Genetika populací Genetika populací
Doposud – genetika na úrovni bu ky, organizmu
Genetika populacíÚvod
Genetika populací - jedinec nás nezajímá- pouze jeho gamety a to jako jedny z mnoha = genofond
= soubor všech gamet skupiny jedinc
Populace – mnoho r zných definic- skupina organizm téhož druhu žijící v ur itém geograficky vymezeném
areálu, ase a schopných pá ení
Genetika populacíGenetika populacíÚvod
Genetika populací
• objevuje se jako výsledek sporu
mendelist x biometrik
R. C. Punnet W. Bateson K. Pearson W. F. R. Weldon
• pro v tšinu m itelných znak neplatí Mendelovy principy
• Mendelovy principy neplatí v populacích ani pro jednoduché znaky
p . brachydaktylie - jedinc s dominantním fenotypem není v populaci v tšina,
jak biometrici vykládali Mendelovy št pné pom ry
Brachydaktylie - abnormáln krátké, zavalité prsty. asto též malý vzr st + krátké ruce a nohy.
Genetika populacíÚvod
Genetika populací
Oba argumenty vyvráceny:• m itelné znaky – podmín ny polygenní d di ností, tedy v tším po tem gen s
mendelovskou d di ností
• brachydaktylie – etnost dominantních alel a fenotyp v populaci odvodil G. H. Hardy
a W. Weinberg
Podrobn ji o tom za chvíli v rámci Historie genetiky populací
Dv tvá e popula ní genetiky:
• genetika populací je tedy založena na matematice a statistice
• ale skrývá v sob úžasné v ci pro biology a genetiky
Výpo ty jsou jen prost edkem ke sledování populací.
Genetika populacíÚvod
Populace je z pohledu popula ní genetiky charakterizována alelovými etnostmi
Studuje: • strukturu populace - hodnoty alelových etností
etnost krevní st edoevropská Papagoskupiny populace (Arizona)
A (IAIA, IAi) 42 % 6 %
0 (ii) 38 94
B (IBIB, IBi) 14 0
AB (IAIB) 6 0
Genetika populací
Alelové etnosti SE Papago
%
IA 28 4
IB 11 0
i 61 96
Genetika populacíÚvod
• dynamiku populace - jak se m ní alelové etnosti z generace na generaci= v dlouhém sledu generací = evoluce
Genetika populací = Evolu ní genetika
Genetika populací
Populace je z pohledu popula ní genetiky charakterizována alelovými etnostmi
Studuje: • strukturu populace - hodnoty alelových etností
• ustavení genetické rovnováhy
Genetika populacíÚvod
Genetika populací
• budeme se u it jak studovat populace z pohledu genetiky• konkrétní aplikace jen jako p íklady
Jak studujeme genetiku populací:
Alelové etnosti jsou ovlivn ny
• zp sobem rozmnožování - autogamie x panmixie, p íbuzenské k ížení
• typem d di nosti – autozomální, gonozomální, vazba
• evolu ními silami – genetickým driftem, mutacemi, genovým tokem, selekcí
Na populace v p írod p sobí všechny faktory sou asn= sledujeme strukturu populací (alelové etnosti) u modelové populace – nap .
• když se jednotlivé generace nep ekrývají
• když nep sobí žádné evolu ní faktory a populace je pouze panmiktická
• když nep sobí žádné evolu ní faktory, ale v populaci probíhá p íbuzenské
k ížení
• když se sleduje vliv jednotlivých faktor na alelové etnosti odd len apod.
Tím se budeme zabývat v pr b hu semestru – pochopíme tak, co se asi vše m že odehrávat v p írodních populacích.
Genetika populacíÚvod
Genetika populací
Využití popula ní genetiky
- Evolu ní biologie (Bi8150)
- Paleogenetika lov ka (Bi6290)
Genetika populacíÚvod
Sylabus
P ednáška – 2 hodiny
1 – Historie genetiky populací2 – Genetická variabilita v populacích (fenotypová, genotypová, genetická
struktura populací) a její stanovení (polymorfizmus a heterozygotnost, typy
polymorfizm , m ítka rozmanitosti, m ítka genetické vzdálenosti, využití)
3 – Organizace genetické variability (modelová populace, Hardy – Weinberg vprincip, Snyderovy podíly)
4 – Speciální p ípady náhodného oplození (t i a více alel, Bruceho pom ry, vazba na pohlaví, vazba a HW rovnováha)
5 – Nenáhodné oplození (výb rové, nenáhodné oplození, inbríding, odhad p íbuznosti)
6 – Náhodný genetický posun (malé populace, d sledky, efektivní velikost populace, vliv zakladatele)
7 – Mutace (muta ní tlak, po et alel udržovaných v populaci, hypotéza neutrality)8 – Migrace - genový tok (jednosm rná, obousm rná, p erušení izolace, odhad
velikosti migrace)
9 – P írodní výb r (zdatnost a adaptivní hodnota, výb r u haploidních, diploidních organizm , výb r a rovnováha, rovnováha mezi výb rem a mutací)
Genetika populacíÚvod
Cvi ení – 1 + 1 hodina
1 hodina (v libovolném ase)• ešení ukázkových p íklad ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní
osnova na ISu)
• formou e-výuky (doma u PC)
SylabusGenetika populacíÚvod
Cvi ení – 1 + 1 hodina
1 hodina (v libovolném ase)• ešení ukázkových p íklad ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní
osnova na ISu)
• formou e-výuky (doma u PC)
Sylabus
• lze si zapsat samostatn
bez experimentální ásti
• zápo et za vy ešenéodpov dníky (celkem 21
p íklad , jako p íprava na
zkouškové p íklady)
Genetika populacíÚvod
Cvi ení – 1 + 1 hodina
Sylabus
1 hodina ( t 14:00-14:50, A36-209)• sledování ustavení genetické rovnováhy v populaci D. melanogaster u
znaku vázaného na pohlaví• vyhodnocení popula ních dat a výpo et alelových etností pomocí
Snyderových podíl (chutna ství a rolování jazyka)
• vyhodnocení DNA profilu pro kriminalistické a soudní ú ely• exkurze na Ústavu soudního léka ství
Genetika populacíÚvod
Literatura
Relichová, Ji ina. Genetika populací. Brno 1997
Relichová, Ji ina. 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
Zakon ení
Cvi ení
Genetika populacíÚvod
Zakon ení
P ednáška – zkouška složená ze dvou ástí:
1. ást:• úsp šn vy ešit v odpov dníku t i vylosované p íklady
- velmi podobné p íklad m ze cvi ení
- ešení doma nebo kdekoliv jinde s literaturou
- neomezený as s opakovaným spušt ním
- pro spln ní je pot eba 100% úsp šnost
2. ást:• ústní zkouška
- jen v p ípad úsp šn vy ešených p íklad
- rozhovor na téma popula ní genetika (p ípadné
vzore ky lze mít s sebou)
Genetika populací
Historie genetiky populací
1859 Charles Darwin – „O p vodu druh “ – vývoj druh umož uje existence variability v populacích = zdroj evoluce p írodním výb rem
1. v decký popis (genetické) variability
- nebyl však vysv tlen mechanizmus – „smíšená d di nost“ i „d di nost získaných vlastností“ neum ly vysv tlit mechanizmus p sobení p írodního výb ru
- sám Darwin (1868) navrhl jako hypotézu d di nosti pangenezi
- Darwin bohužel neznal Mendlovu práci, která vznikla ve stejnou dobu a která by dokázala Darwinovy výsledky vysv tlit
ecký historik Herodotos (5. st. p . n. l.) – první podrobný popis lidské rozmanitosti. Píše nap íklad o tmavých a tajemných Libyjcích i o kmeni barbarských
lidojed z ruského severu a dále popisuje lidi, kte í p ipomínají Turky
a Mongoly = první etnografické pojednání.
Genetika populací
Historie genetiky populací
Mendel a jeho práce
- popula ní genetika p i popisu struktury populací využívá základníprincipy genetiky
- díky principu segregace a principu kombinace m žeme p edpovídat distribuci genotyp v potomstvu
- popula ní genetika tak vlastn vzniká s genetikou jako takovou a ve
své podstat 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 genotyp v
potomstvu p i opakovaném samooplození
Genetika populací
Historie genetiky populací
Generace v pom ru 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 : 2n-1
Mendelovo zobecn ní genotypových št pných pom r p i opakovaném
samooplození monohybrida Aa.
Sám Mendel ve své práci píše:„V desáté generaci je nap . 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 i opakovaném samooplození snižuje na polovinu.
etnostAa
2/4 = 1/24/16 = 1/48/64 = 1/8
16/256 = 1/1632/1024 = 1/32
1/2n
Genetika populací
Historie genetiky populací
Dále p edpokládal, že toto zobecn ní má platnost pouze tehdy, jsou-li všechny genotypy stejn plodné, tedy nep sobí-li selekce.
Tento popis struktury populací odvozený Mendelem však platí jen pro p ípad samooplození – hrách je typickou rostlinou rozmnožující se samosprášením.
Ve v tšin živo išných populací však probíhá pá ení jedinc mezi sebou a to náhodn .
Genetika populací
Historie genetiky populací
Složení populace náhodn se k ížících jedinc vy ešili v roce 1908 Hardy a Weinberg
• ve své podstat velmi jednoduchý
• stal se základním principem genetiky populací
• umož uje také p edpovídat genotypové etnosti v dalších generacích
• princip se zrodil jako výsledek sporu mezi mendelisty a biometriky
G. H. Hardy(1877-1947)britský matematik
Publikoval totéž n kolik m síc
po Weinbergovi, ale anglicky.
Wilhelm Weinberg(1862-1937)n mecký léka
Jako první v n m in
- nepovšimnuto.
Hardy-Weinberg v princip
Genetika populací
Historie genetiky populací
• oponenti Mendelových princip tvrdili, že genotypový pom r 1:2:1 a fenotypový
pom r 3:1 musí platit v jakékoliv populaci pro v tšinu znak
• ovšem jen velmi málo znak vykazovalo v populacích podobnost s t mito pom ry
(nap . by muselo být v populaci 75 % brachydaktylik )
= zobecn ní mendelovské d di nosti bylo zpochyb ováno
• R. C. Punnet jako mendelista vyzval práv Hardyho, aby dokázal, že i p i platnosti mendelovských princip se nemusí v populacích tyto pom ry objevit
• své zd vodn ní Hardy publikuje v jednostránkovém lánku v roce 1908 v asopisu Science („Mendelian proportions in a mixed population“)
Genetika populací
Historie genetiky populací
Hardyho zd vodn ní
• pro v populacích lov ka p i platnosti Mendelových princip nep evládnou jedinci s
dominantní chorobou (p . brachydaktýlie)
• genotypové složení populace pro jeden gen se dv ma alelami A, a je:
p : 2q : rpro genotypy AA : Aa : aa
• za p edpokladu, že populace bude velká, s náhodným oplozením, stejnou distribucí
genotyp u obou pohlaví a všichni jedinci budou stejn fertilní = pak tento pom r bude shodný i v následujících generacích
Dnes používáme symboly p a q pro alelové etnosti
• ve druhé generaci se ustaví stabilní pom r zdravých a postižených jedinc , který závisí pouze na alelových etnostech
Genetika populací
Historie genetiky populací
Hardy-Weinberg v princip
• ve velké populaci s náhodným oplozením, kde nep sobí migrace, mutace ani
selekce - alelové etnosti se z generace na generaci nem ní
• v dalších letech byl vy ešen vliv inbrídingu a selekce u populací s náhodným
oplozením; vliv vícenásobných alelových lokus a vazby na strukturu populací
Další velikáni popula ní genetiky:
Sir Ronald A. Fisher (1890-1962) britský statistik, evolu ní biolog a genetik
• mimo jiné vysv tlil vliv selekce na genetickou
strukturu populací
Genetika populací
Historie genetiky populací
Další velikáni popula ní genetiky:
Sewall Green Wright (1889-1988)americký genetik
• posun v etnosti gen v malých populacích
• n které kombinace gen tak vznikají mén ast ji než v
populacích v tších
• rozd lení populace na malé subpopulace - nejp ízniv jšífaktor pro rychlou evoluci (selekce nemá tak velký vliv)
Wright a Fisher propojili Darwinovu evolu ní teorii s genetikou - neodarwinizmus
Genetika populací
Historie genetiky populací
Další velikáni popula ní genetiky:
J. B. S. Haldane (1892-1964)britský genetik a evolu ní biolog
• vliv p írodního výb ru na strukturu populací
• sledoval zm ny genetické struktury populací p i daných
adaptivních hodnotách r zných genotyp
• interakce mezi selekcí, mutací a migrací
„Zlatý v k popula ní genetiky“
• Fisher, Wright a Haldane smí ili genetiku a biometriku – d di nost metrických(kvantitativních) znak je ízena velkým po tem mendelovských faktor(polygen )
• kvantifikovali evolu ní zm ny a propojili matematiku, genetiku a evolu ní biologii(„nejúsp šn jší aplikace matematické teorie v biologii“)
Genetika populací
Historie genetiky populací
Bylo již vše tou dobou objeveno?
• poznatky byly jen teoretické na modelových populacích – nyní bylo pot eba platnost ov it i na populacích reálných, p írodních
• obtížný úkol – v p írodních populacích p sobí všechny faktory a prom nnésou asn a jejich vliv se jen t žko od sebe odlišuje
• záv ry 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)p vodem ruský genetik Teodosij Grigorovi Dobžanskij
po emigraci do USA (1927) pracoval ve „Fly room“
• studoval genetickou variabilitu r zných lokálních p írodníchpopulací D. melanogaster
Genetika populací
Historie genetiky populací
• v té dob již bylo známo, že v p írodních populacích je vysoká genetickározmanitost - Sergej Sergejevi etverikov (1880-1959)
• nev d lo se ale, že ji lze studovat mendelovskými metodami
– jsou v p írodních populacích dostate n zastoupeny recesivní alely?
Nikolaj Petrovi Dubinin (1907-1998), estný doktorát MU z roku 1965 – studoval adu p írodních populací D. melanogaster z oblasti Kavkazu
= vysoké procento letálních alel je skryto v heterozygotním stavu (potvrdil i Dobzhanskya další)
= podíl letálních i jiných nep íznivých
recesivních alel v populacích m že být i
více než 15%
Genetika populací
Historie genetiky populací
Motoo Kimura (1924-1994)japonský genetik
• rozpracoval d sledky náhodného genetického driftu• rozší il Fisherovu teorii p írodní selekce o faktory jako dominance
a epistáze
• evoluce na molekulární úrovni je p edevším výsledkemnáhodných proces 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 evolu ní teorii na molekulární úrovni a
položil základy sm ru molekulární evoluce
Genetika populací
Historie genetiky populací
V sou asnosti zažívá rozvoj práv oblast molekulární evoluce – zkoumání evoluce d íve pomocí polymorfizmu izoenzym , dnes již spíše na úrovni sekvence DNA.
Zkoumá se také propojení práv mezi evolucí molekulární, fyziologickou,
morfologickou a vlivem p írodního výb ru (adaptivní hodnotou).
• Evoluce na úrovni DNA nemusí nutn odrážet evoluci na úrovni fenotyp
skupiny jedinc .
• A jak je provázána s evolucí socio-kulturní (rozvoj technologií a um ní).