Transcript Genetika populací kvalitativních znaků

Genetika populací
kvalitativních znaků
Úroveň studia genetických procesů
Molekulární - struktura a funkce nukleových kyselin
Buněčná – buněčné struktury s významem pro
genetiku, genetické procesy na buněčné úrovni
Úroveň studia genetických procesů
Jedince - genetické založení a dědičnost jednotlivých
znaků. Mendel, interakce, vazba, pohlaví.
Úroveň studia genetických procesů
Populace
- Rozložení genů a genotypů v populaci
- Vliv prostředí na fenotyp
- Efekty působení genů aj.
Populace
Obecná definice - dostatečně velký, statisticky
hodnotitelný soubor jedinců.
Ekologický pohled - soubor stromů, živočichů,
rostlin, mikroorganismů atd. na určitém
stanovišti, biotopu ap.
Populace
Soubor jedinců určitého druhu, plemene, ap.
Populace
Genetický pohled - soubor pohlavně se
rozmnožujících jedinců, kteří žijí v určitém
prostředí a sdílí komplex genů, přenášený na
potomstvo.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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 prognozování.
Umožňuje studium a pochopení evolučních
procesů.
Umožňuje zhodnotit a zobecnit populačně
genetickou analýzu jednotlivých kvalitativních
znaků.
Generační interval
Období od narození předků do narození potomků.
Věk rodičů při narození vnuků.
člověk
Drosophila
drůbež
ovce
prase
skot
30 – 40 let
2 týdny
1 rok
3 roky
2 roky
4 – 5 let
Interpopulační rozdíly (afričané – skandinávci).
Genofond
Soubor genů (daného druhu) v populaci.
Všechny geny všech členů populace.
U savců cca 23 000 genů.
Genom
Soubor genů v jedné haploidní sadě.
Celkový genetický materiál haploidní
gamety.
buňky
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
Stanovení genetických parametrů populací
- genové četnosti
- genotypové četnosti
- kvantifikace vlivů, narušujících rovnováhu
populace
A dále:
Základy genetické analýzy kvalitativních znaků
v populacích
- stanovení stanovení genetické diverzity, tj.
heterozygotnosti/homozygotnosti aj.
- stanovení genetických vzdálemostí mezi
populacemi
- konstrukce dendrogramů
- a další specifické parametry
Výpočty genetických parametrů kvalitativních
znaků
- absolutní frekvence genotypů
- relativní frekvence genotypů skutečné
- absolutní frekvence genů
- relativní frekvence genů
- relativní frekvence genotypů teoretické
Jeden alelický pár
absolutní frekvence genotypů
AA
D
Aa
H
aa
R
D+H+R=N
Stanovení absolutní frekvence genotypů =
genotypizace
- dle fenotypu
- dle DNA diagnostiky
Populace N = 100
D = 30 (počet homozygotů dom.)
H = 60 (počet heterozygotů)
R = 10 (počet homozygotů reces.)
Relativní frekvence genotypů
skutečné
D
d=
N
H
h=
N
d+h+r=1
R
r=
N
N = 100, D = 30, H = 60, R = 10
30
d=
= 0,30
100
60
h = = 0,60
100
10
r = = 0,10
100
0,30 + 0,60 + 0,10 = 1 (100%)
Absolutní frekvence genů
A
P = 2D + H
a
Q = 2R + H
P + Q = 2N
D = 30, H = 60, R = 10
P = 2 ∙ 30 + 60 = 120
Q = 2 ∙ 10 + 60 = 80
P + Q = 200 = 2N
Relativní frekvence genů
P
p=
2N
p = d + ½h
Q
q=
2N
q = r + ½h
p+q=1
120
p=
= 0,60
200
80
q=
= 0,40
200
p = 0,30 + 0,30 = 0,60
q = 0,10 + 0,30 = 0,40
0,60 + 0,40 = 1
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.
Relativní frekvence genotypů
teoretické
♂
P ♀
p = 0,60
q
= 0,40
p = 0,60
q = 0,40
p2 = 0,36
pq = 0,24
qp = 0,24
2
q = 0,16
F1
Σ=1
p2 = 0,36
2pq=0,48
q2 = 0,16
Relativní frekvence genotypů
teoretické
p2
2pq
q2
AA
Aa
aa
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)
Model tříalelického lokusu (gen A,B,C)
Relativní frekvence genů
P
p=
2N
Q
q=
2N
R
r=
2N
Model tříalelického lokusu (gen A,B,C)
Relativní frekvence genotypů teoretická
p2 + q2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr
AA BB CC AB
AC BC
(p + q + r)2
=1
Genetická struktura různých populací člověka v
rámci jednoho genu (MN krevní skupiny)
Genetika populací
Rovnováha populací
Genetika populací kvalitativních znaků
2 cíle:
Stanovit struktury populací
(genové a genotypové frekvence).
Popsat vývoj populací.
Kontinuita populace
- setrvalé frekvence genotypů ve sledu generací
- tedy i setrvalé frekvence genů ve sledu generací
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).
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.
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
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 genotypu) 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.
1.
genotypové frekvence jsou funkcí
frekvencí genových
% aa
100
50
AA
Aa
25
0
0,5
p
1
2. genové frekvence se ve sledu generací
nemění
p1 = p0
0 = parentální generace
1 = 1. filiální generace
q1 = q 0
3. genotypové frekvence se ve sledu generací
nemění
p21 = p20
2p1q1 = 2p0q0
q21 = q20
4. Relativní frekvence genotypů skutečné jsou
shodné s teoretickými
d = p2
h = 2pq
r = q2
5. Poměr počtu heterozygotů k odmocnině ze
součinu dominantních a recesivních
homozygotů je roven dvěma
H
D.R
=2
nebo
H=2 D.R
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
7.
p2
q2
=
2pq
2
2
( )
Další podmínky:
1. Bisexuální populace se stejnými genovými i
genotypovými četnostmi
p♂ =p♀
q ♂ =q♀
Př.:
p ♂ = 0,7
q ♀ = 0,7
populace zpravidla v rovnováze
♂
♀
0,7
0,3
0,7
0,49
0,21
0,3
0,21
0,09
h
d.r
=2
0,42
=2
0,49 . 0,09
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
♂
h
d.r
♀
h
d.r
p = d + ½h = 0,7
q=0,3
=
0,4
0,5 . 0,1
= 1,79
=
0,2
0,6 . 0,2
= 0,58
F 1 Generace
♂ p0 = 0,7
♀ p0 = 0,7
♂
q0 = 0,3
q0 = 0,3
0,7
0,3
F1 0,7
0,49
0,21
0,3
0,21
0,09
♀
♂ p1 = 0,7
0,42
0,49 . 0,09
=2
q1 = 0,3
♀ p1 = 0,7
q1 = 0,3
rovnováha se dostaví po jedné generaci náhod. páření
3. Bisexuální populace s různými genovými i
genotypovými četnostmi
♂ 0,5 0,4 0,1
♀ 0,3 0,2 0,5
d
h
r
♂
p = 0,7 (1,79)
p = 0,4 (0,52)
0,4
= 1,79
0,5 . 0,1
♀
Parentální
generace
0,2
= 0,52
0,3 . 0,5
F1 generace
♂
♀
0,7
0,3
F1 0,4
0,28
0,12
0,6
0,42
0,18
0,54
0,28 . 0,18
= 2,41
p2 = p♀ . p♂ = 0,4 . 0,7 = 0,28
p=
0,28= 0,53
q = 0,47
po jedné generaci náhodného křížení
rovnováha nenastala
F2 generace
♂ p1 = 0,53
♀ p1 = 0,53
♀
F2
♂ 0,53
q1 = 0,47
q1 = 0,47
0,47
0,53
0,28
0,25
0,47
0,25
0,22
0,5
=2
0,28 . 0,22
genová rovnováha nastala až po 2 generacích
náhodného páření
Náhodné oplození je jeden z
nejdůležitějších systémů oplození v
přírodních populacích.
Hlavní odchylky:
- inbreeding
- asortativní páření (výběr podle genotypu).
Genetika populací
Faktory narušující rovnováhu populací
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
Faktory narušující genetickou rovnováhu
Specificky působí na změnu genových a
genotypových frekvencí
inbreeding
Mutace
(používaná symbolika)
p0 ; q0
p1 , q1
pt , qt
t
u
v
ln
-
frekvence v parentální gen.
frekvence v F1 generaci
požadovaná frekvence
počet generací
rychlost přímé mutace
rychlost zpětné mutace
logaritmus naturalis (e)
Mutace
Varianta a
Varianta b
A a
u
p1 = p0 – up0
u A a v
p1 = p0 – up0 + vq0
∆ p1 = up0 + vq0
∆ p1 = up0
1
t = . ln
u
p0
pt
1
p0 – ^
p
t=
. ln
u
pt – p^
p^ =
při u = v
v
u+v
není narušena H.W. rovnováha
Migrace
(používaná symbolika)
m
-
relativní počet migrantů
pm
-
frekvence v migrující populaci
qm
-
frekvence v migrující populaci
pn
-
frekvence v n-té generaci
qn
-
frekvence v n-té generaci
nebo (qt, pt)
Migrace
Populace 1
Populace 2
imigrace
emigrace
I
N
počet migrantů
velikost populace
Migrace
(imigrace)
p1 = m(pm – p0) + p0
∆ p = m(pm – p0)
∆ p = p1 – p0
1
(p0 - pm)
t=
. ln
m
(pt - pm)
m = I relat. počet včleněných zvířat
N
I = počet včleněných zvířat
N = velikost populace
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
Zaměření selekce u kvalitativních znaků
selekce neexistuje
proti reces. homoz.
proti nositelům reces alely
proti domin. homozyg.
proti nosit. dom. alely
proti homozygotům
proti heterozygotům
AA
1
1
1
1-s
1-s
1-s
1
Aa
1
1
1-s
1
1-s
1
1-s
aa
1
1-s
1-s
1
1
1-s
1
Selekce
p1 =
p0
1 - s . q2
n = t = počet generací
∆p = p1 – p0
q0
qn =
1 + n q0
1
1
–
t=
qn q0
q1 =
q0
1 + 1 q0
Příklad výpočtu
Vstupní data:
Selekce proti „aa“ intenzita selekce s=1
p0 = 0,8
q0 = 0,2
s =1
t = 2 nebo t = 10
Příklad výpočtu
a/
p0
0,8
p1 =
=
= 0,83
2
1 – q0
1 – 0,04
∆p = p1 – p0 = 0,83 – 0,80 = 0,03
q0
0,2
= 0,14
=
qt =
1 + t . q0
1 + 2 . 0,2
0,2
t=2
= 0,06
=
1 + 10 . 0,2
t = 10
b/
qt = 0,01
1
1
1
t=
–
=
–
q
q
0,01
1
= 95 generací
0,2
Genetický drift
Význam v malých populacích
Význam z evolučního hlediska
Vede k náhodnému zvýšení
frekvence genů nebo genotypů
nebo
snížení
Faktor přizpůsobování populací měnícím se
podmínkám prostředí
Genetický drift
Příčina 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
Genetický tlak
a) relativní
b) absolutní
p 0 . q0
P0 . Q0
σA=+
2N
2N
σq = ∆q, tj. změna q za 1 generaci + ∆q !
σ a = σ q= +
Příklad:
p0 = 0,5
σq=+
q0 = 0,5
0,5 . 0,5
2 . 25
= 0,07
q1 = q1 + ∆ q
N = 25
∆ q = + 0,07
tj. 0,43 až 0,57
Inbreeding
Příbuzenské páření – připařování jedinců, kteří
mají jednoho nebo více společných předků, od
kterých získali s určitou pravděpodobností
společné geny.
GXXVAB
GXXIXAC
AlaCD
GXXXAA
GXXVAB
LucAF
FugaEF
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
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
Inbreeding
1
F=
2N
Je-li sestavení rodičovských párů náhodné
Inbreeding
1
F=
1
+
8Nm
8Nf
Je-li samčí a samičí část populace selektována s
rozdílnou intenzitou
Inbreeding
dAA = p2 + pqF
hAa = 2pq – 2pqF
raa = q2 + pqF
Snižuje se frekvence heterozygotů, zvyšuje
frekvence homozygotů.
Alelické četnosti se nemění.
Genetická rovnováha je narušena.
Inbrední deprese