Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

Важным свойством популяций служит их способность проявлять высокую генетическую изменчивость, основной источник которой заложен в процессе размножения (например, при скрещивании разнополых организмов).

Источником усиления наследственной изменчивости служит мутационный процесс, в течение которого появление новых аллелей способствует формированию в популяции новых генотипов, а, следовательно, и фенотипов.

2. Генетическая характеристика популяций апомиктов

Апомиксис – это один из способов бесполого размножения. Он

приводяÏолесÃÓк гомозиготации особей, вовсе не делает популяцию генетически однородной. При самоопылении особей, гетерозиготных по одной паре

наблюдается у некоторых видов растений (роды Rubus, Potentilla, Hypericum, Hieracium, Crepis и др.), у которых размножение происходит посредством настоящих семян, но они образуются без оплодотворения.

При апомиксисе яйцеклетка содержит нередуцированный набор хромосом вследствие изменения процесса мейоза. Такая яйцеклетка развивается партеногенетически. Апомиксис исключает оплодотворение, а также генетическое расщепление. Поэтому генетический состав апомиктической популяции меняет я незначительно. При апомиксисе в популяции образуются клоны с изогенными о обями, которые повторяют

признаки родительских. В связи этим и г н тиче кая структура, и фенотип

популяции относительно однородны. Пр валирующим типом изменчивости здесь следует считать модификации; комбинативная изменчивость практически иск ючается, а привнос спонтанных мутаций невелик. В условиях оптимальной «пригонки» популяции к определенным экологическим условиям ап микты х р шо выживают и широко распространяются. Однако

(семена злаковых – ячмень, пшеница; семена бобовых) характеризуется

известной степенью гомозиготности особей по ряду генов. Самоопыление,

аллелей, например, Аа, в ряду поколений будет постоянно уменьшаться число гетерозигот, но при этом выщепятся по крайней мере две генетически неодинаковые гомозиготные частые линии: АА и аа. Если учесть, что гомозиготация идет не по одной, а по многим парам аллелей, легко предположить, сколько чистых линий с различной комбинацией гомозигот по каждой паре аллелей может образоваться в популяции. Например,

Генетика с основами биометрии

гомозиготация по двум парам аллелей приведет к формированию четырех чистых линий: ААВВ, ААвв, ааВВ и аавв.

Чистая линия представляет собой потомство одного гомозиготного организма. Особи в пределах чистой линии генетически однородны и имеют сходный фенотип – различия особей внутри чистой линии носят, как правило, модификационный характер (например, у злаков одного вида сходные по генотипу особи могут различаться по длине колоса, числу колосков в колосе, размеру и весу семян). Не исключается и возможность нарушения генетической чистоты линии за счет возникновения мутаций. Популяция

самоопылителей состоит из чистых линий и потому генетически и фенотипически неоднородна. Фонд генетической изменчивости такой популяции составляют фенотипические и генотипические различия между чистыми линиями. Прекрасной иллюстрацией этого являются селекционные опыты (отбор по весу семян) в популяциях и чистых линиях фасоли, проведенные В. Иоганнсеном в 1903 г. Изменчивость по весу семян в исходной популяции фасоли выражалась вариационной кривой, где крайние значения веса семян составляли 150 и 750 мг. Иоганнсен провел отбор и в

модификациямиÏолесÃÓи потому отбор в них б сперспективен. Отбор действует лишь на п пуляцию, так как она представляет собой генетически

среднего веса семян не наблюдало ь ни в одном из последующих шести поколений. На основании получ нных данных Иоганнсен сделал вывод, что

изменчивость особей в пр д ах чистых линий ограничивается

неоднородный материал.

Исслед вания И ганнсена – хорошая теоретическая основа для селекции. Генетически грам тный селекционер не станет вести отбор по признаку у сам пылителей в пределах чистой линии, ибо он успехов не принесет.

Таким образом, в популяции самоопылителей наблюдается тенденция к гомозиготации и распаду популяции на генетически однородные чистые линии. Однако в связи тем, что наряду с самоопылением иногда возможно перекрестное опыление, а также вследствие постоянно возникающих мутаций в популяции всегда сохраняется известный уровень гетерозиготности по отдельным локусам. Это обуславливает определенную пластичность ее в процессе приспособления к среде обитания. Если же при гомозиготации в популяции происходит выщепление вредных мутаций, это нередко приводит к

депрессии ее и даже вырождению.

4. Генетическая структура панмиктических популяций

К популяциям перекрестноразмножающихся организмов относятся

Генетика с основами биометрии

популяции большинства видов животных и растений, размножающихся половым путем посредством свободного скрещивания особей друг с другом. Предполагается, что в такой популяции все особи обладают одинаковой вероятностью к случайному свободному скрещиванию, которое называется

панмиксией.

Особенности и закономерности наследственности и изменчивости в популяции перекрестноразмножающихся организмов обычно исследуются на примере панмиктической популяции, где случайное свободное скрещивание особей протекает при отсутствии отбора. Естественно, что существование

столь идеальной популяции в природе маловероятно.

каждомÏолесÃÓпоколении женские и мужские особи продуцируют с одинаковой частотой гаметы А и а, то с помощью решетки Пеннета легко проследить, что после одной генерации в популяции сохранится такое же соотношение аллелей (таблица 1).

При перекрестном размножении в популяции идет постоянная, непрерывная гибридизация, результатом которой является максимальная гетерозиготность ее по многим генам. В основе гетерозиготности популяции лежат такие явления, как генетическая разнородность особей, вступающих в скрещивание, и постоянный процесс рекомбинации генов при перекрестном половом размножении. Следовательно, гибридные особи каждого последующего поколения имеют шан ы в е более отличаться друг от друга, а

также от особей предыдущих поколений и генотипически, и фенотипически.

Свободное скрещивание о обей непрерывным процессом

возникновения новых комбинаций г нов, на п рвый взгляд, может привести к беспорядочной изменчивости популяции. Однако именно свободное

скрещивание предохраня т от хаоса в наследовании и приводит к

состоянию относите ьного равнов сия г нотипов, аллелей и фенотипов.

С.С. Четвериков писал: «В самом м ханизме свободного скрещивания заложен аппарат, стаби изирующий численности компонентов данного сообщества. Всяк е изменение соотношения этих численностей возможно

Таблица 1 – Распределение частот генотипов в условиях свободного скрещивания при равном соотношении А и а

Генетика с основами биометрии

Частота аллеля А в гибридном потомстве составит 0,25 (АА) + 0,25 (Аа) = 0,5; аллеля а – 0,25 (аа) + 0,25 (Аа) = 0,5. В данном случае свободное скрещивание не нарушило генного равновесия в популяции. Эта закономерность обнаруживается и при других соотношениях частот аллелей,

например, А = 0,6; а = 0,4.

В 1904 г. К. Пирсон установил закон стабилизирующего скрещивания, который в 1908 г. подтвердили математик Г. Харди и врач В. Вайнберг, предложив независимо друг от друга формулу (формула Харди-Вайнберга), отражающую характер распределения аллелей, генотипов и фенотипов в

В условиях свободного скр щивания соотношение аллелей и генотипов

в описанной попу яции буд т выг яд ть сл дующим образом: р2АА: 2pqAa:

а2аа.

Сущн сть зак на стаби изирующего скрещивания, как пишет Четвериков, св дится к т му, что «в условиях свободного скрещивания при любом исх дн м тн шении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских ф рм в результате первого же скрещивания внутри сообщества устанавливается ст яние равновесия...» и, как бы не было нарушено извне это равновесие, «...в результате первого же за тем скрещивания внутри сообщества устанавливается новое равновесие и сохраняется до тех пор, пока какая-нибудь внешняя сила вновь не выведет его из этого состояния». Формула Харди-Вайнберга отражает соотношение в популяции особей с доминантными и рецессивными признаками, относительную частоту гомозигот и гетерозигот, частоту аллелей по одному локусу. С помощью этой формулы можно рассчитать в заданной популяции указанные частоты.

Таким образом, пользуясь формулой Харди-Вайнберга и имея данные по частоте встречаемости в популяции какого-либо рецессивного признака (например, альбинизм, глухота), можно определить примерную частоту гена и гетерозиготных носителей его в популяции. Она демонстрирует связь между частотами аллелей одного гена, соотношение в популяции особей с генотипами АА, Аа и аа, отражает закономерности наследования только в

Генетика с основами биометрии

панмиктических популяциях и для самоопылителей неприменима.

Однако и в популяциях свободно скрещивающихся особей эта формула пригодна лишь для простых случаев моногенного аутосомного наследования. При этом частота определенных фенотипов зависит не только от частоты аллеля, но и от того, доминантен он или рецессивен. Проявление доминантного признака в свою очередь связано как с частотой контролирующего его гена в популяции, так и со степенью выраженности (экспрессивности) и пенетрантности самого признака.

Формула Харди-Вайнберга может быть применима для определения

частот генов и генотипов лишь на какой-то данный момент в заданной популяцииÏолесÃÓ, где соблюдаются следующие необходимые условия:

популяция должна быть достаточно многочисленной, чтобы избежать ошибок в статистическом анализе;

все особи популяции должны обладать одинаковой вероятностью к скрещиванию;

все особи должны с одинаковой вероятностью образовывать все типы гамет;

все типы гамет должны быть одинаково жизнеспособными;мутации гена, по которому в д т я ра чет, должны быть очень

редкими, чтобы их частотой можно было бы пренебречь, или же частота прямых и обратных мутаций должна быть одинаковой;

все особи до жны быть одинаково жизнеспособными, т. е. исключается действие ест ств нного отбора;

популяция до жна быть максимально изолированной, а процессы миграции редкими и и же в все отсутствовать.

Эти усл вия в прир дных попу яциях нереальны. Популяция постоянно меняет св ю генетическую структуру вследствие возникновения новых мутаций, действия естественн го отбора, миграции особей одной популяции в другую и т. д. Изменение равновесного состояния по аллелям и генотипам в популяции характеризует изменчивость ее, т. . генетическую динамику.

В системах браков панмиктических популяций выделяют

неизбирательные браки (аутбридинг), предполагающие случайный подбор пар. Эти браки играют основополагающую роль в генетике популяций. В этом случае допускается, что генотипы людей не различаются по жизнеспособности и плодовитости, мутации не происходят и популяция достаточно велика, чтобы обеспечить случайность при встрече гамет.

Отклонения от панмиксии происходят в случаях, когда люди, состоящие в родстве, могут вступать в брак чаще или реже, чем при случайном подборе пар. Такие браки называют кровнородственные браки (инбридинг). Тесный инбридинг брата и сестры допускался лишь в очень редких случаях. Наиболее распространенный тесный инбридинг – браки между племянницей и дядей, между тетей и племянником или между двоюродными братом и сестрой.

Генетика с основами биометрии

Кровнородственные браки запрещены во многих странах. Запрет связан с увеличением гомозиготности рецессивных признаков у их детей. Родство – понятие весьма неопределенное. Родственниками определяются те лица, часть генов которых общие по происхождению. В эволюционном смысле все люди состоят в родстве, так как имели общих предков. Поэтому при рассмотрении степени родства предполагают существование гипотетической популяции, индивидумы которой не состояли в родстве признавать в настоящее время все человечество родственниками не имеет смысла. Для того чтобы исследовать мутации и влияние кронного родства на их фенотипическое проявление,

принято определять степень кровного родства. С этой целью анализируют не менее трех поколений. Такое ограничение первоначально было связано с практическими соображениями, так как у католиков требовалось специальное разрешение на брак между троюродными сибсами или более близкими

данномÏолесÃÓкусе идентичны по происхождению. В реальных ситуациях вычисление к эффициента р дства (Ф) необязательно, т.к. степень родства в популяциях бычно известна. При анализе конкретных родословных иногда рассчитывают коэффициент инбридинга.

кровнородственных браков, необходимо оценивать степень родства в этих популяциях. Для оценки уровня инбридинга в на тоящее время предложено пользоваться «коэффициентом инбридинга», предложенным Райтом (1885). Он тесно связан с «коэффициентом род тва» Малеко. Разница между этими коэффициентами в том, что коэффици нт род тва определяется только для двух индивидов, которые могут им ть общих предков.

Коэффициент родства (Фдд) – это в роятность того, что случайно выбранный ген, принад ежащий особи А, ид нтичен гену того же локуса у особи В. Коэффициент инбридинга опр д ляется для одного индивида и

характеризует степень связи между его родителями.

Коэффициент инбридинга (F) – это вероятность того, что два аллеля в

5. Закон Харди-Вайнберга

Иногда при описании генетической изменчивости по данному локусу удобнее оперировать не частотами генотипов, а частотами отдельных аллелей. Это вызвано тем, что различных аллелей бывает меньше, чем генотипов. При двух аллелях число различных генотипов равно трем (АА, Аа, аа), при трех аллелях – шести, а при четырех – десяти. В общем случае если число различных аллелей одного локуса равно К, то число возможных генотипов равно К (К + 1) /2.

Предположим, что популяция состоит из N диплоидных особей, а исследуемый локус представлен двумя аллелями. Через D обозначим число гомозигот по одному аллелю (АА); через Н – число гетерозигот (Аа); через R –

Генетика с основами биометрии

число гомозигот по-другому аллелю (аа). Тогда D + Н + R = N. Поскольку каждая особь имеет два аллеля, то можно рассчитать их число и долю в популяции. Так, число аллелей А равно 2D + Н, а доля их в популяции составит (2D+H) /2N, так как N особей содержит 2N аллелей. Величина эта обозначается через Р и носит название частоты аллеля А. Число другого аллеля (а) 2 R + H, а доля его в популяции будет равна (2R + Н) /2N.

Частоту другого аллеля принято обозначать через q. Соотношение частоты доминантного и рецессивного аллелей и частоты гомозиготных (АА, аа) и гетерозиготных (Аа) генотипов выражают в процентах или долях

единицы и называют генетической структурой популяции. Заметим, что сумма всех частот аллелей, так же, как и сумма всех частот генотипов, всегда должна быть равна единице. Если имеется два аллеля с частотами p и q, то р + q = 1, а если три аллеля с частотой р, q, r, то p+q + r = 1.

Законы Менделя ничего не говорят о частотах генотипов в популяциях. Именно об этих частотах идет речь в законе Харди-Вайнберга. Основная суть закона состоит в том, что в отсутствие элементарных эволюционных процессов, а именно, мутаций, отбора, миграции и дрейфа генов, частота генов остается неизменной из поколения в поколение. Этот закон утверждает

также, что если скрещивание лучайно, то ча тота генотипов связана с частотой генов простыми (квадратичными) оотношениями.

ПроведяÏолесÃÓанализ таблицы, получим выражение:

Закон Харди-Вайнб рга был формулирован в 1908 г. независимо друг

от друга математиком Г. Харди в Англии и врачом В. Вайнбергом в Германии.

Из этого закона вытекает дующий вывод: сли частота аллелей у самцов и

самок исходно одинакова, то при случайном скрещивании равновесная

р2(АА) + + 2pq(Aa) + q2(aa) = 1

которое представляет собой формулу закона Харди-Вайнберга. Согласно этой формуле, количество гомозигот в популяции (как доминантов, так и рецессивов) равно соответственно квадратам концентрации их аллелей. Количество гетерозигот равно удвоенному произведению концентраций обоих аллелей. Популяция с таким распределением генотипов находится в состоянии

Генетика с основами биометрии

равновесия.

На основании изложенного можно сделать выводы:

частоты аллелей не изменяются от поколения к поколению.

Частота аллеля А в потомстве равна сумме частоты генотипа АА и половине частоты генотипа Аа, т.е. равна р2 + pq = р (р + q) = р (поскольку р + q = 1);

так как частоты аллелей у потомства остаются такими же (р и q),

какими были у родителей, то и частоты генотипов в следующем поколении также останутся неизменными и равными р2, 2pq и q2;

равновесные частоты генотипов достигаются за одно поколение.

Какими бы ни были частоты генотипов родителей, частоты генотипов потомковÏолесÃÓбудут р2, 2pq, q2, если частоты аллелей у самцов и самок одинаковы и равны р и q.

Дополнительная информация Расы человека

Расы определяют, как популяции одного и того же вида, несколько отличающиеся в генетическом отношении, но репродуктивно не изолированные друг от друга. Расы не обязательно представляют собой новые виды, так как процесс расовой дифф р нциации является обратимым. У человека расовая диффер нциация глаживала ь на протяжении нескольких последних столетий за сч т м жрасовых браков и миграции населения. Для образования рас необходимо, чтобы поток г нов не был интенсивным, иначе расы сливаются и формиру тся диный г нофонд.

К. Линнем бы и выде ены разновидности четырех рас человека (африканская, азиатская, американская и европейская). В 1775 г. Блуменбах выделил 5 наиб лее известных «цветных» рас человека:

белую, или кавказскую (или европеоидную);желтую, или м нг льскую (или монголоидную);черную, или эфи пскую;красную, или американскую;

коричневую, или малайскую.

Хотя расы выделены только по цвету кожи, но этнические группы различаются по многим другим признакам, например, черты лица, строение волос, телосложение и т.д. (таблица 3).

Популяционно-генетические исследования показали, чт распределение наследственных болезней среди различных рас народностей в различных странах неравномерно (таблицы 4, 5).

Генетика с основами биометрии

Таблица 3 – 9 географических рас и 34 локальные расы человека (S. Corn, 1961)

Географические расы

Генетика с основами биометрии

Таблица 4 – Наследственные болезни, характерные для различных этнических групп (О. Милунски, 1981)