Популяційна генетика.

Питання для обговорення:

1. Властивості популяцій.

2. Характеристика ідеальної популяції.

3. Генетична структура популяцій. Закон Харді-Вайнберга.

4. Показники генетичної мінливості популяції.Поліморфність та гетерозиготність.

5. Фактори динаміки генетичної структури популяцій.

6. Інбридинг. Коефіцієнт інбридингу.

7. Еволюційні процеси в популяціях.

Лабораторна робота 12. Визначення генетичної структури популяції.

Під генетичною структурою популяції розуміють співвідношення особин із різними генотипами, особливості формування генетичних зв’язків (систему схрещувань) та розподіленість популяцій на ряд угрупувань (субпопуляцій), які пов’язані між собою потоками алелів. Основними параметрами генетичної структури популяцій є частоти генів та генотипів.

У популяції може існувати багато (в теорії необмежена кількість) алелів певного гена. Якщо ген є аутосомним, то будь-який диплоїдний організм несе два алеля цього гена (однакові у гомозигот та різні у гетерозигот). Якщо ж мова йде про гени статевих хромосом, то можливі різні варіанти в залежності від типу визначення статі та локалізації у відповідній статевій хромосомі. Так, при ХY-типі визначення статі гени, локалізовані у Х хромосомі, представлені одним алелем у самців та двома – у самок; гени, локалізовані у Y хромосомі, представлені одним алелем у самців, а у самок вони відсутні; псевдоаутосомні гени (гени локалізовані в обох статевих хромосомах)– представлені двома алелями як у самців, так і у самок. При ZW-типі спостерігається подібна ситуація, але треба враховувати, що в цьому випадку гетерогометною статтю є самки, а гомогаметною – самці.

Найбільш просто визначити частоти генів та генотипів в популяції, коли ознака обумовлена двома аутосомними алелями, які взаємодіють за типом кодомінування, неповного домінування або наддомінування. У цьому випадку, частоти особин з різними фенотипами будуть відповідати частотам різних генотипів, а частоти алелів легко визначити за формулами:

_{та ,}

де p_A та q_a – частоти алелів А та а відповідно, N_AA та N_aa – кількість гомозигот, N_Aa – кількість гетерозигот, N – загальна кількість особин у популяції.

В більш складних ситуаціях (гетерозиготи не відрізняються за фенотипом від гомозигот за домінантним алелем), частоти генів та генотипів в популяції визначають, виходячи з закону Харді-Вайнберга, який постулює, що генетична структура популяції буде зберігатись постійною протягом нескінченної кількості поколінь для будь-яких частот алелів. Таке співвідношення генотипів в популяції, яке здатне автоматично зберігатись протягом нескінченно великої кількості поколінь, називають рівноважним співвідношенням генотипів, а явище підтримання постійного співвідношення генотипів протягом поколінь – генетичною рівновагою. Формули за якими можна розрахувати частоти генів та генотипів удеяких найбільш поширених випадків зведені у таблиці.

Фенотип	Кількість особин	Алелі	Частота генотипів	Частота алеля та його дисперсія
1. Два аутосомних алеля, кодомінування
АА	nAA	p (A)	p2	p=(nAa+2nAA)/2N; 2p=p(1-p)/2N
Аа	nAa		2pq
аа	naa	q (a)	q2	q=(nAa+2naa)/2N; 2q=q(1-q)/2N
Разом	N		1
2. Два аутосомних алеля, домінування
А-	nA-	p (A)	p2 +2pq
аа	naa	q (a)	q2	q=(naa/2N); 2q=(1-q2)/4N
Разом	N		1
3. Три аутосомні алеля, домінування
АВ	nAВ	p (A)	2pq	Незміщені оцінки:
А	nA	q (В)	p2 +2pr	p=p*(1+D/2); 2p=Iqq/
В	nВ	r (O)	q2+2pr	q=q*(1+D/2); 2q=Ipp/
О	n0		r2	r= (r*+D/2)(1+D/2); 2r=(Ipp+Iqq-2Ipq)/
Разом	N	1		Зміщені оцінки та допоміжні формули:
				D=1-p*-q*-r*; = IppIqq-I2pq;
				p*=((no+nA)/N)-(no/N);
				q*=((no+nB)/N)-(no/N);
				r*=(no/N);
				Ipp=2N(4-4p-6q+6pq+2q2-3pq2)/(p(2-p-2q)(2-2p-q));
				Iqq=2N(4-4p-6q+6pq+2p2-3p2q)/(q(2-p-2q)(2-2p-q));
				Ipq=2N(4-4p-4q+3pq)/(2-p-2q)(2-2p-q)
4.Два зчеплених з Х хромосомою алеля, кодомінування
Самки:
АА	nAA	p (A)	p2
Аа	nAa	q-a	2pq
аа	naa		q2
Разом	Nf		1	p=(2nAA+nAa+nAY)/(2Nf+Nm); 2p=p(1-p)/(2Nf+Nm)
Самці:
AY	nAY	p (A)	p	p=(2naa+nAa+naY)/(2Nf+Nm); 2q=q(1-q)/(2Nf+Nm)
aY	naY	q-a	q
Разом	Nm		1
Всього	N=Nf+Nm
5.Два зчеплених з Х хромосомою алеля, домінування
Самки:
А-	nA-	p-A	p2+2pq
аа	naa	q-a	q2	p=1-q;
Разом	Nf		1	p=(-nAY+(n2aY+4(2Nf+Nm) (2naa+naY)))/2(2Nf+Nm)
Самці:
AY	nAY	p-A	p	2q=1/Iqq;
aY	naY	q-a	q	Iqq= 4Nf /(1-q2) + Nm/q(1-q))
Разом	Nm		1
Всього	N=Nf+Nm

Закон Харді-Вайнберга виконується тільки для так званих ідеальних (менделівських) популяцій: нескінченно великих панміктичних популяції диплоїдного виду зі статевим розмноженням, при однаковій життєздатності всіх генотипів та відсутності інших факторів динаміки популяції – факторів, що змінюють частоти генотипів та/або алелів. Зрозуміло, що природні популяції не відповідають даним умовам і такі популяції можуть не знаходитись у рівноважному стані. Для того, щоб перевірити наявність генетичної рівноваги у популяції, визначають частоти алелів та теоретично очікувані (виходячи з закону Харді-Вайнберга) частоти генотипів та фенотипових класів. Теоретично очікуваний розподіл генотипів та фенотипових класів порівнюють з експериментальним за допомогою критерію χ² .

Мета роботи: навчитися визначати частоти генів та генотипів за популяційними даними.

Матеріали та обладнання: таблиці з груповими даними про фенотиповий розподіл за деякими ознаками серед студентів (результат лабораторної роботи №8), калькулятори.

Завдання: розрахувати частоти генотипів та алелів генів, які обумовлюють відповідні ознаки людини та з’ясувати чи знаходиться досліджувана популяція у стані генетичної рівноваги.

1. За даними таблиць встановити “загальнопопуляційний” фенотиповий розподіл за ознаками, що вивчаються.

2. Для кожної ознаки визначити одержані в досліді частоти фенотипів і, якщо це можливо, генотипів.

3. За відповідними формулами, які наведені у таблиці розрахувати частоти алелів.

4. Виходячи з одержаних значень частот алелів, визначити частоти генотипів та фенотипів, які очікуються для кожної ознаки.

5. За допомогою критерію χ² для кожної ознаки порівняти теоретично очікуваний розподіл фенотипових класів з розподілом, що спостерігається в досліді.

6. Зробити висновок щодо рівноважного стану досліджуваної популяції.

Приклади задач за темою:

1. Встановлено, що серед 30 вивчених локусів у 12 повністю відсутня мінливість. Визначте поліморфність популяції.

2. Встановлено, що серед 100 особин – 45 гомозигот. Визначте гетерозиготність популяції.

3. Група особин складається з 40% AA, 15% Aa та 45% aa. Яка частота алелів А та а?

4. В експериментальній популяції Drosophila melanogaster спочатку було 100 самок з генотипом bw/bw та 100 самців bw⁺ /bw⁺. Які будуть частоти генотипів в F₁, F₂ і наступних поколіннях, якщо вважати, що схрещування відбуваються випадково і всі генотипи відтворюються однаково ефективно?

5. У районі з населенням 280000 людей при повній реєстрації випадків хвороби Шпильмейстера-Фогта (юнацька хвороба амавротичної сімейної ідіотії) виявлено 7 хворих. Хвороба спадкується як аутосомно рецесивна ознака. Визначити частоту домінантного та рецесивного алелів та частоти генотипів.

6. В популяції ген існує у вигляді трьох алелів, частота алеля a₁ – 0,1; алеля a₂ – 0,2; алеля а₃ – 0,7. Яка частота гетерозигот в цій популяції?

7. Кількість індивідуумів з групами крові АВ, В, А, та О серед обстежених пігмеїв було відповідно 103, 300, 313 та 316. Розрахуйте частоти алелів I^A, I^B та i⁰ для даної популяції.

8. У людини є антиген Хg^а. Ген, який контролює ознаку, знаходиться в Х-хромосомі. Наявність антигену домінує над його відсутністю. 88% жінок мають цей антиген. Який процент людей з антигеном серед усього населення?

9. Хвороба визначається геном, локалізованим в Х-хромосомі, пенетрантнiсть якого у гомо- та гемізигот 80%, у гетерозигот - 20%. В популяції 24% хворих чоловіків. Яка частота захворювання серед жінок?

10. Припустимо, що частоти прямих та зворотних мутацій в якомусь локусі хромосоми Drosophila melanogaster дорівнюють:

A → a: 2*10^-5

a → A: 6*10^-7

Розрахуйте теоретично очікувані частоти алелей А та а, якщо крім мутацій на популяцію не діє жоден з факторів динаміки популяцій?

11. У людини домінантна мутація, що приводить до хореї Гентингтона виникає в середньому із частотою 5*10^-5. Скільки хворих очікується в популяції через п’ять поколінь, якщо в F₀ частота мутантного гена становить 0,001? Зворотними мутаціями можна знехтувати через їх надзвичайно низьку частоту.

12. Пристосованість гомозигот AA та гетерозигот Aa однакова і дорівнює - 1, а пристосованість гомозигот aa - 0,8. Розрахуйте коефіцієнт добору.

13. Фенілкетонурія пов'язана з порушенням перетворення фенілаланіну в тирозин, зустрічається приблизно з частотою 1 хворий на кожні 10000. При використанні спеціальної дієти всі хворі гомозиготи почувають себе добре і залишають нащадків. Гетерозиготи не хворіють, але можуть бути виявлені при лабораторному обстеженні.

а) За скільки поколінь частота фенілкетонурії повинна знизитись в сто разів, якщо хворим не буде надаватися спеціальна допомога (хворі нащадків не залишають)?

б) В одній тоталітарній країні законодавчо заборонили мати нащадків хворим та носіям мутантного гена. За скільки поколінь частота фенілкетонурії повинна знизитись в сто разів?

в) За скільки поколінь частота фенілкетонурії повинна знизитись в сто разів серед населення згадуваної країни, якщо пряма мутація відбувається з частотою 2*10^-4? Зворотними мутаціями можна знехтувати.

15.Наступний родовід ілюструє спадкування рідкісної форми ектодактилії (зрощені пальці на руках). Розрахуйте для пробанда коефіцієнт інбридингу.

16. Співвідношення генотипів у вибірці наступне - 1АА : 1Аа : 7аа. Визначите генетичну структуру F₇ у випадку самозапилення, панміксії.

17. Рецесивний ген, що обумовлює хворобу зустрічається з частотою 1:90. Яка імовірність народження хворого нащадка в шлюбі між здоровими двоюрідними братом і сестрою?

Приклади модульно-рейтингових питань за темою:

1. Дайте визначення популяції.

2. Що таке менделівська популяція?

3. Що таке генофонд популяції?

4. Дайте визначення поліморфності та гетерозиготності популяції.

5. Сформулюйте закон Харді-Вайнберга.

6. За яких умов виконується закон Харді-Вайнберга?

7. Що таке генетична рівновага?

8. Як математично записується закон Харді-Вайнберга для трьох алелів?

9. Що таке “генетична смерть”?

10. Що таке “ефект засновника” та “ефект шийки пляшки”?

11. Які наслідки генетичного дрейфу?

12. Як мутаційний процес впливає на генетичну структуру популяції?

13. Які особливості впливу міграцій на генетичну структуру популяції?

14. Які три типи добору розрізняють в залежності від їх впливу на напрямок зміни ознак?

15. Яка оцінка ефективності дії добору в межах однієї і тієї ж “чистої лінії”?

16. Що є елементарною одиницею добору?

17. Як називається диференційна репродукція та виживання особин з різними генотипами?

18. Як називається величина, яка показує наскільки пристосованість особин даного генотипу менше пристосованості найкращого варіанта, який має місце в популяції?

19. Який тип добору приводить до зменшення фенотипової мінливості?

20. Як називається схрещування між генетично спорідненими особинами?

21. Що виражає коефіцієнт інбридингу?

22. За якою формулою можна обчислити ймовірність зустрічі в зиготі двох алелів ідентичних за походженням?

23. Які можливі наслідки інбридингу для популяції?

24. Що таке генетичний тягар?

25. Для чого використовують інбридинг?

26. Що є елементарною еволюційною подією?

27. Що таке мікроеволюція?

28. Які основні положення теорії нейтральної еволюції?