POPUL IACIJŲ GENETIKA

1. POPULIACIJŲ GENETIKA

2. 11.1 GENAI POPULIACIJOSE • Populiacijų genetika yra Mendelio dėsnių, molekulinės genetikos ir Darvino evoliucijos teorijos sintezė • Dėmesys yra perkeliamas nuo individo į populiaciją, kurios narys ir yra individas • Kiekvieno geno aleliai populiacijoje sudaro genų bendrą fondą - pulą (gene pool) • Tik tie individai, kurie reprodukuojasi, dalyvauja kuriant sekančios kartos genų fondą • Populiacijų genetika tiria genų dažnį bendrame genų fonde ir kaip jis keičiasi, keičiantis generacijoms 11-2

3. Kas yra populiacija? • Populiacija yra vienos rūšies individų grupė, galinti kryžmintis tarpusavyje • Didelę populiaciją dažniausiai sudaro smulkesnės grupės, vadinamos subpopuliacijomis • Jos taip pat vadinamoslokaliomis populiacijomisarbademais • Subpopuliacijos nariams yra didesnė tikimybė susikryžminti negu bendros populiacijos nariams • Subpopuliacijas dažniausiai skiria nedideli geografiniai barjerai 11-3

4. Kas yra populiacija? • Populiacijos yra dinaminiai vienetai, kurie keičiasi, keičiantis generacijoms • Gali pasikeisti populiacijos • 1. Dydis • 2. Geografinė padėtis • 3. Genetinė sudėtis • Populiacijų genetika matematinų teorijų pagalba gali aprašyti, kaip bendras genų fondas keisis dėl aukščiau paminėtų fluktuacijų 11-4

5. Kai kurie genai yra monomorfiniai, kiti yra polimorfiniai • Terminas polimorfizmasreiškia, kad daugeliui požymių populiacijoje būdinga variacija • Visi individai priklauso tai pačiai rūšiaiTheridiongrallator • Tačiau skiriasi jų aleliai, atsakingi už kūno spalvą ir raštą 11-5

6. DNR lygmenyje polimorfizmas atsiranda dėl dviejų ar daugiau alelių, įtakojančių fenotipą • Polimorfiniaistaip pat vadinami genai, kurie populiacijoje egzistuoja dviejų ir daugiau alelių forma • Monomorfiniai genai egzistuoja kaip pavieniai aleliai • Pagal susitarimą, jei tas pats alelis yra randamas bent 99% visų atvejų, genas yra laikomas monomorfiniu 11-6

7. Alozimai • Allozyme (Alleles of the same gene that encodes an enzyme) • Tai yra du ar daugiau fermentų (koduojamų to paties geno), kurių aminorūgščių sekos skiriasi • Tai gali paveikti jų mobilumą elektroforezės metu • Alozimų analizė, naudojant elektroforezę gelyje, ir DNR sekvenavimas parodė, kad • Daugumoje gamtinių populiacijų didelę genų dalį sudaro polimorfiniai genai • Tačiau mažose populiacijose, esančiose ant išnykimo ribos, genetinis kintamumas yra žemas • Taip yra dėl to, kad bendrą genų fondą sudaro nedidelis individų skaičius 11-7

8. Genetinis kintamumas artimas nuliui Nors ~ 30% visų genų yra polimorfiniai žmogaus populiacijose, mažiau nei 10% visų genų yra heterozigotiniai atskirame individe Įvairių rūšių polimorfizmo palyginimas 11-8

9. Populiacijų genetika tiria alelių ir genotipų dažnius • Populiacijų genetikoje svarbiausi yra du dydžiai Alelių kopijų populiacijoje skaičius • Aleliųdažnis = Bendras visų šio geno alelių, esančių populiacijoje, skaičius Individų su tam tikru genotipu skaičius populiacijoje • Genotipų dažnis = Bendras visų individų, sudarančių populiaciją, skaičius 11-9

10. Alelio tkopijų populiacijoje skaičius Bendras alelių Tir tpopuliacijoje skaičius 40 200 • Populiaciją sudaro 100 žirnių • 64 aukšti augalai, kurių genotipas yra TT • 32 aukšti augalai, kurių genotipas yra Tt • 4 žemaūgiai augalai, kurių genotipas yra tt • Alelio tdažnis = Homozigotai turi dvi alelio tkopijas Heterozigotai turi tik vieną (2)(4) + 32 • Alelio tdažnis = (2)(64)+ (2)(32) + (2)(4) Visi individai turi dvi kiekvieno geno kopijas (du alelius) • Alelio tdažnis = = 0.2, or 20% 11-10

11. Genotipo ttaugalų skaičius populiacijoje Bendras individų skaičius populiacijoje 4 64+ 32 + 4 4 100 • Populiaciją sudaro 100 žirnių • 64 aukšti augalai, kurių genotipas yra TT • 32 aukšti augalai, kurių genotipas yra Tt • 4 žemaūgiai augalai, kurių genotipas yra tt • Genotipottdažnis = • Genotipottdažnis tt = % žemaūgių augalų, esančių populiacijoje • Genotipottdažnis tt = = 0.04, or 4% 11-11

12. Kiekvieno požymio alelių ir genotipų dažnis visą laiką mažesnis arba lygus 1 • Monomorfinių genų • Alelio dažnis lygus arba artimas 1.0 • Polimorfinių genų • Visų alelių dažnių suma turi būti lygi 1.0 • Žirnių populiacijoje • T alelio dažnis + t alelio dažnis = 1 • T alelio dažnis = 1 – t alelio dažnis = 1 – 0.2 = 0.8, arba 80% 11-12

13. 11.2 HARDY-WEINBERGOPUSIAUSVYRA • Hardy-Weinbergolygtį nepriklausomai vienas nuo kito 1908 m. suformulavo Godfrey Harold Hardy ir Wilhelm Weinberg • Tai yra paprasta matematinė formulė, susiejanti alelių ir genotipų dažnius populiacijoje • Hardy-Weinbergo lygtis taip pat dar vadinama pusiausvyra • Esant tam tikroms sąlygoms alelių ir genotipų dažnis populiacijoje nesikeičia 11-13

14. Hardy-Weinbergolygtis • Tegul egzistuoja du polimorfinio geno aleliai, Air a • AlelioAdažnis yra žymimas kintamuojup • Alelio adažnis yra žymimas kintamuojuq • p + q = 1 • Šiam genui Hardy-Weinbergo lygtis nustato, kad • (p + q)2 = 1 • p2 + 2pq + q2 = 1 Genotipo AAdažnis GenotipoAadažnis Genotipoaadažnis 11-14

15. Jeip = 0.8 ir q = 0.2 ir jei populiacija yra Hardy-Weinbergo pusiausvyroje, tada • AAdažnis = p2 = (0.8)2 = 0.64 • Aadažnis = 2pq = 2(0.8)(0.2) = 0.32 • aadažnis = q2 = (0.2)2 = 0.04 11-15

16. 11-16

17. Hardy-Weinbergo lygtis numato pusiausvyrą, jei populiacija atitinka keletą sąlygų • 1. Populiacija yra didelė • Alelių dažniai nesikeičia dėl atsitiktinių imties klaidų • 2. Populiacijoje vyksta atsitiktinis kryžminimasis • 3. Nėra migracijos • 4. Nėra natūraliosios atrankos • 5. Nėra mutacijų • Hardy-Weinbergo lygtis nusako kiekybinį ryšį tarp alelių ir genotipų dažnio 11-17

18. Šis genotipas dominuoja, jei alelio adažnis yra žemas Šis genotipas dominuoja, jei alelio adažnis yra vidutinis Šis genotipas dominuoja, jei alelio adažnis yra aukštas Ryšys tarp alelių ir genotipų dažnio pagal Hardy-Weinbergopusiausvyrą 11-18

19. Realybėje nei viena populiacija pilnai neatitinka Hardy-Weinbergo pusiausvyros sąlygų • Tačiau kai kurios didelėse gamtinėse populiacijose migracija yra nedidelė, o natūralioji atranka beveik nevyksta • Tuo atveju Hardy-Weinbergo pusiausvyros sąlygos kai kurių genų atžvilgiu yra beveik patenkinamos • Hardy-Weinbergo lygtis gali būti pritaikyta ir 3 ar daugiau alelių 11-19

20. Neatsitiktinis kryžminimasis gali vykti gamtinėse ir žmogaus populiacijose • Viena iš būtinų sąlygų nusistovėti Hardy-Weinbergo pusiausvyrai yra atsitiktinis kryžminimasis • Tai reiškia, kad individai renkasi sau porą nepriklausomai nuo jų genotipo ir fenotipo • Daugeliu atvejų, ypač žmogaus populiacijose, šios sąlygos nesilaikoma 11-20

21. Kryžminimasis ir fenotipai • Asortatyvuskryžminimasisvyksta tada, kai dažniau kryžminasi panašių fenotipinių bruožų individai • Disasortatyvuskryžminimasisvyksta tada, kai tarpusavyje dažniau kryžminasi skirtingų fenotipų individai • Kryžminimasis ir genotipai • Inbrydingasyra genetiškai susijusių individų kryžminimasis • Autbrydingasyra genetiškai nesusijusių individų kryžminimasis • Nesant kitų evoliucijos veiksnių, inbrydingas ar autbrydingas nekeičia alelių dažnio • Tačiau dėl tokio kryžminimosi yra pažeidžiamas genotipų balansas ir jis nebeatitinka Hardy-Weinbergo pusiausvyros 11-21

22. Inbredinis individas Žmogaus genealoginis medis, rodantis inbrydingą 11-22

23. Vykstant inbrydingui bendras genų fondas yra mažesnis, nes tėvai yra genetiškai susiję • Wrightasir Fisherissukūrė metodus inbrydingo laipsniui įvertinti • Inbrydingo koeficientas (F)gali būti suskaičiuotas genealogijoje analizuojant giminingumo laipsnį • Inbrydingo koeficientas skaičiuojamas taip: • 1. Nustatomas bendrų protėvių skaičius • Bendras protėvis yra tas, kuris yra bendras abiems individo tėvams • IV-1 turi vieną bendrą protėvį I-2 11-23

24. 2. Nustatomas inbrydingo kelių skaičius • Inbrydingo kelias = trumpiausias genealogijos kelias, jungiantis abudu tėvus ir bendrą protėvį • Kiekvieno inbrydingo kelio ilgis suskaičiuojamas sudedant visus individus, sudarančius kelią, išskyrus tiriamąjį individą • Pateiktame pavyzdyje yra tik vienas kelias • IV-1  III-2  II-2  I-2  II-3  III-3 • Jį sudaro penki nariai 11-24

25. 3. Skaičiavimams naudojama ši formulė • F = S (1/2)n(1 + FA) • Kur • Fyra tiriamojo individo inbrydingo koeficientas • nyra individų kiekis inbrydingo kelyje • Išskyrus inbredinį individą • FAyra bendro protėvio inbrydingo koeficientas • Srodo sumą dydžių (1/2)n(1 + FA), paskaičiuotų kiekvienam inbrydingo keliui • Pateiktame pavyzdyje yra tik vienas bendras protėvis • Kadangi nieko nežinoma apie jo paveldėjimą, daroma prielaida, kad FA=0 • F = S (1/2)n(1 + 0) = (1/2)5 = 1/32 = 3.125% Rodo geno homozigotiškumo tikimybę individe IV-1 Tai atsitinka dėl paveldėjimo iš bendro protėvio I-2 11-25

26. Inbrydingo koeficientas taip pat vadinamasfiksacijos koeficientu • Tai paaiškina simbolį F • Fiksacijos koeficientas yra tikimybė, kad alelis populiacijoje bus fiksuotas homozigotinėje būsenoje 11-26

27. Inbrydingo pasekmės gali būti įvertintos ir populiacijoje • Tegul alelių Air adažnis yra pirq • Tada genotipų dažniai bus nusakomi taip • p2 + Fpq atitinka AAdažnį • 2pq(1 – F) atitinka Aadažnį • q2 + Fpq atitinka aadažnį • Tegul p = 0.8, q = 0.2 ir F = 0.25 • Tada genotipų dažniai bus • AA = p2 + Fpq = (0.8)2+ (0.25)(0.8)(0.2) = 0.68 • Aa = 2pq(1 – F) = 2(0.8)(0.2)(1 – 0.25) = 0.24 • aa = q2 + Fpq = (0.2)2+ (0.25)(0.8)(0.2) = 0.08 11-27

28. Nesant inbrydingo (t.y.,F=0) bus: • p2 = 64% AA homozigotų • 2pq = 32% heterozigotų • q2 = 4% aa homozigotų • Esant inbrydingui bus: • 68% AA homozigotų • 24% heterozigotų • 8% aa homozigotų • Taigi, inbrydingas didina homozigotų dalį ir mažiną heterozigotų dalį • Gamtinėse populiacijose inbrydingo koeficientas didėja, mažėjant populiacijos dydžiui 11-28

29. Inbrydingas gali turėti tiek teigiamų, tiek ir neigiamų pasekmių populiacijai • Teigiamos pasekmės stebimos žemės ūkio kultūrose • Inbrydingas gali padidinti proporciją homozigotų, turinčių reikalingą požymį • Kaip neigiama pasekmė yra tai, kad padidėja paveldimų recesyvinių ligų • Inbrydingas padidina homozigotiškumo, tuo pačiu ir ligos, tikimybę 11-29

30. 11.3 ALELIŲ DAŽNĮ KEIČIANTYS VEIKSNIAI • Pagrindinis populiacijų genetikos klausimas yra • Kaip genetinis polimorfizmas atsiranda ir kaip jis palaikomas gamtinėse populiacijose? • Labai retiems ir žalingiems aleliams paaiškinimas yra paprastas • Retos mutacijos sukuria žalingus alelius • Šie žalingi aleliai šalinami iš populiacijos natūraliosios atrankos būdu • Šie du priešingi procesai palaiko labai žemą žalingų alelių dažnį 11-30

31. Tačiau daugelio polimorfinių alelių dažnis populiacijoje palaikomas gana aukštas • Šiuo atveju alelių dažniai negali būti paaiškinti naujų mutacijų atsradimu • Alelių dažniai yra per dideli, o mutacijų – per žemi • Kaip palaikomas aukštas polimorfinių alelių dažnis? • Naujos mutacijos yra alelinės variacijos šaltinis • Po to, kai įvyksta mutacijos, evoliucijos metu šių alelių dažnis išauga 11-31

32. Evoliuciniai procesai (arba jėgos) gali būti suskirstyti į dvi grupes • Neutralūs procesai • Alelių dažnius keičia atsitiktinai • t.y. nepriklausomai nuo individo išgyvenamumo • Migracijairgenų dreifas • Adaptyvūs procesai • Padidina dažnį tų alelių, kurie padeda išgyventi arba reprodukuotis • Natūralioji atranka 11-32

33. Mutacijos yra genetinio kintamumo šaltinis • Mutacijos yra reti atsitiktiniai įvykiai, vykstantys spontaniškai • Mutagenai padidina mutavimo greitį • Mutacinis kintamumas suteikia žaliavos evoliucijai, tačiau pats nėra evoliucijos dalis • Populiacijų genetikoje naujas mutacijas patogiausia nagrinėti būtent tokiame kontekste • Jos paveikia jas paveldinčių individų išgyvenamumą ir reprodukcinę sėkmę 11-33

34. Naujos mutacijos gali būti • Naudingos • Neutralios • Žalingos • Neutralių ir žalingų mutacijų atsiradimo tikimybė yra žymiai didesnė, negu naudingų mutacijų • Mutavimo greitis yra tikimybė, kad gene įvyks nauja mutacija • Jo dažniausia išraiška yra naujų mutacijų skaičius, įvykęs tiriamame gene per vieną generaciją • Mutavimo greičio skaitinė išraiška paprastai būna nuo 10-5iki 10-6 per vieną generaciją 11-34

35. Kaip mutavimo greitis veikia populiacijos alelių dažnį? • Tegul geno funkcionalus alelis yraA • Alelio Adažnis žymimas p • Mutacija verčia A į nefunkcionalų alelįa • Alelio adažnis žymimas q • MutacijosA adažnis žymimas u • Reversinės mutacijos (aA) dažnis nykstamai mažas 11-35

36. Alelio adažnio padidėjimas per vieną generaciją yra • Dq = up • Pavyzdžiui, • p = 0.8 (t.y. Adažnis yra 80%) • q = 0.2 (t.y. adažnis yra 20%) • u = 10–5 (t.y. Amutavimo įagreitis) • Dq = up = (10–5)(0.8) = 0.000008 • Todėl sekančioje kartoje alelių dažnis bus • qn + 1= 0.2 + 0.000008 = 0.200008 • pn + 1= 0.8 – 0.000008 = 0.799992 Taigi, naujos mutacijos alelių dažnį vienoje kartoje keičia labai nežymiai 11-36

37. pt • (1 – u)t = p0 pt 0.8 • Kur • uAmutavimo į a greitis • tyra generacijų skaičius • p0 alelio Adažnis pradinėje generacijoje • pt yra alelioAdažnis po t generacijų • Jei anksčiau nagrinėto pavyzdžio atveju norime sužinoti, koks bus alelio dažnis po 1000 generacijų, tada • Alelių dažnio pokyčiui suskaičiuoti po daugelio generacijų yra naudojama formulė • (1 – 0.00001)1000 = Taigi, po 1000 generacijų alelio A dažnis sumažės nuo 0.8 tik iki 0.792 pt = 0.792 Tai vėl rodo, kaip lėtai mutacijos keičia alelių dažnį 11-37

38. Genų dreifas • Atsitiktinis genų dreifas yra atsitiktinis alelių dažnio pokytis, atsirandantis dėl riboto gametų pasirinkimo • Kitaip tariant alelių dažnis gali keistis iš kartos į kartą dėl atsitiktinių priežasčių • Dėl genų dreifo aleliai gali būti arba fiksuoti populiacijoje, arba pamesti iš viso • Genų dreifo įtaka alelių dažniui priklauso nuo populiacijos dydžio 11-38

39. Mažesnėse populiacijose alelių dažnis skirtingose kartose skiriasi labai ryškiai Didesnėse populiacijose alelių dažnis svyruoja mažiau Atsitiktinio genų dreifo simuliacija 11-39

40. Kiek naujų mutacijų galima tikėtis gamtinėse populiacijose? • Jei individas turi dvi tiriamojo geno kopijas, tada • tikėtinas naujų mutacijų skaičius = 2Nu, • kur uyra mutavimo greitis Nyra individų skaičius populiacijoje • Tai reiškia, kad naujos mutacijos greičiau atsiras didelėse populiacijose, lyginant su mažomis 11-40

41. Kokia tikimybė, kad nauja mutacija bus užfiksuota arba išeliminuota iš populiacijos dėl genų dreifo? • Tikimybė užfiksuoti naują mutaciją dėl genų dreifo yra: • fiksacijos tikimybė = 1/2N • Daroma prielaida, kad abiejų lyčių indėlis į sekančią generaciją yra vienodas • Kitaip tariant, fiksacijos tikimybė yra tokia pati, kaip ir alelių dažnis populiacijoje • Pavyzdžiui, jei N = 20, tada • fiksacijos tikimybė = 1/(2 X 20), or 2.5% • Priešingai, naujas alelis gali būti išeliminuotas iš populiacijos • Eliminacijos tikimybė = 1 – 1/2N 11-41

42. Populiacijos dydis Nturi priešingą poveikį mutacijoms ir jų fiksacijai • Kai Nyra labai didelis • Naujos mutacijos labiau tikėtinos • Tačiau kiekviena nauja mutacija turi didesnę tikimybę būti eliminuota iš populiacijos dėl genų dreifo • Kai Nyra labai mažas • Naujos mutacijos populiacijoe atsiranda labai retai • Tačiau kiekvienai nauja mutacija turi didesnę tikimybę būti fiksuota populiacijoje dėl genų dreifo 11-42

43. t = 4N t yra vidutinis generacijų skaičius, reikalingas fiksacijai pasiekti Kiek generacijų reikia mutacijai užfiksuoti? • Tai vėl priklauso nuo individų skaičiaus populiacijoje: • kur Nyra individų skaičius populiacijoje, darant prielaidą, kad abiejų lyčių indėlis į sekančią generaciją yra vienodas • Kaip ir galima tikėtis, alelių fiksacijai reikės žymiai daugiau laiko didelėse populiacijose • Jei populiacijoje yra 1 milijonas besikryžminančių individų, reikės 4 milijonų generacijų fiksacijai įvykti • Jei populiacijoje bus tik 100 individų, fiksacijai reikės 400 generacijų 11-43

44. Genų dreifas pasižymi dviem svarbiomis ypatybėmis • 1. Genų dreifas tam tikro alelio dažnio požiūriu veikia kryptingai • Galiausiai alelis arba fiksuojamas populiacijoje, arba išeliminuojamas • 2. Genų dreifo įtaka didesnė mažose populiacijose • Genų dreifo pavyzdžiai • Butelio kaklelio efektas • Įkūrėjo (pradininko) efektas 11-44

45. Butelio kaklelio efektas • Gamtoje populiacija gali labai reikšmingai sumažėti, pvz., dėl gamtinių kataklizmų • Tokie kataklizmai atsitiktinai pašalina individus nepriklausomai nuo jų genotipo • Butelio kaklelio periodu, kai populiacijos dydis yra labai mažas, gali pasireikšti genų dreifas 11-45

46. Afrikinis gepardas prarado beveik visą savo genetinį kintamumą • Taip atsitiko dėl butelio kaklelio efekto, įvykusio prieš 10,000 - 12,000 metų 11-46

47. Įkūrėjo efektas • Nedidelė individų grupė atsiskiria nuo didesnės populiacijos ir įkuria koloniją naujoje vietoje • Tai turi dvi svarbias pasekmes • 1. Tikėtina, kad įkurtoji populiacija pasižymės mažesniu genetiniu kintamumu, negu pirminė populiacija • 2. Įkurtosios populiacijos alelių dažniai gali žymiai skirtis nuo pirminės populiacijos • Pavyzdys – Lankasteryje (JAV) gyvena menonitų sektos bendruomenė, kuriai būdinga socialinė izoliacija – bendruomenės nariai šeimas gali kurti tik tarpusavyje • Ją sudaro apie 8000 asmenų, kilusių iš trijų porų, kurios 1770 m. įmigravo į JAV • Ellis-vanCreveld sindromo (liliputiškumo recesyvinė forma) dažnis yra 7% • Tai daug daugiau nei bet kurioje kitoje populiacijoje 11-47

48. Migracija • Migracija tarp dviejų skirtingų populiacijų gali pakeisti alelių dažnį • Naujoji populiacija (recipientinė populiacija) yra vadinamakonglomeratu • Norint suskaičiuoti alelių dažnius konglomerate reikia žinoti • 1. Pradinį alelių dažnį donorinėje ir recipientinėje populiacijose • 2. Konglomeratinės populiacijos dalį, kurią sudaro migrantai 11-48

49. Donorų skaičius konglomeratinėje populiacijoje Bendras individų skaičius konglomeratinėje populiacijoje • Kur • DpCalelio dažnio pokytis konglomeratinėje populiacijoje • pD alelio dažnis donorinėje populiacijoje • pR is alelio dažnis pradinėje recipientinėje populiacijoje • m migrantų dalis konglomeratinėje populiacijoje • DpC = m(pD – pR) • m = 11-49

50. 20 20 + 80 • Pavyzdys: • AlelioAdažnis yra 0.7 donorinėje ir 0.3 recipientinėje populiacijose • 20 individų migruoja ir prisijungia prie recipientinės populiacijos, kurią sudaro 80 individų • DpC = m(pD – pR) = 0.2(0.7 – 0.3) = 0.2 • m = = 0.08 • pC = pR + DpC = 0.3 + 0.08 = 0.38 Alelio Adažnis išaugo nuo 0.3 iki 0.38 11-50