Введення в популяційної і медичну генетику

Реферат:

Московський Державний Університет імені М. В. Ломоносова

Біологічний факультет, кафедра антропології

Москва, 2001

Введення

Популяційна генетика - наука про генетичних основах популяції. Це теоретична область генетики, що вивчає спадкову наступність у популяціях, що займається генетичним описом і математичним дослідженням самих популяцій, і сил, на них діючих.

Спадкові зміни, що відбуваються в ряду поколінь, лежать в основі процесу еволюції, тому популяційної генетики можна розглядати як основу синтетичної теорії еволюції, тобто об'єднання дарвінівської ідеї природного добору і нової теорії Менделя. Математична основа популяційної генетики була доведена Рональдом А. Фішером (Fisher, 1930) в його фундаментальної теорії природного відбору.

Велика панміксная популяція

Популяція - це спільнота особин одного виду, що мають спільний ареалом протягом тривалого часу, розташоване окремо від інших спільнот і вільно мимобіжні між собою. Родинними узами пов'язані члени будь-якої популяції, проте в організмів, розмножуються безстатевим шляхом, що немає зв'язку, що виникають в результаті перехресного запліднення. Спільнота особин, що розмножуються статевим шляхом називається менделевської популяцією.

Причиною того, що окремо взятий генотип не може служити адекватною одиницею процесу еволюції, є те, що його генотип залишається незмінним протягом усього його життя, а час життя організму обмежена. З іншого боку, популяція являє собою безперервний ряд поколінь, а генетична структура популяції може змінюватися, тобто еволюціонувати, від покоління до покоління. Безперервність існування популяції забезпечується механізмом біологічної спадковості.

При вивченні процесу еволюції важливе значення має уявлення про генофонд. Генофондом називається сукупність генотипів усіх особин популяції. Для диплоїдних організмів генофонд популяції, налічує N особин, що складаються їх 2N гаплоїдний генотипів. Таким чином, генофонд популяції з N особин включає в себе N пар гомологічних хромосом і 2N алелей кожного локусу (4N, тому що в диплоїдного організму 2 локусу). Виняток становлять статеві хромосоми і зчеплені з підлогою гени, представлені в кожному гетерогаметна організмі в одному екземплярі.

Безпосередньо ми спостерігаємо лише фенотип, а не генотипи або гени. Мінливість генофонду може бути описана або частотами генів, або частотами генотипів. Якщо ми знаємо співвідношення між генотипами і відповідними їм фенотипами, то по частотах спостережуваних фенотипів ми можемо розрахувати частоти відповідних генотипів.

Частоти алелів можна розрахувати по частотах генотипів, враховуючи, що в гомозигота міститься по два однакових алелі, а в гетерозиготний - по одному аллели кожного типу. Таким чином, що б отримати частоту алелів кожного типу, потрібно до частоти індивідуумів, гомозиготних за даним аллели, додати половину частоти гетерозигот з цього алелей. Якщо частоти генотипів представити як: гомозиготних (АА) - D, (аа) - R, гетерозиготних (Аа) - H, то частоти алелей вважаються як:

p = D + 1/2 H

q = R + 1/2 H

Одна з причин, за якими генетичну мінливість популяцій часто краще описувати, використовуючи частоти алелей, а не генотипів, полягає в тому, що різних алелей зазвичай буває набагато менше, ніж генотипів. При двох алелі число можливих генотипів дорівнює трьом, при трьох алелі - шести, при чотирьох - десяти. У загальному випадку, якщо число різних алелей одного локусу одно k, то число можливих генотипів одно k (k + 1)/2.

У 40-ті - 50-х роках існувало два конкуруючих гіпотізи про генетичну структуру природних популяцій. Згідно з класичною моделлю, генетична мінливість популяції дуже мала, а відповідно до балансової - дуже велика.

За класичною гіпотізе переважна більшість локусів містить аллели так званого "дикого типу "з частотою, близькою до одиниці. Типова особина гомозиготних по аллели "дикого типу" або Гетерозиготні по мутантного аллели і аллели "дикого типу". Нормальний ( "ідеальний") генотип гомозиготи по алелі "дикого типу". Відповідно до балансової теорії, не існує якогось одного алелі "дикого типу", а присутній цілий ряд алелей з різними частотами, отже, популяцію становлять особи, гетерозиготні з цих алелей. Нормальний генотип відсутній.

Біологічна еволюція - це процес накопичення змін в організмі і збільшення їх різноманітності у часу. У своїй основі еволюційні зміни мають генетичний аспект, тобто відбувається зміна спадкової речовини, що, при взаємодії з середовищем, визначає всі ознаки організму. На генетичному рівні еволюція являє собою накопичення змін до генетичної структури популяцій.

Еволюцію можна розглядати як двуступенчатий процес. З одного боку. виникають мутації та рекомбінації -- процеси, що обумовлюють генетичну мінливість, з іншого боку, спостерігається дрейф генів і природний добір - процеси, за допомогою яких генетичні зміни передаються з покоління в покоління.

Еволюція можлива тільки в тому випадку, якщо існує спадкова мінливість. Єдиним постачальником нових генетичних варіантів служить мутаційний процес. Крім мутацій до процесам, що змінює частоти алелей в популяції, відносять природний добір, потік генів (тобто міграція їх) між популяціями і випадковий дрейф генів. Частоти генотипів (але не алелей!) Можуть змінюватися також в результаті ассортотівного, тобто невипадкового, формування шлюбних пар.

Тож опису для генетичної структури популяцій треба знати число алелей і генотипів. Нехай генотипи розрізняються фенотипно: АА, Аа, аа; їх частоти рівні відповідно: D, H, R. Нехай p - частота алелі А, q - Частота алелі а. У популяції, яка містить диплоїдних особин, частоти алелей будуть рівні:

p = D + 1/2 H

q = R + 1/2 H

Спадковість сама по собі не змінює частот генів. Цей принцип відомий під назвою закону Харді-Вайнберга, фундаментального закону популяційної генетики.

Основне затвердження закону полягає в тому, що у відсутності елементарних еволюційних процесів, а саме мутацій, міграцій, відбору та дрейфу генів, частоти генів залишаються незмінними з покоління в покоління. Цей закон стверджує також, що якщо схрещування випадково, то частоти генотипів пов'язані з частотами генів простими (квадратичних) співвідношеннями. Випадкове схрещування відбувається тоді, коли ймовірність формування шлюбної пари між особинами не залежить від їх генетичної конституції. Коли на вибір шлюбного партнера впливає генотип, говорять про ассортатівном схрещуванні. Із закону Харді-Вайнберга випливає наступний висновок: якщо частоти алелей у