Doposud genetika na úrovni buňky, organizmu
- jedinec nás nezajímá - pouze jeho gamety a to jako jedny z mnoha = genofond = soubor všech gamet skupiny jedinců Populace mnoho různých definic - skupina organizmů téhož druhu žijící v určitém geograficky vymezeném areálu, čase a schopných páření
objevuje se jako výsledek sporu mendelistů x biometriků R. C. Punnet W. Bateson K. Pearson W. F. R. Weldon pro většinu měřitelných znaků neplatí Mendelovy principy Mendelovy principy neplatí v populacích ani pro jednoduché znaky př. brachydaktylie - jedinců s dominantním fenotypem není v populaci většina, jak biometrici vykládali Mendelovy štěpné poměry Brachydaktylie - abnormálně krátké, zavalité prsty. Často též malý vzrůst + krátké ruce a nohy.
Oba argumenty vyvráceny: měřitelné znaky podmíněny polygenní dědičností, tedy větším počtem genů s mendelovskou dědičností brachydaktylie četnost dominantních alel a fenotypů v populaci odvodil G. H. Hardy a W. Weinberg Podrobněji o tom za chvíli v rámci Historie genetiky populací Dvě tváře populační genetiky: genetika populací je tedy založena na matematice a statistice ale skrývá v sobě úžasné věci pro biology a genetiky Výpočty jsou jen prostředkem ke sledování populací.
Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi Studuje: strukturu populace - hodnoty alelových četností Četnost krevní středoevropská Papago skupiny populace (Arizona) A (I A I A, I A i) 42 % 6 % 0 (ii) 38 94 B (I B I B, I B i) 14 0 AB (I A I B ) 6 0 Alelovéčetnosti SE Papago % I A 28 4 I B 11 0 i 61 96
Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi Studuje: strukturu populace - hodnoty alelových četností dynamiku populace - jak se mění alelové četnosti z generace na generaci = v dlouhém sledu generací = evoluce = Evoluční genetika ustavení genetické rovnováhy
budeme se učit jak studovat populace z pohledu genetiky konkrétní aplikace jen jako příklady Jak studujeme genetiku populací: Alelové četnosti jsou ovlivněny způsobem rozmnožování - autogamie x panmixie, příbuzenské křížení typem dědičnosti autozomální, gonozomální, vazba evolučními silami genetickým driftem, mutacemi, genovým tokem, selekcí Na populace v přírodě působí všechny faktory současně = sledujeme strukturu populací (alelovéčetnosti) u modelové populace např. když se jednotlivé generace nepřekrývají když nepůsobí žádné evoluční faktory a populace je pouze panmiktická když nepůsobí žádné evoluční faktory, ale v populaci probíhá příbuzenské křížení když se sleduje vliv jednotlivých faktorů na alelové četnosti odděleně apod. Tím se budeme zabývat v průběhu semestru pochopíme tak, co se asi vše může odehrávat v přírodních populacích.
Využití populační genetiky - Evoluční biologie (Bi8150) - Paleogenetika člověka (Bi6290)
Přednáška 2 hodiny Sylabus 1 Historie genetiky populací 2 Genetická variabilita v populacích (fenotypová, genotypová, genetická struktura populací) a její stanovení (polymorfizmus a heterozygotnost, typy polymorfizmů, měřítka rozmanitosti, měřítka genetické vzdálenosti, využití) 3 Organizace genetické variability (modelová populace, Hardy Weinbergův princip, Snyderovy podíly) 4 Speciální případy náhodného oplození (tři a více alel, Bruceho poměry, vazba na pohlaví, vazba a HW rovnováha) 5 Nenáhodné oplození (výběrové, nenáhodné oplození, inbríding, odhad příbuznosti) 6 Náhodný genetický posun (malé populace, důsledky, efektivní velikost populace, vliv zakladatele) 7 Mutace (mutační tlak, počet alel udržovaných v populaci, hypotéza neutrality) 8 Migrace - genový tok (jednosměrná, obousměrná, přerušení izolace, odhad velikosti migrace) 9 Přírodní výběr (zdatnost a adaptivní hodnota, výběr u haploidních, diploidních organizmů, výběr a rovnováha, rovnováha mezi výběrem a mutací)
Cvičení 1 + 1 hodina Sylabus 1 hodina (v libovolném čase) řešení ukázkových příkladů ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní osnova na ISu) formou e-výuky (doma u PC)
Cvičení 1 + 1 hodina Sylabus 1 hodina (v libovolném čase) řešení ukázkových příkladů ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní osnova na ISu) formou e-výuky (doma u PC) lze si zapsat samostatně bez experimentální části zápočet za vyřešené odpovědníky (celkem 21 příkladů, jako příprava na zkouškové příklady)
Cvičení 1 + 1 hodina Sylabus 1 hodina (čt 14:00-14:50, A36-209) sledování ustavení genetické rovnováhy v populaci D. melanogaster u znaku vázaného na pohlaví vyhodnocení populačních dat a výpočet alelových četností pomocí Snyderových podílů (chutnačství a rolování jazyka) vyhodnocení DNA profilu pro kriminalistické a soudní účely exkurze na Ústavu soudního lékařství
Literatura Relichová, Jiřina.. Brno 1997 Relichová, Jiřina.. Brno 2009
Literatura Interaktivní osnova v IS
Literatura Elektronická skripta
Literatura Webová stránka s aktuálními zajímavostmi z Genetiky populací a Paleogenetiky https://sites.google.com/site/lizalpal/home/zaujalo-me
Zakončení Cvičení
Zakončení Přednáška zkouška složená ze dvou částí: 1. část: úspěšně vyřešit v odpovědníku tři vylosované příklady - velmi podobné příkladům ze cvičení - řešení doma nebo kdekoliv jinde s literaturou - neomezený čas s opakovaným spuštěním - pro splnění je potřeba 100% úspěšnost 2. část: ústní zkouška - jen v případě úspěšně vyřešených příkladů - rozhovor na téma populační genetika (případné vzorečky lze mít s sebou)
Historie genetiky populací Řecký historik Herodotos (5. st. př. n. l.) první podrobný popis lidské rozmanitosti. Píše například o tmavých a tajemných Libyjcích i o kmeni barbarských lidojedů z ruského severu a dále popisuje lidi, kteří připomínají Turky a Mongoly = první etnografické pojednání. 1. vědecký popis (genetické) variability 1859 Charles Darwin O původu druhů vývoj druhů umožňuje existence variability v populacích = zdroj evoluce přírodním výběrem - nebyl však vysvětlen mechanizmus smíšená dědičnost či dědičnost získaných vlastností neuměly vysvětlit mechanizmus působení přírodního výběru - sám Darwin (1868) navrhl jako hypotézu dědičnosti pangenezi - Darwin bohužel neznal Mendlovu práci, která vznikla ve stejnou dobu a která by dokázala Darwinovy výsledky vysvětlit
Historie genetiky populací Mendel a jeho práce - populační genetika při popisu struktury populací využívá základní principy genetiky - díky principu segregace a principu kombinace můžeme předpovídat distribuci genotypů v potomstvu - populační genetika tak vlastně vzniká s genetikou jako takovou a ve své podstatě lze Mendela považovat za jejího zakladatele Aa x Aa AA : Aa : aa 1 : 2 : 1 1866 Versuche über Pflanzen-Hybriden popsal mimo jiné i distribuci genotypů v potomstvu při opakovaném samooplození
Historie genetiky populací Mendelovo zobecnění genotypových štěpných poměrů při opakovaném samooplození monohybrida Aa. Generace v poměru A Aa a A : Aa : a 1 1 2 1 1 : 2 : 1 2 6 4 6 3 : 2 : 3 3 28 8 28 7 : 2 : 7 4 120 16 120 15 : 2 : 15 5 496 32 496 31 : 2 : 31 n 2 n -1 : 2 : 2 n -1 četnost Aa 2/4 = 1/2 4/16 = 1/4 8/64 = 1/8 16/256 = 1/16 32/1024 = 1/32 1/2 n Sám Mendel ve své práci píše: V desáté generaci je např. 2 n -1 = 1023. Je proto mezi 2048 rostlinami, které vzejdou z této generace, 1023 s konstantním znakem dominantním, 1023 s recesivním a jen dva hybridi. Heterozygotnost se v každé generaci při opakovaném samooplození snižuje na polovinu.
Historie genetiky populací Dále předpokládal, že toto zobecnění má platnost pouze tehdy, jsou-li všechny genotypy stejně plodné, tedy nepůsobí-li selekce. Tento popis struktury populací odvozený Mendelem však platí jen pro případ samooplození hrách je typickou rostlinou rozmnožující se samosprášením. Ve většině živočišných populací však probíhá páření jedinců mezi sebou a to náhodně.
Historie genetiky populací Hardy-Weinbergův princip G. H. Hardy (1877-1947) britský matematik Publikoval totéž několik měsíců po Weinbergovi, ale anglicky. Wilhelm Weinberg (1862-1937) německý lékař Jako první v němčině - nepovšimnuto. Složení populace náhodně se křížících jedinců vyřešili v roce 1908 Hardy a Weinberg ve své podstatě velmi jednoduchý stal se základním principem genetiky populací umožňuje také předpovídat genotypové četnosti v dalších generacích princip se zrodil jako výsledek sporu mezi mendelisty a biometriky
Historie genetiky populací oponenti Mendelových principů tvrdili, že genotypový poměr 1:2:1 a fenotypový poměr 3:1 musí platit v jakékoliv populaci pro většinu znaků ovšem jen velmi málo znaků vykazovalo v populacích podobnost s těmito poměry (např. by muselo být v populaci 75 % brachydaktyliků) = zobecnění mendelovské dědičnosti bylo zpochybňováno R. C. Punnet jako mendelista vyzval právě Hardyho, aby dokázal, že i při platnosti mendelovských principů se nemusí v populacích tyto poměry objevit své zdůvodnění Hardy publikuje v jednostránkovém článku v roce 1908 v časopisu Science ( Mendelian proportions in a mixed population )
Historie genetiky populací Hardyho zdůvodnění proč v populacích člověka při platnosti Mendelových principů nepřevládnou jedinci s dominantní chorobou (př. brachydaktýlie) genotypové složení populace pro jeden gen se dvěma alelami A, a je: p : 2q : r pro genotypy AA : Aa : aa Dnes používáme symboly p a q pro alelové četnosti za předpokladu, že populace bude velká, s náhodným oplozením, stejnou distribucí genotypů u obou pohlaví a všichni jedinci budou stejně fertilní = pak tento poměr bude shodný i v následujících generacích ve druhé generaci se ustaví stabilní poměr zdravých a postižených jedinců, který závisí pouze na alelových četnostech
Historie genetiky populací Hardy-Weinbergův princip ve velké populaci s náhodným oplozením, kde nepůsobí migrace, mutace ani selekce - alelové četnosti se z generace na generaci nemění v dalších letech byl vyřešen vliv inbrídingu a selekce u populací s náhodným oplozením; vliv vícenásobných alelových lokusů a vazby na strukturu populací Další velikáni populační genetiky: Sir Ronald A. Fisher (1890-1962) britský statistik, evoluční biolog a genetik mimo jiné vysvětlil vliv selekce na genetickou strukturu populací
Historie genetiky populací Další velikáni populační genetiky: Sewall Green Wright (1889-1988) americký genetik posun v četnosti genů v malých populacích některé kombinace genů tak vznikají méněčastěji než v populacích větších rozdělení populace na malé subpopulace - nejpříznivější faktor pro rychlou evoluci (selekce nemá tak velký vliv) Wright a Fisher propojili Darwinovu evoluční teorii s genetikou - neodarwinizmus
Historie genetiky populací Další velikáni populační genetiky: J. B. S. Haldane (1892-1964) britský genetik a evoluční biolog vliv přírodního výběru na strukturu populací sledoval změny genetické struktury populací při daných adaptivních hodnotách různých genotypů interakce mezi selekcí, mutací a migrací Zlatý věk populační genetiky Fisher, Wright a Haldane smířili genetiku a biometriku dědičnost metrických (kvantitativních) znaků je řízena velkým počtem mendelovských faktorů (polygenů) kvantifikovali evoluční změny a propojili matematiku, genetiku a evoluční biologii ( nejúspěšnější aplikace matematické teorie v biologii )
Historie genetiky populací Bylo již vše tou dobou objeveno? poznatky byly jen teoretické na modelových populacích nyní bylo potřeba platnost ověřit i na populacích reálných, přírodních obtížný úkol v přírodních populacích působí všechny faktory a proměnné současně a jejich vliv se jen těžko od sebe odlišuje závěry získané u jedné reálné populace tak nelze zobecnit s platností na populace ostatní Pokusy o to se však objevily (studium variability). Theodosius Dobzhansky (1900-1975) původem ruský genetik Teodosij Grigorovič Dobžanskij po emigraci do USA (1927) pracoval ve Fly room studoval genetickou variabilitu různých lokálních přírodních populací D. melanogaster
Historie genetiky populací v té době již bylo známo, že v přírodních populacích je vysoká genetická rozmanitost - Sergej Sergejevič Četverikov (1880-1959) nevědělo se ale, že ji lze studovat mendelovskými metodami jsou v přírodních populacích dostatečně zastoupeny recesivní alely? Nikolaj Petrovič Dubinin (1907-1998), čestný doktorát MU z roku 1965 studoval řadu přírodních populací D. melanogaster z oblasti Kavkazu = vysoké procento letálních alel je skryto v heterozygotním stavu (potvrdil i Dobzhansky a další) = podíl letálních či jiných nepříznivých recesivních alel v populacích může být i více než 15%
Historie genetiky populací Motoo Kimura (1924-1994) japonský genetik rozpracoval důsledky náhodného genetického driftu rozšířil Fisherovu teorii přírodní selekce o faktory jako dominance a epistáze evoluce na molekulární úrovni je především výsledkem náhodných procesů jako jsou mutace a drift ( The Neutral Theory of Molecular Evolution ) John Maynard Smith (1920-2004) aplikoval teorii her v procesech evoluce Luigi Luca Cavalli-Sforza (1922) rozsáhlý výzkum genetické variability v lidských populacích odmítnut koncept lidských ras Richard Lewontin (1929) propojil genetiku populací a evoluční teorii na molekulární úrovni a položil základy směru molekulární evoluce
Historie genetiky populací V současnosti zažívá rozvoj právě oblast molekulární evoluce zkoumání evoluce dříve pomocí polymorfizmu izoenzymů, dnes již spíše na úrovni sekvence DNA. Zkoumá se také propojení právě mezi evolucí molekulární, fyziologickou, morfologickou a vlivem přírodního výběru (adaptivní hodnotou). Evoluce na úrovni DNA nemusí nutně odrážet evoluci na úrovni fenotypů skupiny jedinců. A jak je provázána s evolucí socio-kulturní (rozvoj technologií a umění).