Genetika populací
Genetika populac í
Genetika populac í
Doposud – genetika na úrovni bu ňky, organizmu
Genetika populacíÚvod
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 pá ření
Genetika populac í
Genetika populacíÚvod
Genetika populac í
• objevuje se jako výsledek sporu
mendelist ů x biometrik ů
R. C. Punnet W. Bateson K. Pearson W. F. R. Weldon
• pro v ětšinu m ěřitelných znak ů neplatí Mendelovy principy
• Mendelovy principy neplatí v populacích ani pro jednoduché znakypř. 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.
Genetika populacíÚvod
Genetika populac í
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 popula ční genetiky:
• genetika populací je tedy založena na matematice a statistice �
• ale skrývá v sobě úžasné věci pro biology a genetiky ☺
Výpočty jsou jen prost ředkem ke sledování populací.
Genetika populacíÚvod
Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi
Studuje : • strukturu populace - hodnoty alelových četností
Četnost krevní st ředoevropská Papagoskupiny populace (Arizona)
A (IAIA, IAi) 42 % 6 %
0 (ii) 38 94
B (IBIB, IBi) 14 0
AB (IAIB) 6 0
Genetika populac í
Alelovéčetnosti SE Papago%
IA 28 4 IB 11 0i 61 96
Genetika populacíÚvod
• dynamiku populace - jak se mění alelové četnosti z generace na generaci= v dlouhém sledu generací = evoluce
Genetika populací = Evolu ční genetika
Genetika populac í
Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi
Studuje : • strukturu populace - hodnoty alelových četností
• ustavení genetické rovnováhy
Genetika populacíÚvod
Genetika populac í
• 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 p řírodě působí všechny faktory sou časně= 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 pr ůběhu semestru – pochopíme tak, co se asi vše může odehrávat v p řírodních populacích.
Genetika populacíÚvod
Genetika populac í
Využití populační genetiky- Evoluční biologie (Bi8150)- Paleogenetika člověka (Bi6290)
Genetika populacíÚvod
Sylabus
Přednáška – 2 hodiny
1 – Historie genetiky populací2 – 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 – Weinbergůvprincip, Snyderovy podíly)
4 – Speciální p řípady 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 výb ěr (zdatnost a adaptivní hodnota, výběr u haploidních, diploidních
organizmů, výběr a rovnováha, rovnováha mezi výběrem a mutací)
Genetika populacíÚvod
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)
Sylabus
Genetika populacíÚvod
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)
Sylabus
• lze si zapsat samostatněbez experimentální části
• zápočet za vyřešenéodpovědníky (celkem 21 příkladů, jako příprava na zkouškové příklady)
Genetika populacíÚvod
Cvičení – 1 + 1 hodina
Sylabus
1 hodina (čt 14:00-14:50, A36-209)• sledování ustavení genetické rovnováhy v populaci D. melanogaster u
znaku vázaného na pohlaví• vyhodnocení popula čních dat a výpo čet alelových četností pomocí
Snyderových podílů (chutnačství a rolování jazyka)• vyhodnocení DNA profilu pro kriminalistické a soudní účely• exkurze na Ústavu soudního léka řství
Genetika populacíÚvod
Literatura
Relichová, Jiřina. Genetika populací . Brno 1997
Relichová, Jiřina. Genetika populací . Brno 2009
Genetika populacíÚvod
Literatura
Interaktivní osnova v IS
Genetika populacíÚvod
Literatura
Elektronická skripta „Genetika populací“
Genetika populacíÚvod
Literatura
Webová stránka s aktuálními zajímavostmi z Genetiky populací a Paleogenetiky
https://sites.google.com/site/lizalpal/home/zaujalo -me
Genetika populacíÚvod
Zakončení
Cvičení
Genetika populacíÚvod
Zakončení
Přednáška – zkouška složená ze dvou částí:
1. část:• úspěšně vyřešit v odpov ědníku t ři vylosované p říklady
- 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)
Genetika populací
Historie genetiky populac í
1859 Charles Darwin – „O původu druhů“ – vývoj druhů umožňuje existence variability v populacích = zdroj evoluce přírodním výběrem
1. vědecký popis (genetické) variability
- nebyl však vysv ětlen 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
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.
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Mendel a jeho práce
- popula ční genetika při popisu struktury populací využívá základníprincipy genetiky
- díky principu segregace a principu kombinace m ůžeme předpovídat distribuci genotyp ů 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 : aa1 : 2 : 1
1866 „Versuche über Pflanzen-Hybriden “popsal mimo jiné i distribuci genotypů v potomstvu při opakovaném samooplození
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Generace v pom ěru A Aa a A : Aa : a
1 1 2 1 1 : 2 : 12 6 4 6 3 : 2 : 33 28 8 28 7 : 2 : 74 120 16 120 15 : 2 : 155 496 32 496 31 : 2 : 31n 2n-1 : 2 : 2 n-1
Mendelovo zobecnění genotypových štěpných poměrů při opakovaném samooplození monohybrida Aa.
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 p ři opakovaném samooplození snižuje na polovinu.
četnostAa
2/4 = 1/24/16 = 1/48/64 = 1/8
16/256 = 1/1632/1024 = 1/32
1/2n
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Dále předpokládal, že toto zobecnění má platnost pouze tehdy, jsou-li všechny genotypy stejn ě plodné, tedy nep ůsobí-li selekce .
Tento popis struktury populací odvozený Mendelem však platí jen pro p řípad samooplození – hrách je typickou rostlinou rozmnožující se samosprášením.
Ve většin ě živo čišných populací však probíhá páření jedinc ů mezi sebou a to náhodn ě.
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Složení populace náhodn ě se křížících jedinců vyřešili v roce 1908 Hardy a Weinberg
• ve své podstatě velmi jednoduchý• stal se základním principem genetiky populací• umožňuje také p ředpovídat genotypové četnosti v dalších generacích
• princip se zrodil jako výsledek sporu mezi mendelisty a biometriky
G. H. Hardy(1877-1947)britský matematikPublikoval totéž několik měsícůpo Weinbergovi, ale anglicky.
Wilhelm Weinberg(1862-1937)německý lékařJako první v němčině- nepovšimnuto.
Hardy-Weinberg ův princip
Genetika populací
Historie genetiky populac í
• 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)
= zobecn ění mendelovské d ědičnosti bylo zpochyb ňováno
• R. C. Punnet jako mendelista vyzval právě Hardyho, aby dokázal, že i při platnosti mendelovských princip ů se nemusí v populacích tyto pom ěry objevit
• své zdůvodnění Hardy publikuje v jednostránkovém článku v roce 1908 v časopisu Science („Mendelian proportions in a mixed population“)
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Hardyho zd ůvodn ění
• 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:
p : 2q : rpro genotypy AA : Aa : aa
• za předpokladu, že populace bude velká, s náhodným oplozením, stejnou distribucígenotypů u obou pohlaví a všichni jedinci budou stejně fertilní = pak tento pom ěr bude shodný i v následujících generacích
Dnes používáme symboly p a q pro alelové četnosti
• ve druhé generaci se ustaví stabilní pom ěr zdravých a postižených jedinců, který závisí pouze na alelových četnostech
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Hardy-Weinberg ův princip
• ve velké populaci s náhodným oplozením, kde nepůsobí migrace, mutace ani selekce - alelové četnosti se z generace na generaci nem ění
• 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 popula ční genetiky:
Sir Ronald A. Fisher (1890-1962) britský statistik, evoluční biolog a genetik
• mimo jiné vysvětlil vliv selekce na genetickou strukturu populací
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Další velikáni popula ční 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 - nejp říznivějšífaktor pro rychlou evoluci (selekce nemá tak velký vliv)
Wright a Fisher propojili Darwinovu evoluční teorii s genetikou - neodarwinizmus
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Další velikáni popula ční genetiky:
J. B. S. Haldane (1892-1964)britský genetik a evoluční biolog
• vliv p řírodního výb ěru na strukturu populací
• sledoval změny genetické struktury populací při danýchadaptivních hodnotách různých genotypů
• interakce mezi selekcí, mutací a migrací
„Zlatý v ěk popula ční genetiky “
• Fisher, Wright a Haldane smířili genetiku a biometriku – dědičnost metrických(kvantitativních) znaků je řízena velkým po čtem mendelovských faktor ů
(polygenů)
• kvantifikovali evoluční změny a propojili matematiku, genetiku a evoluční biologii(„nejúspěšnější aplikace matematické teorie v biologii“)
Genetika populací
Historie genetiky populac í
Bylo již vše tou dobou objeveno?
• poznatky byly jen teoretické na modelových populacích – nyní bylo pot řeba platnost ověřit i na populacích reálných, přírodních
• obtížný úkol – v přírodních populacích působí všechny faktory a proměnnésoučasně 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 Dobžanskijpo emigraci do USA (1927) pracoval ve „Fly room“
• studoval genetickou variabilitu různých lokálních přírodníchpopulací D. melanogaster
Genetika populací
Historie genetiky populac í
• v té době již bylo známo, že v přírodních populacích je vysoká genetickározmanitost - Sergej Sergejevi č Četverikov (1880-1959)
• nevědělo se ale, že ji lze studovat mendelovskými metodami – jsou v p řírodních populacích dostate čně zastoupeny recesivní alely?
Nikolaj Petrovi č 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 Dobzhanskya další)
= podíl letálních či jiných nepříznivých recesivních alel v populacích může být ivíce než 15%
Genetika populací
Historie genetiky populac í
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 NeutralTheory 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 populac í
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 práv ě mezi evolucí molekulární, fyziologickou, morfologickou a vlivem p řírodního výb ěru (adaptivní hodnotou).
• Evoluce na úrovni DNA nemusí nutně odrážet evoluci na úrovni fenotypůskupiny jedinců.
• A jak je provázána s evolucí socio-kulturní (rozvoj technologií a umění).