ĆWICZENIE
15
Genetyka populacyjna
ĆWICZENIE
15
Genetyka populacyjna
Genetyka populacji
Genetyka populacyjna zajmuje się poznaniem
praw rządzących strukturą genetyczną populacji.
W warunkach naturalnych osobniki żyją w
populacjach, w których poszczególne organizmy
krzyżują się między sobą, dochodzi więc do
wymiany genów i powstania kombinacji genotypów
dających nowe fenotypy.
W obrębie populacji geny czy chromosomy mutują,
co jest również istotnym źródłem zmienności. Takie
naturalne procesy przemian w obrębie populacji są
istotą procesu ewolucji i prowadzą do powstania
nowych ras czy gatunków.
Badaniem zachowania się genów w populacji
zajmuje się właśnie genetyka populacji.
Populacja i jej pula
genowa
Populacja to zespół osobników
rozmnażających się płciowo, zdolnych do
wydania zdrowego potomstwa. Osobniki w
obrębie rozważanej grupy kojarzą się
losowo, tzn. panmiktycznie, stąd populację
taka nazywamy populacją
panmiktyczną.
Całość potencjału dziedzicznego wszystkich
osobników populacji określamy jako pulę
genową populacji.
Frekwencja genu (allelu)
Podstawowym pojęciem genetyki populacyjnej
jest częstość występowania genu
(frekwencja).
Oznacza ona stosunek liczby alleli określonego
rodzaju do liczby wszystkich genów w populacji
W przypadku dowolnej cechy wyznaczanej
przez parę alleli A i a u osobników
diploidalnych liczba genów na dane miejsce
genowe (locus) jest dwa razy większa od liczby
osobników w populacji.
Przykład
Z nasion wyżlinu wyrosły rośliny o kwiatach:
Czerwonych (28 sztuk)
Różowych (59 sztuk)
Białych (23 sztuki)
Jaka jest częstość poszczególnych alleli?
Prawo Hardy’ego -
Weinberga
W populacji, będącej w stanie równowagi
częstość (frekwencja) występowania różnych
genotypów jest stała, zależna jedynie od
czętości występowania alleli w populacji.
FREKWENCJĘ GENOTYPÓW OKREŚLA WZÓR :
p
2
+ 2pq + q
2
= 1
co odpowiada występowaniu trzech
genotypów :
AA , Aa , aa
CZĘTOŚĆ ALLELI A i a , oznaczaną
odpowiednio p i q, obliczamy z wzoru :
p + q = 1
Przykład
W populacji 1000 osobowej występują dwie osoby
z pląsawicą Huntingtona (choroba występuje u
osób z wadliwym allelem genu, który ma swój
locus w chromosomie 4, początek przypada na 4
dekadę życia – zaburzenia psychiczne,
postępująca pląsawica, otępienie – postępująca
inwalidyzacja, śmierć w 10 – 12 lat od rozpoczęcia
choroby).
Obliczyć częstość frekwencji allelu związanego z
tą chorobą wiedząc, że jest to choroba
autosomalna dominująca.
Prawo Hardy’ego – Weinberga
dotyczy populacji, która spełnia
następujące warunki:
organizmy są diploidalne
rozmnażają się płciowo
populacja jest bardzo duża
osobniki kojarzą się losowo (populacja jest
panmiktyczna)
pokolenia nie zachodzą na siebie
nie ma migracji
nie ma mutacji
dobór naturalny nie wpływa na badany
locus
Populacja obwarowana tymi zastrzeżeniami
nie ewoluuje.
Przykład
W stadzie 254 kur andaluzyjskich stwierdzono:
122 kur niebieskich
89 kur czarnych
43 kury białe
Czy częstość poszczególnych fenotypów i
odpowiadających im genotypów są zgodne z
założeniami prawa H – W?
Frekwencje genów w przypadku
chorób dziedziczonych
autosomalnie recesywnie
Prawo H – W wykorzystuje się często w medycynie dla
obliczenia częstości występowania chorób uwarunkowanych
genetycznie oraz ustalenia liczby nosicieli .
W przypadku chorób dziedziczonych AUTOSOMALNIE
RECESYWNIE q jest bardzo małe , a p prawie równe 1 . W
takiej sytuacji częstość występowania heterozygotycznych
nosicieli jest prawie równa 2q, ponieważ częstość heterozygot
to 2pq, zamiast p podstawiamy 1 i otrzymujemy 2q. W związku z
dużą dysproporcja pomiędzy p a q, o częstości heterozygot
będzie decydował czynnik mniejszy, a więc q.
Stąd częstość występowania nosicieli jest w przypadku chorób
dziedziczonych recesywnie zdecydowanie wyższa niż ilość osób
homozygotycznych, wykazujących objawy choroby. Wynika z
tego, że wszystkie zmutowane geny rzadkich chorób
dziedziczonych recesywnie są w populacji przenoszone przez
heterozygoty.
Przykład
Częstość występowania fenyloketonuri
(zaburzenie dziedziczące się autosomalnie
recesywnie, ma locus na chromosomie 12, u
chorych dzieci występuje podwyższony poziom
fenyloalaniny we krwi i w moczu w związku z
defektem hydroksylazy fenyloalaninowej, co
powoduje niemożność przekształcenia
fenyloalaniny w tyrozynę; u osób nieleczonych
prowadzi to do poważnego upośledzenia
umysłowego) w populacji europejskiej wynosi ok.
1 na 10 000 urodzeń.
Obliczyć częstość występowania heterozygot.
Frekwencje genów w przypadku
chorób dziedziczonych
autosomalnie dominująco
W przypadku chorób dziedziczonych AUTOSOMALNIE
DOMINUJĄCO frekwencja p (allel zmutowany) jest
bardzo mała, a q w przybliżeniu wynosi 1. W takiej
sytuacji częstość występowania
heterozygotycznych nosicieli jest w przybliżeniu
równa 2p, w związku z dużą dysproporcja pomiędzy
p a q, o częstości heterozygot będzie decydował
czynnik mniejszy, a więc p. Podstawiając do wzoru
2pq zamiast q = 1 otrzymamy 2p.
Częstość występowania heterozygotycznych nosicieli
jest zdecydowanie większa niż częstość występowania
nieprawidłowych homozygot. Stąd osoby chore
to przede wszystkim osoby heterozygotyczne
Frekwencje genotypów
przy serii alleli
wielokrotnych
Dotyczy to genów, kiedy na jedno locus
przypada więcej niż dwa allele. Dla
większej liczby alleli frekwencje będą
wynosiły odpowiednio p , q , r, .. , i, a
kwadrat dwumianu przyjmie postać
kwadratu wielomianu z
charakterystycznym dla niego
rozwinięciem ( p + q + r + ........ +
i)
2
.
Frekwencje alleli
dziedziczących się
niezależnie
Dotyczy kilku par genów , które zgodnie z II prawem Mendla
dziedziczą się w sposób niezależny.
Uwzględniając dwie pary genów : A i a oraz B i b ich częstości
wynoszą odpowiednio : p
A
i p
a
oraz q
B
i q
b
, częstości genotypów :
p
A2
+ 2 p
A
p
a
+ p
a2
oraz q
B2
+ 2q
B
q
b
+ q
b2
W przypadku dwóch zdarzeń niezależnych,
prawdopodobieństwo ich jednoczesnego wystąpienia jest równe
iloczynowi ich prawdopodobieństw, więc frekwencje genotypów
złożonych z dwóch par alleli dziedziczących się niezależnie wynosi :
(p
A
+ p
a
)
2
x ( q
B
+ q
b
)
2
= (p
A2
+ 2p
A
p
a
+ p
a2
) x (q
B2
+ 2q
B
q
b
+
q
b2
) =
= p
A2
q
B2
+ 2p
A
p
a
q
B2
+ p
a2
q
B2
+ 2p
A2
q
B
q
b
+ 4p
A
p
a
q
B
q
b
+ 2p
a2
q
B
q
b
+
p
A2
q
b2
+ 2p
A
p
a
q
b2
+ p
a2
q
b2
co odpowiada następującym genotypom:
AABB, AaBB, aaBB, AABb, AaBb, aaBb, AAbb, Aabb, aabb
Frekwencje genotypów dla
cech sprzężonych z płcią
W przypadku płci homogametycznych , posiadających dwa
allele X, mamy dwa loci na dany gen i rozważając częstość
poszczególnych alleli uzyskujemy proporcję zgodną z prawem
H – W.
U osobników o płci heterogametycznej obecność
chromosomu Y wiąże się z haploidalnym loci na daną cechę –
tylko jeden chromosom X. Stąd u hemizygoty częstość
występowania cechy odpowiada częstości allela.
W praktyce o wiele częściej spotykamy mężczyzn z
chorobami recesywnymi sprzężonymi z płcią, ponieważ
kobiety homozygotyczne występują niezwykle rzadko. Z
reguły kobiety są heterozygotycznymi nosicielkami.
Łącznie w populacji samic i samców geny cech sprzężonych z
płcią zajmują 3 loci, z czego 2/3 jest u samic, a 1/3 u
samców.
Przykład
Przeprowadzając badania pewnej grupy
ludzi stwierdzono, że 12 % mężczyzn i 3
% kobiet cierpi na daltonizm.
Zakładając, że zbiór ten pochodzi z
kojarzenia losowego obliczyć frekwencję
genów sprzężonych z płcią.
Skład alleli w populacji
Jeżeli cała populacja osobników danego gatunku składa się z
szeregu mniejszych populacji mendlowskich, to w obrębie
tych populacji częstość genu może być różna.
Na przykład allele warunkujące grupy krwi ABO.
Częstość p, q, r, odpowiadająca allelom A, B i 0, są bardzo
zróżnicowane w poszczególnych populacjach, np. frekwencja
allelu B wynosi u Polaków 16,3 % , u Indian – 2,2 % :
natomiast w przypadku allelu 0 u Polaków jest zaledwie 57 %
( zbliżone wartości spotykamy też u innych europejczyków),
u Indian – 90 %.
W populacjach zamkniętych, o większej izolacji
kulturowej, historycznej częstość alleu 0 jest wyższa ( np.
Indianie, Baskowie, Irlandczycy ). Podobne proporcje
charakterystyczne były dla ludów pierwotnych
zamieszkujących Europę czy Amerykę. W wyniku migracji
ludności częstość allelu 0 uległa obniżeniu, a zachowała się
jedynie na terenach o izolowanych.
Polimorfizm genetyczny
Polimorfizm genetyczny to występowanie w danym locus minimum
dwóch alleli, przy czym częstość każdego z genotypów jest wyższa niż
1 – 2 % (→ co odpowiada częstościom mutacji). Jeżeli 1 na 50 osobników
w ogólnej populacji ma rzadki allel wtedy mówimy, że cecha jest
polimorficzna.
Do badań nad polimorfizmem wykorzystuje się różne metody
elektroforezy białek. Przynajmniej w przypadku 30% białek i enzymów
występuje polimorfizm.
Do cech polimorficznych człowieka należy m.in.:
niektóre cechy związane ze strukturą chromosomów (długość Yq,
rozmiar heterochromatyny centromerowej)
grupy krwi (AB0 , MN)
antygeny powierzchniowe komórki (HLA)
białka surowicy (haptoglobiny)
Analizę białek enzymatycznych przeprowadza się na żelach
skrobiowych lub poliakrylamidowych. W polu elektrycznym białka
migrują na różne odległości w kierunku katoda → anoda. Po
wybarwieniu żeli widoczne są pasma odpowiadające różnym białkom,
charakterystycznym dla poszczególnych osobników. Obraz
wybarwionych na żelu prążków białka nazywamy elektroforogramem.
Jeżeli badanej populacji występują dwa allele A i a
warunkujące syntezę dwóch polipeptydów o różnej
ruchliwości elektroforetycznej.
Jeżeli kodowane przez nie białka są monomerami
(złożone z 1 polipeptydu) oba rodzaje homozygot
będą wytwarzały po 1 prążku, heterozygota – 2
prążki.
Jeżeli kodowane białko jest dimerem ( 2 polipeptydy),
homozygoty będą wytwarzały po 1 prążku, a
heterozygoty – po 3 : odpowiednio AA, aa oraz
pośredni Aa, który to prążek będzie najsilniej
wybarwiony ( tzn. produktu pośredniego będzie
najwięcej).
Przeprowadzając analizę elektroforetyczną szeregu
układów genetycznych dla wybranych populacji
możemy ustalić, czy badana populacja jest
monomorficzna – tj, z jednym allelem danego genu,
czy też polimorficzna – występuje kilka alleli danego
genu z różną częstością. Można też ustalić częstość
występowania homo – i heterozygot w stosunku do
badanych genów.
Czynniki wpływające na częstość
występowania różnych alleli w
populacji
Nielosowe kojarzenie się osobników
Występuje wtedy, jeżeli w danej populacji osobniki o tym
samym bądź o różnych genotypach będą się kojarzyły częściej
niż to wynika z czysto losowego kojarzenia. W takich
wypadkach stosunek ilościowy homo – i heterozygot zostanie
zachwiany.
Mutacje
Na drodze mutacji powstają nowe allele, będące źródłem
zmienności dziedzicznej.
Załóżmy, że badamy w populacji dwa allele A i a. W wyniku
mutacji allelu A powstaje allel a i odwrotnie. Jeżeli mutacja w
obu kierunkach A→a i a→A będzie zachodzić z jednakową
częstością – populacja pozostanie w stanie równowagi.
Zazwyczaj jednak mutacja w jednym kierunku jest silniejsza niż
w stronę przeciwną. Może prowadzić to do eliminacji jednego
allelu z populacji i dążenie do stanu homozygotyczności.
Selekcja
Selekcja naturalna to dobór naturalny w sensie
darwinowskim. Jest to proces adaptacji, czyli
przystosowywania się osobników do warunków
środowiska.
W zależności od warunków zewnętrznych niektóre
genotypy i odpowiadające im fenotypy mogą być
upośledzone w stosunku do osobników o innych
genotypach. W skrajnych przypadkach są bezpłodne
i niezdolne do wydania potomstwa. Prowadzi to do
całkowitej eliminacji takich osobników, a z nimi
genotypów z populacji. Jest to tzw. selekcja
ujemna.
Jeżeli w populacji eliminowany będzie allel
dominujący, po kilku pokoleniach ulegnie on prawie
całkowicie usunięciu z populacji. Jeżeli jednak
selektywnie ujemny jest allel recesywny –
eliminowany będzie tylko z homozygot recesywnych,
stąd allel taki może długo przeżyć w danej populacji (
nawet letalne allele recesywne nie są nigdy
eliminowane całkowicie).
Migracja i dryf genetyczny
W warunkach naturalnych populacje nie są
zamknięte i ograniczone. Dochodzi do częstych
zmian ich liczebności w wyniku migracji
pojedynczych osobników.
Tym samym dochodzi do przepływu genów z
jednej do drugiej populacji i zmianom ulegają
frekwencje poszczególnych genów.
Dzieje się to również pod wpływem dryfu
genetycznego – wskutek losowych,
przypadkowych zdarzeń zmienia się częstość
poszczególnych alleli, np. w nowym środowisku
mogą przeżyć tylko os. homozygotyczne, maleje
więc zmienność genetyczna, stopień
homozygotyczności osobników pod względem
danego genu wzrasta do tego stopnia, że
frekwencja tego genu zbliżona jest do 1, a jego
allel jest prawie całkowicie wyeliminowany z
populacji.