Transcript Популяционная генетика. Полиморфизм человеческих популяций

Теория биологической эволюции.
Особенности популяционной
генетики.
План
1.
2.
3.
Популяция – элементарная эволюционная
единица. Частоты генов и генотипов в
популяции – закон Харди – Вайнберга.
Элементарные эволюционные факторы.
Формы генетического полиморфизма в
человеческих популяциях.
Популяционный метод



Основан на изучении генетических
закономерностей в популяциях человека.
Позволяет оценить вероятность рождения
лиц с определенным фенотипом в данной
группе населения (семье).
Позволяет рассчитать частоту носительства
в гетерозиготном состоянии рецессивных
аллелей.
Биологическая эволюция –
необратимое, историческое развитие живой
природы,
сопровождающееся
изменением
генетического
состава
популяций,
формированием адаптации, образованием и
вымиранием
видов,
преобразованиями
биогеоценозов и биосферы в целом.
Популяция –
совокупность
особей
одного
вида,
обладающих
общим
генофондом
и
занимающих определенную территорию
Панмиксия –
возможность
свободного
особей внутри популяции
скрещивания
Генетические показатели
здоровья населения




Степень инбредности.
Степень гетерозиготности.
Частота и распределение мутантных генов
в популяции человека.
Частота особей с разными генотипами.
Генетический анализ популяции:


Изучение распространенности того или
иного признака (болезни).
Определение генетической структуры
популяции по этому признаку.
От количества членов
популяции:
1.
2.
3.
Изоляты.
Демы.
Большие популяции.
Изоляты:




Численность не более 1500 человек.
Представители из других групп людей не
более 1%.
Частота внутригрупповых браков свыше
90%.
Естественный прирост населения за 25 лет
менее 25%.
Демы:




Численность от1500 до 4000 человек.
Представители других групп людей – 1-2%.
Частота внутригрупповых браков 80-90%.
Прирост населения за 25 лет не более
25%.
Большие популяции:



Характеризуются большим количеством
членов и численно продолжают возрастать
(население города).
В них снижается действие естественного
отбора.
Преобладают панмиктические браки
(свободный подбор супружеских пар).
Система браков, определяющая
генетическую структуру популяции:
Кровнородственные браки (инбридинг),
ведущие к гомозиготизации:
1.




Запретные браки (1 или 2 степень родства).
Браки внутри изолятов.
Кровнородственные браки в большой популяции
(национальные или религиозные).
Генетические эффекты у потомства: увеличение
частоты мертворождений и врожденных уродств,
ранней смертности и наследственных болезней у
потомства.
2. Браки неродственных людей:




Ассортативные браки – между людьми со сходным
фенотипом. По генетическому эффекту
приравниваются к кровнородственным бракам.
Браки неродственных людей в больших популяциях
(увеличивают степень гетерозиготности –
аутбридинг).
Браки далеко неродственных людей из разных
больших и малых рас (аутбридинг).
Генетические эффекты у потомства: снижение частот
рецессивных заболеваний, гетерозис – гибридная
сила.
Математическая зависимость между частотами
генов и генотипов.
Установили: математик Г.Харди в Англии и врач В.
Вайнберг в Германии (1908г.).
Закон Харди – Вайнберга – в большой
панмиктической популяции из поколения в
поколение сохраняется строго определенное
соотношение частот генотипических классов
особей.
Установившееся равновесие генотипов (АА, Аа, аа)
описывается равенством:
p2(AA) + 2pg(Aa) + g2(aa) = 1
p(A) + g(a) = 1
Частота гетерозигот (Аа) по рецессивным
мутантным генам всегда в несколько
раз выше частоты больных (аа).
Например:


Частота гетерозигот по гену ФКУ – 1 : 70.
Частота больных ФКУ - 1 : 20000.
Условия равновесия генотипов в
популяции:





Наличие панмиксии.
Отсутствие мутационного процесса.
Отсутствие отбора.
Равная плодовитость гомо- и гетерозигот.
Большая численность популяции.
Изменение генетической структуры и
генофонда популяции – элементарное
эволюционное явление.
Основные элементарные
эволюционные факторы:




Мутационный процесс.
Дрейф и миграция генов.
Изоляция.
Естественный отбор.
Мутационный процесс
характеризуется:




Это постоянно действующий фактор.
Ненаправленный фактор, ведет к появлению самых
разных мутаций – элементарного эволюционного
материала.
Постоянно поддерживает высокую степень
гетерогенности популяций.
Приводит к накоплению отрицательных мутаций –
«генетический груз» (6% от общего числа
новорожденных). Каждый из нас – носитель 8
вредных мутаций, скрытых у Аа.
Оценка интенсивности
мутационного процесса.



Частота спонтанных абортов.
Частота врожденных пороков развития.
Частота наследственных болезней.
Мутации изменяют генетическую
структуру популяции с очень малой
скоростью.
Например, чтобы снизить частоту гена (А)
от 0,5 до 0,49 потребуется 2000
поколений.
Дрейф генов –
случайные ненаправленные изменения в частоте
генов, происходящие в каждом поколении.



Наблюдается при резких изменениях численности
популяций (популяционные волны).
При этом, ранее присутствующие в малых
концентрациях мутантные гены могут исчезнуть из
популяции, а концентрация других мутаций может
случайно резко повыситься.
Дрейф генов особенно заметен в изолятах.
Дрейф генов в изолятах.
Признак
Отрицательный
резус
Карликовость
Распространение
Среди жителей Памира
встречается в 2-3 раза реже, чем в
Европе
Изолированная популяция в США
(штат Пенсильвания). 8000
человек этого изолята – потомки 3
супружеских пар
Эффект родоначальника –
Случайно один из основателей новой малочисленной
популяции является носителем редкого аллеля.
Изоляция –
нарушение панмиксии, что закрепляет и усиливает
начальные стадии генетической неоднородности
особей в популяции.
Виды изоляции в человеческих популяциях:




Пространственная.
Социально обусловленная.
Религиозная.
Национальная.
Результаты изоляции.



Ограничение численности популяции,
Возрастание степени родства брачных партнеров
(инбридинг).
Дрейф генов.
Естественный отбор – выживание особей,
наиболее приспособленных к данным
условиям среды.
Действие Е.О. придает направленность эволюции.
Формы Е.О.
1. Стабилизирующий :



Направлен на поддержание в популяции среднего
значения признака, все отклонения от сложившейся
нормы отметаются отбором.
Оберегает виды от существенных изменений.
Поддерживает определенную стабильность в живой
природе. Например, доля мертворожденных детей резко
возрастает за границами веса 2500 – 4400г.
2. Движущий:


Способствует сдвигу среднего значения признака.
Например, выработка устойчивости к
антибиотикам у болезнетворных микроорганизмов.
3. Дизруптивный:

Отбирается ни одна, а две и более нормы.

Благоприятствует более, чем одному
фенотипу и ни один из них не имеет
решающего преимущества перед другими.

Приводит к формированию полиморфных
систем.
«Генетический груз» это плата за резкое снижение действия
Е.О. в человеческих популяциях.
Действие стабилизирующего
отбора у человека:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Почти половина зачатий не заканчивается
рождением ребенка.
Спонтанные аборты составляют 15% от всех
зачатий.
Мертворождения – 2% от всех зачатий.
Детская смертность – 2-3% от всех зачатий.
Часть браков бесплодна.
Часть людей не вступает в брак.
1. Возможна ли элиминация рецессивного мутантного гена
из популяции путем уничтожения или стирилизации
гомозигот (аа)?
Если исходная частота аллеля – 0,01, то чтобы снизить ее
до 0,001, потребуется 900 поколений. Большинство
аллелей содержится в генотипах гетерозигот.
2. Изменится ли частота рецессивного мутантного гена в
популяции при лечении всех гомозигот (аа)?
Например, частота аллеля ФКУ – 0,006.
Если все больные ФКУ будут излечиваться, то частота гена
ФКУ на одно поколение изменится от 0,006 до 0,006036.
Частота гена ФКУ возрастала бы очень медленно, а частота
гомозигот – еще медленнее.
Основной результат
биологической эволюции –
видообразование – в человеческом обществе не
реализуется, а действие эволюционных факторов на
человека приводит в основном к возникновению
генетического
полиморфизма
и
морфофизиологической
дифференциации
человечества.
Полиморфизм –
наличие в пределах одного вида
резко отличных по облику особей,
не имеющих переходных форм.
Наследственная основа генетического
полиморфизма:


Мутационная изменчивость.
Комбинативная изменчивость.
Генетический полиморфизм:




Полиморфизм ДНК.
Генный.
Хромосомный.
Геномный.
Полиморфизм ДНК:


Рестрикционный.
Наличие гипервариабельных участков –
мини-сателлитов.
Рестрикционный полиморфизм:



Полиморфизм по длине рестрикционных
фрагментов.
Ферменты (рестриктазы) разрезают ДНК
только в определенных сайтах, которые
узнают.
Используется для картирования генов
человека.
Например, так был локализован в 4-ой аутосоме
доминантный ген болезни Гентингтона, который
наследуется вместе с полиморфным ДНК-маркером G8.
Аллельные варианты маркера: А. В, С. Д.
Болезнь Гентингтона наследуется с аллелем С.
Р
мать АС
х
отец АВ
б.Гентингтона
здоров
в 50лет
F
1. ВС, 2. АС,
3. АА.
30л.
25л.
20л.
Здоровые
У потомков 1 и 2 после 40 лет может развиться болезнь
Гентингтона.
Наличие в ДНК
гипервариабельных участков



Различное число и разная
последовательность тандемных повторов
из 10-15 пар нуклеотидов.
Вероятность совпадения набора участков у
разных людей практически нулевая.
Метод выявления таких участков
применяется в судебной экспертизе,
микробиологии, эпидемиологии и др.
Геноскопия – идентификация личности на
основании особенностей строения ДНК.
Основные этапы метода:
1. Берется кровь из пальца или вены (реже клетки
кожи, плаценты, сперматозоиды и др.).
2. Из ядер лейкоцитов выделяется ДНК.
3. ДНК с помощью рестрикционных ферментов
разрезается на отдельные фрагменты.
4. Перенос ДНК-фрагментов на специальные мембраны
для разделения на фрагменты (электрофорез).
5. Добавление радиоактивной метки и получение ДНКотпечатка на рентгеновской пленке.
6. Идентификация ДНК-отпечатков.
Геноскопия.
ДНК-отпечатки матери, ребенка и
двух предполагаемых отцов
Семейный анализ
фрагментов ДНК с
помощью блотгибридизации по
Саузерну
М – мать
Р – ребенок
О – отец
Генный полиморфизм –
наличие двух и более аллелей одного гена.
Полиморфные системы человека
Название
Основные аллели
АВО(Н)
А1, А2, В, Н
Резус
Комплекс генов: С,с, Д,д, Е,е
Лейкоцитарные A-25, B-50, C-8, D-35, DR-16
Антигены - HLA
Балансированный (гетерозиготный) полиморфизм –
способствует сохранению в популяции рецессивных аллелей за
счет селективного преимущества гетерозиготных особей.
Гемоглобинопатии человека и их распространение в регионах, не
благополучных по тропической малярии
Аллель
Гемоглобинопатия
Распространение
HbS
Анемия S
Тропическая Африка,
Средиземноморье
(у 40% населения)
HbC
Анемия C
Западная Африка
HbD
Анемия D
Северо-Западная Индия,
негритянское население США
Адаптивный (экологический) генный полиморфизм –
отбор особей с разными генотипами, генетически
оказывающихся лучше адаптированными к
меняющимся условиям среды
Аллели генов человека, имеющих адаптивное значение
Аллели
Адаптивное значение
Аллель А (АВО)
Относительная устойчивость к
язвенной болезни желудка и 12перстной кишки
Аллель В (АВО)
Относительная устойчивость к чуме
Аллель DRw6 (HLA)
Устойчивость к инсулин-зависимому
сахарному диабету
Хромосомный полиморфизм:


Аберрации (инверсии, сбалансированные
транслокации).
Изменения количества гетерохроматина.
Геномный полиморфизм:



Анеуплоидные зиготы по хромосомам с 1 по
12 – летальны.
С 13 по 22 – сублетальны.
По Х- и У-хромосомам - жизнеспособны.