Genetika populací
Genetika populací Doposud – genetika na úrovni buňky, organizmu
Úvod
Genetika populací
Genetika populací
Genetika populací - jedinec nás nezajímá - pouze jeho gamety a to jako jedny z mnoha = genofond = soubor všech gamet skupiny jedinců
Populace – mnoho různých definic - skupina organizmů téhož druhu žijící v určitém geograficky vymezeném areálu, čase a schopných páření
Úvod
Genetika populací
Genetika populací
• objevuje se jako výsledek sporu mendelistů
R. C. Punnet
W. Bateson
x
biometriků
K. Pearson
W. F. R. Weldon
• pro většinu měřitelných znaků neplatí Mendelovy principy • Mendelovy principy neplatí v populacích ani pro jednoduché znaky př. brachydaktylie - jedinců s dominantním fenotypem není v populaci většina, jak biometrici vykládali Mendelovy štěpné poměry Brachydaktylie - abnormálně krátké, zavalité prsty. Často též malý vzrůst + krátké ruce a nohy.
Úvod
Genetika populací
Genetika populací
Oba argumenty vyvráceny: • měřitelné znaky – podmíněny polygenní dědičností, tedy větším počtem genů s mendelovskou dědičností • brachydaktylie – četnost dominantních alel a fenotypů v populaci odvodil G. H. Hardy a W. Weinberg
Podrobněji o tom za chvíli v rámci Historie genetiky populací
Dvě tváře populační genetiky: • genetika populací je tedy založena na matematice a statistice • ale skrývá v sobě úžasné věci pro biology a genetiky ☺ Výpočty jsou jen prostředkem ke sledování populací.
Úvod
Genetika populací
Genetika populací
Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi Studuje: • strukturu populace - hodnoty alelových četností
Četnost krevní středoevropská Papago skupiny populace (Arizona) A (IAIA, IAi) 42 % 6% 0 (ii) 38 94 14 0 B (IBIB, IBi) AB (IAIB) 6 0
Alelové četnosti
SE
Papago %
IA IB i
28 11 61
4 0 96
Úvod
Genetika populací
Genetika populací
Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi Studuje: • strukturu populace - hodnoty alelových četností • dynamiku populace - jak se mění alelové četnosti z generace na generaci = v dlouhém sledu generací = evoluce Genetika populací = Evoluční genetika
• ustavení genetické rovnováhy
Úvod
Genetika populací
Genetika populací
• budeme se učit jak studovat populace z pohledu genetiky • konkrétní aplikace jen jako příklady Jak studujeme genetiku populací: Alelové četnosti jsou ovlivněny • způsobem rozmnožování - autogamie x panmixie, příbuzenské křížení • typem dědičnosti – autozomální, gonozomální, vazba • evolučními silami – genetickým driftem, mutacemi, genovým tokem, selekcí Na populace v přírodě působí všechny faktory současně = sledujeme strukturu populací (alelové četnosti) u modelové populace – např. • když se jednotlivé generace nepřekrývají • když nepůsobí žádné evoluční faktory a populace je pouze panmiktická • když nepůsobí žádné evoluční faktory, ale v populaci probíhá příbuzenské křížení • když se sleduje vliv jednotlivých faktorů na alelové četnosti odděleně apod. Tím se budeme zabývat v průběhu semestru – pochopíme tak, co se asi vše může odehrávat v přírodních populacích.
Úvod
Genetika populací Využití populační genetiky - Evoluční biologie (Bi8150) - Paleogenetika člověka (Bi6290)
Genetika populací
Úvod
Sylabus
Genetika populací
Přednáška – 2 hodiny 1 – Historie genetiky populací 2 – Genetická variabilita v populacích (fenotypová, genotypová, genetická struktura populací) a její stanovení (polymorfizmus a heterozygotnost, typy polymorfizmů, měřítka rozmanitosti, měřítka genetické vzdálenosti, využití) 3 – Organizace genetické variability (modelová populace, Hardy – Weinbergův princip, Snyderovy podíly) 4 – Speciální případy náhodného oplození (tři a více alel, Bruceho poměry, vazba na pohlaví, vazba a HW rovnováha) 5 – Nenáhodné oplození (výběrové, nenáhodné oplození, inbríding, odhad příbuznosti) 6 – Náhodný genetický posun (malé populace, důsledky, efektivní velikost populace, vliv zakladatele) 7 – Mutace (mutační tlak, počet alel udržovaných v populaci, hypotéza neutrality) 8 – Migrace - genový tok (jednosměrná, obousměrná, přerušení izolace, odhad velikosti migrace) 9 – Přírodní výběr (zdatnost a adaptivní hodnota, výběr u haploidních, diploidních organizmů, výběr a rovnováha, rovnováha mezi výběrem a mutací)
Úvod
Sylabus
Genetika populací
Cvičení – 1 + 1 hodina 1 hodina (v libovolném čase) • řešení ukázkových příkladů ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní osnova na ISu) • formou e-výuky (doma u PC)
Úvod
Sylabus
Genetika populací
Cvičení – 1 + 1 hodina 1 hodina (v libovolném čase) • řešení ukázkových příkladů ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní osnova na ISu) • formou e-výuky (doma u PC)
• lze si zapsat samostatně bez experimentální části
• zápočet za vyřešené odpovědníky (celkem 21 příkladů, jako příprava na zkouškové příklady)
Úvod
Sylabus
Genetika populací
Cvičení – 1 + 1 hodina 1 hodina (čt 14:00-14:50, A36-209) • sledování ustavení genetické rovnováhy v populaci D. melanogaster u znaku vázaného na pohlaví • vyhodnocení populačních dat a výpočet alelových četností pomocí Snyderových podílů (chutnačství a rolování jazyka) • vyhodnocení DNA profilu pro kriminalistické a soudní účely • exkurze na Ústavu soudního lékařství
Úvod
Literatura
Genetika populací
Relichová, Jiřina. Genetika populací. Brno 1997 Relichová, Jiřina. Genetika populací. Brno 2009
Úvod
Interaktivní osnova v IS
Literatura
Genetika populací
Úvod
Literatura
Elektronická skripta „Genetika populací“
Genetika populací
Úvod
Literatura
Genetika populací
Webová stránka s aktuálními zajímavostmi z Genetiky populací a Paleogenetiky https://sites.google.com/site/lizalpal/home/zaujalo-me
Úvod
Cvičení
Zakončení
Genetika populací
Úvod
Zakončení
Genetika populací
Přednáška – zkouška složená ze dvou částí:
1. část: • úspěšně vyřešit v odpovědníku tři vylosované příklady - velmi podobné příkladům ze cvičení - řešení doma nebo kdekoliv jinde s literaturou - neomezený čas s opakovaným spuštěním - pro splnění je potřeba 100% úspěšnost 2. část: • ústní zkouška - jen v případě úspěšně vyřešených příkladů - rozhovor na téma populační genetika (případné vzorečky lze mít s sebou)
Historie genetiky populací
Genetika populací
Řecký historik Herodotos (5. st. př. n. l.) – první podrobný popis lidské rozmanitosti. Píše například o tmavých a tajemných Libyjcích i o kmeni barbarských lidojedů z ruského severu a dále popisuje lidi, kteří připomínají Turky a Mongoly = první etnografické pojednání.
1. vědecký popis (genetické) variability 1859 Charles Darwin – „O původu druhů“ – vývoj druhů umožňuje existence variability v populacích = zdroj evoluce přírodním výběrem - nebyl však vysvětlen mechanizmus – „smíšená dědičnost“ či „dědičnost získaných vlastností“ neuměly vysvětlit mechanizmus působení přírodního výběru - sám Darwin (1868) navrhl jako hypotézu dědičnosti pangenezi - Darwin bohužel neznal Mendlovu práci, která vznikla ve stejnou dobu a která by dokázala Darwinovy výsledky vysvětlit
Historie genetiky populací Mendel a jeho práce - populační genetika při popisu struktury populací využívá základní principy genetiky - díky principu segregace a principu kombinace můžeme předpovídat distribuci genotypů v potomstvu - populační genetika tak vlastně vzniká s genetikou jako takovou a ve své podstatě lze Mendela považovat za jejího zakladatele
Aa x Aa AA : Aa : aa 1 : 2 : 1 1866 „Versuche über Pflanzen-Hybriden“ popsal mimo jiné i distribuci genotypů v potomstvu při opakovaném samooplození
Genetika populací
Historie genetiky populací
Genetika populací
Mendelovo zobecnění genotypových štěpných poměrů při opakovaném samooplození monohybrida Aa.
Generace A 1 1 2 6 3 28 4 120 5 496 n
Aa a 2 1 4 6 8 28 16 120 32 496
A 1 3 7 15 31 2n-1
v poměru : Aa : a : 2 : 1 : 2 : 3 : 2 : 7 : 2 : 15 : 2 : 31 : 2 : 2n-1
četnost Aa 2/4 = 1/2 4/16 = 1/4 8/64 = 1/8 16/256 = 1/16 32/1024 = 1/32 1/2n
Sám Mendel ve své práci píše: „V desáté generaci je např. 2n-1 = 1023. Je proto mezi 2048 rostlinami, které vzejdou z této generace, 1023 s konstantním znakem dominantním, 1023 s recesivním a jen dva hybridi.“ Heterozygotnost se v každé generaci při opakovaném samooplození snižuje na polovinu.
Historie genetiky populací
Genetika populací
Dále předpokládal, že toto zobecnění má platnost pouze tehdy, jsou-li všechny genotypy stejně plodné, tedy nepůsobí-li selekce. Tento popis struktury populací odvozený Mendelem však platí jen pro případ samooplození – hrách je typickou rostlinou rozmnožující se samosprášením.
Ve většině živočišných populací však probíhá páření jedinců mezi sebou a to náhodně.
Historie genetiky populací
Genetika populací
Hardy-Weinbergův princip G. H. Hardy (1877-1947) britský matematik Publikoval totéž několik měsíců po Weinbergovi, ale anglicky.
Wilhelm Weinberg (1862-1937) německý lékař Jako první v němčině - nepovšimnuto.
Složení populace náhodně se křížících jedinců vyřešili v roce 1908 Hardy a Weinberg • ve své podstatě velmi jednoduchý • stal se základním principem genetiky populací • umožňuje také předpovídat genotypové četnosti v dalších generacích • princip se zrodil jako výsledek sporu mezi mendelisty a biometriky
Historie genetiky populací
Genetika populací
• oponenti Mendelových principů tvrdili, že genotypový poměr 1:2:1 a fenotypový poměr 3:1 musí platit v jakékoliv populaci pro většinu znaků • ovšem jen velmi málo znaků vykazovalo v populacích podobnost s těmito poměry (např. by muselo být v populaci 75 % brachydaktyliků) = zobecnění mendelovské dědičnosti bylo zpochybňováno
• R. C. Punnet jako mendelista vyzval právě Hardyho, aby dokázal, že i při platnosti mendelovských principů se nemusí v populacích tyto poměry objevit • své zdůvodnění Hardy publikuje v jednostránkovém článku v roce 1908 v časopisu Science („Mendelian proportions in a mixed population“)
Historie genetiky populací
Genetika populací
Hardyho zdůvodnění • proč v populacích člověka při platnosti Mendelových principů nepřevládnou jedinci s dominantní chorobou (př. brachydaktýlie) • genotypové složení populace pro jeden gen se dvěma alelami A, a je:
pro genotypy
p : 2q : r AA : Aa : aa
Dnes používáme symboly p a q pro alelové četnosti
• za předpokladu, že populace bude velká, s náhodným oplozením, stejnou distribucí genotypů u obou pohlaví a všichni jedinci budou stejně fertilní = pak tento poměr bude shodný i v následujících generacích • ve druhé generaci se ustaví stabilní poměr zdravých a postižených jedinců, který závisí pouze na alelových četnostech
Historie genetiky populací
Genetika populací
Hardy-Weinbergův princip • ve velké populaci s náhodným oplozením, kde nepůsobí migrace, mutace ani selekce - alelové četnosti se z generace na generaci nemění • v dalších letech byl vyřešen vliv inbrídingu a selekce u populací s náhodným oplozením; vliv vícenásobných alelových lokusů a vazby na strukturu populací
Další velikáni populační genetiky: Sir Ronald A. Fisher (1890-1962) britský statistik, evoluční biolog a genetik
• mimo jiné vysvětlil vliv selekce na genetickou strukturu populací
Historie genetiky populací
Genetika populací
Další velikáni populační genetiky: Sewall Green Wright (1889-1988) americký genetik
• posun v četnosti genů v malých populacích • některé kombinace genů tak vznikají méně častěji než v populacích větších • rozdělení populace na malé subpopulace - nejpříznivější faktor pro rychlou evoluci (selekce nemá tak velký vliv)
Wright a Fisher propojili Darwinovu evoluční teorii s genetikou - neodarwinizmus
Historie genetiky populací
Genetika populací
Další velikáni populační genetiky: J. B. S. Haldane (1892-1964) britský genetik a evoluční biolog
• vliv přírodního výběru na strukturu populací • sledoval změny genetické struktury populací při daných adaptivních hodnotách různých genotypů • interakce mezi selekcí, mutací a migrací
„Zlatý věk populační genetiky“ • Fisher, Wright a Haldane smířili genetiku a biometriku – dědičnost metrických (kvantitativních) znaků je řízena velkým počtem mendelovských faktorů (polygenů) • kvantifikovali evoluční změny a propojili matematiku, genetiku a evoluční biologii („nejúspěšnější aplikace matematické teorie v biologii“)
Historie genetiky populací
Genetika populací
Bylo již vše tou dobou objeveno? • poznatky byly jen teoretické na modelových populacích – nyní bylo potřeba platnost ověřit i na populacích reálných, přírodních • obtížný úkol – v přírodních populacích působí všechny faktory a proměnné současně a jejich vliv se jen těžko od sebe odlišuje • závěry získané u jedné reálné populace tak nelze zobecnit s platností na populace ostatní
Pokusy o to se však objevily (studium variability). Theodosius Dobzhansky (1900-1975) původem ruský genetik Teodosij Grigorovič Dobžanskij po emigraci do USA (1927) pracoval ve „Fly room“
• studoval genetickou variabilitu různých lokálních přírodních populací D. melanogaster
Historie genetiky populací
Genetika populací
• v té době již bylo známo, že v přírodních populacích je vysoká genetická rozmanitost - Sergej Sergejevič Četverikov (1880-1959) • nevědělo se ale, že ji lze studovat mendelovskými metodami – jsou v přírodních populacích dostatečně zastoupeny recesivní alely?
Nikolaj Petrovič Dubinin (1907-1998), čestný doktorát MU z roku 1965 – studoval řadu přírodních populací D. melanogaster z oblasti Kavkazu = vysoké procento letálních alel je skryto v heterozygotním stavu (potvrdil i Dobzhansky a další) = podíl letálních či jiných nepříznivých recesivních alel v populacích může být i více než 15%
Historie genetiky populací Motoo Kimura (1924-1994) japonský genetik
• rozpracoval důsledky náhodného genetického driftu • rozšířil Fisherovu teorii přírodní selekce o faktory jako dominance a epistáze • evoluce na molekulární úrovni je především výsledkem náhodných procesů jako jsou mutace a drift („The Neutral Theory of Molecular Evolution“) John Maynard Smith (1920-2004) • aplikoval teorii her v procesech evoluce Luigi Luca Cavalli-Sforza (1922) • rozsáhlý výzkum genetické variability v lidských populacích – odmítnut koncept lidských ras Richard Lewontin (1929) • propojil genetiku populací a evoluční teorii na molekulární úrovni a položil základy směru molekulární evoluce
Genetika populací
Historie genetiky populací
Genetika populací
V současnosti zažívá rozvoj právě oblast molekulární evoluce – zkoumání evoluce dříve pomocí polymorfizmu izoenzymů, dnes již spíše na úrovni sekvence DNA.
Zkoumá se také propojení právě mezi evolucí molekulární, fyziologickou, morfologickou a vlivem přírodního výběru (adaptivní hodnotou). • Evoluce na úrovni DNA nemusí nutně odrážet evoluci na úrovni fenotypů skupiny jedinců. • A jak je provázána s evolucí socio-kulturní (rozvoj technologií a umění).
