Вход

Введение в популяционную и медицинскую генетику

Реферат по биологии
Дата добавления: 30 августа 2003
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 577 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Введение Популяционная генетика – наука о генетических основах популяции . Это тео ретическая область генетики , изучающая насле дственную преемственность в популяциях , занимающа яся генетическим описанием и математическим и сследованием самих популяций , и сил , на ни х действующих. Наследственные изменения , происходящие в ряду поколений , лежат в основе процесса эв олюци и , поэтому популяционную генетику мо жно рассматривать как основу синтетической те ории эволюции , т.е . объединения дарвиновской ид еи естественного отбора и корпускулярной теор ии Менделя . Математическая основа популяционной генетики была доказана Рональдом А. Ф ишером ( Fisher, 1930 ) в е го фундаментальной теории естественного отбора. Большая панмиксная популяция Популяция - это сообщество особей одного вида , обладающих общим ареалом в течении длительного времени , расположенное о тдельно от других сообществ и сво бодн о скрещивающиеся между собой . Родственными уз ами связаны члены любой популяции , однако у организмов , размножающихся бесполым путем , о тсутствуют связи , возникающие в результате пе рекрестного оплодотворения . Сообщество особей , раз множающихся половым пут е м называется менделевской популяцией. Причиной того , что отдельно взятый ген отип не может служить адекватной еденицей процесса эволюции , является то , что его генотип остается неизменным на протяжении все й его жизни , а время жизни организма о граничено . С др угой стороны , популяция представляет собой непрерывный ряд поколений , а генетическая структура популяции может изм еняться , т.е . эволюционировать , от поколения к поколению . Непрерывность существования популяции обеспечивается механизмом биологической насле д ственности. При изучении процесса эволюции важное значение имеет представление о генофонде . Г енофондом называется совокупность генотипов всех особей популяции . Для диплоидных организмов генофонд популяции , насчитывает N особей , состо ящих их 2N гаплоидных г енотипов . Таким о бразом , генофонд популяции из N особей включает в себя N пар гомологичных хромосом и 2N аллелей каждого локуса (4N, т.к . у диплоидного организма 2 локуса ). Исключение составляют половы е хромосомы и сцепленные с полом гены , представленные в каждом гетерогаметном организме в одном экземпляре. Непосредственно мы наблюдаем лишь фенотип ы , а не генотипы или гены . Изменчивость генофонда может быть описана либо частотам и генов , либо частотами генотипов . Если мы знаем соотношение между генотипами и соответствующими им фенотипами , то по частотам наблюдаемых фенотипов мы можем рассч итать частоты соответствующих генотипов. Частоты аллелей можно рассчитать по ч астотам генотипов , учитывая , что в гомозиготах содержится по два одинаковых аллеля , а в гетероз иготах – по одному аллел ю каждого типа . Таким образом , что бы п олучить частоту аллелей каждого типа , нужно к частоте индивидуумов , гомозиготных по дан ному аллелю , прибавить половину частоты гетер озигот по этому аллелю . Если частоты генот ипов представить к а к : гомозиготных ( АА ) – D , ( аа ) – R , гетерозиготного ( Аа ) – H , то частоты аллелей считаются как : p = D + 1/2 H q = R + 1/2 H Одна из причин , по которым генетическую изменчивость популяций часто пред почтительнее описывать , используя частоты аллелей , а не ге нотипов , состоит в том , что различных аллелей обычно бывает горазд о меньше , чем генотипов . При двух аллелях число возможных генотипов равно трем , при трех аллелях – шести , при четырех – десяти . В общем случае , если число раз личных аллелей одного локуса ра в н о k , то чи сло возможных генотипов равно k ( k + 1)/2. В 40-е – 50-е годы существовало две конкурирующих гипотизы о генетической структ уре природных популяций . Согласно классической модели , генетическая изменчивость популяции оче нь мала , а согласно балансов ой – очень велика. По классической гипотизе подавляющее боль шинство локусов содержит аллели так называемо го "дикого типа " с частотой , близкой к единицы . Типичная особь гомозиготна по аллелю "дикого типа " или гетерозиготна по мутант ному аллелю и аллелю "дик ого типа ". Нормальный ("идеальный ") генотип гомозиготен по аллелям "дикого типа " . Согласно балансовой т еории , не существует какого-то одного аллеля "дикого типа ", а присутствует целый ряд а ллелей с различными частотами , следовательно , популяцию составляю т особи , гетерозиготн ые по этим аллелям . Нормальный генотип отс утствует. Биологическая эволюция – это процесс накопления изменений в организме и увеличе ния их разнообразия во времени . В своей основе эволюционные изменения имеют генетическ ий аспект , т.е . про исходит изменение на следственного вещества , которое , при взаимодействи и со средой , определяет все признаки орган изма . На генетическом уровне эволюция предста вляет собой накопление изменений в генетическ ой структуре популяций. Эволюцию можно рассматривать к ак двуступенчатый процесс . С одной стороны . возни кают мутации и рекомбинации – процессы , о буславливающие генетическую изменчивость ; с друго й стороны , наблюдается дрейф генов и естес твенный отбор – процессы , посредством которы х генетические изменения перед а ются из поколения в поколение . Эволюция возможна только в том случае , если существует наследственная изменчивость . Единственным поставщиком новых генетических вари антов служит мутационный процесс . Помимо мута ций к процессам , изменяющим частоты аллелей в п опуляции , относят естественный отбор , поток генов (т.е . миграция их ) между по пуляциями и случайный дрейф генов . Частоты генотипов (но не аллелей !) могут изменяться также в результате ассортотивного , т.е . не случайного , формирования брачных пар. Итак , для оп исания генетической ст руктуры популяций надо знать число аллелей и генотипов . Пусть генотипы различаются фен отипически : АА , Аа , аа ; их частоты равны соответственн о : D , H , R . Пусть p – частота аллеля А , q – частот а аллеля а . В популяции , содержащей диплои дн ых особей , частоты аллелей будут рав ны : p = D + 1/2 H q = R + 1/2 H Наследственность сама по себе не изменяет частот генов . Этот принцип известен под названием закона Харди-Вайнберга , фундаментального закона популяционной генетики . Основное утверждение за кона состоит в том , что в отсутствии элементарных эволюционных процессов , а именно мутаций , мигр аций , отбора и дрейфа генов , частоты генов остаются неизменными из поколения в поко ление . Этот закон утверждает также , что ес ли скрещивание случайно , то частот ы генотипов связаны с частотами генов простыми (квадратичными ) соотношениями . Случайное скрещивание происходит тогда , когда вероятность формирования брачной пары между особями не зависит от их генетической конституции . Когда на выбор брачного партнера оказ ы вает влияние генотип , говорят об ассортативном скрещивании . Из закона Харди-Ва йнберга вытекает следующий вывод : если частот ы аллелей у ♂'3e и ♀'2b исходно одинаковы , то при случайном скрещив ании равновесные частоты генотипов в любом локусе достигается за одно по коление. Закон Харди-Вайнберга сформулировали в 1908 г оду независимо друг от друга математик Т . Харди (Англия ) и врач В.Вайнберг (Германия ). Он гласит , что процесс наследственной пр еемственности не влияет на число частот а ллелей и (при случайном скрещивани и ) г енотипов по определенному локусу . При случайн ом скрещивании равновестные частоты генотипов по данному локусу достигаются за одно поколение , если исходные частоты аллелей один аковы у обоих полов . Равновесные частоты генотипов задаются пр оизведением час тот соответствующих аллелей . Если имеется два аллеля , А и а , с частотами p и q , то частоты трех возможных генотипов выражаются уравнением ( p + q ) 2 = p 2 + 2 pq + q 2 = p 2 + 2 pq + q 2 , где p 2 = AA = D , 2 pq = Aa = H , q 2 = aa = R . С учетом того , что сумма всех ч астот аллелей , как и сумма всех ча стот генотипов , всегда равна единице , то ( p + q ) 2 = 1. Рассмотрим различные типы бр аков и их постоянства в двуаллельной попу ляции . Таблица 1 тип брака частота потомство АА Аа аа АА x АА D 2 D 2 АА x А а 2DH DH DH А А x аа 2 DR 2 DR Аа x Аа H 2 1/4H 2 1/2H 2 1/4 H 2 Аа x аа 2RH RH RH аа x аа R 2 R 2 D+H+R (D+1/2H) 2 2(D+1/2H)(R+1/2H) ( R +1/2 H ) 2 сумма 1 p 2 2pq q 2 Получаем , что в большой панми ксной популяции не зависимо от исходных г енетических структур в первом же по ко лении после случайного скрещивания достигаются равновестные частоты генотипов . Если у ♂'3e и ♀'2b генотипы разные , а численность полов одинак ова , то для достижения равновесия потребуется два поколения ♂'3e ♀'2b AA x aa Аа x Аа 1/2AA Aa 1/2aa 1/4 : 1 /2 : 1/4 1 : 2 : 1 Одно из возможных применений закона Харди-Вайнберга состоит в том , что он позволяет рассчитать некоторые из час тот генов и генотипов в случае , когда не все генотипы могут быть идентифицированнос ти вследствии доминантности и гетерозиготно сти некоторых аллелей . Из закона Харди -Вайнберга можно вывести интересное следствие : разные аллели присутствуют в популяции главн ым образом в гетерозиготном , а не в го мозиготном состоянии . Рассмотрим пример . Альбинизм человека обусловлен довольно редким р е цессивным геном . Если аллель норм альной пигментации обозначить как А , а аллель ал ьбинизма – а , то генотип альбиносов будет аа , ген отип нормально пигментированных людей – АА и Аа . Предположим , ч то частота генотипов альбиносов (частота реце ссивной гомозиготы ) равна 0,0001, т.е . q 2 = 0,0001 , тогда . q = 0,01, соответственно р = 1 – 0,01 = 0,99; частота генотипа АА бу дет равна 0,9801, а генотипа Аа – 2 pq = 0,02. Следовательно , в гетерозиготном состоянии нах одится примерно в 100 раз больше рецессивных аллелей , ч ем в гомозиготном. Для генов , сцепленных с полом , равнове сные частоты генотипов у ♀'2b (т.е . у гомогаметного пола ) совпадают с равновесн ыми частотами аутосомных генов ( p 2 – AA , 2 pq – Aa , q 2 – aa ). Частоты гамет гемизиготных ♂'3e (т.е . гетеро гаметного пола ) совпа дают с частотами аллелей : p – А , q – а . Из этого сл едует , что фенотипы , определяемые рецессивными генами , у ♂'3e встречаются чаще , ч ем у ♀'2b . Этим объясняется то , ч то наследственным заболеваниям , вызываемыми рецес сивными , сцепленными с полом генами , больше под вержены ♂'3e. Генетическо е представление об изменчивости Закон Харди-Вайнберга гласит , что при отсутствии возмущающих процессов час тоты генотипов не изменяются . Однако процессы , изменяющие частоты генов , постоянно происход ят в популяции , и без них не было бы эволюции . Рассмотрим процесс мутирования . Мутации – спонтанные изменения , происходящие в ДНК . Они бывают точечные , или генные (самые локализованные мут ации , происходят в самом гене ), хромосомные (изменяющие структуру хромосом , например , делеци и , транслок ации ) и геномные (изменяющие число хромосом ). Мутации вносят в популяцию новые аллели . Это чрезвычайно медленный п роцесс , т.к . сами по себе они изменяют генетическую структуру популяции с очень низк ой скоростью . Если бы мутации были единств енным процессом, обуславливающим эволюционные изменения в популяциях , то эволюция протека ла бы очень медленно. Направленность мутаций в природе случайна и непредсказуема . Каким образом они появл яются в популяциях и как распространяются ? Рассмотрим пример. В популяции , цел иком состоящей из особей с генотипом АА , возникает мутация и появляетс я одна гетерозигота Аа . Предположим , что а эволюционно нейтральна (не подвержена действию естественного отбора ). Гетерозигота АА скрещивается с гомозиготой аа : Аа x АА потомки ( в отношен ии ) АА : Аа (1/2 : 1/2), т.е . ген а может о статься в популяции или исчезнуть с вероя тностью 1/2. Если он останется и снова произойдет скрещивание , то во втором поколении новая аллель исчезнет из попул яции или удвоит ся с вероятностью 1 / 4 и т.д . Вероятно сть сохранения / у даления из популяции мутации зависит от ч исла потомков и находится как (1/2) k , гд е k – число потомков , k = 0, 1, 2, ... Исспользуя у равнение распределения Пуассона , можем рассчитать процент вероятности с охранения и пот ери нейтральной мутации . Для первого поколени я вероятность сохранения мутации (в %) равен 63, потери – 37, для второго соответственно 47 и 53, для третьего – 63 и 37 и т.д . Предельная вероятность исчезновения мутации равна 100%; в 127 поколе н ии вероятность исчезновения мутации равна 98, 47% (почти 100%), следовательно , мутация исчезнет из популяции приблизительно через 130 поколений . Потеря мутаций – необратимый процесс. Рассмотрим теперь повторные мутации . Скор ость (или частота ) возникновения мутаций является отношением числа мутировавших аллелей к общему числу аллелей в популяции . Она зависит от типа аллеля , а также от внутренних и внешних условий , меняется под действием различных факторов , например , радиа ции , высоких температур и т.п . При е с тественных условиях скорость возникн овения мутаций колеблется от 10 (-4) – 10 (-7) . Пусть в популяции нормальная аллель А с частотой в начальный момент времени равной p 0 , а мутантный аллель – а ( q 0 ) . Скорость мутации из А в а – U . Общая формула частот аллеля А будет p n = p 0 (1 – U ) n , а аллеля а – q n = 1 – p 0 (1 – U ) n . Изменение часто ты мутаций за поколение : Д q = U p n , т.е . чем боль ше р , тем с большей частотой аллель А переходит в аллель а . Мутации могут происходить и в обратно м направлении , за счет чего происходит компенсация и сохранение генетического ра знообразия . Если А мутирует в а со скоростью U , а а обратно мутирует в А со скоростью V , тогда равновесные частоты аллелей будут равны p * = V /( U + V ), q * = U / ( U + V ). Отметим два обстоятельства . Во-первых , част ота аллелей обычно не находится в с остоянии , отвечающим равновесию между прямыми и обратными мутациями , поэтому на них вли яют и другие процессы (например , естественный отбор ). Во-вторых , при наличии прямых и обратных мутаций изменения частот аллелей происход я т медленее , чем в том случае , когда мутации идут только в одн ом направлении , посколько обратные мутации ча стично компенсируют изменение частоты аллелей в результате прямых мутаций . Это еще ра з доказывает , что для того , что бы мута ции сами по себе привели к ско лько-нибудь значительному изменению частот аллеле й , требуется много времени. Естественный отбор К идее е стественного отбора как основного процесса эв олюции пришли независимо друг от друга Ча рльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес . В 1858 году на заседании Линнеевского общества в Лондоне были представлены сообщения об их открытии . Доказательства того , что эво люция происходит именно путем естественного о тбора , были представлены Дарвином с приведени ем множества примеров в его работе "Происх ождение видов ", опу б ликованной в 1859 году . Основой теории естественного отбора являе тся факт , что некоторые генотипы в популяц ии имеют преимущества перед другими , как в выживании , так и при репродукции . То , что генотипы в данных условиях имеют возм ожность выжить и оставить плодовитое по томство , называется генетической приспособленностью . Она обуславливает направленное сохранение гено типа. Естественный отбор благоприятствует (и пр отиводействует ) сохранению генотипа только через посредство фенотипа . В связи с этим в ыделено два исхода действия отбора : поло жительный отбор (сохранение "полезных " генотипов ) и отрицательный отбор (эллиминация "вредных " генотипов ). Таким образом , естественный отбор – это направленный процесс , движущая сила эволюции . В качестве количественной меры от бора используется относительная приспособленность (называемая также селективным , или адаптивным значением ). Приспособленность является мерой эф фективности размножения данного генотипа , мерой вклада его в следующее поколение. Особенности существования орган изма н а различных ступенях жизненого цикла могут оказывать влияние на его репродуктивный ус пех , определяющий направление естественного отбор а и , следовательно , на приспособленности генот ипов . Эти особенности сказываются на выживаем ости , скорости развития, успешности спа ривания , плодовитости и т.п ., т.е . на величин ах , называемых компонентами приспособленности . Важ нейшими компонентами являются выживаемость и плодовитость . Другие компоненты могут рассматрива ться самостоятельно или включаться в две основные . М атематические модели естественного о тбора были описаны Райтом и Фишером . Прост ейшая модель – популяция с одной парой аллелей , приспособленность к которой не зав исит от других локусов . Пусть АА , Аа , а а – генотипы популяции , их относительные приспособленнос ти соответственно W 11 , W 12 , W 22 . Частоты генов равны p и q . Таблица 2 * Генотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отбора, f p 2 2 pq q 2 1 Относитель ная приспособленность, W W 11 W 12 W 22 Частота гена после отбора, fW W 11 p 2 2 W 12 pq W 22 q 2 T Новая ч астота гено типа p 1 2 2 p 1 q 1 q 1 2 1 * – Т – сумма частот генов после отбора , p 1 , q 1 – новы е частоты генов , p 1 =( p 2 W 11 + pqW 12 )/ T , q 1 =( q 2 W 22 + pqW 12 )/ T . Рассмотрим модели действия естественого о тбора. 1. Полная эллиминация рецессивных гомозигот (летальных ). Генетическая присп особленность рецессивных гомозигот равна нулю , т.к . они летальны (либо не доживают до репродуктив ного возраста , либо не оставляют потомства ). Примером служит болезнь фенилкетонурия. Таблица 3 * Генотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отбора, f p 2 2 pq q 2 1 Относитель ная приспособленность, W 1 1 0 Частота гена п осле отбора, fW p 2 2 pq 0 T = p 2 +2 pq Частота после отбора , до случайного скрещивания 1/(1+ q ) 2 2 q /(1+ q ) 2 q 2 /(1+ q ) 2 Новая частота генотипа p 1 2 2 p 1 q 1 q 1 2 1 Нормализованные ча стоты p 2 /( p 2 +2 pq ) 2 pq /( p 2 +2 pq ) 0 * – частоты аллелей после отбора : p 1 =1/(1+ q ); q 1 = q 2 /(1+ q ). Количество изменений аллелей за одно поколение будет : Д q = – q 2 /(1+ q ) . Д q пропо рциональна q 2 (ча стоте рецессивных гомозигот ), т.е . чем больше частота , тем больше количество изменений . Д q в сегда отрицательная величина (или равная нулю ), значи т значение q умень шается в результате отбора . Ино гда происходит не полная эллиминация , а ча стичный отбор , т.е . не все особи доживают до репродуктивного возраста и оставляют жи знеспособное потомство . Вве дем понятие коэффициент отбора S , W = 1 – S . S пропорциональна снижению воспроизводства ген отипа по сравнению с нейтральным , приспособле нность которого условно принимается за единиц у . Для нейтральных признаков S = 1, для нейтральных – S = 0. Таблица 4* Ге нотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отбора, f p 2 2 pq q 2 1 Относительная прис пособленность, W 1 1 1 – S Частота гена п осле отбора, fW p 2 2 pq q 2 (1 – S) T=1 – S q 2 Нормализов анные частоты p 2 /(1 – S q 2 ) 2 pq /(1 – S q 2 ) q 2 (1 – S)/(1 – S q 2 ) Частота после отбора , до случай ного скрещивания p 1 2 2 p 1 q 1 q 1 2 * – частоты аллел ей после отбора : p 1 = p /(1 – S q 2 ); q 1 = q 2 (1 – S q )/(1 – S q 2 ). Примером отбора против рецессивных гомози гот служит явление индустриального меланизма , изученное в Англии на бабочках Biston betularia . Д о середины XIX века эти бабочки имели светло-серую окраску . Затем , в промышленных районах , там , где стволы деревьев постепенно почернели от копоти и сажи , стали появл яться темные бабочки . В некоторых местностях темная разновидность почти полностью вытесни ла светлую . Све т ло-серые бабочки г омозиготны по рецессивному аллелю , темные – либо гетерозиготны , либо гомозиготны по д оминантному аллелю. Вытеснение в промышленных районах светлой разновидности Biston betularia темной происходило благодаря изби рательному истреблению бабо чек птицами : н а почерневшей от копоти коре светлые бабо чки становились более заметными , в то врем я как темные были хорошо замаскированы . Ба бочек отлавливали , метили и при повторном отлове доля темных бабочек составляла 53%, а светлых – 25%. Посколько плод о витость обеих форм примерно одинакова , можно предпо ложить , что их относительные приспособленности определяются исключительно в выживаемости , обус ловленной их неодинаковой уязвимостью для нас екомоядных птиц . 2. Отбор против доминантных алле лей . Это часто встречающийся тип отбора , к нему относятся почти все геномные и доминантные генные мутации. Отбор против доминантных аллелей идет более эффективно , чем отбор против рецессив ных , поскольку доминантные аллели проявляются не только в гомозиготном , но и в гете розиготном состоянии. Таблица 5* Генотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отбора, f p 2 2 pq q 2 1 Относительная приспособленность, W 1 – S 1 – S 1 Частота гена после отбора, fW p 2 (1 – S) 2 pq (1 – S) q 2 T=1 – S+S q 2 Нормализованные частоты p 2 (1 – S)/T 2 pq (1 – S)/T q 2 /T Частота после отбора , до случайн ого скрещивания p 1 2 2 p 1 q 1 q 1 2 * – частоты аллелей после отбор а : p 1 = p (1 – S)/T; q 1 = q (1 – p S)/T. Изменение частоты доминантного аллеля : p= – ( S q 2 (1 – q ))/(1 – S q 2 ), уже за одно поколение отбора частота p уменьшится . Если доминант ная аллель летальна , то Д p = – p и за одно поколение аллель полностью исчезнет из популяции. 3. Отбор в пользу гетерозигот. Такой отбор происходит , когда обе гомо зиготы имеют пониженную приспособленность по сравнению с гетерозиготой ( W 11 < W 12 > W 22 ) и называе тся сверхдоминированием , и ли гетерозисом. Таблица 6* Генотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отбора, f p 2 2 pq q 2 1 Относительная прис пособленность, W 1 – S 1 1 1 – S 2 Частота гена после отбора, fW p 2 (1 – S 1 ) 2 pq q 2 (1 – S 2 ) T=1 – S 1 p 2 – S 2 q 2 Нормализованные ча с тоты p 2 (1 – S 1 )/T 2 pq /T q 2 (1 – S 2 )/T Частота после отбора , до случайного скрещивания p 1 2 2 p 1 q 1 q 1 2 * – частоты аллелей после отбор а : p 1 = ( p – p 2 S 1 )/(1 – S 1 p 2 – S 2 q 2 ); q 1 = ( q – q 2 S 2 )/(1 – S 1 p 2 – S 2 q 2 ). Д q = pq ( p S 1 – q S 2 )/(1 – S 1 p 2 – S 2 q 2 ) ; при положительны х значениях частота рецессивного признака увеличивается , при отрицательных – уменьшается , до тех пор . пока не достигнется состо яние равновесия , т.е . p S 1 = q S 2 . Равновестные частоты равны q *= S 1 /(S 1 + S 2 ), p *=S 2 /(S 1 + S 2 ). Равновесия при отборе в пользу гетеро зигот – усто йчивое , оно определяется коэффициентом отбора. Рисунок 1. Хорошо известным примером сверхдоминирования может служить серповидноклеточная анемия , ши роко распространенная в некоторых странах Афр ики и Азии . Нормальный гемоглобин обозначаетс я Hb A Hb A , ан омальный – Hb S Hb S . Возможно наличие трех вариантов генотипов : Hb A Hb A (1 – S 1 ), Hb A Hb S (1), Hb S Hb S (1 – S 2 ). S 2 близок к единице , т.к . Hb S Hb S редко выживают . Приспособленность Hb A Hb A близ ка к единице в районах , где малярия не наблюдается . Из этого следует , что q *= S 1 /(S 1 + S 2 ) приблизител ьно равна S 1 /(1+S 1 ). Несмотря на то , что большинство людей с генотипом Hb S Hb S погибают до достижения полово зрелости , частота аллеля Hb S достигает в ряде район ов земного шара довольно высоких значений , причем именно в тех районах , в ко торых распространена особая форма малярии , вы зываемая паразитом Plasmodium falciparium . Гетерозигота Hb A Hb S более устойчива к малярии , чем нормальная гомозиг ота Hb A Hb A , по этому в районах рапространения малярии указан ной формы она обладает селективным преи муществом по сравнению с обоими гомозиготами , у которых смертность от анемии (Hb S Hb S ) или от малярии (Hb A Hb A ) выше , чем у гетерозигот . Серповидноклеточная анемия представляет собо й пример зависимости приспособленности генотипов от окружающей среды . В тех местах , где малярию искоренили или где ее нико гда не было , гомозиготы Hb A Hb A обладают одинаковой приспособленностью с гетерозиготами . При этом направление отбора изменяется , он уже не благоприятсвует гетерозиготам , а направлен п ротив рецессивных гомоз игот и приводит к эллиминации рецессивного аллеля. 4. Отбор против гетерозигот. Возможны ситуации , в которых гетерозигота обладает более низкой приспособленностью , че м обе гомозиготы . Примером такого рода мог ут служить транслокации , что связано с бол ее низ кой плодовитостью гетерозигот в данном случае. Таблица 7* Генотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отбора, f p 2 2 pq q 2 1 Относительная прис пособленность, W 1 1 – S 1 Частота гена п осле отбора, fW p 2 2 pq (1 – S) q 2 T=1 – 2S pq Нормализованные ча стоты p 2 /T 2 pq (1 – S)/T q 2 /T Частота после отбора , до случайного скрещивания p 1 2 2 p 1 q 1 q 1 2 * – частоты аллелей после отбор а : p 1 = p (1 – p S)/(1 – 2S pq ); q 1 = q (1 – p S)/(1 – 2S pq ). Д q =2S pq ( q – 1/2), 1 /2 – точка равнов есия , равновесие неустойчивое. Рисунок 2 5. Частотно – зави симый отбор. К устойчивому генетическому полиморфизму может приводить не только преимущество гетеро зигот , но и частично-зависимый отбор , при к отором приспособленности генотипов изменяются в зависимости от их частот . Предположим , чт о приспособленности двух генотипов , AA и aa , связаны с их частотами обратной зависимост ью : приспособленность велика , когда генотип ре док , приспособленность мала , если генотип широ ко встречается в популяции . При изменчивой среде редким генотипам может быть свойстве нна высокая присп особленность , поскольку сочетание условий , при которых отбор благопри ятствует таким генотипам , могут встречаться д овольно часто . Когда же какой-нибудь генотип широко распространен в популяции , он может обладать низкой приспособленностью , т.к . благо приятст в ующие ему сочетания внешних условий будут встречаться значительно реже. Частотно-зависимый половой отбор возникает , когда вероятность скрещиваний зависит от ч астот соответствующих генотипов . Нередко при выборе брачных партнеров предпочтение придается носит елям редких генотипов , особенно если они выражены фенотипически . Это предпочт ение представляет собой один из механизмов поддержания генетического полиморфизма в попул яциях , поскольку приспособленность генотипа повыш ается по мере того , как он становится ре д ким . Частотно-зависимый отбор особе нно важен при наличии миграций. 6. Общая модель действия отбора на по пуляцию по одному локусу. Эта модель связана с понятие м средней приспособленности популяции , W ср . Таблица 8* Генотип АА Аа аа Сумма Частота гена до отб ора, f p 2 2 pq q 2 1 Относительная приспособленность, W W 1 W 2 W 3 Частота гена после отбора, fW W 1 p 2 2 W 2 pq W 3 q 2 W ср Нормализов анная частота генотипа W 1 p 2 / W ср 2 W 2 pq/ W ср W 3 q 2 / W ср 1 * – W ср = W 1 p 2 +2W 2 pq+ W 3 q 2 . Общая формула для всех типов отбора сл едующая : Д q =( pq d W ср )/(2 W ср d q ); при равновесии Д q =0, d W ср /d q =0, между с редней приспособленностью и изменением частоты рецессивного аллеля наблюдается обратная пропо рциональность. Совместное действие мутаций и отбора Во всех случаях отбора его окончательный результат был одним и тем же – "вредный аллель " полностью эллиминировался из популяции . Присутствие этих аллелей в популяции поддерживалось мутациями . Эффекты этих двух процессов уравновешивали друг друга , когда число вредных аллелей , исчезнувших и появи в шихся в результате двух этих процессов , было одинаков о. В равновесном состоянии между действием мутаций и отбора против рецессивных гомо зигот , при U – скорости мутирования за пок оление и S – интенсивности отбора , частота рецессивного аллеля q * =(U/S) 1/2 , а для летальных рецессив ных гомозигот q * =(U) 1/2 . Рисунок 3 Равновес ие устойчивое , благодаря чему "вредные " гены нельзя удалить из популяции. Для случая , когда происходят мутации и отбор против доминантных аллелей , скорость мутирования равна V , p* =( V/S) 1/2 , для летали – p* =(V) 1/2 . Пример – брахида ктилия. Случай неустойчивого равновесия наблюдается при отборе против гетерозигот , W 1 =W 2 , q * =U/S . Миграция и инбридинг Миграции , или поток генов , воз никает , когда особи из одной популяции пер емещаются в другую и скрещиваются с представителями второй популяции . Поток генов не изменяет частот аллелей у вида в целом , однако в локальных группах они м огут изменяться . Эффективность обмена генами зависит от структуры популяции , от интенсивно сти миграции и разли ч ий в час тотах гена . Если в локальную популяцию с определе нной частотой входят мигранты (скорость мигра ции – m ), то в следующем поколении потомки получат до лю генов m от мигрантов и (1 – m ) – от аборигенов . С учетом начальных частот генов q 0 и Q соответствен но для исходной и соседней популяций , получим изменение гена за одно поколение Д q = – m( q 0 – Q ) и через n поколений q n – Q =(1 – m )n ( q 0 – Q ); частоты генов локальной популяции будут стремиться к частотам гена мигрантов. Интересную форму ассортативного скрещиван ия представляе т собой инбридинг , когда скрещивание между родственными особями происходит чаще , чем м ожно было бы ожидать на основе случайного скрещивания . Ограниченность в выборе партнер а приводит к тому , что у одной особи могут встретиться два идентичных ал лельных гена , имеющих общее происхождения. Самым крайни м случаем инбридинга является самооплодотворение , или самоопыление . Инбридинг часто используют в садоводстве и животноводстве . В человеч еских популяциях инбридинг повышает частоту п роявления вредных рецессивных аллелей. Вероятность инбридинга описывает коэффициент инбридинга ( F ), являющийся мерой его генетических посл едствий . Вычислить его можно , опираясь на частоты аллелей родителей и потомства , а т акже при помощи так называемого коэффициента путей , для нахождения которого строится родословная интересующих нас особей , выбирае тся один из ближайших предков , для которог о существует R путей , состоящих из шагов : m 1 , m 2 ,..., m x . Для t общих предков : R=1/2( ∑ по i от 1 до t) x. Отсюда F=1/2( ∑ по i от 1 до t)((1/2) mi – 1 ). Рисунок 4 2 предка ; путь каждого – по 4 шага ; = > 2 пути Приведем примеры коэффициента инбридинга F для разли чных случаев скрещивания : F (дядя\тетя x племянница\пл емянник )= 1/8 F (двоюродные сибсы )= 1/16 F (двоюродный (-ая ) дядя\тетя x пле мя нница\племянник )= 1/32 F (троюродные сибсы )=1 / 64 F отражает в популяции избыток особей , гомозиготных по какому-нибудь локусу , показывая также увеличени е доли гомозиготных локусов в генотипах о тдельных особей. Учитывая коэффициент инбридинга , мы можем полу чить обобщенный закон Харди-Вайнберг а , называемый законом Райта. Пусть в гомозиготе AA с вероятн остью F оба аллеля идентичны , а с вероятностью ( A – F ) – независимы , т.е . происходят от разных предковых аллелей . Частота AA равна p , частота aa – q ; с вероятност ью p F гомозигота AA будет идентична , с вероятностью q F гомозигота aa будет идентична. Частоты генотипов в популяции (при инб ридинге ) будут следующие : AA = p 2 +Fp q Aa =2 pq – 2Fp q aa=q 2 +Fp q Отсюда видно , что частота гом озигот увеличивается , а частота гетерозигот уменьшается при имбридинге . При этом к оэффициент имбридинга Райта ( F ) не связан с изменение м частот аллелей , а указывает на то , ка к аллели объединяются в пары. Имбридинг обычно приводит к понижению приспособленности потомства вследствии ухудшения таких важ ных характеристик орг анизма , как плодовитость , жизнеспособность , устойчи вость к болезням . Это явление принято назы вать имбредной депрессией . Она обусловлена по вышением степени гомозиготности по вредным ре цессивным аллелям . Имбредной депрессии можно против о поставить скрещивание между пр едставителями независимых имбредных линии . Такие гибриды обычно обнаруживают заметно возросшу ю приспособленность . Говорят , что такие гибрид ы обладают гибридной мощностью , или гетерозис ной силой . Независимые имбредные линии об ы чно становятся гомозиготными по " вредным " аллелям ; при скрещивании между двумя такими линиями можно сохранить в потомст ве гомозиготность по искусственно отобранным признакам , тогда как "вредные " аллели переводят ся в гетерозиготное состояние . У человека им бридинг приводит к возникновению имбредной депрессии , поэтому в большинстве человеческих культур запрещены кро внородственные браки , хотя в некоторых популя циях они все же существуют . С учетом н акопления вредных аллелей в потомстве от браков между родствен н иками , частота появления новорожденных с различными дефекта ми примерно вдвое выше , чем в потомстве не состоящих в родстве супругов . Впрочем , это касается рецессивно наследуемых дефектов ; вероятность появления доминантнозависимых дефек тов от родственных бр а ков не выше , чем в потомстве от неродственных бра ков. Генетическая структура подразделен ной популяции Большая популяция называется под разделенной , если она состоит из некоторого числа популяций , каждая из которых является самостоятельной единицей , скрещив ание ме жду ними происходит случайно (в зависимости от типа изоляции – полной или частичн ой ). Случай полной изоляции. Пусть частота аллеля a – q i в i-группе, р i – частота A , k – количество групп . q i + р i =1. Среднее значение частот по группам q ср и р ср : q ср = ( ∑ q i )/k р ср =( ∑ р i )/k Насколько велика изменчивость гетерогенной популяции , можно узнать с помощью Щ 2 (вариансы ): Щ 2 q = Щ 2 p = ( ∑ q i 2 )/k – q ср 2 =( ∑ p i 2 )/k – p ср 2 AA – p ср 2 + Щ 2 р i Aa =2 p i q i – 2Щ 2 q 2 aa – q ср 2 + Щ 2 q i Получаем . что процент гомозигот увеличивается (к ак при имбридинге ). Случай частичной изоляции (последствия ми граций ). При миграциях различия между группами сглаживаются, Щ 2 (и F) уменьшаются . Этот случай хорошо иллюстрирует островная модель Райта. Рисунок 5 q i ! = q i – m( q i – q ср ) Д q = – m( q i – q ср ) Щ 2 q i = (1 – m) 2 Щ 2 q 2 Частоту мута ций определяют двумя методами. Прямой метод . Применяним только к доми нантным мутациям для одного аллеля , признак которых не вызывается негенетическими факторам и . Производится подсчет всех носителей домина нтных мутаций в популяци и , родители ко торых имели нормальные аллели и считается их отношения. Косвенный метод . Подходит как для доми нантных , так и для рецессивных мутаций (в гетерозиготе мутации не проявляются ). Допустим , что между подгруппами возможны миграции и на популяцию де йствует отбор , тогда для генотипов AA, Aa, aa, с промежуточными приспособленностями W 1 , W 2 , W 3 , равными соответственно 1, 1 – S, 1 – 2S (S – коэффициент отбора ), скорость миграци и равна m. q *= (m+S)± ( (m+S) 2 – 4mS q ср ) 1 /2 /2S. Если S>0 , то отбор будет направл ен против рецессивных гомозигот , если S<0 , то отбор будет им благоприятствовать. В зависимости о т отношения m к S, новые частоты аллелей будут формироваться за счет отбора (|S|>>m) или м играций (|S|<