Populační genetika
Populační genetika ORGANISMUS Součást výše organizované soustavy populace POPULACE Soubor jedinců jednoho druhu Genotypově heterogenní V určitém čase má přirozeně vymezený prostor Velký počet generací GENOFOND POPULACE Soubor všech genů v daných lokusech od všech jedinců, kteří tvoří populaci GAMETOVÝ FOND Soubor všech genů v gametách ZYGOTOVÝ FOND Geny obsažené v zygotách
Castle-Hardy-Weinbergova zákonitost
Platí v panmiktické populaci za předpokladu omezujících podmínek • • • • •
Velká populace Nedochází k mutacím Nedochází k selekci Nedochází k migraci Vztah alel: úplná dominance / recesivita
Castle-Hardy-Weinbergova zákonitost Základní vztah pro systém se dvěma alelami sledovaného genu
p( A ) + q( a ) = 1 p( A) = 1 - q(a )
p(2AA) + 2 pq ( Aa) + q(2aa) = 1
Odhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel
p(2AA) + 2 pq ( Aa) + q(2aa) = 1
q=
počet recesivníc h homozygotů = počet všec h osob ve vzorku
= frekvence v populaci
Odhady frekvencí nežádoucích (recesivních) alel
choroba
zkratka
výskyt v populaci
fenylketonurie
PKU
1/8100
cystická fibróza (mukoviscidóza)
CF
1/2500
1
Odhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel
Odhad frekvencí fenotypů v ABO systému alela frekvence
choroba
PKU
CF
výskyt v populaci
1/8100
1/2500
odhad q
p=1-q
2pq =˙ 2q
1/90
89/90 =˙ 1
2 x 1 x 1/90 = 1/45
1/50
49/50 =˙ 1
2 x 1 x 1/50 = 1/25
A
p
B
q
O
r
p+q+r=1
p2+ 2pr + q2 + 2qr + r2 + 2pq =1
a) p = 0.3 q = 0.2 Očekávaná četnost krevní skupiny B = 0.24
B= A= O= AB =
b) q = 0.1 r = 0.5 Očekávaná četnost krevní skupiny A = 0.56
BB + BO AA + AO OO AB
c) q = 0.2 p = 0.3 Očekávaná četnost krevní skupiny O = 0.25 d) q = 0.1 r = 0.6 Očekávaná četnost krevní skupiny AB = 0.06
Přímý výpočet frekvence jedné alely
Výpočet frekvence alel systému MN
Alelní vztah: kodominance, neúplná dominance
p=
Fenotyp
Počet osob
M
406
MN
744
N
332
2 počet homozygotů ( AA) + počet heterozygotů ( AB) 2 počet všech jedinců ve vzorku
Výpočet - frekvence alel systému MN
Rh systém
fenotyp počet jedinců genotyp počet alel M počet alel N M
406
MM
812
0
MN
744
MN
744
744
N
332
NN
0
664
1482
1556
1408
2 406 + 744 1556 p= = = 0,525 2 1 482 2 964
q = 1 - p = 0,475
Osoby Rh- = genotyp dd Osoby Rh+ = genotyp DD nebo Dd Ve zkoumané populaci je 16% osob Rh A) Proveďte odhady genových frekvencí a vypočítejte zastoupení jednotlivých genotypů v populaci B) Jaká je pravděpodobnost, že ženě Rh- se narodí dítě Rh+? C) Jaká je pravděpodobnost, že ženě Rh- se vždy narodí dítě Rh+?
DD DD
p2
Dd
2pq
dd
q2
p2
Dd
2pq
dd
q2
2
Rh systém
Selekce DD
p2
Dd
2pq
dd
q2 p 2 q2
DD
p2
Dd
Dd
2pq
Dd pq3 dd pq3
dd
q2
a) q2 = 0.16
q = 0.4
p = 0.6
p2 = 0.36
b) p2q2 + pq3 = pq2 (p+q) = pq2 = 0.096
2pq = 0.48
c) p2q2 = 0.058
Selekce •
Selekce proti AD fenotypu
Selekce v populaci ovlivňuje relativní reprodukční schopnost organismu s určitým genotypem a tím i frekvenci příslušného genu Relativní reprodukční schopnost wi = průměrný počet potomků genotypu i : průměrný počet potomků nejplodnějšího genotypu wi = 1; po selekci wi = 1 – s s = selekční koeficient (rozmezí 0 – 1)
Normalizující selekce – vylučování odchylek Balancující selekce – udržuje polymorfismus na příklad preference heterozygotů (např. srpkovitá anemie) Selekce proti AR fenotypu Působí pouze proti recesivním homozygotům má menší účinnost než selekce proti dominantní alele p2 + 2pq + q2(1-s) = 1 – q2s při s = 1 p2 + 2pq
Selekce • Selekce proti oběma typům homozygotům – preference heterozygotů
A) Úplná selekce proti dominantnímu fenotypu v následující generaci dominantní alela vymizí s=1
- ani jedna alela určitého lokusu není eliminovaná - frekvence se udržují na stejné úrovni balancovaný
p2(1-s) + 2pq(1-s) + q2 = q2
-
B) Neúplná selekce proti dominantnímu fenotypu rychle snižuje frekvenci alely
p2(1-s1) + 2pq + q2 (1-s2) = 1 - p2 s1 - q2 s2
polymorfismus Například srpkovitá anémie velký význam pro evoluci zdroj adaptace na nové podmínky prostředí
p2(1-s) + 2pq(1-s) + q2 = 1- p2s – 2pqs
Mutace
Mutagenní faktory
Náhodná trvalá dědičná změna genetického materiálu
Mutace spontánní: chyby při replikaci – bodové mutace inekvální crossing-over – delece, duplikace poruchy mitózy/meiózy – monosomie, trisomie …
• Chromosomová (např. zlom) • Genová (např. bodová mutace) Mutace • tolerované (přírodní výběr) neutrální (neovlivňují reprodukční schopnost nositele) výhodné (zvyšují reprodukční schopnost nositele, zlepšují stávající funkce – např. duplikace genů • nevýhodné (ztráta nebo porucha funkce genu) • zakázané (letální – neschopnost reprodukce) Každý jedinec –12 genů s nevýhodnými recesivními mutacemi z nich 3-5 genů v homozygotní formě je letálních
Frekvence mutací u lidí – 10-6 – 10-5
Indukované: vyvolané zevními vlivy (mutageny) fyzikální - ionizující záření (gamma, rtg), UV chemické - polycyklické aromatické uhlovodíky, nitrosaminy, mykotoxiny, těžké kovy (chrom, nikl, arsen, rtuť), azbest biologické – např. papiloma viry, některé adenoviry a herpes-viry
3
Bodové mutace
Mutace na úrovni úseků DNA
Záměny basí a) Neutrální (tiché mutace) b) Záměna aminokyselin v polypeptidu c) Předčasná terminace Delece → posun čtecího rámce Inserce → posun čtecího rámce Duplikace Působením mutací mohou vznikat a) nové alely daného genu → variabilita znaku b) škodlivé mutace c) letální mutace
Delece Inserce Translokace Duplikace
Inverse, paracentrická
Delece
Duplikace
Isochromosom
Translokace – Robertsonská fúze Pár akrocentrických chromosomů
Mutace
Mutace Genetický kód 5'UUU3'
5'UCU3'
=
Ser
5'UAU3'
=
Tyr
5'UGU3'
=
Phe
UUC
=
Phe
UCC
=
Ser
UAC
=
Tyr
UUA
=
Leu
UCA
=
Ser
UAA
=
stop
UUG
=
Leu
UCG
=
Ser
UAG
=
stop
5'CUU3'
=
Leu
5'CCU3'
=
Pro
5'CAU3'
=
His
5'CGU3'
CUC
=
Leu
CCC
=
Pro
CAC
=
His
CUA
=
Leu
CCA
=
Pro
CAA
=
Gln
=
Cys
UGC
=
Cys
UGA
=
stop
UGG
=
Trp
=
Arg
CGC
=
Arg
CGA
=
Arg
CUG
=
Leu
CCG
=
Pro
CAG
=
Gln
CGG
=
Arg
5'AUU3'
=
Ile
5'ACU3'
=
Thr
5'AAU3'
=
Asn
5'AGU3'
=
Ser
AUC
=
Ile
ACC
=
Thr
AAC
=
Asn
AGC
=
Ser
AUA
=
Ile
ACA
=
Thr
AAA
=
Lys
AGA
=
Arg
AUG
= Met(start)
ACG
=
Thr
AAG
=
Lys
AGG
=
Arg
5'GUU3'
=
Val
5'GCU3'
=
Ala
5'GAU3'
=
Asp
5'GGU3'
=
Gly
GUC
=
Val
GCC
=
Ala
GAC
=
Asp
GGC
=
Gly
GUA
=
Val
GCA
=
Ala
GAA
=
Glu
GGA
=
Gly
GUG
=
Val
GCG
=
Ala
GAG
=
Glu
GGG
=
Gly
Posun čtecího rámce Lys ….
Glu
Lys
Ile Gly
Thr
Arg Ser
…. AAA GAA AAG ATT GGA ACT AGG TCA … …. ….
…. …. …. AAA GAT TGG AAC TAG Lys Asp Trp Asn Term
Start = start kodon ; stop = stop kodon (terminační kodon, nonsense - kodon) Genetický kód
Nonsence mutace (bez smyslu) Terminace translace Leu Gln Gly …. …. …. GTG CAG GGT … …. …. T Leu Term
Missence mutace (měnící smysl) Záměna aminokyseliny Ala Arg His …. …. …. GCC T AGG CAC … …. …. Ala Trp His
5'UUU3'
=
Phe
5'UCU3'
=
Ser
UUC
=
Phe
UCC
=
Ser
UUA
=
Leu
UCA
=
Ser
UUG
=
Leu
UCG
=
Ser
5'UAU3'
=
UAC
=
Tyr
UAA
=
stop
UAG
=
stop
5'CUU3'
=
Leu
5'CCU3'
=
Pro
5'CAU3'
=
His
5'CGU3'
Tyr
5'UGU3'
=
UGC
=
Cys
UGA
=
stop
UGG
=
Trp
=
Arg
Cys
CUC
=
Leu
CCC
=
Pro
CAC
=
His
CGC
=
Arg
CUA
=
Leu
CCA
=
Pro
CAA
=
Gln
CGA
=
Arg
CUG
=
Leu
CCG
=
Pro
CAG
=
Gln
CGG
=
Arg
5'AUU3'
=
Ile
5'ACU3'
=
Thr
5'AAU3'
=
Asn
5'AGU3'
=
Ser
AUC
=
Ile
ACC
=
Thr
AAC
=
Asn
AGC
=
Ser
AUA
=
Ile
ACA
=
Thr
AAA
=
Lys
AGA
=
Arg
AUG
= Met(start)
ACG
=
Thr
AAG
=
Lys
AGG
=
Arg
5'GUU3'
=
Val
5'GCU3'
=
Ala
5'GAU3'
=
Asp
5'GGU3'
=
Gly
GUC
=
Val
GCC
=
Ala
GAC
=
Asp
GGC
=
Gly
GUA
=
Val
GCA
=
Ala
GAA
=
Glu
GGA
=
Gly
GUG
=
Val
GCG
=
Ala
GAG
=
Glu
GGG
=
Gly
Start = start kodon ; stop = stop kodon (terminační kodon, nonsense - kodon)
Testování mutagenních účinků nových sloučenin
Testování mutagenních účinků nových sloučenin
Genotoxické účinky – testování interakce látky s genetickým materiálem buňky Stanovení mutagenních účinků na bakteriích – Amesův test: Salmonella typhimurium; mutace pro tvorbu histidinu – rostou v prostředí, které histidin obsahuje. Kultivace bez histidinu + jaterní oxydasa (mění testovanou látku na aktivní metabolit) + testovaná látka → původní mutanti nerostou, rostou noví mutanti, kteří vznikli po působení testované látky → tvoří histidin
Cytogenetické hodnocení chromosomového poškození a) Chromosomální aberace b) Mikrojaderný test s blokádou cytokinese. Mikrojádra jsou mimojaderná tělíska vznikající z fragmentů chromosomů bez centromery nebo z chromosomů, které v anafázi mitózy nedoputovaly pólům. c) FISH In vivo testy na definovaných kmenech laboratorních zvířat → postihují jak ovlivňuje testovanou látku adsorbce a distribuce, metabolismus, exkrece apod. Jsou nezastupitelné pro testování teratogenních účinků.
4
Náhodný genový posun - drift
Náhodný genový posun - drift
Genový fond / gametový fond / zygotový fond Vznik zygotového fondu je náhodný proces během generací se mohou měnit genové frekvence Genový drift je změna frekvencí alel v genofondu malých populací způsobená náhodnými příčinami Závisí na velikosti populace – změny jsou nepředvídatelné V průběhu generací kolísá frekvence alel Krajní mez – fixace nebo aliminace některých alel genetická homozygotizace genová fixace ustálení jedné alely v populaci / eliminace alternativní alely Úloha v populaci nová populace se liší od původní „mateřské“ populace
Efekt zakladatele vysvětluje mimořádně vysoké frekvence některých chorob v subpopulacích Např. Tay-Sachsova choroba vrozená vada metabolizmu (AR) s neurologickou symptomatologií vyskytuje se s vysokou frekvencí u židů původem z východní Evropy
Evoluce
Evoluce V biologii → proces změn dědičných vlastností (resp. frekvence alel) mezi organismy. Postupný vývoj života na zemi k mnoha různým formám. Společné rysy ve struktuře genetického kódu. Makroevoluce → vyšších taxonomických kategorií (řád, kmen); vývoj nových druhů Mikroevoluce → menší evoluční změny (např. změny frekvence alel v populacích) během kratšího časového období.
Fylogenetický strom Genetický rozdíl mezi lidmi a šimpanzem – 2% Poslední předek lidí a šimpanzů – 4-7 milionů let; Společný předek moderních lidí – před cca 200 000 roky
Člověk a evoluce a) b) a) b)
Evoluce se projevuje změnami v genech Genetický drift DNA se může měnit vlivem nahodilých mutací → mutace jsou usměrňovány přírodním výběrem (v souvislosti se změnami životního prostředí); b) sexuálním výběrem Pro současného člověka není přírodní výběr jediným evolučním faktorem (např. genetické inženýrství, cílená léčba …) Vzájemné působení mezi činností mozku a lidskými geny Dva geny – pokračující evoluce u člověka: gen kódující mikrocefalin (AR mutace → mikrocefalie) – kontroluje množení buněk v mozku; gen ASMP (Abnormal Spindle-like Microcephaly; AR mutace v tomto genu – primární mikrocefalie) – exprimován v mozkové kůře během neurogeneze
5
