Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0354 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Populační genetika (KBB/PG) Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Historie populační genetiky, základní pojmy, polymorfní lokusy RNDr. Petr Nádvorník, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Cíl přednášky - Seznámení s historií populační genetiky, se základními termíny oboru a se způsobem studia polymorfních lokusů Klíčová slova - Populace, dema, genetická variace, polymorfní lokus, polymorfismus, heterozygotnost, alelová a genotypová četnost Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Doporučená literatura: Populační genetika J. Relichová: Genetika populací. Masarykova Univerzita, Brno, 2001. J. Nečásek, I. Cetl a kol.: Obecná genetika. SPN, Praha, 1984. D.L. Hart, A.G. Clark: Principles of Population Genetics. Sinauer Associates, Sunderland, 1997, 3. vydání. R. Halliburton: Introduction to Population Genetics. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, 2004. J. Flegr: Evoluční biologie, Academia, Praha, 2005.
Historie populační genetiky (~1900-1920) - Znovuobjevení Mendelových zákonů - Matematický popis změn alelových a genotypových frekvencí v populacích Gregor Mendel (1822-1884) - 1908 Hardy Weinbergův zákon Godfrey H. Hardy (1877 1947) Wilhelm Weinberg (1862 1937)
(1920-1950) - Studium genetické variability uvnitř a mezi populacemi - John B. S. Haldane studium selekce John Haldane (1892-1964) - Ronald Fisher studium korelací, fenotypů, epistaze, asortativního oplození Ronald Fisher (1890 1962) - Sewall Wright studium epistaze a inbreedingu -Počátky uplatňování eugeniky Sewall Wright 1889-1988
(1950-1960) - Motoo Kimura teorie neutrality - Gustave Malécot studium korelace a vazby Motoo Kimura (1924-1994) - Theodosius Dobzhansky (Феодосий Григорьевич Добржанский) genetické a evoluční studie Gustave Malécot (1911 1998) Theodosius Dobzhansky (1900-1975)
(1960-1980) - Objev alozymového polymorfizmu - Objev struktury DNA - Objev sekvenování DNA
(1980-2011) - Objev PCR a dalších technik molekulární biologie -Rozšíření výkonných počítačů - Sofistikovaný software
(2011-????) - Moderní matematické zpracování - Integrace nových směrů (evoluce mitochondrií, multigenové rodiny, transpozóny, viry, ) do obecné teorie genetiky a evoluce - Popis vztahů mezi evolucí molekulární, fyziologickou, morfologickou a fitness
Využití populační genetiky Evoluční studie (speciace, evoluce genů, ) Ekologie (migrace, rozmnožování, ) Medicína (dědičné choroby a jejich šíření v populacích, ) Šlechtitelství (kvantitativní znaky, ) Taxonomie (fylogeneze, speciace, ) Epidemiologie (rekombinace patogenů, šíření nákaz, )
Populační genetika - studuje genetickou strukturu populací a změny této struktury z generace na generaci - dokumentuje, analyzuje a vysvětluje přírodní genetickou rozmanitost Populace: - skupina individuí téhož druhu, jejíž členové jsou mezi sebou spojeni příbuzenskými vztahy - reprodukční společenství jedinců určitého druhu, kteří se podílejí na společném genovém fondu (Lokální) populace = demy = mendelovské populace = subpopulace Genofond (genový fond populace) = společný soubor gamet a zygot všech jedinců populace (N jedinců = 2N hapl. genomů)
Genetická variace (rozmanitost) Fenotypová rozmanitost univerzální vlastnost přírodních populací Důležité: genotypové rozdíly mezi jedinci (často mnohonásobný alelismus) Vyjádření genetické variace odhady ze studia určitého počtu genů Odhady genetické variace v populacích 1. studium polymorfních lokusů (jejich podíl v populaci) 2. podíl heterozygotních lokusů u typického člena populace Studium reprezentativního vzorku extrapolace na populaci
Studium polymorfních lokusů Výpočet četnosti alel (=relativní zastoupení alel na daném lokusu) 1) Z počtu genotypů Odhad četnosti alely A: <p> = ( 2AA + Aa) / 2n Odhad variance vzorku: <Var (<p>)> = <p> (1 <p>) / 2n 2) Z počtu jedinců v jednotlivých fenotypových třídách (pokud fenotypy odpovídají genotypovým třídám) 3) Z genotypových četností Odhad četnosti alely A: <p> = f(aa) + f(aa) / 2
Př.1: Výpočet alelových četností z počtu genotypů Genotyp F/F Genotyp F/S Genotyp S/S Celkem Počet jedinců 8 6 2 16 Počet alel F 16 6 0 22 Počet alel S 0 6 4 10 Počet alel F+S 16 12 4 32 Četnost alely S = (6+4) / 32 = 0,3125 Četnost alely F = (16+6) / 32 = 0,6875
Př.2: Výpočet alelových četností z počtu jedinců v jednotlivých fenotypových třídách a z genotypových četností Krevní skupina Genotyp Počet Četnost M L M L M 22 0,030 MN L M L N 216 0,296 N L N L N 492 0,674 Celkem 730 1 Výpočet alelových četností z počtu jedinců v jednotlivých fenotypových třídách: pl M = [ 2x22 + 216] / [2x730] = 0,178 pl N = [ 2x492 + 216] / [2x730] = 0,822 Výpočet alelových četností z genotypových četností: pl M = 0,030 + 0,296 / 2 = 0,178 pl N = 0,674 + 0,296 / 2 = 0,822
Výpočet alelových četností pro lokus s více alelami Lokus a alelami A 1, A 2 a A 3 1) Z počtu genotypů p = f(a 1 ) = ( 2A 1 A 1 + A 1 A 2 + A 1 A 3 ) / 2n q = f(a 2 ) = ( 2A 2 A 2 + A 1 A 2 + A 2 A 3 ) / 2n r = f(a 3 ) = ( 2A 3 A 3 + A 1 A 3 + A 2 A 3 ) / 2n 2) Z genotypových četností p = f(a 1 ) = f(a 1 A 1 ) + f(a 1 A 2 )/2 + f(a 1 A 3 )/2 q = f(a 2 ) = f(a 2 A 2 ) + f(a 1 A 2 )/2 + f(a 2 A 3 )/2 r = f(a 3 ) = f(a 3 A 3) + f(a 1 A 3 )/2 + f(a 2 A 3 )/2
Výpočet alelových četností pro geny na X chromozomu Samice nesou dvě alely, samci jednu p = f(x A ) = [2 x (X A X A ) + (X A X a ) + (X A Y )] / [2 x ( ) + ( )] q = f(x a ) = [2 x (X a X a ) + (X A X a ) + (X a Y )] / [2 x ( ) + ( )] Pokud jsou počty samců a samic shodné p = f(x A ) = 2/3 [(X A X A ) + 1/2 (X A X a )] + 1/3 (X A Y) q = f(x a ) = 2/3 [(X a X a ) + 1/2 (X A X a )] + 1/3 (X a Y)
Míry genetické variace Kvantitativní ukazatelé vyjádření četností variant různých genů v populacích Umožňují srovnání různých populací mezi sebou Polymorfizmus a heterozygotnost Polymorfizmus: Udává podíl polymorfních lokusů v populaci Lokus polymorfní, pokud frekvence nejčetnější alely není větší než 95 % (případně 99 %) Použitím různých kritérií dostaneme různé hodnoty polymorfizmu Není přesnou mírou genetické variace (např. 2 lokusy: lokus1 má 2 alely s četnostmi 0,95 a 0,05, lokus2 má 20 alel s četností 0,05) Př.3: Studium 30 lokusů červa Phoronopsis viridis. 12 lokusů bez variace, 18 lokusů polymorfních. Pol = 18/30 = 0,6 ~ 60 % Možno stanovit průměrný polymorfizmus zprůměrováním polymorfizmu více populací.
Heterozygotnost: = průměrná četnost heterozygotních jedinců (v určitých lokusech) Nezahrnuje v sobě elementy volnosti a nepřesnosti Nejprve se stanoví četnosti heterozygotních jedinců v každém lokusu, pak průměr pro všechny lokusy Př.4: Výpočet průměrné heterozygotnosti na čtyřech lokusech Lokus Počet jedinců Heterozygotnost heterozygotních celkem 1 25 100 25 / 100 = 0,25 2 42 100 42 / 100 = 0,42 3 9 100 9 / 100 = 0,09 4 0 100 0 / 100 = 0,00 Průměrná heterozygotnost: (0,25+0,42+0,09+0,00) / 4 = 0,19
Heterozygotnost je mírou pravděpodobnosti, že se dvě alely daného lokusu náhodně vybrané v populaci projeví jako rozdílné Platí to pouze v populacích s náhodným oplozením!!! V populacích se samooplozením a s určitým podílem příbuzenského křížení je zvýšený podíl homozygotů oproti populaci s náhodným oplozením Eliminuje se výpočtem očekávané heterozygotnosti (H exp ) Výpočet H exp : Polymorfní lokus s n alelami A 1, A 2, A 3,, A n Očekávané četnosti homozygotů při náhodném oplození: A 12, A 22, A 32,, A n 2 H exp = 1 (A 12 + A 22 + A 32 + + A n2 )
Odhad celkové genetické variace v přírodních populacích Odhad průměrné heterozygotnosti v lidské populaci ~ 6,7 % Člověk ~ 30 000 genů, tedy je heterozygotní ve 30 000 x 0,067 = 2 010 lokusech Teoreticky může vzniknout 2 n gamet 2 2010 = 10 605 různých gamet (celkový počet protonů a neutronů na Zemi asi 10 76 ) Genetická shoda pouze u jednovaječných dvojčat Žádné 2 organismy na Zemi vzniklé z různých zygot nemohou být geneticky shodné!!! (žádné 2 nezávisle vzniklé gamety nemohou být úplně shodné i když různá spojení alel v gametách nejsou stejně pravděpodobná)
Analýza proteinů Způsoby studia molekulární variace Studium alozymů, proteinový fingerprinting (IEF) Analýza DNA Restrikční polymorfizmus (RFLP), AFLP, RAPD, sekvenční polymorfizmus, konformační polymorfizmus Polymorfizmus repetitivních sekvencí (Mikrosatelitová a minisatelitová analýza) Analýza informačních makromolekul odhaluje skrytou genetickou variaci, která není pozorovatelná na úrovni genotypů
Využití genetického polymorfizmu Poskytuje markery pro genetické studie organismů Možno využít tam, kde není proveditelná klasická genetická analýza Studie genetických vztahů (např. mezi populacemi odhady migrace, nalezení společného předka) Monitoring škodlivých genů (např. dědičná choroba) v lidské populaci včasná diagnóza postižených jedinců (polymorfní gen slouží jako přirozený genetický marker) Studium přirozených způsobů rozmnožování (pomocí četností alternativních genotypů) Studie původu skupin organismů
Značení alel Alely dominantní a recesivní (A,a) Nově odvození od formy znaku, která vznikla mutací z formy standardní Znak Standardní alela Mutantní alela Dominance Barva těla y + šedé tělo y žluté tělo y + nad y Tvar oka B + eliptické oko B úzké oko B nad B +