Genetika populací. KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

Transkript

1 Genetika populací KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek

2 Genetika populací Populace je soubor genotypově různých, ale geneticky vzájemně příbuzných jedinců téhož druhu. Genový fond je společný fond gamet a zygot určité populace. Velká populace několik set až tisíce jedinců. Malá populace několik desítek jedinců. V panmiktické populaci dochází k náhodnému a ničím neomezenému párování všech jedinců obou pohlaví.

3 Četnost alel Pro výzkum je celá populace příliš velká, a tak si vybíráme k analýze reprezentativní vzorek. Protože každý jedinec ve vzorku nese 2 alely na lokusu pro určitý gen, pak celkový počet alel získáme, jestliže početnost vzorku násobíme 2. Tuto metodu nelze použít v případě, že 1 alela je dominantní. Pokud se studovaný gen nachází na ch. X, pak stačí u samců spočítat různé alely na ch. X. Např. ve vzorku 200 mužů je jich 24 barvoslepých, protože mají tuto poruchu vázanou na X ch.

4 Polymorfizmus Četnost některých alel v populaci je 0,01 nebo menší, pak k určení jejich četnosti nebo odhalení je třeba mít velký vzorek. Pokud má druhá nejčetnější alela genu četnost větší než 0,01, pak se jedná o genetický polymorfizmus.

5 Genetická rovnováha v populaci Genetiku populací založili až 2 badatelé na počátku 20. st. britský matematik G. H. Hardy a německý lékař W. Weinberg. Hardyho-Weinbergův zákon: genetická struktura (frekvence genů a genotypů) se v panmiktické populaci nemění. Tato populace je v genetické rovnováze.

6 Použití H.-W. zákona Tento zákon se dá využít k předpovědi genotypových četností na základě četnosti alel. Nebo jej lze použít i opačně k předpovědi alelových četností na základě četností genotypů. Tento princip platí také u X-vázaných genů a genů s mnohonásobnými alelami. Předpokládáme, že alelovéčetnosti jsou u obou pohlaví shodné.

7 Krevní skupina Rh faktor a H.- W. zákon Přítomnost antigenu Rh+ (alela D), nepřítomnost Rh- (d). Četnost alely D = p a alely d = q. Součet četností v populaci je 100%, pak p+q = 1. Pravděpodobnost setkání 2 dominantních (DD) a recesivních alel (dd) je p x p = p 2 a q x q = q 2. Dále pak setkání recesivní a dominantní alely (Dd) je (p x q) + (q x p) = 2pq p 2 +2pq+ q 2 =1. V ČR jsou přibližně čtyři pětiny obyvatelstva Rh +. Aby H.-W. zákon platil nesměla by v populaci existovat selekce, mutace, migrace atd. (evoluční faktory).

8 Daltonismus a H.-W. zákon Pokud je četnost alely C pro normální vidění je p = 0,88 a četnost alely pro barvoslepost c je = 0,12. Tak za předpokladu náhodného oplození a stejných alelových četností u obou pohlaví platí: Pohlaví Genotyp Četnost Fenotyp Muži C p = 0,88 Normální vidění c q = 0,12 Barvoslepost Ženy CC p 2 =0,77 Normální vidění Cc 2pq=0,21 Normální vidění cc q2=0,02 Barvoslepost

9 Výjimky z H.-W. principu Tento princip nelze použít u některých populací z mnoha důvodů: Nenáhodné oplození Nestejné přežívání jedinců Rozdělení populace do izolovaných skupin Směs různých populací nově spojených migrací.

10 Nenáhodné oplození Jestliže oplození v populaci není náhodné, pak jednoduché vztahy mezi četnostmi alel a genotypů selhávají. Jedná se o páření jedinců, kteří jsou geneticky spřízněni (bratranec a sestřenice) příbuzenské oplození. Pokud mezi sebou páří jedinci, kteří jsou si fenotypově podobní (vzrůstem, barva pleti) výběrové oplození. Tato oplození mají kvalitativně stejný vliv redukují četnost heterozygotů a zvyšují četnost homozygotů.

11 Nestejné přežívání a rozdělení populace Jestliže zygoty, které vznikly náhodným oplozením, mají různý stupeň přežívání, neočekáváme, že jedinci, kteří z těchto zygot vzniknou, budou odpovídat H.-W. zákonu. V přírodě většinou neexistují panmiktické populace, protože jsou často rozděleny geografickými nebo ekologickými bariérami. Tato rozdělení způsobí, že populace je geneticky nehomogenní a to narušuje přirozené předpoklady H.-W. principu, že alelovéčetnosti jsou v celé populaci stejné.

12 Migrace Vnášení genů novými migrujícími jedinci do původní populace může změnit alelové a genotypovéčetnosti a tím také narušit H.-W. zákon. Když je např. geografická bariéra mezi populacemi porušena a 2 populace se sloučí, pak ve sloučené populaci budou alelové četnosti jednoduše průměrem v oddělených populacích. Také genotypovéčetnosti ve sloučené populaci budou jednoduše průměrem genotypovýchčetností v oddělených populacích. Když je však v populaci s imigranty oplození náhodné, tak se po jedné generaci H.-W. princip obnoví.

13 Přírodní výběr Charles Darwin popsal přírodní výběr jako schopnost organismů vytvořit více potomků, než se může v daném prostředí uživit, proto mezi nimi dochází k boji o přežití. Jedinci, kteří přežijí a rozmnoží se jsou silní a přenesou na své potomky výhodné znaky pro přežití a rozmnožování. Po mnoha generacích takového soutěžení převládnou v populaci znaky spojené se silnou kompetetivní schopností. Tuto schopnost organismů můžeme z genetického hlediska označit jako fenotyp.

14 Zdatnost Fenotyp, který zahrnuje znaky vhodné pro přežití je dán částečně genotypem. Schopnost přežití a reprodukce se nazývá zdatnost (fitness). Jedná se o kvantitativní parametr, který se obvykle označuje w. Každý člen populace má w = 0 (nepřežije, nemnoží se), nebo 1 (přežije a má 1 potomka), či 2 (přežije a má 2 potomky). Průměr těchto hodnot v populaci se označuje jako průměrná zdatnost populace. Stabilní populace má průměrnou zdatnost w = 1. Populace v úpadku w < 1 nebo na vzestupu w > 1.

15 Přírodní výběr na úrovni fenotypu Zdatnost obvykle závisí na souboru genů, které řídí kvantitativní znaky (velikost těla, náchylnost k chorobám, plodnost atd.). Přírodní výběr pak může ovlivnit rozdělení kvantitativního znaku: Usměrňující výběr preferuje extrémní hodnoty znaku na 1 konci rozdělení těchto hodnot (šlechtitelství umělý výběr). Umělý výběr závisí na heritabilitě zdatnosti. Příklady evoluce: nárůst velikosti těla koní v jejich evoluci, vývoj paroží u vysoké zvěře, zvětšení mozku člověka.

16 Divergentní výběr Výběr, který preferuje extrémní hodnoty znaku na úkor středních hodnot. Působí současně na zvětšení a snížení hodnot znaku v populaci. Musí zde být silné výběrové oplození mezi jedinci se stejnými extrémními hodnotami znaku. Nebo byla populace rozdělena geografickými či ekologickými bariérami. Např. u mamutů žili v Evropě a Asii jedinci vysocí až 5 m, ale na ostrovech v Severním ledovém moři působil výběr opačně mamuti byli malí jako poníci. Stabilizující výběr udržuje v populaci rozdělení kvantitativního znaku, tím že preferuje jeho střední hodnoty.

17 Náhodný genetický posun (drift) Již Ch. Darwin rozpoznal, že nejen přírodní výběr je systematickou silou v evoluci, ale i náhodné procesy ji mohou ovlivnit. Tímto náhodným procesem je vznik nové mutace. Náhodný genetický posun: pro každý pár rodičů v populaci, který segreguje různé alely genu, se může stát, že mendelovský mechanismus povede ke změnám v četnostech daných alel. Je v podstatě výsledkem procesu výběru vzorku, k němuž dochází při reprodukci organismů.

18 Náhodný genetický posun a reprodukce Náhodný genetický posun = výběr vzorku během reprodukce org. Alely segregujících genů jsou náhodně začleněny do gamet. Počet potomků je od jednotlivých rodičů náhodně kolísá. Různý počet potomků může být dán skutečnými rozdíly ve zdatnosti členů populace a z části náhodnými faktory (náhlé úmrtí, špatné počasí, přírodní katastrofy).

19 Velikost populace Náchylnost populace k náhodnému genetickému posunu závisí na její velikosti. Zatímco ve velkých populacích je vliv genetického posunu minimální, pak v malých populacích to může být prvořadá evoluční síla. Genetici měří velikost populace sledováním četnosti heterozygotů v průběhu času. Heterozygotnost se vlivem g. driftu snižuje. U diploidních organismů je rychlost ztráty genetické variability náhodným genetickým posunem daná výrazem 1/(2N), kde N je velikost populace. Drift nakonec vede k fixaci jedné alely daného lokusu a ztrátě všech ostatních alel. Pravděpodobnost, že alela bude nakonec fixována, se rovná její aktuální četnosti v populaci.

20 Populace v genetické rovnováze V panmiktické populaci bez působení evoluční síly (mutace, výběr, drift a migrace) platí H.-W. četnosti genotypů na neurčito genetická rovnováha. Avšak tyto evoluční síly mohou působit proti sobě a ustavit dynamickou rovnováhu, kdy se četnosti alel mění. Typy genetické rovnováhy: Heterozygotní výhoda = balancující selekce Rovnováha mezi mutací a výběrem Rovnováha mezi mutací a driftem.

21 Heterozygotní výhoda Výběr v populaci preferuje heterozygoty na úkor homozygotů (superdominance). Např.: U lidí existuje onemocnění srpkovitou anémií homozygoti pro mutantní alelu β-globinového genu (HBB S ) bez lékařské pomoci smrt zdatnost homozygotů = 0. Tropická Afrika je výjimkou četnost této alely je 0,2. Důvodem je, že heterozygoti s touto 1 mutantní alelou lépe odolávají malárii než standardní homozygoti (HBB A ). Výsledkem je že homozygoti (HBB A HBB A ) mají menší zdatnost než heterozygoti (HBB A HBB S ). To znamená, že jsou obě alely β-globinového genu údržovány v populaci. Tento stav se nazývá balancovaný polymorfizmus.

22 Rovnováha mezi mutací a výběrem Výběr eliminuje škodlivé alely, které vznikají rekurentní mutací. Např. výzkum přírodních populací octomilky ukázal, že letální alely jsou méně časté než by odpovídalo předchozím výpočtům. Což je vysvětlováno tím, že přírodní výběr působí proti škodlivým alelám v homozygotním, ale i heterozygotním stavu. To je možné jen tím, že tyto alely nejsou zcela recesivní. Tento výběr pak nazýváme purifikujícím výběrem.

23 Rovnováha mezi mutací a driftem Genetický drift (snižuje variabilitu) a mutace (zvyšuje v.) působí proti sobě. Genetická variabilita je dána heterozygotností (H) a naopak četnost homozygotů je dána 1 H. Když se tyto protichůdné síly dostanou do rovnováhy, pak v populaci bude rovnovážná úroveň variability Ĥ. Rovnovážná úroveň variability (měřená heterozygotností) je tedy funkcí velikosti populace a rychlostí vzniku mutací. V malých populacích převládá drift nad mutací a naopak ve velkých populacích převládá mutace nad driftem. Např. U afrického geparda je Ĥ ve vzorku lokusů 1 % - v průběhu jeho evoluce byla jeho populace velmi malá. U lidí se Ĥ odhaduje na 12%, což odpovídá velikosti populace během evoluce na jedinců. Odhady velikosti populace založené na heterozygotnosti představují geneticky efektivní velikost populace, která je vždy menší než skutečný počet jedinců v populaci.