13. Генетична структура популяцій. Закон Харді-Вайнберга.
Популяционная генетика занимается генетической структурой популяций. Понятие «популяция» относится к совокупности свободно скрещивающихся особей одного вида, длительно существующей на определенной территории (части ареала), и относительно обособленной от других совокупностей того же вида. Важнейший признак популяции — это относительно свободное скрещивание. Если возникают какие-то изоляционные барьеры, препятствующие свободному скрещиванию, то возникают новые популяции.
У человека, например, помимо территориальной изоляции, достаточно изолированные популяции могут возникать на основе социальных, этнических или религиозных барьеров. Поскольку между популяциями не происходит свободный обмен генами, то они могут существенно различаться по генетическим характеристикам. Для того чтобы описывать генетические свойства популяции, вводится понятие генофонда— совокупности генов, встречающихся в данной популяции. Помимо генофонда важна также частота встречаемости гена, или частота встречаемости аллеля.
Знание того, как реализуются законы наследования на уровне популяций, принципиально важно для понимания причин индивидуальной изменчивости. Все закономерности, выявляемые в ходе психогенетических исследований, относятся к конкретным популяциям. В других популяциях, с иным генофондом и другими частотами генов, могут получаться отличающиеся результаты.
Пусть в популяции представлены два аллеля А и а, с частотой встречаемости соответственнор иq. Тогда
Несложные подсчеты показывают, что в условиях свободного скрещивания относительные частоты генотипов АА, Аа, аа будут составлять соответственноp2,2pq, q2. Суммарная частота, естественно,
равна единице:
► Закон Харди-Вайнберга гласит, что в условиях идеальной популяции частоты генов и генотипов остаются постоянными от поколения к поколению.
Условия выполнения закона Харди-Вайнберга:
♦ Случайность скрещивания в популяции. Это важное условие подразумевает одинаковую вероятность скрещивания между всеми особями, входящими в состав популяции. Нарушения этого условия у человека могут быть связаны с кровнородственными браками. В этом случае в популяции повышается количество гомозигот На этом обстоятельстве даже основан метод определения частоты кровнородственных браков в популяции, которую вычисляют, определяя величину отклонения от соотношений Харди— Вайнберга.
Еще одна причина нарушения закона Харди-Вайнберга — это так называемая ассортативность браков, которая связана с неслучайностью выбора брачного партнера. Например, обнаружена определенная корреляция между супругами по коэффициенту интеллекта. Ассортативность быть может быть положительной или отрицательной и соответственно повышать изменчивость в популяции или уменьшать ее. Отметим, что ассортативность влияет не на частоты аллелей, а на частоты гомо- и гетерозигот.
Не должно быть мутаций.
Не должно быть миграций как в популяцию, так и из нее.
Не должно быть естественного отбора.
Популяция должна иметь достаточно большие размеры, в противном случае даже при соблюдении остальных условий будут наблюдаться чисто случайные колебания частот генов (так называемый дрейф генов).
Эти положения, конечно, в естественных условиях в той или иной степени нарушаются. Однако в целом их влияние не так сильно выражено и в человеческих популяциях соотношения Харди-Вайнберга, как правило, выполняются.
Закон Харди-Вайнберга позволяет подсчитывать частоты аллелей в популяции. Рецессивные аллели проявляются в фенотипе, только если они оказываются в гомозиготном состоянии. Гетерозиготы фенотипически либо не отличаются от доминантных гомозигот, либо их можно идентифицировать с помощью специальных методов, подчас весьма сложных. С помощью закона Харди-Вайнберга такой подсчет гетерозигот можно легко сделать по формулам (1) и (2).
Произведем
расчеты для рецессивной мутации,
вызывающей заболевание фенилкетонурию.
Заболевание встречается у 1 человека
на 10 тыс. Таким образом, частота
встречаемости гомозигот q2 (генотип аа) равна
0,0001. Частота рецессивного аллеля q определяется
путем извлечения квадратного корня (q = 
)
и равна 0,01.
Частота
доминантного аллеля будет равна
Отсюда легко определить частоту встречаемости гетерозигот Аа.
Рис. 1.10
Связь между частотами генов А и а и частотами генотипов АА, Аа, аа по формуле Хайди-Вайнберга (по Дубинину, 1970)
2pq = 2 0,99x0,01 = 0,0198 ≈ 0,02, т. е. она составляет приблизительно2%. Получается, что 1 человек из 50 является носителем гена фенилкетонурии. Эти данные показывают, какое большое число рецессивных генов остается в скрытом состоянии. На рис. 1.10 показана частота встречаемости гомозиготАА, аа и гетерозиготАа в зависимости от частот, соответствующих аллелейАи а.
Как уже было сказано выше, на частоту появления гомозиготных генотипов могут оказать влияние кровнородственные браки. При близкородственном скрещивании (инбридинге) частота гомозиготных генотипов увеличивается по сравнению с соотношениями закона Харди-Вайнберга. В результате этого вредные рецессивные мутации, определяющие заболевания, чаще оказываются в гомозиготном состоянии и проявляются в фенотипе. Среди потомства от кровнородственных браков с большей вероятностью встречаются наследственные заболевания и врожденные уродства.
Оказалось, что и другие признаки испытывают достоверное влияние инбридинга. Показано, что с увеличением степени инбридинга снижаются показатели умственного развития и школьная успеваемость. При увеличении коэффициента инбридинга на 10% коэффициент интеллекта снижается на 6 баллов (по шкале Векслера для детей). Коэффициент инбридинга в случае брака двоюродных сибсов равен 1/16, для троюродных сибсов — 1/32.
В связи с повышением мобильности населения в развитых странах и разрушением изолированных популяций наблюдается снижение коэффициента инбридинга в течение всего XXв. На это также повлияло снижение рождаемости и уменьшение числа двоюродных сибсов.
При отдаленном скрещивании можно наблюдать появление гибридов с повышенной жизнеспособностью в первом поколении. Это явление получило название гетерозиса. Причиной гетерозиса является перевод вредных рецессивных мутаций в гетерозиготное состояние, при котором они не проявляются в фенотипе.