B C W 2pq = 0,5 0,25 0,5 0,25 C W C W x C W C W q 2 = 0, ,0 Zmianie ulega częstość genotypów w pokoleniu F 1 i wynosi: C B C B (0,25 x 1,0) + (0,5 x 0,25) = 0,375 C B C W 0,5 x 0,5 = 0,25 C W C W (0,25 x 1,0) + (0,5 x 0,25) = 0,375 Częstość alleli pozostaje niezmieniona: dla C B wynosi 0, ,125 = 0,5 dla C W wynosi 0, ,125 = 0,5 pod warunkiem, że każda para daje taką samą ilość potomstwa, a zmiana równowagi wynika z braku losowego kojarzenia się.

21 r (współczynnik pokrewieństwa między dwoma osobnikami) = = prawdopodobieństwo odziedziczenia od wspólnych przodków danego allelu = proporcja identycznych alleli, które dwaj osobnicy odziedziczyli od wspólnych przodków F (współczynnik wsobności) = prawdopodobieństwo, że dwa alleliczne geny w danym locus pochodzą od tego samego przodka, są autohomozygotyczne współczynnik wsobności osobnika F F1 jest taki sam jak współczynnik pokrewieństwa jego rodziców r P Pokrewieństwo stopień r dziecko/rodzic 1 ½ rodzeństwo 1 ½ ciotka/bratanek 2 ¼ kuzyni w 1. pokol. 3 ⅛ bliźnięta MZ 0 1 bliźnięta DZ 1 ½