Теория Теория биологической биологической

эволюции. эволюции. Особенности Особенности

популяционной популяционной генетики. генетики.

План План 1.1. Популяция – элементарная Популяция – элементарная

эволюционная единица. Частоты эволюционная единица. Частоты генов и генотипов в популяции – генов и генотипов в популяции – закон Харди – Вайнберга.закон Харди – Вайнберга.

2.2. Элементарные эволюционные Элементарные эволюционные факторы.факторы.

3.3. Формы генетического Формы генетического полиморфизма в человеческих полиморфизма в человеческих популяциях.популяциях.

Популяционный метод Популяционный метод Основан на изучении генетических Основан на изучении генетических

закономерностей в популяциях закономерностей в популяциях человека.человека.

Позволяет оценить вероятность Позволяет оценить вероятность рождения лиц с определенным рождения лиц с определенным фенотипом в данной группе населения фенотипом в данной группе населения (семье).(семье).

Позволяет рассчитать частоту Позволяет рассчитать частоту носительства в гетерозиготном носительства в гетерозиготном состоянии рецессивных аллелей.состоянии рецессивных аллелей.

Биологическая эволюция Биологическая эволюция ––

необратимое, историческое развитие необратимое, историческое развитие живой природы, сопровождающееся живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава изменением генетического состава популяций, формированием адаптации, популяций, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом.биосферы в целом.

Панмиксия – Панмиксия –

возможность свободного возможность свободного скрещивания особей внутри скрещивания особей внутри популяциипопуляции

Популяция – Популяция –

совокупность особей одного вида, совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и обладающих общим генофондом и занимающих определенную занимающих определенную территориютерриторию

Генетические показатели Генетические показатели здоровья населенияздоровья населения

Степень инбредности.Степень инбредности. Степень гетерозиготности.Степень гетерозиготности. Частота и распределение мутантных Частота и распределение мутантных

генов в популяции человека.генов в популяции человека. Частота особей с разными Частота особей с разными

генотипами.генотипами.

Генетический анализ Генетический анализ популяции:популяции:

Изучение распространенности того Изучение распространенности того или иного признака (болезни).или иного признака (болезни).

Определение генетической Определение генетической структуры популяции по этому структуры популяции по этому признаку.признаку.

От количества членов От количества членов популяции:популяции:

1.1. Изоляты.Изоляты.

2.2. Демы.Демы.

3.3. Большие популяции.Большие популяции.

Изоляты:Изоляты:

Численность не более 1500 человек.Численность не более 1500 человек. Представители из других групп Представители из других групп

людей не более 1%.людей не более 1%. Частота внутригрупповых браков Частота внутригрупповых браков

свыше 90%.свыше 90%. Естественный прирост населения за Естественный прирост населения за

25 лет менее 25%.25 лет менее 25%.

Демы:Демы:

Численность от1500 до 4000 человек.Численность от1500 до 4000 человек. Представители других групп людей – Представители других групп людей –

1-2%.1-2%. Частота внутригрупповых браков 80-Частота внутригрупповых браков 80-

90%.90%. Прирост населения за 25 лет не более Прирост населения за 25 лет не более

25%.25%.

Большие популяции:Большие популяции:

Характеризуются большим Характеризуются большим количеством членов и численно количеством членов и численно продолжают возрастать (население продолжают возрастать (население города).города).

В них снижается действие В них снижается действие естественного отбора.естественного отбора.

Преобладают панмиктические браки Преобладают панмиктические браки (свободный подбор супружеских пар).(свободный подбор супружеских пар).

Система браков, определяющая Система браков, определяющая генетическую структуру генетическую структуру

популяции:популяции:1.1. Кровнородственные браки (инбридинг), Кровнородственные браки (инбридинг),

ведущие к гомозиготизации:ведущие к гомозиготизации: Запретные браки (1 или 2 степень родства).Запретные браки (1 или 2 степень родства). Браки внутри изолятов.Браки внутри изолятов. Кровнородственные браки в большой Кровнородственные браки в большой

популяции (национальные или популяции (национальные или религиозные).религиозные).

Генетические эффекты у потомства: Генетические эффекты у потомства: увеличение частоты мертворождений и увеличение частоты мертворождений и врожденных уродств, ранней смертности и врожденных уродств, ранней смертности и наследственных болезней у потомства.наследственных болезней у потомства.

2. Браки неродственных 2. Браки неродственных людей: людей:

Ассортативные браки – между людьми со Ассортативные браки – между людьми со сходным фенотипом. По генетическому сходным фенотипом. По генетическому эффекту приравниваются к эффекту приравниваются к кровнородственным бракам.кровнородственным бракам.

Браки неродственных людей в больших Браки неродственных людей в больших популяциях (увеличивают степень популяциях (увеличивают степень гетерозиготности – аутбридинг).гетерозиготности – аутбридинг).

Браки далеко неродственных людей из разных Браки далеко неродственных людей из разных больших и малых рас (аутбридинг).больших и малых рас (аутбридинг).

Генетические эффекты у потомства: снижение Генетические эффекты у потомства: снижение частот рецессивных заболеваний, гетерозис – частот рецессивных заболеваний, гетерозис – гибридная сила.гибридная сила.

Математическая зависимость между Математическая зависимость между частотами генов и генотипов.частотами генов и генотипов.

Установили: математик Г.Харди в Англии и Установили: математик Г.Харди в Англии и врач В. Вайнберг в Германии (1908г.).врач В. Вайнберг в Германии (1908г.).

Закон Харди – Вайнберга – в большой Закон Харди – Вайнберга – в большой панмиктической популяции из поколения в панмиктической популяции из поколения в поколение сохраняется строго поколение сохраняется строго определенное соотношение частот определенное соотношение частот генотипических классов особей.генотипических классов особей.

Установившееся равновесие генотипов (АА, Установившееся равновесие генотипов (АА, Аа, аа) описывается равенством:Аа, аа) описывается равенством:

pp22(AA) + 2pg(Aa) + g(AA) + 2pg(Aa) + g22(aa) = 1(aa) = 1 p(A) + g(a) = 1p(A) + g(a) = 1

Частота гетерозигот (Аа) по Частота гетерозигот (Аа) по рецессивным мутантным генам рецессивным мутантным генам всегда в несколько раз выше всегда в несколько раз выше частоты больных (аа).частоты больных (аа).

Например:Например: Частота гетерозигот по гену ФКУ – 1 : Частота гетерозигот по гену ФКУ – 1 :

70.70. Частота больных ФКУ - 1 : 20000.Частота больных ФКУ - 1 : 20000.

Условия равновесия Условия равновесия генотипов в популяции:генотипов в популяции:

Наличие панмиксии.Наличие панмиксии. Отсутствие мутационного процесса.Отсутствие мутационного процесса. Отсутствие отбора.Отсутствие отбора. Равная плодовитость гомо- и Равная плодовитость гомо- и

гетерозигот.гетерозигот. Большая численность популяции.Большая численность популяции.

Изменение генетической структуры Изменение генетической структуры и генофонда популяции – и генофонда популяции –

элементарное эволюционное элементарное эволюционное явление.явление.

Основные элементарные Основные элементарные эволюционные факторы:эволюционные факторы:

Мутационный процесс.Мутационный процесс. Дрейф и миграция генов.Дрейф и миграция генов. Изоляция.Изоляция. Естественный отбор.Естественный отбор.

Мутационный процесс Мутационный процесс характеризуется: характеризуется:

Это постоянно действующий фактор.Это постоянно действующий фактор. Ненаправленный фактор, ведет к появлению Ненаправленный фактор, ведет к появлению

самых разных мутаций – элементарного самых разных мутаций – элементарного эволюционного материала.эволюционного материала.

Постоянно поддерживает высокую степень Постоянно поддерживает высокую степень гетерогенности популяций.гетерогенности популяций.

Приводит к накоплению отрицательных Приводит к накоплению отрицательных мутаций – «генетический груз» (6% от мутаций – «генетический груз» (6% от общего числа новорожденных). Каждый из общего числа новорожденных). Каждый из нас – носитель 8 вредных мутаций, скрытых нас – носитель 8 вредных мутаций, скрытых у Аа.у Аа.

Оценка интенсивности Оценка интенсивности мутационного процесса.мутационного процесса.

Частота спонтанных абортов.Частота спонтанных абортов. Частота врожденных пороков Частота врожденных пороков

развития.развития. Частота наследственных болезней.Частота наследственных болезней.

Мутации изменяют генетическую Мутации изменяют генетическую структуру популяции с очень структуру популяции с очень малой скоростью.малой скоростью.

Например, чтобы снизить частоту Например, чтобы снизить частоту гена (А) от 0,5 до 0,49 потребуется гена (А) от 0,5 до 0,49 потребуется 2000 поколений.2000 поколений.

Дрейф генов –Дрейф генов –случайные ненаправленные изменения в частоте случайные ненаправленные изменения в частоте

генов, происходящие в каждом поколении.генов, происходящие в каждом поколении.

Наблюдается при резких изменениях численности Наблюдается при резких изменениях численности популяций (популяционные волны).популяций (популяционные волны).

При этом, ранее присутствующие в малых При этом, ранее присутствующие в малых концентрациях мутантные гены могут исчезнуть из концентрациях мутантные гены могут исчезнуть из популяции, а концентрация других мутаций может популяции, а концентрация других мутаций может случайно резко повыситься.случайно резко повыситься.

Дрейф генов особенно заметен в изолятах.Дрейф генов особенно заметен в изолятах.

Дрейф генов в изолятах.Дрейф генов в изолятах.

Эффект родоначальника –Эффект родоначальника –Случайно один из основателей новой малочисленной Случайно один из основателей новой малочисленной

популяции является носителем редкого аллеля.популяции является носителем редкого аллеля.

Признак Распространение

Отрицательныйрезус

Среди жителей Памира встречается в 2-3 раза реже, чем в Европе

Карликовость Изолированная популяция в США (штат Пенсильвания). 8000 человек этого изолята – потомки 3 супружеских пар

Изоляция – Изоляция – нарушение панмиксии, что закрепляет и нарушение панмиксии, что закрепляет и усиливает начальные стадии генетической усиливает начальные стадии генетической неоднородности особей в популяции.неоднородности особей в популяции.

Виды изоляции в человеческих популяциях:Виды изоляции в человеческих популяциях: Пространственная.Пространственная. Социально обусловленная.Социально обусловленная. Религиозная.Религиозная. Национальная.Национальная.

Результаты изоляции.Результаты изоляции. Ограничение численности популяции,Ограничение численности популяции, Возрастание степени родства брачных Возрастание степени родства брачных

партнеров (инбридинг).партнеров (инбридинг). Дрейф генов.Дрейф генов.

Естественный отбор – выживание Естественный отбор – выживание особей, наиболее приспособленных к особей, наиболее приспособленных к

данным условиям среды.данным условиям среды.

Действие Е.О. придает направленность эволюции.Действие Е.О. придает направленность эволюции.

Формы Е.О.Формы Е.О.

1.1. Стабилизирующий :Стабилизирующий : Направлен на поддержание в популяции среднего Направлен на поддержание в популяции среднего

значения признака, все отклонения от сложившейся значения признака, все отклонения от сложившейся нормы отметаются отбором.нормы отметаются отбором.

Оберегает виды от существенных изменений.Оберегает виды от существенных изменений. Поддерживает определенную стабильность в живой Поддерживает определенную стабильность в живой

природе. Например, доля мертворожденных детей природе. Например, доля мертворожденных детей резко возрастает за границами веса 2500 – 4400г.резко возрастает за границами веса 2500 – 4400г.

2. Движущий:2. Движущий: Способствует сдвигу среднего значения Способствует сдвигу среднего значения

признака.признака. Например, выработка устойчивости к Например, выработка устойчивости к

антибиотикам у болезнетворных антибиотикам у болезнетворных микроорганизмов.микроорганизмов.

3. Дизруптивный:3. Дизруптивный: Отбирается ни одна, а две и более Отбирается ни одна, а две и более

нормы.нормы. Благоприятствует более, чем одному Благоприятствует более, чем одному

фенотипу и ни один из них не имеет фенотипу и ни один из них не имеет решающего преимущества перед решающего преимущества перед другими.другими.

Приводит к формированию полиморфных Приводит к формированию полиморфных систем.систем.

«Генетический груз» -«Генетический груз» -

это плата за резкое снижение это плата за резкое снижение действия Е.О. в человеческих действия Е.О. в человеческих

популяциях.популяциях.

Действие стабилизирующего Действие стабилизирующего отбора у человека:отбора у человека:

1.1. Почти половина зачатий не Почти половина зачатий не заканчивается рождением ребенка.заканчивается рождением ребенка.

2.2. Спонтанные аборты составляют 15% от Спонтанные аборты составляют 15% от всех зачатий.всех зачатий.

3.3. Мертворождения – 2% от всех зачатий.Мертворождения – 2% от всех зачатий.

4.4. Детская смертность – 2-3% от всех Детская смертность – 2-3% от всех зачатий.зачатий.

5.5. Часть браков бесплодна.Часть браков бесплодна.

6.6. Часть людей не вступает в брак.Часть людей не вступает в брак.

1. Возможна ли элиминация рецессивного 1. Возможна ли элиминация рецессивного мутантного гена из популяции путем мутантного гена из популяции путем уничтожения или стирилизации гомозигот (аа)?уничтожения или стирилизации гомозигот (аа)?

Если исходная частота аллеля – 0,01, то чтобы Если исходная частота аллеля – 0,01, то чтобы снизить ее до 0,001, потребуется 900 поколений. снизить ее до 0,001, потребуется 900 поколений. Большинство аллелей содержится в генотипах Большинство аллелей содержится в генотипах гетерозигот.гетерозигот.

2. Изменится ли частота рецессивного мутантного 2. Изменится ли частота рецессивного мутантного гена в популяции при лечении всех гомозигот гена в популяции при лечении всех гомозигот (аа)?(аа)?

Например, частота аллеля ФКУ – 0,006.Например, частота аллеля ФКУ – 0,006.Если все больные ФКУ будут излечиваться, то Если все больные ФКУ будут излечиваться, то

частота гена ФКУ на одно поколение изменится частота гена ФКУ на одно поколение изменится от 0,006 до 0,006036.от 0,006 до 0,006036.

Частота гена ФКУ возрастала бы очень медленно, а Частота гена ФКУ возрастала бы очень медленно, а частота гомозигот – еще медленнее.частота гомозигот – еще медленнее.

Основной результат Основной результат биологической эволюции биологической эволюции

– –

видообразование – в человеческом обществе видообразование – в человеческом обществе не реализуется, а действие эволюционных не реализуется, а действие эволюционных факторов на человека приводит в основном к факторов на человека приводит в основном к возникновению генетического полиморфизма возникновению генетического полиморфизма и морфофизиологической дифференциации и морфофизиологической дифференциации человечества.человечества.

Полиморфизм – Полиморфизм –

наличие в пределах одного наличие в пределах одного вида резко отличных по вида резко отличных по облику особей, не имеющих облику особей, не имеющих переходных форм.переходных форм.

Наследственная основа Наследственная основа генетического полиморфизма:генетического полиморфизма: Мутационная изменчивость.Мутационная изменчивость. Комбинативная изменчивость.Комбинативная изменчивость.

Генетический полиморфизм:Генетический полиморфизм: Полиморфизм ДНК.Полиморфизм ДНК. Генный.Генный. Хромосомный.Хромосомный. Геномный.Геномный.

Полиморфизм ДНК:Полиморфизм ДНК:

Рестрикционный.Рестрикционный. Наличие гипервариабельных участков Наличие гипервариабельных участков

– мини-сателлитов.– мини-сателлитов.

Рестрикционный Рестрикционный полиморфизм:полиморфизм:

Полиморфизм по длине Полиморфизм по длине рестрикционных фрагментов.рестрикционных фрагментов.

Ферменты (рестриктазы) разрезают Ферменты (рестриктазы) разрезают ДНК только в определенных сайтах, ДНК только в определенных сайтах, которые узнают.которые узнают.

Используется для картирования генов Используется для картирования генов человека.человека.

Например, так был локализован в 4-ой аутосоме Например, так был локализован в 4-ой аутосоме доминантный ген болезни Гентингтона, который доминантный ген болезни Гентингтона, который наследуется вместе с полиморфным ДНК-наследуется вместе с полиморфным ДНК-маркером маркером GG8.8.

Аллельные варианты маркера: А. В, С. Д.Аллельные варианты маркера: А. В, С. Д.Болезнь Гентингтона наследуется с аллелем С.Болезнь Гентингтона наследуется с аллелем С.Р мать АС х отец АВР мать АС х отец АВ б.Гентингтона здоровб.Гентингтона здоров в 50летв 50летFF 1. ВС, 2. АС, 3. АА. 1. ВС, 2. АС, 3. АА. 30л. 25л. 20л.30л. 25л. 20л. З д о р о в ы еЗ д о р о в ы еУ потомков 1 и 2 после 40 лет может развиться У потомков 1 и 2 после 40 лет может развиться

болезнь Гентингтона. болезнь Гентингтона.

Наличие в ДНК Наличие в ДНК гипервариабельных участков гипервариабельных участков

Различное число и разная Различное число и разная последовательность тандемных последовательность тандемных повторов из 10-15 пар нуклеотидов.повторов из 10-15 пар нуклеотидов.

Вероятность совпадения набора Вероятность совпадения набора участков у разных людей участков у разных людей практически нулевая.практически нулевая.

Метод выявления таких участков Метод выявления таких участков применяется в судебной экспертизе, применяется в судебной экспертизе, микробиологии, эпидемиологии и др.микробиологии, эпидемиологии и др.

Геноскопия – идентификация Геноскопия – идентификация личности на основании личности на основании

особенностей строения ДНК.особенностей строения ДНК.Основные этапы метода:Основные этапы метода:1.1. Берется кровь из пальца или вены (реже Берется кровь из пальца или вены (реже

клетки кожи, плаценты, сперматозоиды и др.).клетки кожи, плаценты, сперматозоиды и др.).2.2. Из ядер лейкоцитов выделяется ДНК.Из ядер лейкоцитов выделяется ДНК.3.3. ДНК с помощью рестрикционных ферментов ДНК с помощью рестрикционных ферментов

разрезается на отдельные фрагменты.разрезается на отдельные фрагменты.4.4. Перенос ДНК-фрагментов на специальные Перенос ДНК-фрагментов на специальные

мембраны для разделения на фрагменты мембраны для разделения на фрагменты (электрофорез). (электрофорез).

5.5. Добавление радиоактивной метки и получение Добавление радиоактивной метки и получение ДНК-отпечатка на рентгеновской пленке.ДНК-отпечатка на рентгеновской пленке.

6.6. Идентификация ДНК-отпечатков.Идентификация ДНК-отпечатков.

ГеноскопияГеноскопия..

ДНК-отпечатки матери, ребенка ДНК-отпечатки матери, ребенка и двух предполагаемых отцови двух предполагаемых отцов

Семейный анализ Семейный анализ фрагментов ДНК с фрагментов ДНК с

помощью блот-помощью блот-гибридизации по гибридизации по

СаузернуСаузерну

М – матьМ – мать

Р – ребенокР – ребенок

О – отецО – отец

Генный полиморфизм –Генный полиморфизм –наличие двух и более аллелей одного наличие двух и более аллелей одного

гена.гена.

Полиморфные системы человека

Название Основные аллели

АВО(Н) А1, А2, В, Н

Резус Комплекс генов: С,с, Д,д, Е,е

ЛейкоцитарныеАнтигены - HLA

A-25, B-50, C-8, D-35, DR-16

Балансированный (гетерозиготный) полиморфизм –Балансированный (гетерозиготный) полиморфизм –

способствует сохранению в популяции рецессивных аллелей способствует сохранению в популяции рецессивных аллелей за счет селективного преимущества гетерозиготных особей.за счет селективного преимущества гетерозиготных особей.

Гемоглобинопатии человека и их распространение в регионах, Гемоглобинопатии человека и их распространение в регионах, не благополучных по тропической маляриине благополучных по тропической малярии

Аллель Гемоглобино- патия

Распространение

HbS Анемия S Тропическая Африка, Средиземноморье(у 40% населения)

HbC Анемия C Западная Африка

HbD Анемия D Северо-Западная Индия, негритянское население США

Адаптивный (экологический) генный полиморфизм –Адаптивный (экологический) генный полиморфизм –отбор особей с разными генотипами, генетически отбор особей с разными генотипами, генетически

оказывающихся лучше адаптированными к оказывающихся лучше адаптированными к меняющимся условиям средыменяющимся условиям среды

Аллели генов человека, имеющих адаптивное Аллели генов человека, имеющих адаптивное значениезначение

АллелиАллели Адаптивное значениеАдаптивное значение

Аллель А (АВО)Аллель А (АВО) Относительная устойчивость к Относительная устойчивость к язвенной болезни желудка и 12-язвенной болезни желудка и 12-перстной кишкиперстной кишки

Аллель В (АВО)Аллель В (АВО) Относительная устойчивость к чумеОтносительная устойчивость к чуме

Аллель Аллель DRw6 (HLA)DRw6 (HLA) Устойчивость к инсулин-зависимому Устойчивость к инсулин-зависимому сахарному диабетусахарному диабету

Хромосомный полиморфизм:Хромосомный полиморфизм: Аберрации (инверсии, Аберрации (инверсии,

сбалансированные транслокации).сбалансированные транслокации). Изменения количества Изменения количества

гетерохроматина.гетерохроматина.

Геномный полиморфизм:Геномный полиморфизм: Анеуплоидные зиготы по хромосомам с Анеуплоидные зиготы по хромосомам с

1 по 12 – летальны.1 по 12 – летальны. С 13 по 22 – сублетальны.С 13 по 22 – сублетальны. По Х- и У-хромосомам - жизнеспособны.По Х- и У-хромосомам - жизнеспособны.