Genetika populací. kvalitativních znaků

Transkript

1 Genetika populací kvalitativních znaků

2 Úroveň studia genetických procesů Molekulární - struktura a funkce nukleových kyselin Buněčná buněčné struktury s významem pro genetiku, genetické procesy na buněčné úrovni 2

3 Úroveň studia genetických procesů Jedince - genetické založení a dědičnost jednotlivých znaků. Mendel, interakce, vazba, pohlaví. 3

4 Úroveň studia genetických procesů Populace - Rozložení genů a genotypů v populaci - Vliv prostředí na fenotyp - Efekty působení genů aj. 4

5 Populace Obecná definice - dostatečně velký, statisticky hodnotitelný soubor jedinců. Ekologický pohled - soubor stromů, živočichů, rostlin, mikroorganismů atd. na určitém stanovišti, biotopu ap. 5

6 Populace Soubor jedinců určitého druhu, plemene, ap. 6

7 Populace Genetický pohled - soubor pohlavně se rozmnožujících jedinců, kteří žijí v určitém prostředí a sdílí komplex genů, přenášený na potomstvo. 7

8 Například: Druh jelen evropský, dub letní Plemeno Valaška, Lenghornka Odrůda James Grive, Reneta, Schneewitchen Rasa běloši, černoši, asiati Etnická skupina Vietnamci, Rómové v ČR Místní skupina země, region, město, aj. 8

9 Populace mendelovská Jedinci téhož druhu, pohlavně se rozmnožující. Populace panmiktická (panmixie = náhodné páření) Dochází v ní k náhodnému páření každého jedince s každým - každý jedinec má stejnou pravděpodobnost pářit se s kterýmkoliv jedincem opačného pohlaví. Je nekonečná, nesmrtelná. 9

10 P. uzavřená (closebred, reprodukční izolát) Rozmnožuje se výlučně křížením jejich příslušníků mezi sebou. Neprobíhá do ní imigrace příslušníků z jiné populace. Je možná emigrace jedinců přirozenou cestou, tj. odchod jedinců z populace, kteří se neúčastní dalšího reprodukčního procesu. 10

11 P. otevřená Mohou do ní imigrovat příslušníci z jiné populace, kteří se kříží s jedinci původní populace. Mohou z ní emigrovat jedinci obojího pohlaví do jiné populace. Aby zůstala zachovaná, musí převažovat podíl potomstva získaný rozmnožováním uvnitř populace. 11

12 P. statistická Dostatečně veliká populace z níž lze vyvozovat signifikantí statistické závěry. Tvořená souborem jedinců pocházejících z náhodného výběru. Inbrední Skupina jedinců navzájem příbuzných. Vznikla použitím příbuzenského páření. 12

13 P. bisexuální nebo monosexuální Tvořená jedinci obou nebo jednoho pohlaví. V bisexuální populaci se poměr samců a samic může lišit, závisí od způsobu života lidí, cílů využití zvířat apod. Samčí monosexuální populace jsou zpravidla výrazně menší. 13

14 Členění genetiky populací Genetika populací kvalitativních znaků Alternativní znaky s jednoduchou dědičností často polymorfního charakteru, např.: - polymorfní proteiny, - imunologický polymorfismus, krevní skupiny, - některé exteriérové a morfologické znaky, např. barva oka, srsti, květu, rohatost - atd. 14

15 Genetika populací kvantitativních znaků Měřitelné znaky s polygenní dědičností, které lze zjednodušeně klasifikovat na: - anatomické rozměry a poměry (hmotnost, tělesné míry), - fyziologické znaky a vlastnosti (výkonnost, užitkovost, aj.), - psychické znaky a vlastnosti (inteligence, mentální poruchy). 15

16 Význam genetiky populací kvalitativních znaků Umožňuje analýzu genetické struktury populací (genotypové složení, frekvence genotypů). Charakterizuje rozšíření genů v populaci (frekvenci jednotlivých genů). Je nástrojem kontroly dědičnosti zdraví a genetického prognózování. Umožňuje studium a pochopení evolučních procesů. Umožňuje zhodnotit a zobecnit populačně genetickou analýzu jednotlivých kvalitativních znaků. 16

17 Generační interval Období od narození předků do narození potomků. Věk rodičů při narození vnuků. člověk Drosophila drůbež ovce prase skot let 2 týdny 1 rok 3 roky 2 roky 4 5 let Interpopulační rozdíly (afričané skandinávci). 17

18 Genofond Soubor genů (daného druhu) v populaci. Všechny geny všech členů populace. U savců cca genů. Genom Soubor genů v jedné haploidní sadě. Celkový genetický materiál haploidní buňky gamety. 18

19 Efektivní velikost populace Ne Je vyjádření velikosti populace (N) v závislosti na počtu samců (Nm) a počtu samic (Nf) v populaci Ne = 4. Nm. Nf Nm + Nf Ne < N 19

20 20

21 Stanovení genetických parametrů populací - genové četnosti - genotypové četnosti - kvantifikace vlivů, narušujících rovnováhu populace 21

22 A dále: Základy genetické analýzy kvalitativních znaků v populacích - stanovení stanovení genetické diverzity, tj. heterozygotnosti/homozygotnosti aj. - stanovení genetických vzdáleností mezi populacemi - konstrukce dendrogramů - a další specifické parametry 22

23 Výpočty genetických parametrů kvalitativních znaků - absolutní frekvence genotypů - relativní frekvence genotypů skutečné - absolutní frekvence genů - relativní frekvence genů - relativní frekvence genotypů teoretické 23

24 Jeden alelický pár absolutní frekvence genotypů AA Aa aa D H R D + H + R = N Stanovení absolutní frekvence genotypů = genotypizace - dle fenotypu - dle DNA diagnostiky 24

25 Populace N = D + H + R D = 30 (počet homozygotů dom. AA) H = 60 (počet heterozygotů Aa) R = 10 (počet homozygotů reces. aa) N =

26 Relativní frekvence genotypů skutečné d = D N h = H N r = R N d + h + r = 1 26

27 N = 100, D = 30, H = 60, R = d = = 0, h = = 0, r = = 0, ,30 + 0,60 + 0,10 = 1 (100%) 27

28 Absolutní frekvence genů A P = 2D + H a Q = 2R + H P + Q = 2N 28

29 D = 30, H = 60, R = 10 P = = 120 Q = = 80 P + Q = 200 = 2N 29

30 Relativní frekvence genů P p = 2N p = d + ½h q = Q 2N q = r + ½h p + q = 1 30

31 p = = 0,60 q = = 0, p = 0,30 + 0,30 = 0,60 q = 0,10 + 0,30 = 0,40 0,60 + 0,40 = 1 31

32 Ve velké panmiktické populaci se genotypové a genové četnosti z generace na generaci nemění. Potom je možné odvodit genotypové složení populace z genových frekvencí, neboť je možné náhodné páření každého jedince s každým.

33 Relativní frekvence genotypů teoretické P p = 0,60 q = 0,40 p = 0,60 p 2 = 0,36 pq = 0,24 q = 0,40 qp = 0,24 q 2 = 0,16 F 1 Σ = 1 p 2 = 0,36 2pq=0,48 q 2 = 0,16 33

34 Relativní frekvence genotypů teoretické p 2 2pq q 2 AA Aa aa 34

35 Vícealelické lokusy Model tříalelického lokusu (gen A,B,C) 6 genotypů AA; BB; CC; AB; AC; BC Absolutní frekvence genů P = 2AA + AB + AC Q = 2BB + AB +BC R = 2CC + AC + BC (A) (B) (C) 35

36 Model tříalelického lokusu (gen A,B,C) Relativní frekvence genů p = P 2N q = Q 2N r = R 2N 36

37 Model tříalelického lokusu (gen A,B,C) Relativní frekvence genotypů teoretická p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1 AA BB CC AB AC BC (p + q + r) 2 37

38 Genetická struktura různých populací člověka v rámci jednoho genu (MN krevní skupiny) 38

39 39

40 Genetika populací Rovnováha populací

41 Genetika populací kvalitativních znaků 2 cíle: Stanovit struktury populací (genové a genotypové frekvence). Popsat vývoj populací. 41

42 Kontinuita populace - setrvalé frekvence genotypů ve sledu generací - tedy i setrvalé frekvence genů ve sledu generací 42

43 Dvě tendence populací - konzervativní: Zachovávat trvale ve sledu generací neměnící se frekvenci genů a genotypů (neměnit se). - progresivní: Umožnit dílčí, částečné změny genových a genotypových četností (vyvíjet se). 43

44 Hardy - Weinbergův zákon o rovnovážném stavu populací Populace, v níž nedochází z generace na generaci ke změně genových a genotypových četností se nachází v genetické rovnováze.

45 Godfrey Harold Hardy britský matematik Wilhelm Weinberg Německý praktický lékař, gynekolog, genetik, statistik a genealog. Genetikou a vědou vůbec se zabýval ve volném čase.

46 Podmínky pro nastolení a udržení Hardy Weinbergovy genetické rovnováhy 1. organismy jsou diploidní 2. rozmnožování je pohlavní 3. generace se nepřekrývají 4. oplození je náhodné (populace je panmiktická) 5. početnost populace je vysoká ( nekonečná ) 6. migrace je zanedbatelná 7. mutace je zanedbatelná 8. na alely nepůsobí přírodní výběr 46

47 2 aspekty H.-W. zákona: 1. Ve velké populaci s náhodným oplozením, kde není migrace, mutace a selekce se alelové četnosti z generace na generaci nemění tj. tautologie, jestliže se nemění četnosti, tak se nemění. Ale, při inbreedingu nebo asortativním páření (výběr podle fenotypu) se mohou měnit genotypové četnosti, alelové se nemění. 2. Teorie geneticky diploidních populací zygoty se tvoří nově v každé sexuální generaci, bereme-li v úvahu více lokusů, je každá zygota jedinečná. Naproti tomu jsou alelové četnosti relativně stabilní. 47

48 1. genotypové frekvence jsou funkcí frekvencí genových 48

49 49

50 2. genové frekvence se ve sledu generací nemění p 1 = p 0 q 1 = q 0 0 = parentální generace 1 = 1. filiální generace 50

51 3. genotypové frekvence se ve sledu generací nemění p 2 1 = p 2 0 2p 1 q 1 = 2p 0 q 0 q 2 1 = q

52 4. Relativní frekvence genotypů skutečné jsou shodné s teoretickými. Platí statisticky! d = p 2 h = 2pq r = q 2 52

53 5. Poměr počtu heterozygotů k odmocnině ze součinu dominantních a recesivních homozygotů je roven dvěma H D. R = 2 nebo H = 2 D. R 53

54 6. Poměr počtu heterozygotů k odmocnině ze součinu dominantních a recesivních homozygotů je roven dvěma, ale s použitím relativní četností skutečných h d. r = 2 nebo h = 2 d. r 54

55 7. p 2 q 2 = ( 2pq )

56 Další podmínky: 1. Bisexuální populace se stejnými genovými i genotypovými četnostmi p = p q = q p = 0,7 q = 0,7 populace zpravidla v rovnováze Př.: 0,7 0,3 0,7 0,49 0,21 0,3 0,21 0,09 h d. r = 2 0,42 0,49. 0,09 = 2 56

57 2. Bisexuální populace se stejnými genovými a rozdílnými genotypovými četnostmi d h r Parentální generace 0,5 0,4 0,1 p = d + ½h = 0,7 q=0,3 0,6 0,2 0,2 p = d + ½h = 0,7 q=0,3 h 0,4 = = 1,79 d. r 0,5. 0,1 h 0,2 = = 0,58 d. r 0,6. 0,2 57

58 F 1 Generace p 0 = 0,7 q 0 = 0,3 p 0 = 0,7 q 0 = 0,3 F 1 0,7 0,3 0,42 0,7 0,49 0,21 0,3 0,21 0,09 0,49. 0,09 = 2 p 1 = 0,7 q 1 = 0,3 p 1 = 0,7 q 1 = 0,3 rovnováha se dostaví po jedné generaci náhod. páření 58

59 3. Bisexuální populace s různými genovými i genotypovými četnostmi 0,5 0,4 0,1 p = 0,7 (1,79) Parentální 0,3 0,2 0,5 p = 0,4 (0,52) generace d h r 0,4 0,5. 0,1 = 1,79 0,2 0,3. 0,5 = 0,52 59

60 F 1 generace F 1 0,7 0,3 0,4 0,28 0,12 0,54 0,28. 0,18 = 2,41 0,6 0,42 0,18 p 2 = p. p = 0,4. 0,7 = 0,28 p = 0,28= 0,53 q = 0,47 po jedné generaci náhodného křížení rovnováha nenastala 60

61 p 1 = 0,53 q 1 = 0,47 p 1 = 0,53 q 1 = 0,47 F 2 generace F 2 0,53 0,47 0,53 0,28 0,25 0,47 0,25 0,22 0,5 0,28. 0,22 = 2 genová rovnováha nastala až po 2 generacích náhodného páření 61

62 Náhodné oplození je jeden z nejdůležitějších systémů oplození v přírodních populacích. Hlavní odchylky: - inbreeding - asortativní páření (výběr podle fenotypu).

63 63

64 Genetika populací Faktory narušující rovnováhu populací

65 Faktory narušující genetickou rovnováhu Soustavné, systematické mutace, migrace selekce - lze predikovat jejich směr a intenzitu Náhodné, stochastické genetický tlak - lze predikovat pouze intenzitu, ne směr - význam v malých populacích Výsledek jejich působení p, q změna genových četností v generaci následující proti předchozí 65

66 Faktory narušující genetickou rovnováhu Specificky působí na změnu genových a genotypových frekvencí inbreeding 66

67 Mutace (používaná symbolika) p 0, q 0 - frekvence v parentální gen. p 1, q 1 - frekvence v F1 generaci p t, q t - požadovaná frekvence t - počet generací u - rychlost přímé mutace v - rychlost zpětné mutace ln - logaritmus naturalis (e) 67

68 Mutace Varianta a A a u p 1 = p 0 up 0 p 1 = up 0 t = 1 p. ln 0 u p t při u = v Varianta b u A a v p 1 = p 0 up 0 + vq 0 p 1 = up 0 + vq 0 t = ^ p = 1 p. ln 0 ^ p u p t p ^ v u + v není narušena H.W. rovnováha 68

69 Migrace (používaná symbolika) m - relativní počet migrantů p m - frekvence v migrující populaci q m - frekvence v migrující populaci p n - frekvence v n-té generaci q n - frekvence v n-té generaci nebo (q t, p t ) 69

70 Migrace Populace 1 Populace 2 imigrace emigrace I počet migrantů N velikost populace 70

71 Migrace (imigrace) p 1 = m(p m p 0 ) + p 0 p = m(p m p 0 ) p = p 1 p 0 1 (p 0 - p m ) t =. ln m (p t - p m ) m = I relat. počet včleněných zvířat N I = počet včleněných zvířat N = velikost populace 71

72 Selekce - Intenzita selekce selekční koeficient = s - Fitness (způsobilost koeficient fitness) = w - s i w relativně nebo v % w = 1 s s = 1 w s = 0 w = 1 s = 1 w = 0 72

73 Zaměření selekce u kvalitativních znaků AA Aa aa selekce neexistuje proti reces. homoz s proti nositelům reces alely 1 1-s 1-s proti domin. homozyg. 1-s 1 1 proti nosit. dom. alely 1-s 1-s 1 proti homozygotům 1-s 1 1-s proti heterozygotům 1 1-s 1 73

74 Selekce p 1 = p s. q 2 n = t = počet generací p = p 1 p 0 q n = t = q n q q n q 0 q 1 = q q 0 74

75 Příklad výpočtu Vstupní data: Selekce proti aa intenzita selekce s=1 p 0 = 0,8 q 0 = 0,2 s = 1 t = 2 nebo t = 10 75

76 p 0 Příklad výpočtu a/ 0,8 p 1 = 1 q 2 = = 0, ,04 p = p 1 p 0 = 0,83 0,80 = 0,03 q q t = 0 0,2 = = 0, t. q ,2 t = 2 0,2 = = 0,06 t = ,2 b/ Chceme snížit frekvenci recesívní alely na q t = 0, t = = = 95 generací 76 q q 0,01 0,2

77 Genetický drift Význam v malých populacích Význam z evolučního hlediska Vede k náhodnému zvýšení nebo snížení frekvence genů nebo genotypů Faktor přizpůsobování populací měnícím se podmínkám prostředí 77

78 Genetický drift Jeden z mechanismů evoluce Náhodný posun (změny alelových četností v libovolném směru) Kumulace těchto změn Možnost dosažení krajních hodnot do p nebo q = 1 Dojde k eliminaci nebo fixaci alely v populaci Zastavení genetického driftu do doby vzniku nové mutace 78

79 Genetický tlak a) relativní b) absolutní σ a = σ q = + p 0. q 0 σ A = + P 0. Q 0 2N 2N σ q = q, tj. změna q za 1 generaci + q! Příklad: p 0 = 0,5 q 0 = 0,5 N = 25 0,5. 0,5 σ q = + = 0,07 q = + 0, q 1 = q 1 + q tj. 0,43 až 0,57 79

80 Inbreeding Příbuzenské páření připařování jedinců, kteří mají jednoho nebo více společných předků, od kterých získali s určitou pravděpodobností společné geny. GXXV AB GXXIX AC Ala CD GXXX AA GXXV AB Luc AF Fuga EF 80

81 Inbreeding Koeficient inbreedingu F 0 jedinec nemá v genotypu gen, jehož obě alely by pocházely od jednoho předka 1 všechny geny jsou tvořeny alelami, které pochází od jednoho předka 81

82 Inbreeding F = 0,965 v 5. generaci při samooplození F = 0,675 v 5. generaci při připařování vlastních sourozenců F = 1 po n generacích samooplození nebo připařování vlastních sourozenců 82

83 Inbreeding F = 1 2N Je-li sestavení rodičovských párů náhodné 83

84 Inbreeding 1 1 F = + 8Nm 8Nf Je-li samčí a samičí část populace selektována s rozdílnou intenzitou 84

85 Inbreeding d AA = p 2 + pqf h Aa = 2pq 2pqF r aa = q 2 + pqf Snižuje se frekvence heterozygotů, zvyšuje frekvence homozygotů. Alelické četnosti se nemění. Genetická rovnováha je narušena. 85

86 Inbreeding Krajní forma inbreedingu u živočichů je páření rodič-potomek, nebo páření sourozenců. 86

87 Inbreeding U rostlin je přirozeným procesem samosprášení (samoopylení). Dihaploidní rostliny. Přirozené haploidní linie kukuřice, řepka. In vitro se indukuje přechod do haploidní fáze v kultuře prašníků nebo mikrospor. Diploidizace spontánní v kalusu somatickou embryogenezí, umělá kolchicinem. Tím se dosáhne úplné homozygotizace. 87

88 88

89 Inbrední deprese Míra příbuzenských sňatků v různých zemích světa 89