Популяционная генетика популяция и генофонд. Для чего нужна популяционная генетика

Популяция является формой существования любого вида. Популяция - это совокупность особей одного вида, достаточно длительное время существующая на одной территории, внутри которой осуществляется панмиксия и которая отделена от других таких же совокупностей той или иной степенью изоляции.

Совокупность генотипов всех особей, составляющих данную популяцию, носит название генофонд.

Существует ли закономерность в распределении генов и генотипов внутри генофонда? Да. Она была сформулирована в 1908 году одновременно двумя учеными: английским математиком Харди и немецким врачом Вайнбергом и получила название закона Харди-Вайнберга . Этот закон полностью справедлив только для идеальных популяций, т.е. популяций, отвечающих следующим требованиям:

1) бесконечно большая численность;

2) внутри популяции осуществляется панмиксия (свободное скрещивание);

3) отсутствуют мутации по данному гену;

4) отсутствует приток и отток генов;

5) отсутствует отбор по анализируемому признаку (признак нейтральный!).

Природные популяции в большинстве своем приближаются к идеальным, поэтому данный закон находит применение.

Закон Харди-Вайнберга имеет математическое и словесное выражения, причем в двух формулировках:

Частоты встречаемости генов одной аллельной пары в популяции остаются постоянными из поколения в поколение.

p + q = 1 ,

где p – частота встречаемости доминантного аллеля (А ), q – частота встречаемости рецессивного аллеля (a ).

Частоты встречаемости генотипов в одной аллельной паре в популяции остаются постоянными из поколения в поколение, а их распределение соответствует коэффициентам разложения бинома Ньютона 2-й степени.

p 2 + 2 pq + q 2 = 1

Эту формулу следует выводить с помощью генетических рассуждений.

Допустим, что в генофонде популяции доминантный аллель А встречается с частотой р , а рецессивный аллель а с частотой q . Тогда в этой же популяции женские и мужские гаметы будут нести аллель А с частотой р , а аллель а с частотой q . При свободном скрещивании (панмиксии) происходит случайное слияние гамет и образуются самые разные их сочетания:

Запишем полученные генотипы в одну строку:

p 2 AA + 2 pqAa + q 2 aa = 1.

Теперь докажем на конкретном примере, что частоты встречаемости генов одной аллельной пары из поколения в поколение не меняются. Допустим, что в некой популяции в данном поколении pA = 0,8, qa = 0,2. Тогда в следующем поколении будет:

0,64 АА + 0,32 Аа + 0,04 аа = 1.

При этом частота встречаемости аллельных генов в гаметах остается без изменений:

А = 0,64+0,16 = 0,8; а = 0,04+0,16 = 0,2.

Закон Харди-Вайнберга применим и для множественных аллелей.

Так, для трех аллельных генов формулы будут следующие:

p + q + r = 1,

p 2 + 2pq + 2pr + 2 qr + q 2 + r 2 = 1.

Практическое значение закона Харди-Вайнберга состоит в том, что он позволяет рассчитать генетический состав популяции в данный момент и выявить тенденцию его изменения в будущем.

Применение этого закона на практике показало, что популяции отличаются друг от друга по частоте встречаемости генов. Так, по генам группы крови в системе АВ0 различия между русскими и англичанами были следующие.

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА Популяционная генетика это раздел генетики, который изучает генетическую структуру популяций, их генофонд, факторы и закономерности при смене поколений. Генетический анализ популяции начинается с изучения распространенности того или иного признака, интересующего исследователя, например, наследственные болезни. Далее, зная частоту признака, можно установить генетическую структуру и генофонд популяции по этому признаку. Структура популяции характеризуется частотой генотипов, контролирующих альтернативные вариации признака, а генофонд - частотой аллелей данного локуса. Частотой определенного генотипа в популяции - называют относительное количество особей, обладающих данным генотипом. Частоту можно выражать в процентах общего числа особей популяции, которое принимается за 100%. Однако, чаще в популяционной генетике общее число особей принимается за единицу - 1.

Разберем способы вычисления частоты генотипов на конкретном примере. По МN-системе групп крови каждая популяция состоит из трех генотипов: LMLM; LNLN; LMLN. Принадлежность к каждой группе, можно установить серологическими методами. Генотип LMLM проявляется наличием антигена М, генотип LNLN проявляется наличием антигена N, генотип LMLN наличием обоих антигенов. Предположим при определении MN-групп крови в популяции установлено, что из 4200 обследованных 1218 человек имеют только антиген М (генотип LMLM), 882 человека - только антиген N (генотип LNLN) и 2100 человек - оба антигена (генотип LMLN). Нужно определить частоту всех трех антигенов в популяции. Для решения задачи примем общее число обследованных (4200) за 100% и вычислим, какой процент составляют люди с генотипом LMLM. 1218/4200 x 100% = 29% Следовательно, частота генотипа LMLM равна 29%. Таким же путем можно вычислить частоту двух других генотипов. Для генотипа LNLN она равна 21%, а для генотипа LMLN - 50%. Выражая частоты генотипов в долях единицы, получим соответственно 0, 29, 0, 21, 0, 5.

В популяционной генетике применяются и иные способы выражения частоты, преимущественно для редко встречающихся генотипов. Предположим, что в родильных домах при обследовании на фенилкетонурию выявлено 7 больных из 69862 новорожденных. Болезнь обусловлена рецессивным геном f и больные гомозиготны по этому гену (ff). Определить частоту генотипа ff среди новорожденных. Запишем частоту обычным методом и получим: 7/69862=0, 0001. Этот способ записи показывает, что при данной частоте в популяции на 10 тыс. новорожденных приходится 1 больной ребенок.

ЗАКОН ХАРДИ-ВАЙНБЕРГА Основная закономерность, позволяющая исследовать генетическую структуру популяций, была установлена в 1908 г. независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Закон Харди-Вайнберга гласит, что при условии наследственной преемственности и при отсутствии мутационного давления и давления отбора устанавливается равновесие частот генотипов, которое сохраняется из поколения в поколение. С точки зрения популяционного генетического анализа важно то, что закон Харди-Вайнберга устанавливает математическую зависимость между частотами генов и генотипов. Эта зависимость основывается на математическом расчете. Если генофонд популяции обусловлен парой аллельных генов, например А и А/ и ген А встречается с частотой p, а ген А/ с частотой g, то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равенством: p. A + g. A/ = 1

Возведя обе части равенства в квадрат, получим (p. A + g. A/)=12 , после раскрытия скобок получим формулу, отражающую частоты генотипов: p 2 AA + 2 pg. AA/ + g 2 A/A/ =1 Единица стоящая в правой части равенств, показывает, что общее число особей популяции принято за 1, и частоты аллелей и генотипов выражены в долях единицы. При этом символы p и g в обоих равенствах выражают частоты генов А и А/ , а коэффициенты при генотипах в равенстве 2 - частоты генотипов. Следовательно, генотип АА встречается в рассматриваемой популяции с частотой p 2, генотип А/А/ - с частотой g 2, а гетерозиготы - с частотой 2 pg. Таким образом, зная частоту аллелей, можно установить частоту всех генотипов, и, наоборот, зная частоту генотипов - установить частоту аллелей.

Позволяют, например, вычислить частоту гетерозиготных носителей патологических аллелей даже в тех случаях, когда они фенотипически не отличаются от гомозигот. Аналогичным способом можно исследовать генетическую структуру популяции по АВО-системе групп крови. Перед тем как разобрать практическое применение этих формул, остановимся на условиях возникновения равновесия генотипов в популяциях.

К числу этих условий относят: 1. Наличие панмиксии, т. е. случайного подбора супружеских пар, без тенденции вступления в брак с партнерами, подобными или противоположными по генотипу. 2. Отсутствие притока аллелей, вызываемого мутационным давлением. 3. Отсутствие оттока аллелей, вызываемого отбором. 4. Равная плодовитость гетерозигот и гомозигот. 5. Поколения не должны перекрываться во времени. 6. Численность популяции должна быть достаточно большой. Известные генетики Ниль и Шелл отмечают, что, ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций.

Известные генетики Ниль и Шелл отмечают, что, ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчеты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что закон оказывается вполне пригодным для анализа генетической структуры популяций. Для медицинской генетики важно то, что этот закон можно использовать для анализа популяций и по патологическим генам, которые снижают жизнеспособность и плодовитость индивидов. Это связано с тем, что в человеческих популяциях отток патологических аллелей, вызываемый естественным отбором (с элиминицией особей со сниженной жизнеспособностью), уравновешивается притоком тех же аллелей в результате мутационного давления.

Закон Харди-Вайнберга объясняет тенденцию сохранения генетической структуры в сменяющихся поколениях популяции. Однако существует ряд факторов, нарушающие эту тенденцию. К их числу относят, во-первых, естественный отбор. Отбор - единственный эволюционный фактор, вызывающий направленное изменение генофонда путем удаления из популяции менее приспособленных особей или снижение их плодовитости. Вторым важным фактором, обеспечивающим приток аллелей в популяции, является мутационный процесс. Возникает вопрос. Как часто в естественных условиях возникают мутации в популяциях? Такие мутации называют спонтанными.

Важным фактором, влияющим на частоту аллелей в малочисленных популяциях, являются генетико-автоматические процессы - Дрейф генов. Случайным дрейфом генов (генетическим дрейфом) - называется изменение частот аллелей в ряду поколений, вызываемое случайными причинами, например малочисленностью популяции. В результате дрейфа генов некоторые адаптивные аллели могут быть удалены из популяции, а менее адаптивные и даже патологические в силу случайных причин достигнуть относительно высоких концентраций. Особенно интенсивно эти процессы протекают при неравномерном размножении. У правителя Персии 18 века Фехт -Алишаха было 66 сыновей, старших внуков 124, замужних дочерей 53, сыновей у них 135. К 80 годам жизни у него было 935 прямых потомков. В этих условиях любая мутация, не только полезная, но и вредная, должна была чрезвычайно размножиться среди аристократических семей Персии.

Если популяция не слишком мала, то обусловленные дрейфом генов изменения частот аллелей, происходящие за одно поколение, также малы, однако, накапливаясь в ряду поколений, они могут стать весьма значительными. В том случае, когда на частоты аллелей в данном локусе не оказывают влияния никакие другие процессы (мутации или отбор), эволюция приведет к тому, что один из аллелей будет фиксирован, а все альтернативные аллели элиминированы. Если в популяции происходит только дрейф генов, то вероятность того, что данный аллель будет в конце концов фиксирован, в точности равна его исходной частоте.

Предельный случай дрейфа генов представляет процесс возникновения новой популяции, состоящей всего из нескольких особей, такой процесс был назван Эрнстом Майром - Эффектом основателя. Популяции многих видов, обитающие на океанических островах, и насчитывают миллион особей, происходят от одной или нескольких особей, когда-то очень давно попавших туда в результате миграции. Аналогичная ситуация встречается в озерах, изолированных лесах. Вследствие ошибок выборки частоты генов в различных локусах у немногих особей, основывающих новую популяцию, могут сильно отличаться от частот генов в популяции, из которой они происходят, что может наложить сильный отпечаток на эволюцию вновь основанных популяций.

ЦИТОГЕНЕТИКА Цитогенетика - это раздел генетики, изучающий структурно-функциональную организацию генетического материала, на уровне клетки, главным образом хромосом. Для всестороннего понимания организации хромосом высших организмов (в том числе и человека) необходимы знания общих закономерностей упаковки ДНК во всех вариантах, предоставленных живой природой, - геномах вирусов, прокариот, митохондрий, протистов.

Хромосомы и кариотип Каждая клетка любого организма содержит определенный набор хромосом. Совокупность Кариотипом. хромосом клетки называется В кариотипе соматических клеток выделяются пары одинаковых (по структуре, форме и генному составу) хромосом - так называемые Гомологичные хромосомы (1 -я - материнская, 2 -я - отцовская). Набор хромосом, содержащий пары гомологов, называется Диплоидным (обозначается 2 n).

Половые клетки - Гаметы - содержат половину диплоидного набора, по одной хромосоме из каждой пары гомологов. Такой набор называется гаплоидным (обозначается 2 n). У человека в диплоидном наборе 46 хромосом, у шимпанзе - 48, у крысы - 42, у собаки - 78, у коровы - 60, у дрозофилы - 8, у тутового шелкопряда - 56, у картофеля - 48

Исследуется кариотип обычно на стадии метафазы митоза, когда каждая хромосома состоит из двух идентичных Хроматид и максимально спирализована. Соединяются хроматиды в области Центромеры (первичной перетяжки). В этой области располагается фибриллярное тельце - Кинетохор, к которому присоединяются нити веретена деления во время митоза. Концевые участки хромосом получили название Теломеры. Они препятствуют слипанию хромосом, т. е. ответственны за их «индивидуальность» .

Участок хроматиды между центромерой и теломерой называется плечом. Плечи имеют свои обозначения: короткое - р и длинное - q. В зависимости от расположения центромеры различают следующие морфологические типы хромосом: метацентрические (р = q), субметацентрические (q>р), акроцентрические (одноплечие - q).

Некоторые хромосомы кариотипа имеют вторичную перетяжку, где обычно располагается ядрышковый организатор - область формирования ядрышка. В ядрышке происходит синтез р-РНК и образование субъединиц рибосом. В ядрах разных организмов имеется от 1 до 10 ядрышек, у некоторых их нет совсем.

Для цитогенетического анализа все хромосомы, входящие в кариотип, должны быть идентифицированы. Основной метод идентификации хромосом на цитологических препаратах - это различные способы дифференциальной окраски (Q-, G-, R-, С- и др.), которые основаны на применении определенных красителей, специфически связывающихся с участками ДНК разного строения.

Методы дифференциальной окраски были разработаны в конце 1960 -х - начале 1970 -х годов, они открыли новую страницу в цитогенетике. Каждая дифференциально окрашенная хромосома имеет свой специфический рисунок исчерченности, что позволяет ее идентифицировать. Кариотип можно представить в виде схемы, в которой хромосомы располагают в определенном порядке (обычно по группам, объединяющим хромосомы одного морфологического типа), под определенными номерами. Такая схема называется идиограммой. Гомологичные хромосомы имеют одинаковый номер, но изображается на схеме только одна из них.

Термин геном (нем. Genom) предложил немецкий ботаник Ганс Винклер в 1920 г. для обозначения минимального набора хромосом. Поэтому в настоящее время в молекулярной генетике термином геном все чаще обозначают минимальную упорядоченную всех молекул ДНК в клетке. совокупность

Рассмотрим организацию генома человека на цитогенетическом уровне. Число хромосом в гаплоидном наборе (основное число) равно 23. Все хромосомы пронумерованы и распределены по классам.

Все хромосомы пронумерованы распределены по классам. и Из них к классу А относятся хромосомы 1, 2, 3; к классу В – хромосомы 4, 5; к классу С – хромосомы 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12; к классу D – хромосомы 13, 14, 15; к классу Е – хромосомы 16, 17, 18; к классу F – хромосомы 19, 20; к классу G – хромосомы 21, 22. Перечисленные хромосомы называются аутосомы, они имеются и у мужчин, и у женщин.

Структура хромосом Каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, связанную с белками-гистонами и негистоновыми белками. В настоящее время принята нуклеосомная модель организации хроматина эукариот. Согласно этой модели белки-гистоны (они практически одинаковы у всех эукариот) формируют особые глобулы, по 8 молекул в каждой глобуле (по 2 молекулы гистонов Н 2 а, Н 2 б, ИЗ, Н 4). Нить ДНК делает по 2 витка вокруг каждой глобулы. Структура, состоящая из гистонового октамера, обвитого участком ДНК (размером 140- 160 п. н.), называется нуклеосомой. Такая укладка ДНК сокращает ее длину в 7 раз. Нуклеосомная модель получила название «бусинки на нитке» . Положительно заряженные гистоны и отрицательно заряженная ДНК образуют надежный ДНК-

Участок ДНК между нуклеосомами имеет гистон HI. Он играет важную роль в спирализации нуклеосомной нити и образовании второго уровня организации хромосом - винтообразной структуры соленоида. Последующая многоступенчатая укладка ДНК-гистоновой нити определяет компактную упаковку генетического материала в хромосоме, так называемый процесс компактизации хроматина. Всего выделяют 4- 5 уровней упаковки, начиная с нуклеосомного. Степень компактизации хроматина различается в разных участках хромосом и зависит от периода клеточного цикла. Определенную роль в этом процессе разнообразные негистоновые белки. играют Благодаря процессу компактизации очень длинные молекулы ДНК упакованы в клетке в небольшом объеме.

Различают 2 типа хроматина: эухроматин (упакован менее плотно) и гетерохроматин (упакован более плотно). В свою очередь, гетерохроматин разделяют на два класса: структурный (или конститутивный) гетерохроматин (постоянно выявляемые участки) и факультативный гетерохроматин (участки обратимой компактизации эухроматиновых районов). Структурный гетерохроматин локализован в прицентромерных областях и некоторых других районах хромосом, он хорошо выявляется Сокраской. В интерфазе участки структурного гетерохроматина часто агрегируют друг с другом

Считается, что гетерохроматин генетически неактивен в связи с высокой степенью конденсации, а эухроматин - активен. Но, с другой стороны, только незначительная часть генов эухроматина активна, т. е. нахождение в эухроматине является недостаточным условием для экспрессии генов. Еще больше вопросов возникает при изучении функционирования гетерохроматина.

Гигантские хромосомы В природе наблюдаются случаи нетипичной структуры хромосом. Поскольку такие нетипичные хромосомы имеют крупные размеры, они служат удобной моделью для изучения генома. Хромосомы типа «ламповых щеток» представляют собой растянутый и раскрученный вариант обычных хромосом ооцитов во время длительного мейоза. Лучше всего они изучены у амфибий, в связи с их особо крупными размерами. Длина таких хромосом в 30 раз превышает их длину в обычном состоянии. Хромосомы типа «ламповых щеток» получили свое название из-за наличия петель. Петли - это участки хромосомной нити, выступающие из более компактного материала и являющиеся местом активной транскрипции. В конце мейоза хромосомы типа «ламповых щеток» возвращаются к обычному состоянию.

Политенные хромосомы образуются в некоторых клетках в результате максимальной деспирализации и многократной репликации без последующего расхождения хромосом. Такое явление называется эндомитозом. Перед эндомитозом гомологичные хромосомы соединяются попарно - конъюгируют. Такая конъюгация не характерна для других соматических клеток. Все политенные хромосомы кариотипа объединяются центромерами в общий хромоцентр. Лучше всего политенные хромосомы изучены у двукрылых насекомых (в том числе у классического объекта - дрозофилы), хотя встречаются и у некоторых других организмов. Поскольку политенные хромосомы содержат более 1000 нитей, они в 1000 раз толще обычных хромосом и у них хорошо видны участки более плотной спирализации - диски.

Молекулярные механизмы и биологическая роль репарации ДНК Устойчивость живых организмов к различным повреждающим агентам физической, химической и биологической природы, определяется их способностью к восстановлению поврежденных структур. Особая роль принадлежит процессу репарации ДНК на молекулярном уровне, приводящей к восстановлению нормальной структуры нуклеиновых кислот, измененных при взаимодействии с этими агентами. Так возникли восстановительные системы, направленные на исправление повреждений в молекуле ДНК. В настоящее время выделяют пострепликативную репарацию. дорепликативную и Дорепликативная репарация: фотореактивация, эксцизионная или темновая репарация.

Фоторективация Явление фотореактивации было открыто в 1949 г Келнером. Фотореактивация относится к одноэтапным процессам и осуществляется с помошью фотореактивирующего фермента (ФРФ) - фотолиазы. Сущность этого явления состоит в том, что видимый свет с длиной волны 300 -400 нм возбуждает фотореактивирующий фермент, который расщепляет пиримидиновые димеры. Этот механизм обладает свойством устранения только одного вида повреждений (тиминовых димеров), осуществляется одним ферментом, в одну стадию. В темноте фермент (фотолиаза) присоединяется к димеру и под действием видимого света расщепляет димер с образованием исходных неповрежденных оснований, а фотолиаза высвобождается. В 1971 г. ФРФ был обнаружен у всех типов живых организмов. Фотореактивация выявлена в лейкоцитах и фибробластах человека.

Возвращаясь к механизму действия ФРФ, следует отметить, что связывание фермента с содержащей димеры ДНК обратимо, и если этот комплекс не подвергается действию фотореактивирующего света, то происходит его диссоциация и ДНК которая несет измененные фрагменты, может стать субстратом для действия ферментов темновой репарации. Биологическая роль фотореактивации состоит в защите ДНК клеток от инактивирующего действия УФ-излучения.

Эксцизионная репарация (темновая репарация, внеплановый синтез ДНК). Наиболее общим способом исправления структурных повреждений ДНК, вызванных химическими мутагенами, воздействиями УФ и ионизирующего излучения, является эксцизионная репарация. Механизм эксцизионной репарации был обнаружен в 1964 г в клетках микроорганизмов облученных УФ светом. Характерной особенностью была эксцизия пиримидиновых димеров из УФ-облученной ДНК. (вырезание) Позднее оказалось, что этот механизм не ограничивается устранением УФ-повреждений в ДНК, а имеет универсальное значение системы элиминирующей любые химические повреждения первичной структуры ДНК. Другой особенностью эксцизионной репарации является отсутствие потребности в энергии видимого или ближнего УФ света.

Эксцизионная репарация относится к многоэтапным процессам, происходит в 4 стадии с помощью мультиферментной системы и устраняет димеры, пиримидиновые основания, продукты радиолиза. Первая стадия цикла - инцизия (надрезание). Это ферментативный процесс, заключается в разрыве эндонуклеазами цепи ДНК рядом с повреждением. Считают, что этой стадии предшествует стадия распознавания дефекта в ДНК. Вторая стадия - эксцизия, в ходе которой происходит выщепление димера и стоящих рядом нуклеотидов. Участвует фермент экзонуклеаза. Эксцизия начинается экзонуклеазной атакой поврежденной ДНК. При этом отщепляется пиримидиновый димер и происходит дальнейшее последовательное отщепление стоящих рядом нуклеотидов. Другой конец разрыва содержащий на 3 конце фосфатную группу, не может служить затравкой для экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы-1, т. к. активность фермента, присоединившегося к такому концу ингибируется, поэтому отщепление фосфата с 3 конца вместе с нуклеотидом, происходит под действием фермента типа экзонуклеазы-3.

В результате образуется 5 -Р-конец, являющийся необходимым для завершения стадии репарации - ДНК-полимеразной реакции (репаративного синтеза). В качестве матрицы для репаративного синтеза ДНК используется комплементарная неповрежденная нить ДНК, обеспечивающая точное воспроизведение первичной структуры ДНК, cуществовавшей до воздействия повреждающего агента. стадия эксцизионной репарации - репаративный синтез, при котором образовавшиеся бреши застраиваются короткими участками с помощью ДНК-полимеразы. Третья Четвертая стадия репарации - сшивание 5 фосфатного и 3 ОН концов репарированной ДНК, участвует фермент лигаза. При действии радиации, когда происходит прямой разрыв нитей ДНК лигаза может действовать как самостоятельный репаративный фермент, осуществляя “сверхбыструю” репарацию.

Таким образом, и фотореактивация и эксцизионная репарация протекают до того, как поврежденные клетки вступят в фазу синтеза ДНК. В отличие от них постреликативная репарация начинается после того, как клетка приступает к репликации. При этом синтез ДНК идет в обход повреждения но против них в дочерних нитях образуются бреши, которые заделываются затем либо путем рекомбинации, либо синтезом ДНК de novo. Последние может быть двоякого рода - синтезами, аналогичными нормальной репликации, при которых азотистые основания включаются в ДНК в полном соответствии с правилами комплементарности (безошибочный путь репарации), либо безматричный синтез, когда основания вставляются наугад. Это склонный к ошибкам путь восстановления.

Все три вида репарации широко распространены в природе. Они обнаружены у представителей разных групп. У разных групп организмов тот или иной путь репарации может быть более или менее активным или даже отсутствовать полностью, но тогда это компенсируется активностью других репарирующих систем. Совместным действием различных восстановительных систем устраняются многие повреждения ДНК. Их разнообразие дает основание предполагать, что репарации могут подвергаться любые стабильные изменения структуры нуклеиновых кислот.

Репарационные последствия при некоторых наследственных болезнях человека. В настоящее время ряд наследственных заболеваний человека изучаются в связи с репарационными процессами. Пять из них - заболевания аутосомно-рецессивного типа, разные по клинической картине, но их общей чертой является нестабильность хромосом, иммунологическая недостаточность и повышенный риск заболевания раком. Пигментная ксеродерма. Это клиническое название объединяет группу болезней, при котором наблюдается повышенная чувствительность кожи к солнечному свету. Клинически это проявляется в покраснении кожи, пигментации, появления злокачественных новообразований. Характерны также признаки старения кожи. С кожными нарушениями могут быть связаны и неврологические аномалии.

Пигментная ксеродерма - первое заболевание человека, для которой была показана связь с состоянием репарационных процессов. Фибробласты кожи больных ПК оказались более чувствительны к УФ-облучению, чем фибробласты здоровых доноров. Это связано с тем, что они обладают пониженной способностью выщеплять димеры тимина после УФ-облучения. Поскольку в ДНК фибробластов больных ПК после облучения не образуются одиночные разрывы, характерные для первого шага эксцизионной репарации, был сделан вывод, что при этом заболевании имеет место мутация в гене, кодирующем синтез УФ-специфичной эндонуклеазы. Добавление этого фермента в среду полностью восстанавливало репаративную способность. В дальнейшем были обнаружены формы заболевания, при которых нарушены и другие ферменты эксцизионного пути и клетки больных оказались чувствительны и к УФ и к ионизирующей радиации.

Панцитопения или анемия Фанкони. Это заболевание характеризуется гематологическими аномалиями. Поражены все ростки костного мозга. Наблюдается лейкопения, тромбоцитопения, анемия, интенсивная коричневая пигментация кожи, дефекты развития скелета, сердца, почек, гонад. Первичным молекулярным дефектом при АФ является нарушение синтеза экзонуклеазы - фермента завершающего вырезание поврежденного участка ДНК. Первоначально, это было показано на УФ-облученных фибробластах больных. В клетках больных АФ вырезание сшивок нарушено из-за отсутствия экзонуклеазы. В клетках отмечена преждевременная конденсация хроматина при вхождении в митоз, появляются хромосомные аберрации. Изучение хромосомных аберраций в лимфоцитах показало, что подвержены оба типа клеток (Т и В лимфоциты). Полагают, что и те и другие лимфоциты могут быть вовлечены в развитие лейкоза при АФ.

Значение ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПОПУЛЯЦИОННОЙ ГЕНЕТИКИ в Словаре Кольера

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПОПУЛЯЦИОННОЙ ГЕНЕТИКИ

К статье ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА

Частоты генотипов и аллелей. Важнейшим понятием популяционной генетики является частота генотипа - доля особей в популяции, имеющих данный генотип. Рассмотрим аутосомный ген, имеющий k аллелей, A1, A2, ..., Ak. Пусть популяция состоит из N особей, часть которых имеет аллели Ai Aj. Обозначим число этих особей Nij. Тогда частота этого генотипа (Pij) определяется как Pij = Nij/N. Пусть, например, ген имеет три аллеля: A1, A2 и A3 - и пусть популяция состоит из 10000 особей, среди которых имеются 500, 1000 и 2000 гомозигот A1A1, A2A2 и A3A3, а гетерозигот A1A2, A1A3 и A2A3 - 1000, 2500 и 3000 соответственно. Тогда частота гомозигот A1A1 равна P11 = 500/10000 = 0,05, или 5%. Таким образом мы получаем следующие наблюдаемые частоты гомо- и гетерозигот:

P11 = 0,05, P22 = 0,10, P33 = 0,20,

P12 = 0,10, P13 = 0,25, P23 = 0,30.

Еще одним важным понятием популяционной генетики является частота аллеля - его доля среди имеющих аллелей. Обозначим частоту аллеля Ai как pi. Поскольку у гетерозиготной особи аллели разные, частота аллеля равна сумме частоты гомозиготных и половине частот гетерозиготных по этому аллелю особей. Это выражается следующей формулой: pi = Pii + 0,5??jPij. В приведенном примере частота первого аллеля равна p1 = P11 + 0,5?(P12 + P13) = 0,225. Соответственно, p2 = 0,300, p3 = 0,475.

Соотношения Харди - Вайнберга. При исследовании генетической динамики популяций, в качестве теоретической, "нулевой" точки отсчета принимают популяцию со случайным скрещиванием, имеющую бесконечную численность и изолированную от притока мигрантов; полагают также, что темпы мутирования генов пренебрежимо малы и отбор отсутствует. Математически доказывается, что в такой популяции частоты аллелей аутосомного гена одинаковы для самок и самцов и не меняются из поколения в поколение, а частоты гомо- и гетерозигот выражаются через частоты аллелей следующим образом:

Pii = pi2, Pij = 2pi pj.

Это называется соотношениями, или законом, Харди - Вайнберга - по имени английского математика Г.Харди и немецкого медика и статистика В.Вайнберга, одновременно и независимо открывших их: первый - теоретически, второй - из данных по наследованию признаков у человека.

Реальные популяции могут значительно отличаться от идеальной, описываемой уравнениями Харди - Вайнберга. Поэтому наблюдаемые частоты генотипов отклоняются от теоретических величин, вычисляемых по соотношениям Харди - Вайнберга. Так, в рассмотренном выше примере теоретические частоты генотипов отличаются от наблюдаемых и составляют

P11 = 0,0506, P22 = 0,0900, P33 = 0,2256,

P12 = 0,1350, P13 = 0,2138, P23 = 0,2850.

Подобные отклонения можно частично объяснить т.н. ошибкой выборки; ведь в действительности в эксперименте изучают не всю популяцию, а лишь отдельных особей, т.е. выборку. Но главная причина отклонения частот генотипов - несомненно, те процессы, что протекают в популяциях и влияют на их генетическую структуру. Опишем их последовательно.

ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Дрейф генов. Под дрейфом генов понимают случайные изменения генных частот, вызванные конечной численностью популяции. Чтобы понять, как возникает генный дрейф, рассмотрим вначале популяцию минимально возможной численности N = 2: один самец и одна самка. Пусть в исходном поколении самка имеет генотип A1A2, а самец - A3A4. Таким образом, в начальном (нулевом) поколении частоты аллелей A1, A2, A3 и A4 равны 0,25 каждая. Особи следующего поколения могут равновероятно иметь один из следующих генотипов: A1A3, A1A4, A2A3 и A2A4. Допустим, что самка будет иметь генотип A1A3, а самец - A2A3. Тогда в первом поколении аллель A4 теряется, аллели A1 и A2 сохраняют те же частоты, что и в исходном поколении - 0,25 и 0,25, а аллель A3 увеличивает частоту до 0,5. Во втором поколении самка и самец тоже могут иметь любые комбинации родительских аллелей, например A1A2 и A1A2. В этом случае окажется, что аллель A3, несмотря на большую частоту, исчез из популяции, а аллели A1 и A2 увеличили свою частоту (p1 = 0,5, p2 = 0,5). Колебания их частот в конце концов приведут к тому, что в популяции останется либо аллель A1, либо аллель A2; иными словами и самец и самка будут гомозиготны по одному и тому же аллелю: A1 или A2. Ситуация могла сложиться и так, что в популяции остался бы аллель A3 или A4, но в рассмотренном случае этого не произошло.

Описанный нами процесс дрейфа генов имеет место в любой популяции конечной численности, с той лишь разницей, что события развиваются с гораздо меньшей скоростью, чем при численности в две особи. Генный дрейф имеет два важных последствия. Во-первых, каждая популяция теряет генетическую изменчивость со скоростью, обратно пропорциональной ее численности. Со временем какие-то аллели становятся редкими, а затем и вовсе исчезают. В конце концов, в популяции остается один-единственный аллель из имевшихся, какой именно - это дело случая. Во-вторых, если популяция разделяется на две или большее число новых независимых популяций, то дрейф генов ведет к нарастанию различий между ними: в одних популяциях остаются одни аллели, а в других - другие. Процессы, которые противодействуют потере изменчивости и генетическому расхождению популяций, - это мутации и миграции.

Мутации. При образовании гамет происходят случайные события - мутации, когда родительский аллель, скажем A1, превращается в другой аллель (A2, A3 или любой иной), имевшийся или не имевшийся ранее в популяции. Например, если бы в нуклеотидной последовательности "...TЦT ТГГ...", кодирующей участок полипептидной цепи "...серин-триптофан...", третий нуклеотид, Т, в результате мутации передался ребенку как Ц, то в соответствующем участке аминокислотной цепи белка, синтезирующегося в организме ребенка, вместо серина был бы расположен аланин, поскольку его кодирует триплет TЦЦ (см. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ). Регулярно возникающие мутации и образовали в длинном ряду поколений всех обитающих на Земле видов то гигантское генетическое разнообразие, которое мы сейчас наблюдаем.

Вероятность, с которой происходит мутация, называется частотой, или темпом, мутирования. Темпы мутирования разных генов варьируют от 10-4 до 10-7 на поколение. На первый взгляд, эти величины кажутся незначительными. Однако следует учесть, что, во-первых, геном содержит много генов, а, во-вторых, что популяция может иметь значительную численность. Поэтому часть гамет всегда несет мутантные аллели, и практически в каждом поколении появляется одна или больше особей с мутациями. Их судьба зависит от того, насколько сильно эти мутации влияют на приспособленность и плодовитость. Мутационный процесс ведет к увеличению генетической изменчивости популяций, противодействуя эффекту дрейфа генов.

Миграции. Популяции одного вида не изолированы друг от друга: всегда есть обмен особями - миграции. Мигрирующие особи, оставляя потомство, передают следующим поколениям аллели, которых в этой популяции могло вовсе не быть или они были редки; так формируется поток генов из одной популяции в другую. Миграции, как и мутации, ведут к увеличению генетического разнообразия. Кроме того, поток генов, связывающий популяции, приводит к их генетическому сходству.

Системы скрещивания. В популяционной генетике скрещивание называют случайным, если генотипы особей не влияют на образование брачных пар. Например, по группам крови скрещивание может рассматриваться как случайное. Однако окраска, размеры, поведение могут сильно влиять на выбор полового партнера. Если предпочтение оказывается особям сходного фенотипа (т.е. со сходными индивидуальными характеристиками), то такое положительное ассортативное скрещивание ведет к увеличению в популяции доли особей с родительским генотипом. Если при подборе брачной пары предпочтение имеют особи противоположного фенотипа (отрицательное ассортативное скрещивание), то в генотипе потомства будут представлены новые сочетания аллелей; соответственно в популяции появятся особи либо промежуточного фенотипа, либо фенотипа, резко отличающегося от фенотипа родителей.

Во многих регионах мира высока частота близкородственных браков (например, между двоюродными и троюродными родственниками). Образование брачных пар на основе родства называют инбридингом. Инбридинг увеличивает долю гомозиготных особей в популяции, поскольку в этом случае высока вероятность того, что родители имеют сходные аллели. С повышением числа гомозигот возрастает и количество больных рецессивными наследственными болезнями. Но инбридинг способствует также большей концентрации определенных генов, что может обеспечить лучшую адаптацию данной популяции.

Отбор. Различия в плодовитости, выживаемости, половой активности и т.п. приводят к тому, что одни особи оставляют больше половозрелых потомков, чем другие - с иным набором генов. Различный вклад особей с разными генотипами в воспроизводство популяции называют отбором.

Изменения нуклеотидов могут влиять, а могут и не влиять на продукт гена - полипептидную цепь и образуемый ею белок. Например, аминокислота серин кодируется шестью разными триплетами - ТЦА, ТЦГ, ТЦТ, TЦЦ, АГТ и АГЦ. Поэтому мутация может превратить один из этих триплетов в другой, но при этом не изменить самой аминокислоты. Напротив, аминокислота триптофан кодируется только одним триплетом - ТГГ, и потому любая мутация заменит триптофан на другую аминокислоту, например на аргинин (ЦГГ) или серин (ТЦГ), или даже приведет к обрыву синтезируемой полипептидной цепи, если в результате мутации появится т.н. стоп-кодон (ТГА или ТАГ). Различия между вариантами (или формами) белка могут быть незаметны для организма, но могут и существенно влиять на его жизнедеятельность. Например, известно, что когда в 6-й позиции бета-цепи гемоглобина человека вместо глутаминовой кислоты стоит другая аминокислота, а именно валин, это приводит к тяжелой патологии - серповидноклеточной анемии. Изменения в других участках молекулы гемоглобина приводят к иным формам патологии, называемым гемоглобинопатиями.

Еще большие различия в приспособленности наблюдаются по генам, определяющим размеры, физиологические признаки и поведение особей; таких генов может быть много. Отбор, как правило, затрагивает их все и может вести к формированию ассоциаций аллелей разных генов.

Генетические параметры популяции. При описании популяций или их сравнении между собой используют целый ряд генетических характеристик.

Полиморфизм. Популяция называется полиморфной по данному локусу, если в ней встречается два или большее число аллелей. Если локус представлен единственным аллелем, говорят о мономорфизме. Исследуя много локусов, можно определить среди них долю полиморфных, т.е. оценить степень полиморфизма, которая является показателем генетического разнообразия популяции.

Гетерозиготность. Важной генетической характеристикой популяции является гетерозиготность - частота гетерозиготных особей в популяции. Она отражает также генетическое разнообразие.

Коэффициент инбридинга. С помощью этого коэффициента оценивают распространенность близкородственных скрещиваний в популяции.

Ассоциация генов. Частоты аллелей разных генов могут зависеть друг от друга, что характеризуется коэффициентами ассоциации.

Генетические расстояния. Разные популяции отличаются друг от друга по частоте аллелей. Для количественной оценки этих различий предложены показатели, называемые генетическими расстояниями.

Различные популяционно-генетические процессы по-разному влияют на эти параметры: инбридинг приводит к уменьшению доли гетерозиготных особей; мутации и миграции увеличивают, а дрейф уменьшает генетическое разнообразие популяций; отбор изменяет частоты генов и генотипов; генный дрейф увеличивает, а миграции уменьшают генетические расстояния и т.д. Зная эти закономерности, можно количественно исследовать генетическую структуру популяций и прогнозировать ее возможные изменения. Этому способствует солидная теоретическая база популяционной генетики - популяционно-генетические процессы математически формализованы и описаны уравнениями динамики. Для проверки различных гипотез о генетических процессах в популяциях разработаны статистические модели и критерии.

Прилагая эти подходы и методы к исследованию популяций человека, животных, растений и микроорганизмов, можно решить многие проблемы эволюции, экологии, медицины, селекции и др. Рассмотрим несколько примеров, демонстрирующих связь популяционной генетики с другими науками.

Кольер. Словарь Кольера. 2012

Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПОПУЛЯЦИОННОЙ ГЕНЕТИКИ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:

• ГЕНЕТИКА
  (от греч. genesis - происхождение) - наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Важнейшая задача Г. - разработка методов управления …
• ГЕНЕТИКА в Словаре Кольера:
  наука, изучающая наследственность и изменчивость - свойства, присущие всем живым организмам. Бесконечное разнообразие видов растений, животных и микроорганизмов поддерживается тем, …
• ГЕНЕТИКА в Большом энциклопедическом словаре:
  (от греч. genesis - происхождение) наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В зависимости от объекта …
• ОСНОВНЫЕ
  ФУНКЦИИ ТАМОЖЕННЫХ ОРГАНОВ РФ - 1) участие в разработке таможенной политики РФ и реализация этой политики; 2) обеспечение соблюдения законодательства, …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ФОНДЫ - денежное выражение совокупности средств труда, функционирующих в рамках производственно-хозяйственной организации без изменения материальной формы и переносящих свою стоимость …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ФАКТОРЫ ПРОИЗВОДСТВА - см ПЕРВИЧНЫЕ ФАКТОРЫ ПРОИЗВОДСТВА …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ГОСУДАРСТВА И ПРАВА - 1. Теологическая (божественная) теория происхождения государства и права - наиболее ранняя теория, возникшая из …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  СЧЕТА - счета бухгалтерского учета, в которых учитываются хозяйственные средства предприятия и их …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  СТАТЬИ БАЛАНСА - главные показатели балансового отчета предприятия, банка: уровень ликвидности, соотношение объема валовой прибыли и величины оборота, чистой и …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  СРЕДСТВА ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ - см. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  СРЕДСТВА НЕПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ - см. НЕПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  СРЕДСТВА - средства труда производственного и непроизводственного назначения. Характерной особенностью О. с. является участие в процессе производства длительное время, в …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ПРИНЦИПЫ МЕЖДУНАРОДНОГО ПРАВА - концентрированно выраженные и обобщенные общепризнанные нормы поведения субъектов международных отношений по поводу наиболее важных вопросов международной …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ПРИЗНАКИ ГОСУДАРСТВА - общие признаки и отличительные черты государства, характеризующие его как специфическую организацию общества. К ним относятся: 1) территория. …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ПРАВА И ОБЯЗАННОСТИ ГОСУДАРСТВ - права и обязанности, без которых государства не могут нормально существовать в качестве субъектов международного права. …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ДОКУМЕНТЫ РЕГИСТРАТОРА - основные документы, используемые при ведении реестра: анкета зарегистрированного лица; передаточное распоряжение; залоговое распоряжение; выписка из реестра; журнал …
• ОСНОВНЫЕ в Словаре экономических терминов:
  ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЗАКОНЫ РОССИЙСКОЙ ИМПЕРИИ - свод законоположений, касавшихся общих начал государственного строя России. Впервые кодифицированы под руководством М.М, Сперанского в …
• ГЕНЕТИКА в Энциклопедии Биология:
  , наука о наследственности и изменчивости живых организмов. Так как эти свойства присущи всем без исключения организмам, они представляют важнейшие …
• ГЕНЕТИКА в Лексиконе секса:
  (от генезис), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления …
• ГЕНЕТИКА в Медицинской популярной энциклопедии:
  - наука о закономерностях наследственности и изменчивости …
• ГЕНЕТИКА в Медицинских терминах:
  (греч. genetikos относящийся к рождению, происхождению) наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости …
• ГЕНЕТИКА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
  научный журнал АН СССР. Издается в Москве с 1965. В журнале помещаются статьи, обзоры, сообщения по вопросам молекулярной, химической и …
• ГЕНЕТИКА в Современном энциклопедическом словаре:
  
• ГЕНЕТИКА
  (от греческого genesis - происхождение), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В зависимости от объекта …
• ГЕНЕТИКА в Энциклопедическом словарике:
  , и, мн. нет, ж. Наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Генетик - специалист по генетике. Генетический - относящийся …
• ГЕНЕТИКА в Энциклопедическом словаре:
  [нэ], -и, ж. Наука о законах наследственности и изменчивости организмов. II прил. генетический, -ая, …
• ОСНОВНЫЕ
  ОСНОВН́ЫЕ ЦВЕТА, три цвета, смешением к-рых в разных пропорциях можно получить любой цвет. Число возможных систем О.ц. бесконечно. Часто О.ц. …
• ОСНОВНЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОСНОВН́ЫЕ МАТЕРИАЛЫ, сырьё или материалы, составляющие гл. материальное содержание производимого продукта. В планировании и учёте издержек произ-ва О.м. выделяются в …
• ОСНОВНЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОСНОВН́ЫЕ КРАСИТЕЛИ, соли органич. оснований, диссоциирующие в воде с образованием окрашенного катиона и бесцв. аниона. По хим. строению гл. обр. …
• ОСНОВНЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОСНОВН́ЫЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЗАКОНЫ Рос. империи, свод законоположений, касавшихся общих начал гос. строя России. Впервые кодифицированы под рук. М.М. Сперанского в …
• ОСНОВНЫЕ в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ОСНОВН́ЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, магматич. горн. породы, относительно бедные кремнезёмом (44-53% SiO 2) и богатые магнием и кальцием (габбро, базальты …
• ГЕНЕТИКА в Большом российском энциклопедическом словаре:
  "ГЕН́ЕТИКА", ежемес. науч. журнал РАН, с 1965, Москва. Учредители (1998) - Отделение общей биологии, Отделение биохимии, биофизики и химии физиологически …
• ГЕНЕТИКА в Большом российском энциклопедическом словаре:
  ГЕН́ЕТИКА (от греч. genesis - происхождение), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В зависимости от …
• ГЕНЕТИКА в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
  гене"тика, гене"тики, гене"тики, гене"тик, гене"тике, гене"тикам, гене"тику, гене"тики, гене"тикой, гене"тикою, гене"тиками, гене"тике, …
• ГЕНЕТИКА в Популярном толково-энциклопедическом словаре русского языка:
  [н"э], -и, только ед. , ж. Наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Молекулярная генетика. Генетика популяций. Разрабатывать теорию и …

В своих трудах Дарвин пришел к выводу о существовании у растений и животных наследственной изменчивости, как при искусственном разведении, так и в природных популяциях. Он понимал, что наследственные изменения должны играть важную роль в эволюции, но не мог предложить механизм, который объяснял бы их возникновение при сохранении дискретности признаков. Лишь после того, как были вторично открыты работы Менделя о наследственности и оценено их значение для эволюционной теории, появилась возможность разрешить многие из этих проблем. Современное объяснение изменчивости живых организмов – это результат синтеза эволюционной теории, основанной на наработках Дарвина и Уоллеса, и теории наследственности, основанной на законах Менделя. Сущность изменчивости, наследственности и эволюции можно теперь объяснить с помощью данных, полученных в одной из областей биологии, известной под названием популяционной генетики.

1. Популяционная генетика

Популяция – это группа организмов, принадлежащих к одному и тому же виду и занимающих обычно четко ограниченную географическую область. Дарвина интересовало, каким образом естественный отбор, действуя на уровне отдельного организма, вызывает эволюционные изменения. После вторичного открытия работ Менделя, доказавших корпускулярную природу наследственности, большое внимание при изучении изменчивости, наследственности и эволюционных изменений стали уделять генотипу. Бэтсон, который в 1905 г. ввел термин «генетика», видел задачу этой науки в «освещении явлений наследственности и изменчивости».

Основу современной эволюционной теории, которую называют неодарвинизмом или синтетической теорией эволюции составляет изучение популяционной генетики. Гены, действуя независимо или совместно с факторами среды, определяют фенотипические признаки организмов и обуславливают изменчивость в популяциях. Фенотипы, приспособленные к условиям данной среды или «экологическим рамкам», сохраняются отбором, тогда как неадаптивные фенотипы подавляются и в конце концов элиминируются. Естественный отбор, влияя на выживание отдельных особей с данным фенотипом, тем самым определяет судьбу их генотипа, однако лишь общая генетическая реакция всей популяции определяет выживание данного вида, а также образование новых видов. Только те организмы, которые, прежде чем погибнуть, успешно произвели потомство, вносят вклад в будущее своего вида. Для истории данного вида судьба отдельного организма не имеет существенного значения.

1.1 Генофонд

Генофонд слагается из всего разнообразия генов и аллелей, имеющихся в популяции, размножающейся половым путем; в каждой данной популяции состав генофонда из поколения в поколение может постоянно изменяться. Новые сочетания генов образуют уникальные генотипы, которые в своем физическом выражении, т.е. в форме фенотипов, подвергаются давлению факторов среды, производящим непрерывный отбор и определяющим, какие гены будут переданы следующему поколению.

Популяция, генофонд которой непрерывно изменяется из поколения в поколение, претерпевает эволюционное изменение. Статичный генофонд отражает отсутствие генетической изменчивости среди особей данного вида и отсутствие эволюционного изменения.

1.2 Частоты аллелей

Любой физический признак, например окраска шерсти у мышей, определяется одним или несколькими генами. Каждый ген может существовать в нескольких различных формах, которые называются аллелями (см. Приложение А). Число организмов в данной популяции, несущих определенный аллель, определяет частоту данного аллеля (которую иногда называют частотой гена, что менее точно). Например, у человека частота доминантного аллеля, определяющего нормальную пигментацию кожи, волос и глаз, равна 99%. Рецессивный аллель, детерминирующий отсутствие пигментации – так называемый альбинизм, - встречается с частотой 1%. В популяционной генетике частоту аллелей или генов часто выражают не в процентах или в простых дробях, а в десятичных дробях. Таким образом, в данном случае частота доминантного аллеля равна 0.99, а частота рецессивного аллеля альбинизма – 0.01. Общая частота аллелей в популяции составляет 100%, или 1.0, поэтому

Как это принято в классической генетике, аллели можно обозначить буквами, например, доминантный аллель (нормальная пигментация) – буквой N, а рецессивный (альбинизм) – буквой n. Для приведенного выше примера частота N=0.99, а частота n=0.01.

Популяционная генетика заимствовала у математической теории вероятности два символа, p и q, для выражения частоты, с которой два аллеля, доминантный и рецессивный, встречаются в генофонде данной популяции. Таким образом,

где p – частота доминантного, а q – частота рецессивного аллеля.

В примере с пигментацией у человека p = 0.99, а q = 0.01;

Значение этого уравнения состоит в том, что, зная частоту одного из аллелей, можно определить частоту другого. Пусть, например, частота рецессивного аллеля = 25%, или 0.25. Тогда

Таким образом, частота доминантного аллеля равна 0.75, или 75%

1.3 Частота генотипов

Частоты отдельных аллелей в генофонде позволяют вычислять генетические изменения в данной популяции и определять частоту генотипов. Поскольку генотип данного организма – главный фактор, определяющий его фенотип, вычисление частоты генотипа используют для предсказания возможных результатов тех или иных скрещиваний. Это имеет важное практическое значение в сельском хозяйстве и медицине.

Математическая зависимость между частотами аллелей и генотипов в популяциях была установлена в 1908 г. независимо друг от друга английским математиком Дж. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Эту зависимость, известную под названием равновесия Харди-Вайнберга, можно сформулировать так: частоты доминантного и рецессивного аллелей в данной популяции будут оставаться постоянными из поколения в поколение при наличии определенных условий. Условия эти следующие:

1) размеры популяции велики;

2) спаривание происходит случайным образом;

3) новых мутаций не возникает;

4) все генотипы одинаково плодовиты, т.е. отбора не происходит;

5) поколения не перекрываются;

6) не происходит ни эмиграции, ни иммиграции, т.е. отсутствует обмен генами с другими популяциями.

Поэтому любые изменения частоты аллелей должны быть обусловлены нарушением одного или нескольких из перечисленных выше условий. Все эти нарушения способны вызвать эволюционное изменение; и если такие изменения происходят, то изучать их и измерять их скорость можно с помощью уравнения Харди-Вайнберга.

1.4 Уравнение Харди-Вайнберга

Это уравнение дает простую математическую модель, которая объясняет, каким образом в генофонде сохраняется генетическое равновесие; но главное применение его в популяционной генетике – вычисление частот аллелей и генотипов.

Если имеется два организма, один гомозиготный по доминантному аллелю А, а другой – по рецессивному аллелю а, то все потомки будут гетерозиготными (Аа):

А = доминантный аллель

а = рецессивный аллель

Если наличие доминантного аллеля А обозначить символом p, а рецессивного аллеля а – символом q, то картину скрещивания между особями F1, возникающие при этом генотипы и их частоты можно представить следующим образом.

В генетике человека особое значение имеет популяционный метод, который позволяет изучать гены и генотипы без постановки скрещиваний. В основе этого метода лежит закон, сформулированный в 1908 году независимо английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом (закон Харди-Вайнберга). Условия для выполнения этого закона следующие:

Популяция должна иметь неограниченный размер (быть достаточно многочисленной по меркам статистики);

Генотип по изучаемым генам не должен влиять на выбор брачного партнера (скрещивание должно быть свободным, то есть не ассортативным);

Миграция не должна существенно изменять генотип популяции;

Должен отсутствовать отбор по аллелям изучаемых генов.

В большинстве популяций человека для большинства признаков эти условия соблюдаются. Исключения, когда закон Харди-Вайнберга не может выполняться:

Островные, отдаленные и высокогорные популяции, где из-за небольшого числа особей случайные факторы могут повлиять на частоты аллелей;

Избирательность (ассортативность) связей, приводящих к рождению детей. Например, в США браки белых мужчин с белыми женщинами и черных мужчин с черными женщинами встречаются намного чаще, чем смешанные.

Иммиграция большого числа носителей редких в популяции генотипов;

Гены, аллели которых по-разному влияют на жизнеспособность и репродуктивную функцию.

Если частота в популяции доминантного аллеля А составляет p, то частота рецессивного аллеля а будет q = 1 - p. Согласно первому положению закона Харди-Вайнберга эти значения будут неизменны из поколения в поколение (при условии выполнения требований, изложенных выше) - это состояние генетического равновесия в популяции. Соотношение равновесных частот генотипов будет определяться возведением соотношения частот аллелей в квадрат - это второе положение закона. И третье положение закона Харди-Вайнберга говорит о том, что равновесие частот генотипов достигается за одно поколение и остается неизменным.

(p + q) 2 = p 2 + 2pq + q 2

p - частота доминантного аллеля А

q - частота рецессивного аллеля а

p 2 - частота генотипа АА (доминантные гомозиготы)

2pq - частота генотипа Аа (гетерозиготы)

q 2 - частота генотипа аа (гомозиготных рецессивов)

Пример:

Одна из форм альбинизма (отсутствия пигментации кожи, радужной и пигментной оболочек глаза) у человека обусловлено редким рецессивным аллелем а (мутация в гене тирозиназы). В некоторой популяции частота альбиносов равна 0,0001. Тогда,

q - частота рецессивного аллеля а -= 0,01

p - частота доминантного аллеля А - 1 - 0,01 = 0,99

p 2 - частота генотипа АА (доминантные гомозиготы) - 0,99 2 = 0,98

2pq - частота генотипа Аа (гетерозиготы) - 2 х 0,99 х 0,01 = 0,02

Из примера видно, что гетерозигот по гену альбинизма в популяции в 200 раз больше чем альбиносов.

В случае множественного аллелизма используют аналогичные расчеты.

Пример:

В популяции индусов I группа крови встречается с частотой 0,314, II - 0,189, III - 0,410, IV - 0,087.

Пусть частота аллеля I 0 - r, аллеля I A - p, аллеля I B - q.

Тогда, носителей генотипа I 0 I 0 (I группа) будет r 2 . Таким образом,

r =
= 0,560

Общая частота аллелей I A и I B (p + q) = 1 - r = 1 - 0,560 = 0,440

Суммарная частота групп крови I и III равна (q + r) 2 . Таким образом,

(q + r) 2 = 0,314 + 0,410 = 0,724

(q + r) =
= 0,851

q = 0,851 - 0,560 = 0,291

p = 1 - q - r = 1 - 0,291 - 0,560 = 0,149

Итак, частоты аллелей групп крови системы ABO в популяции индусов следующие: I 0 - 0,560, I A - 0,149, I B - 0,291.

В большинстве популяций наблюдается дрейф генов - изменение частот аллелей под влиянием случайных факторов. Эффект бутылочного горлышка - случайной гибели носителей того или иного генотипа при существенном снижении размера популяции - является наиболее частой причиной дрейфа генов. В небольших популяциях можно встретить эффект основателя - когда одна особь (почти всегда мужчина, например, Чингизхан) оставляет огромное число потомков, вследствие чего изменяется соотношение частот аллелей и генотипов.

Исходя из закона Харди-Вайнберга нетрудно убедиться, что отбор против гомозиготных рецессивов не эффективен - элиминация (устранение) q 2 носителей генотипа аа не влияет существенно на частоты аллелей. Большинство носителей рецессивного аллеля являются гетерозиготами. В этом причина генетического груза в популяциях человека - значительного числа гетерозиготных носителей летальных (приводящих к смерти) аллелей и аллелей, связанных со снижением жизнеспособности и репродуктивной функции. Понятие генетического груза является фундаментальным в популяционной генетике, его ввел Г. Меллер в 1950 году в своей книге «Наш груз мутаций». Для расчета порядкового номера поколения (t), в котором начальная частота рецессивного аллеля (q 0) примет ожидаемое значение q t при отборе против гомозиготных рецессивов, используют формулу:

t = 1/ q t - 1/ q 0

Частота рецессивного летального аллеля 0,01. Требуется установить, сколько потребуется поколений для ее уменьшения в 10 раз при условии отсутствия новых мутаций?

t = 1/ 0,001 - 1/ 0,01 = 1000 - 100 = 900

Итак, для уменьшения частоты рецессивного летального аллеля с 0,01 до 0,001 потребуется целых 900 поколений.

Контрольные вопросы и задания к главе III

1. Рассчитайте частоты аллелей групп крови системы AB0 в популяции англичан, где I группа крови встречается с частотой 0,462, II - 0,436, III - 0,074, IV - 0,028.

2. Изменяется ли генетический груз в популяциях человека со временем? Если да, то благодаря действию каких факторов?

3. На одном острове дикари приносили в жертву всех альбиносов до достижения ими половозрелого возраста. Изначальная частота встречаемости носителей этого фенотипа была 0,0001. Насколько она изменилась через 180 поколений?

Дополнительная литература к главе III

Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. Т. 3 // М.: Мир. 1988. 332 С.