t Boz a srpkovitá

Populační genetika
Populační genetika
ORGANISMUS
Součást výše organizované soustavy → populace
POPULACE
Soubor jedinců jednoho druhu
Genotypově heterogenní
V určitém čase má přirozeně vymezený prostor
Velký počet generací
GENOFOND POPULACE
Soubor všech genů v daných lokusech od všech jedinců, kteří tvoří
populaci
GAMETOVÝ FOND
Soubor všech genů v gametách
ZYGOTOVÝ FOND
Geny obsažené v zygotách
Castle-Hardy-Weinbergova zákonitost
Platí v panmiktické populaci za předpokladu
omezujících podmínek
•
•
•
•
•
Velká populace
Nedochází k mutacím
Nedochází k selekci
Nedochází k migraci
Vztah alel: úplná dominance / recesivita
2
p( AA)
+ 2 pq ( Aa ) +
2
q( aa)
=1
Castle-Hardy-Weinbergova zákonitost
Základní vztah pro systém se dvěma alelami sledovaného genu
p( A ) + q( a ) = 1
p( A) = 1 − q(a )
Odhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel
2
p( AA)
+ 2 pq ( Aa ) +
2
q( aa)
=1
počet recesivních homozygotů
q=
=
počet všech osob ve vzorku
= frekvence v populaci
Odhady frekvencí nežádoucích (recesivních) alel
choroba
zkratka
výskyt
v populaci
fenylketonurie
PKU
1/8100
cystická fibróza
(mukoviscidóza)
CF
1/2500
Odhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel
choroba
výskyt
v populaci
odhad
q
p=1-q
2pq =˙ 2q
PKU
1/8100
1/90
89/90 =˙ 1
2 x 1 x 1/90
= 1/45
CF
1/2500
1/50
49/50 =˙ 1
2 x 1 x 1/50
= 1/25
Odhad frekvencí fenotypů v ABO systému
alela frekvence
A
p
B
q
O
r
p+q+r=1
p2+ 2pr + q2 + 2qr + r2 + 2pq =1
a) p = 0.3 q = 0.2
Očekávaná četnost krevní skupiny B = 0.24
b) q = 0.1 r = 0.5
Očekávaná četnost krevní skupiny A = 0.56
c) q = 0.2 p = 0.3
Očekávaná četnost krevní skupiny O = 0.25
d) q = 0.1 r = 0.6
Očekávaná četnost krevní skupiny AB = 0.06
B=
A=
O=
AB =
BB + BO
AA + AO
OO
AB
Přímý výpočet frekvence jedné alely
Alelní vztah: kodominance, neúplná dominance
2 × počet homozygotů ( AA) + počet heterozygotů ( AB)
p=
2 × počet všech jedinců ve vzorku
Výpočet frekvence alel systému MN
Fenotyp
Počet osob
M
406
MN
744
N
332
Výpočet - frekvence alel systému MN
fenotyp počet jedinců genotyp počet alel M počet alel N
M
406
MM
812
0
MN
744
MN
744
744
N
332
NN
0
664
∑
1482
1556
1408
2 × 406 + 744 1556
p=
=
= 0,525
2 × 1 482
2 964
q = 1 − p = 0,475
Rh systém
Osoby Rh- = genotyp dd
Osoby Rh+ = genotyp DD nebo Dd
Ve zkoumané populaci je 16% osob Rh A) Proveďte odhady genových frekvencí a vypočítejte zastoupení
jednotlivých genotypů v populaci
B) Jaká je pravděpodobnost, že ženě Rh- se narodí dítě Rh+?
C) Jaká je pravděpodobnost, že ženě Rh- se vždy narodí dítě Rh+?
DD
DD
p2
Dd
2pq
dd
q2
p2
Dd
2pq
dd
q2
Rh systém
DD
p2
Dd
2pq
dd
q2
p2q2
DD
p2
Dd
Dd
2pq
Dd pq3
dd pq3
dd
q2
a) q2 = 0.16
q = 0.4
p = 0.6
b) p2q2 + pq3 = pq2 (p+q) = pq2 = 0.096
p2 = 0.36
2pq = 0.48
c) p2q2 = 0.058
Selekce
Selekce v populaci ovlivňuje relativní reprodukční
schopnost organismu s určitým genotypem a tím i
frekvenci příslušného genu
Relativní reprodukční schopnost
wi = průměrný počet
potomků genotypu i : průměrný počet potomků nejplodnějšího genotypu
wi = 1; po selekci wi = 1 – s s = selekční koeficient (rozmezí 0 – 1)
Normalizující selekce – vylučování odchylek
Balancující selekce – udržuje polymorfismus
na příklad preference heterozygotů (např. srpkovitá anemie)
Selekce proti AR fenotypu
Působí pouze proti recesivním homozygotům → má
menší účinnost než selekce proti dominantní alele
p2 + 2pq + q2(1-s) = 1 – q2s
při s = 1 → p2 + 2pq
Selekce
•
Selekce proti AD fenotypu
A) Úplná selekce proti dominantnímu fenotypu →
v následující generaci dominantní alela vymizí
s=1
p2(1-s) + 2pq(1-s) + q2 = q2
B) Neúplná selekce proti dominantnímu fenotypu →
rychle snižuje frekvenci alely
p2(1-s) + 2pq(1-s) + q2 = 1- p2s – 2pqs
Selekce
• Selekce proti oběma dominantním homozygotům
– preference heterozygotů
- ani jedna alela určitého lokusu není eliminovaná
- frekvence se udržují na stejné úrovni → balancovaný
-
polymorfismus
Například srpkovitá anémie → velký význam pro evoluci → zdroj
adaptace na nové podmínky prostředí
p2(1-s1) + 2pq + q2 (1-s2) = 1 - p2 s1 - q2 s2
Mutace
Náhodná trvalá dědičná změna genetického materiálu
• Chromosomová (např. zlom)
• Genová (např. bodová mutace)
Mutace
• tolerované (přírodní výběr)
neutrální (neovlivňují reprodukční schopnost nositele)
výhodné (zvyšují reprodukční schopnost nositele, zlepšují stávající
funkce – např. duplikace genů
• nevýhodné (ztráta nebo porucha funkce genu)
• zakázané (letální – neschopnost reprodukce)
Každý jedinec –12 genů s nevýhodnými recesivními mutacemi z nich 3-5 genů v homozygotní formě je letálních
Frekvence mutací u lidí – 10-6 – 10-5
Mutagenní faktory
fyzikální - ionizující záření (gamma, rtg), UV
chemické - polycyklické aromatické uhlovodíky, nitrosaminy,
mykotoxiny, těžké kovy (chrom, nikl, arsen, rtuť), azbest
biologické – např. papiloma viry, některé adenoviry a herpesviry
Mutace spontánní:
chyby při replikaci – bodové mutace
inekvální crossing-over – delece, duplikace
poruchy mitózy/meiózy – monosomie, trisomie …
Indukované: vyvolané zevními vlivy (mutageny)
Mutace
Posun čtecího rámce
Lys
….
Glu
Lys
Ile Gly
Thr
Arg Ser
…. AAA GAA AAG ATT GGA ACT AGG TCA … …. ….
…. …. …. AAA GAT TGG AAC TAG
Lys Asp Trp Asn Term
Nonsence mutace (bez smyslu)
Terminace translace
Leu Gln Gly
…. …. …. GTG CAG
GGT … …. ….
T
Leu Term
Missence mutace (měnící smysl)
Záměna aminokyseliny
Ala Arg His
…. …. …. GCC T
AGG CAC … …. ….
Ala Trp His
Náhodný genový posun - drift
Genový fond / gametový fond / zygotový fond
Vznik zygotového fondu je náhodný proces → během generací se mohou
měnit genové frekvence
Genový drift je změna frekvencí alel v genofondu malých populací
způsobená náhodnými příčinami
Závisí na velikosti populace – změny jsou nepředvídatelné
V průběhu generací kolísá frekvence alel
Krajní mez – fixace nebo aliminace některých alel → genetická
homozygotizace → genová fixace → ustálení jedné alely v populaci /
eliminace alternativní alely
Úloha v populaci → nová populace se liší od původní „mateřské“ populace
Efekt zakladatele → vysvětluje mimořádně vysoké frekvence některých chorob
v subpopulacích
Např. Tay-Sachsova choroba → vrozená vada metabolizmu (AR)
s neurologickou symptomatologií → vyskytuje se s vysokou frekvencí
u židů původem z východní Evropy
Náhodný genový posun - drift