Генетическая структура популяции

Популяционная генетика – раздел генетики, который изучает генетический состав популяции, а также факторы влияющие на изменение этого состава.

Популяция – это совокупность особей одного вида, которые проживают в течении длительного времени на определённом ареале, свободно скрещиваются, дают плодовитое потомство и отделены от других популяций того же вида той или иной формой изоляции.

Основная закономерность, позволяющая исследовать генетическую структуру популяций, была установлена в 1908 году независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Этот закон позволяет установить математическую зависимость между частотами генов и генотипов в популяции.

Рассмотрим пару аллельных аутосомных генов (А и а). Например, если ген А встречается с частотой (р), а ген а - с частотой (q), то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равным 1.

р+q=1

А а

Первое положение закон Харди-Вайнберга.

Сумма частот встречаемости доминантного и рецессивного аллелей

Одного гена величина постоянна и равна 1.

 

Возведя в квадрат, мы получим (р+q)²=р²+2рq+q²=1

АА Аа аа

Генотип АА встречается с частотой (р²), генотип Аа встречается с частотой (2рq), генотип аа встречается с частотой (q²). Распределение частот встречаемости различных генов соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени.

Второе положение закона.

Сумма частот встречаемости различных генотипов по одному аллелю в данной популяции величина постоянная и равна 1.

Аналогичный способ расчёта можно применить для трёхаллельной системы, например, для исследования групп крови.

pI^A +qI^B +rI^O + =1, возводим в квадрат и получаем

(pI^A + qI^B +rI^O)² =1,раскрываем скобки

P²I^AI^A + q²I^BI^B +r²I^OI^O +2pqI^AI^B +2prI^AI^O =2qrI^BI^O=1

Это количественная оценка всех гомозиготных и гетерозиготных генотипов по системе АВО.

 

Закономерности полученные Харди и Вайнбергом справедливы для равновесных популяций, для которых характерно:

1. Свободное скрещивание или отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам.

2. Отсутствие оттока аллелей вызываемого отбором или миграцией за пределы данной популяции.

3. Отсутствие притока аллелей вызываемого мутационным процессом или миграцией особей в данную популяцию из вне.

4. Равная плодовитость гомозиготных и гетерозиготных особей.

5. Поколения не должны перекрываться во времени.

6. Численность популяции должна быть значительно большой.

В действительности реальная популяция может лишь приближаться к этим условиям. Известные генетики Ниль и Шелл считают, что, хотя ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчёты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что этот закон вполне пригоден для анализа генетической структуры популяции. Для медицинской генетики имеет особенно большое значение то, что этот закон может быть использован для анализа человеческой популяции. Так, как человеческая популяция является достаточно большой. Гомозиготные и гетерозиготные особи одинаково плодовиты. Для большинства людей характерна панмиксия или свободное вступление в брак. Существует случайный и неслучайный подбор супружеских пар. Например, случайный подбор осуществляется по группам крови, цвету глаз, умению владеть преимущественно правой или левой рукой. Неслучайный подбор пар может осуществляться по некоторым заболеваниям, например, по глухонемоте. Панмиксия нарушается в изолятах, обусловленных национальными, расовыми, географическими, религиозными, сословными и другими подразделениями общества. Существенно панмиксия может быть нарушена имбридингом-близкородственным браком, что повышает вероятность рождения больных детей.

На генетический состав человеческой популяции существенно влияет мутационный процесс. Многие мутантные гены снижают продолжительность жизни человека, и он умирает, не оставив потомства, или имеют меньше детей, чем у нормальных людей. В результате происходит элиминация мутантного аллеля. Его частота снижается. К таким генам относятся летальные и полулетальные гены. Значительная часть хромосомных аномалий элиминируется ещё на ранних стадиях внутриутробного развития. Однако не каждый патологический ген устраняется естественным отбором и рождаются дети с различными наследственными заболеваниями.

Другим, не менее важным, фактором, влияющим на частоту аллелей в малочисленных популяциях и изолятах, является дрейф генов, при этом полезные и адаптивные аллели могут случайно элиминироваться из популяции. А менее полезные или даже неблагоприятные могут достигнуть значительных концентраций.

Нужно отметить, что новые гены могут быть принесены в популяцию в виде гамет, принесённых иммигрантами из других популяции. Этот процесс получил название притока генов. Мутационный процесс и поток генов поставляют в популяцию новые аллели и следовательно служат источником изменчивости в популяции.

В человеческих популяциях действует и естественный отбор, который является единственным эволюционным фактором, вызывающим направленное изменение генофонда путём элиминации из популяции менее приспособленных индивидов или снижения их плодовитости. В человеческой популяции постоянно действуют такие факторы эволюции, как мутационный процесс, миграция, отбор, дрейф генов, что приводит к изменению частот генов, но значение их не так выражено.

Учитывая всё перечисленное, закон Харди-Вайнберга можно сформулировать следующим образом: В неограниченно больших популяциях, при отсутствии давления естественного отбора, мутации, миграций и наличии панмиксии имеет место постоянное число генотипов и фенотипов.

Значение популяционно-статистического метода для медицины велико. Применяя его на практике можно определить какова встречаемость патологических генов и генотипов в популяциях различных стран, изучить особенности распространения наследственных заболеваний в различных популяционных структурах и главное - прогнозировать распространенность этих болезней в последующих поколениях. В ходе исследований выявляются не только больные, но и семьи, в которых высок риск повторного появления детей с той же патологией. Такие семьи подлежат диспансерному наблюдению и среди них проводятся мероприятия, направленные на снижение частоты этих заболеваний в потомстве.

Закон Харди-Вайнберга позволяет установить по отдельности частоты доминантных гомозигот и гетерозигот, хотя они фенотипически при полном доминировании неотличимы. Зная общее количество детей, родившихся за определённый период, и количество детей, у которых проявился рецессивный признак, можно установить всю генетическую структуру популяции. Например, в городе К. за последние 10 лет родилось 84000, у 210 из них обнаружился патологический рецессивный признак. Следовательно q²= . Извлекая корень квадратный, получим величину q, q=0,05. По формуле p+q, находим p=1-q, p=0,95. Зная частоту аллелeй p и q устанавливаем генетическую структуру популяции.p²=0,9025(90,25%), 2pq=0,95(9,5%), q²=0,0025(0,25%).

Применяя на практике этот метод было установлено, что наследственные болезни в человеческой популяции распространены по регионам земного шара неравномерно. Установлено, что серповидноклеточная анемия распространена среди негров и жителей Средиземноморья, врождённый вывих бедра чаще встречается у аборигенов Севера, различные виды прогрессирующего слабоумия у лиц еврейской и армянской национальности. Популяционно-статистический метод установил. Что частота встречаемости даже повсеместно распространённых заболеваний колеблется в разных популяциях. Например, муковисцидоз чаще проявляется среди восточных народов, проявляемость фенилкетонурии выше среди славянских групп народов, чем у германских и романских.

 

Следствие уравнения Харди-Вайнберга.

Из уравнения Харди-Вайнберга следует, что значительная доля имеющихся в популяции рецессивных генов находится у гетерозиготных носителей. Гетерозиготные генотипы служат важнейшим потенциальным источником генетической изменчивости. Рецессивные аллели могут проявиться только в гомозиготном состоянии и только в этом случаи могут подвергаться селективному воздействию. Некоторые рецессивные аллели неблагоприятны для фенотипа всего организма в целом, например, идиотия Тея-Сакса, в рецессивном гомозиготном состоянии приводит к летальному исходу обычно к 3-м годам. Но далеко не все рецессивные аллели неблагоприятны для популяции. Например, у человека из всех групп крови человека чаще всего проявляется первая группа крови, соответствующая рецессивному гомозиготному генотипу.

Факторы, нарушающие равновесие генов в популяции.

На генетический состав человеческой популяции существенно влияет мутационный процесс. Многие мутантные гены снижают продолжительность жизни человека, и он умирает, не оставив потомства, или имеют меньше детей, чем у нормальных людей. В результате происходит элиминация мутантного аллеля. Его частота снижается. К таким генам относятся летальные и полулетальные гены. Значительная часть хромосомных аномалий элиминируется ещё на ранних стадиях внутриутробного развития. Однако не каждый патологический ген устраняется естественным отбором и рождаются дети с различными наследственными заболеваниями.

Другим, не менее важным, фактором, влияющим на частоту аллелей в малочисленных популяциях и изолятах, является дрейф генов, при этом полезные и адаптивные аллели могут случайно элиминироваться из популяции. А менее полезные или даже неблагоприятные могут достигнуть значительных концентраций.

Нужно отметить, что новые гены могут быть принесены в популяцию в виде гамет, принесённых иммигрантами из других популяции. Этот процесс получил название притока генов. Мутационный процесс и поток генов поставляют в популяцию новые аллели и следовательно служат источником изменчивости в популяции.

В человеческих популяциях действует и естественный отбор, который является единственным эволюционным фактором, вызывающим направленное изменение генофонда путём элиминации из популяции менее приспособленных индивидов или снижения их плодовитости. В человеческой популяции постоянно действуют такие факторы эволюции, как мутационный процесс, миграция, отбор, дрейф генов, что приводит к изменению частот генов, но значение их не так выражено.

Учитывая всё перечисленное, закон Харди-Вайнберга можно сформулировать следующим образом: В неограниченно больших популяциях, при отсутствии давления естественного отбора, мутации, миграций и наличии панмиксии имеет место постоянное число генотипов и фенотипов.

Значение популяционно-статистического метода для медицины велико. Применяя его на практике можно определить какова встречаемость патологических генов и генотипов в популяциях различных стран, изучить особенности распространения наследственных заболеваний в различных популяционных структурах и главное - прогнозировать распространенность этих болезней в последующих поколениях. В ходе исследований выявляются не только больные, но и семьи, в которых высок риск повторного появления детей с той же патологией. Такие семьи подлежат диспансерному наблюдению и среди них проводятся мероприятия, направленные на снижение частоты этих заболеваний в потомстве.

Закон Харди-Вайнберга позволяет установить по отдельности частоты доминантных гомозигот и гетерозигот, хотя они фенотипически при полном доминировании неотличимы. Зная общее количество детей, родившихся за определённый период, и количество детей, у которых проявился рецессивный признак, можно установить всю генетическую структуру популяции. Например, в городе К. за последние 10 лет родилось 84000, у 210 из них обнаружился патологический рецессивный признак. Следовательно q²= . Извлекая корень квадратный, получим величину q, q=0,05. По формуле p+q, находим p=1-q, p=0,95. Зная частоту аллелeй p и q устанавливаем генетическую структуру популяции.p²=0,9025(90,25%), 2pq=0,95(9,5%), q²=0,0025(0,25%).

Применяя на практике этот метод было установлено, что наследственные болезни в человеческой популяции распространены по регионам земного шара неравномерно. Установлено, что серповидноклеточная анемия распространена среди негров и жителей Средиземноморья, врождённый вывих бедра чаще встречается у аборигенов Севера, различные виды прогрессирующего слабоумия у лиц еврейской и армянской национальности. Популяционно-статистический метод установил. Что частота встречаемости даже повсеместно распространённых заболеваний колеблется в разных популяциях. Например, муковисцидоз чаще проявляется среди восточных народов, проявляемость фенилкетонурии выше среди славянских групп народов, чем у германских и романских.

Размер, уровень рождаемости и смертности, возрастной состав, экономическое состояние, уклад жизни являются демографическими показателями популяций людей. Генетически они характеризуются генофондами (аллелофондами).Демографические показатели оказывают серьезное воздействие на состояние генофондов человеческих популяций, главным образом через структуру браков. Большое значение в определении структуры браков имеет размер группы.

Популяции из 1500-4000 человек называют демами, популяции численностью до 1500 человек – изолятами. Д ля демов и изолятов типичен

относительно низкий естественный прирост населения – соответственно по-

рядка 20% и не более 25% за поколение. Частота внутригрупповых браков в них составляет80 – 90% и выше 90%, а приток лиц из других групп сохраняет

ся на уровне 1- 2% и менее 1%. В силу высокой частоты внутригрупповых

браков члены изолятов, просуществовавших четыре поколения (примерно

100 лет) и более, являются не менее чем троюродными братьями и сестрами

(сибсами).

В больших по размерам популяциях распределение аллелей отдельных генов в генотипах индивидуумов последовательных поколений подчиняется закону Харди – Вайнберга. Это используют в медико- генетической практике для расчета доли гетерозигот – носителей определенного рецессивного аллеля. Так, в Щвеции в 1965-1974гг. страдающие фенилкетонурией встречались с частотой примерно 1: 40000. Исходя из закона Харди – Вайнберга, по локусу, представленному двумя аллелями, три возможных генотипа (А₁А_1, А₁А₂, А₂А₂) распределяются с частотой p², 2pq, q². Следовательно, q²= ¹_/40000 , а q = ¹_/200. Частота доминантного аллеля нормального обмена фенилаланина p=1 – q= 1 – 1/200=199/200. Тогда частота гетерозигот 2pq = 2 ^. (1/200) ^. (199/200) = 2 ^. (199/40000). При найденных частотах доминантного и рецессивного аллелей популяция численностью 40 000 человек содержит одного больного с фенилкетонурией (А₂А₂) и 400 носителей неблагоприятного аллеля в гетерозиготном состоянии (А₁А₂). Остальные члены популяции гомозиготны по благоприятному доминантному аллелю (А₁А₁). Ниже приведены данные о частоте гетерозиготного носительства и соответствующей ей частоте рецессивных гомозигот с фенотипическим проявлением определенного аллеля.

 

Встречаемость гомозигот Встречаемость гетерозигот

(в пересчете на число членов популяции) (в пересчете на число членов популяции)

1: 10 1: 2,3

1: 100 1: 5,6

1: 1000 1: 16

1: 10000 1: 51

1: 100000 1: 159

1: 1000000 1: 501

 

Даже по редким рецессивным аллелям количество гетерозигот оказывается достаточно высоким, чтобы это учитывалось при медико- генетическом консультировании вступающих в брак.