Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

Таблица 5 – Распространенность доминантных и рецессивных заболеваний в Европе (О. Милунски, 1981)

Генетика с основами биометрии

7.2 ФАКТОРЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ПОПУЛЯЦИЙ

ПЛАН

1.Основные факторы генетической динамики популяций:

2.Генетический груз.

1. Основные факторы генетической динамики популяций

Распределение генотипов в популяции может быть постоянным в

течение определенного периода времени. Это состояние популяции называется гомеостазом. В то же генетическая структура пластична – изменяется под действием внешних и внутренних факторов.

(содержанияÏолесÃÓ). П эт му мутации можно разделить на положительные и отрицательные.

К основным факторам, влияющим на генетическую структуру

популяций в ходе эволюции, относятся:

Возможные результаты точковых мутаций: переход доминантной аллели в рецессивную (прямые мутации); замена рецессивной аллели на доминантную (обратные мутации).

В естественных популяциях частота таких мутаций равна 10-5. Степень влияния их на частоту генов незначительна.

Судьба мутантного гена определяется:

его состоянием (доминантностью или рецессивностью);

характером его действия (летальным, полулетальным или нейтральным);

характером следствий (морфологическими, биохимическими) мутантного аллеля;

взаимодействиями с другими генами.

Чем больше популяция, тем дольше мутантный рецессивный ген

Генетика с основами биометрии

находится в гетерозиготном состоянии, чем популяция меньше, тем быстрее такой ген переходит в гомозиготное состояние. Во втором случае вследствие отбора генотип аа исчезает или сохраняется в последующих поколениях.

На частоту генных и хромосомных мутаций также влияют отбор, сила его давления и направление.

В животноводстве при помощи искусственного отбора отбираются особи с желательными мутациями, что позволяет селекционерам совершенствовать существующие и создавать новые породы животных. Этот вариант использования мутационной изменчивости наибольшее

распространение получил в пушном звероводстве, кролиководстве, птицеводстве, аквариумном рыбоводстве, декоративном собаководстве.

гена. ДляÏолесÃÓвысших организмов данная величина равна 105-106 на локус за поколение. Если в пределах одного поколения мутация затронула один аллель

Еще один из результатов мутационного процесса – генетический полиморфизм, под которым понимают образование частот аллелей гомозиготных по доминантным, гетерозиготных и гомозиготных по

рецессивным генам. Полиморфизм обеспечивает существование популяций.

Важный источник образования новых генотипов – рекомбинация

аллелей при образовании дочерних клеток в проце е мейоза, которая делает

популяции генетически более разнообразными. Генотипическая изменчивость в этом случае может быть выражена ледующей формулой:

где: х – чис о возможных р комбинаций; n – число хромосом в

гаплоидном наборе.

Согласно Е.К. Меркурьевой (1977 г.), число возможных генотипов (р) в

из 100000 подобных аллелей, то скорость мутирования составит 1:100000, что равно 10-5 на одну гамету за поколение.

Частота аллеля уменьшается пропорционально частоте мутаций и частоте этого аллеля в популяции. То есть, изменение частоты за поколение будет падать по мере уменьшения частоты аллеля. Если частота мутирования аллеля составляет 10-5 на гамету за поколение, то для изменения скорости мутирования с 1 до 0,99, потребуется 1000 поколений, а с 0,5 до 0,49 – 2000 поколений.

Один из факторов, влияющих на генетическую динамику популяции, – миграция, в процессе которой гены поступают в конкретную популяцию за

Генетика с основами биометрии

счет особей из других популяций. Миграция – это причина потока генов, который очевиден в популяциях сельскохозяйственной птицы – обеспечивается за счет использования импортного или отечественного племенного материала, но с других хозяйств. То есть за счет вывоза и выбраковки особей уменьшается поток генов, изменяются частоты аллелей в популяции.

Рассмотрим изменение частоты генов под влиянием ввода в популяцию (или вывода из нее) особей из другой популяции на примере стада коров голштинской породы. Число особей в популяции – 5000 голов. Распределение

частот генотипов: АА – 2000 голов; Аа – 2500 и аа – 500 голов.

РазновидностиÏолесÃÓдрейфа генов:эффект основателя;

Расчет частоты аллеля А:

. Тогда частота аллеля а составит 0,35 (pa = 1 - pA. = 1 – 0,65 = 0,35). В исходную популяцию ввели 3000 коров, из которых генотип АА был у 1250 особей. Следовательно, частота аллеля А введенных коров равна 0,50 (рассчитывается аналогичным образом). В результате такой миграции

m – доля вн вь вв димых собей по отношению к их общему поголовью вместе ос бями исх дн й п пуляции.

Генетический дрейф дновременно и независимо друг от друга описали

в 1931 г. Н.П. советские ученые Дубинин и Д.Д. Ромашовым, а также английский генетик С. Райт.

«бутылочное горлышко».

Эффект основателя. Малая популяция, берущая свое начало из большей, может представлять, а может и не представлять генетический состав

исходной популяции. Если аллели в большой популяции очень редки, то закономерно предположить, что их вовсе не будет в малой. Или, наоборот, меньшую популяцию составят особи преимущественно с этими аллелями. Выходит, что даже при последующем росте малой популяции, ее генетический состав будет розниться от такового у материнской популяции. Это и есть эффект основателя.

Генетика с основами биометрии

«Бутылочное горлышко». Такое явление можно наблюдать при резком уменьшении численного состава популяции под действием событий, не относящихся к механизму естественного отбора.

В основе дрейфа генов лежит зависимость генетической структуры популяции от ее размера. Уменьшение количества особей в популяции ведет к повышению вероятности случайных изменений концентрации отдельных генов и, соответственно, к ускорению наступления гомозиготного состояния в локусе у всех особей популяции.

Если говорить о стаде племенных животных, содержащихся в одном

хозяйстве, такая популяция является ограниченной. В ней причинами нарушенияÏолесÃÓравновесия частот генов служат случайные или так называемые

генетико-автоматические процессы, протекающие при ограниченном выборе родительских гамет, участвующих в оплодотворении при получении следующей генерации.

На практике установлено, что родственное спаривание в течение нескольких поколений повышает степень влияния генетического дрейфа на структуру популяции.

Ч. Дарвин считал естественный отбор главным движущим фактором эволюции.

В процессе естественного отбора выживают наиболее приспособленные формы. Естественный отбор возмож н в илу пособности каждой особи каждого вида неогранич нно размножаться. В то же время численность взрослых особей обычно постоянна, причиной чему служит частичная гибель потомков по причине их борьбы за выживание. Поэтому до взрослого состояния д живают немн гие. В качестве примера можно привести воробьиную пару. К ичество потомков, получаемых за 10 лет, в этом случае составляет 200 м рд собей. Нес ожно представить, что при таком темпе размножения за неск лько десятилетий наша планета покрылась бы этими птицами. Такую перспективу исключает естественный отбор – поддерживает численность взрослых воробьев более или менее на одном уровне. Поскольку все появляющиеся на свет особи различны, то сохранятся и дадут потомство только те из них, которые в данных условиях отличаются от других особей какими-либо незначительными признаками и свойствами.

Особи, оставляющие больше жизнеспособных потомков и вносящие больший генетический вклад в генофонд следующего поколения, являются более приспособленными к данным условиям среды.

Понятие приспособленности (адаптивной ценности) включает в себя:

1.Жизнеспособность – вероятность выживания до репродуктивного

периода.

2.Оставление потомства носителем конкретного генотипа по сравнению со средней приспособленностью других, то есть количество произведенных потомков – членов популяции.

Генетика с основами биометрии

Любая природная популяция представлена генотипами, частоты которых в каждом последующем поколении определяется отбором, в том числе его направленностью и интенсивностью против соответствующих генотипов.

Объекты естественного отбора – особи природных гетерогенных и полиморфных популяций, а не отдельные аллели признака. То есть отбирается не какой-то отдельный признак, а их совокупность, фенотип. Поэтому эффективность отбора зависит от степени наследуемости признака и степени влияния средовых факторов. Пример: если в структуре факторов, обуславливающих изменчивость какого-то признака, на долю генетики

биотических факторов и условий внешней среды. Все уклонения от этой группы генотипов будут уничтожаться. Таким образом, при естественном отборе будут закрепляться в популяции, стабильно существующие генотипы.

Стабилизирующий отбор является простейшей формой естественного отбора. Его действие становится очевидным при резких изменениях условий среды, когда возрастает общая изменчивость организмов, выражение которой в целях сохранения приспособленности необходимо закрепить.

Генетика с основами биометрии

Под действием факторов среды в популяции одни количественно преобладающие генотипы заменяются другими.

За стабилизирующей формой отбора следует движущая форма. При движущем отборе на фоне изменяющихся условий внешней среды популяция сохраняется, но уже с несколько другой генетической структурой. Пример: популяции мутантных форм насекомых, причиной появления которых стало широкое использование в 50-е гг. XX в. хлорорганических и фосфорорганических ядохимикатов. В этом случае можно говорить о том, что отбор сдвинул направление эволюции этих популяций насекомых.

Дизруптивный отбор сохраняет в популяции одновременно два крайних типа мутаций. В результате в популяции остаются мелкие, локально приспособленные группы, каждая из которых может положить начало самостоятельной популяции. Дизруптивный отбор – это механизм

КаждыйÏолесÃÓселекционер должен помнить, что даже выбраковка из стада животных-носителей вредных аллелей не полностью очищает стадо, так как

возникновения и поддержания в популяциях устойчивого полиморфизма.

В животноводстве широко применяется направленный (методический) отбор. Он обеспечивает изменение среднего значения селекционного признака

у потомков в желательном направлении для елекции при одновременном

сужении генетической и фенотипиче кой изменчиво ти. Направленный отбор

совершенствованию имеющихся и выв д нию новых высокопродуктивных пород, линий и кроссов животных.

Если планируется по уч ние животных с противоположным уровнем продуктивности и и стоит задача изучить наследственность и генетическую корреляцию к личественных признаков, применяют дивергентный отбор, идущий по двум направ ениям и делящий популяцию на популяционные

группы, различающиеся между собой по генотипам и фенотипам.

При перев де жив тн водства на промышленную основу особое

значение при бретает техн гический отбор, при котором отбирают особей, приспособленных к экстремальным условиям содержания и кормления.

гетерозиготные генотипы являются носителями рецессивных генов, следовательно, необходимо выявить носителей вредных аллелей, проводя анализ родословных и родственных связей.

Внутривидовая изоляция популяций друг от друга – это прекращение потока генов. Изоляция на протяжении ряда поколений может привести к дивергированию или к дифференцировке популяций по генотипической структуре, особенно если отбор действует в разных направлениях.

Дифференциация таких популяций может дать начало новым видам. Изоляцию обеспечивают географические, или территориально-

механические, и биологические факторы. Биологические факторы изоляции в

Генетика с основами биометрии

конечном итоге основаны на генетических факторах. Даже поведенческие (этологические) факторы изоляции базируются на генетических различиях особей. В то же время следует выделить собственно генетические факторы изоляции:

мутационных изменений.

Генетические факторы изоляции увеличивают вероятность скрещивания между родсÏолесÃÓтвенными особями, повышая степень инбридинга в популяциях.

Те или иные формы изоляции лежат в основе видообразования и приводят к различной экологической специализации биологических форм, к освоению ими новых экологических ниш.

2. Генетический груз.

Под генетическим грузом популяции подразумевают распространение в популяции скрытых рецессивных генов. Он оказывает двоякое влияние на популяцию:

во-первых, служит крытым и точником генетической изменчивости, без которой н возможно н пр рывное приспособление к среде популяций;

во-вторых, мож т ухудшать приспособленность особей в результате действия вредных а ей (в том числе и летальных) и снижения жизнеспос бн сти, п д вит сти особей.

Ф.Г. Д бжанский (1965 г.) предложил считать генетическим грузом отклонения ур вня признак в от адаптивного уровня в сторону уменьшения его уровня (-2 ). За адаптивную норму принимают приспособленность гетерозигот (Аа).

Генетический груз по Н.П. Дубинину – это не только летальные гены, переходящие в гомозиготное состояние, но и весь спектор мутаций, понижающих адаптивные свойства особей.

Генетический груз может быть мутационным, сбалансированным и переходным.

Мутационный генетический груз возникает по причине мутирования доминантного аллеля в рецессивный, то есть А→а. Чем чаще происходит такой процесс, тем больше насыщается популяция аллелем а. Отбор противостоит насыщению популяции рецессивными аллелями, устраняя их через гомозиготные генотипы аа как менее приспособленные. Общий генетический груз создается суммарным действием генетических грузов

Генетика с основами биометрии

полиморфизма с преимущественным сохранением генотипов в гетерозиготном состоянии (ВВ < АВ > АА) и при проявлении сверхдоминирования (Аа > АА). Если генетический груз сбалансирован в генотипах АВ или Аа, то особи, у которых наблюдается гетерозиготность, проявляют более высокую приспособленность к условиям среды, что повышает их жизнеспособность. Данный факт подтверждает положительное действие полиморфного состояния локусов многих ферментных белков, расширяющих приспособленность организмов, так как гетерозигота обладает большой возможностью реакции на разнообразие условий среды.

Переходный генетический груз обусловлен тем, что адаптивный аллель может утрачивать свои свойства при определенных условиях, а действие нового аллеля еще не достигло адаптивного уровня. Тогда генетический груз

гдеÏолесÃÓ: S – часть потомства, оставшаяся в живых; А – это смертность, измеряемая летальным эквива нтом в популяции при условии случайных

создается за счет присутствия исходного аллеля.

Уровень генетического груза выражается числом летальных эквивалентов. Один летальный эквивалент равен одному летальному гену, обуславливающему смертность со 100%-ной вероятностью, или двум

спариваний (FX =0), п юс см ртность, обусловленная внешними факторами; В

– ожидаемм уве ечение смертности, когда популяция становится полностью гомозиготн й (FX = 1); FX – к эффицент инбридинга.

Расчеты генетичсек го груза в популяциях молочного скота, коз и кур, проведенные в Яп нии, дали следующие результаты: у голштинского скота – 1 летальный эквивалент на зиготу, у сааненских коз – 0,5; в разных линиях яичных кур – 0,84-2,92.

Очевидно, генетический груз может играть положительную роль при искусственном отборе, так как является источником генетической изменчивости, способствует накоплению генотипов, более приспособленных к новым факторам среды (к новой технологии производства) или соответствующих специфики селекционного процесса.

Популяционная генетика позволяет определить генетическую долю изменчивости в общей изменчивости признаков; анализируя процессы происходящие в популяциях при различных формах отбора; оценивать влияние генотипа и условий внешней среды на развитие признаков и продуктивных свойств животных; моделировать селекционный процесс и прогнозировать эффект селекции.

Генетика с основами биометрии

8.ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА

8.1ЧЕЛОВЕК КАК ОБЪЕКТ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПЛАН

1. Человек как объект генетических исследований.

2. Основы медицинской генетики. Классификация наследственных болезней человека.

3. Методы изучения генетики человека.

4. Геном человека.

1. Человек как объект генетических исследований. Задачи медицинской генетики

Основные закономерности наследственности, установленные для животных, универсальны, то есть они справедливы и для человека.

Объектом исследований генетики человека являются закономерности наследования нормальных и патологиче ких признаков, а также зависимость их проявления от генотипа и факторов внешней реды.

Трудности изучения насл д тв нно ти и изменчивости, ставшие причиной формирования частной г н тики ч ловека:

невозможность прим н ния гибридологического метода. Врач не имеет права влиять на формирование брачных союзов, но, если молодые люди уже вступили в брак, он может их обследовать и предупредить наследование патологических признак в у потомков или ослабить проявление мутантных генов;

генов и секвенирование генома человека, гибридизация соматических клеток), позволил устранить многие ограничивающие факторы, но до сих пор имеют место некоторые трудности работы с человеком как с генетическим объектом.