Genetyka populacyjna

Cele genetyki populacyjnej

Dziedziczenie cech

Dziedziczenie autosomalne

dominujące

• Choroba występuje u homozygot(AA) i heterozygot (Aa),

homozygoty są najczęściej letalne lub chorują ciężej

• Przeciętnie 50% rodzeństwa jest chorych jeżeli jedno z rodziców

jest heterozygotą

• Ryzyko wystąpienia cech u potomstwa zwiększa się z wiekiem ojca
• Zmienna ekspresja
• Pionowy wzór rodowodu
• Nie zaobserwowano wpływu pokrewieństwa na częstość

występowania cech u potomstwa

Dziedziczenie autosomalne dominujące

• Dziedziczenie niektórych cech determinowane jest przez wiele par

genów nieallelicznych.

• O dziedziczeniu poligenowym mówi się jako o uwarunkowaniu

wieloczynnikowym, obejmującym zarówno podłoże genetyczne
jak i wpływ czynników środowiskowych.

• Cechy uwarunkowane wieloczynnikowo dzieli się na ilościowe (bez

określonego fenotypu) i jakościowe (z określonym fenotypem).

Przykłady wad wrodzonych:

• rozszczep wargi/podniebienia
• zwężenie odźwiernika
• wrodzone wady serca
• stopa końsko-szpotawa
• wady cewy nerwowej

Choroby:

• schizofrenia
• cukrzyca
• padaczka
• atopia
• RZS

Zmienność tych cech dziedziczona jest skokowo w sytuacji, gdy zostanie
przekroczona wartość progu genetycznego.

• Prawo to określa zależność pomiędzy frekwencją alleli a częstością genotypów w

populacji oraz warunki, w jakich zależności te będą zachowane.

• Proporcje genotypów w populacji spełniającej założenia prawa Hardy’ego-

Weinberga określa się jako rozkład Hardy’ego-Weinberga (dla genu z dwoma
allelami proporcje te odpowiadają rozwinięciu dwumianu do potęgi 2).

• Gdy genotypy w określonym locus występują z częstościami przewidzianymi na

podstawie tego prawa, mówimy, że locus (gen) jest w równowadze Hardy’ego-
Weinberga.

• Prawo stanowi jeden z fundamentów teorii genetyki populacji organizmów

płciowych. Ma duże znaczenie dla zrozumienia procesu ewolucji i związanych z
nim zmian częstości alleli i genotypów w populacjach.

(p + q)

2

= p

2

+ 2pq + q

2

Szachownica Punnetta

ana częstość występowa

p + q = 1

p

2

+ 2pq + q

2

= 1

• Prawo, sformułowane początkowo dla pojedynczego locus dwuallelicznego,

można uogólnić dla wielu loci, dla loci wieloallelicznych oraz systemów
poliploidalnych.

Jest to choroba autosomalna recesywna u rasy białej występuje z częstością
1/2500 urodzeń.

Jak można oszacować liczbę nosicieli (heterozygot) w populacji?

Skoro homozygoty recesywne (osoby chore) występują z częstością 1/2500, to:

q

2

= 1/2500

2

= 0,0004 →

q = 0,02

→

p = 1 – 0,02 = 0,98

Zatem, częstość nosicieli genu mukowiscydozy wynosi:

2pq = 2  0,9  0,02 = 0,0392 ≈ 0,04

czyli 1/25

Jedna na 25 osób wśród rasy białej jest nosicielem zmutowanego genu.

Recesywną cechą sprzężoną z płcią u ludzi jest daltonizm, częstość
genu d warunkującego tę cechę w populacji wynosi średnio:

q

d

= 0,08

zatem

p

D

= 1 – 0,08 = 0,92

Częstość alleli i genotypów w przypadku cech

sprzężonych z płcią

q

d

= 0,08

p

D

= 0,92

u kobiet (płeć homozygotyczna), możliwe są 3 genotypy:
X

D

X

D

zdrowe

p

2

= 0,922 = 0,8464 (84,64%)

X

D

X

d

zdrowe nosicielki

2pq = 2  0,92  0,08 = 0,1472 (14,72%)

X

d

X

d

daltonistki

q

2

= 0,082 = 0,0064 (0,64%)

u mężczyzn (płeć heterozygotyczna), występują 2 genotypy:
X

D

Y zdrowi

p

D

= 0,92 (92%)

X

d

Y daltoniści

q

d

= 0,08 (8%)

W populacji ludzkiej daltonizm występuje u 8% mężczyzn i 0,64% kobiet.
Jeśli odniesiemy to do grupy 10 000 osób, daltonizm pojawi się u 64 kobiet i aż
u 800 mężczyzn.

Jak oszacować częstość występowania daltonizmu

u kobiet i mężczyzn?

Częstość alleli i genotypów w przypadku

cech sprzężonych z płcią

U samców częstotliwość genotypów równa jest częstotliwości alleli.

p + q = 1

U samic częstotliwość genotypów wyrażana jest klasycznym
wzorem na prawo Hardy'ego-Weinberga.

p

2

+ 2pq + q

2

= 1

• Jeżeli proporcje alleli u obydwu płci różnią się, to do osiągnięcia równowagi nie

dojdzie w następnym (t+1) pokoleniu. Tym niemniej u potomków proporcje alleli
wyrównają się u obydwu płci, i w kolejnym pokoleniu (t+2) można się spodziewać
osiągnięcia równowagi H-W (w przypadku locus z dwoma allelami).

• W przypadku wielu loci dojście do stanu równowagi może nastąpić później niż w

następnym pokoleniu.

• W przypadku loci sprzężonych (położonych blisko siebie na chromosomie) do

osiągnięcia stanu równowagi potrzeba większej liczby pokoleń. W przypadku
sprzężenia absolutnego równowaga nie będzie możliwa do osiągnięcia.

• W niektórych przypadkach allele heterozygoty segregują do gamet w proporcjach

innych niż 1:1, co jest określane jako odchylenie mejotyczne. Wówczas częstości
genotypów będą odbiegać od przewidywanych na podstawie prawa H-W.

• Prawo H-W opisuje populacje z pokoleniami nie zachodzącymi na siebie (takimi,

w których po wydaniu potomstwa rodzice giną).

W stanach równowagi, gdy nie zmienia się częstość alleli, prawo będzie spełnione
także w populacjach z pokoleniami zachodzącymi na siebie, gdy organizmy dają
potomstwo kilka razy w swoim życiu.

Jednak jeżeli częstość alleli z jakichś powodów uległa zmianie, nowy stan
równowagi osiągnięty zostanie dopiero, gdy wymrze ostatni osobnik z
poprzedniego pokolenia.

• Z rozważań teoretycznych wynika, że w pewnych specyficznych warunkach, dla

szczególnych wartości częstości genotypów, równowaga H-W może być
zachowana również wtedy, gdy kojarzenia w populacji nie są losowe (taką
sytuację określono mianem kojarzenia pseudo-losowego) – a więc założenie o
losowych kojarzeniach jest warunkiem wystarczającym, ale nie koniecznym dla
zachowania rozkładu H-W.

Mutacja

• Nagłe, skokowe zmiany materiału genetycznego, możliwe jest ich dziedziczenie.
• Mutacje warunkują istnienie i kształtowanie zróżnicowania genetycznego populacji.
• W rozważaniach ewolucyjnych ważne są tylko mutacje zachodzące w kom.

generatywnych, ponieważ tylko one mogą być przekazane następnym pokoleniom

Rekombinacja mejotyczna

• Zjawisko zwiększające różnorodność genetyczną i jako taka wywiera istotny wpływ

na poprawę adaptacji populacji do środowiska.

• Zachodzi wyłącznie u organizmów rozmnażających się płciowo.
• Prowadzi ona do powstawania nowych haplotypów.
• Pozwala ona uniknąć mechanizmu polegającego na wolnej, lecz nieuchronnej

akumulacji szkodliwych mutacji.

• Jest wymianą materiału genetycznego między subpopulacjami (populacjami

oddzielonymi barierami geograficznymi lub etniczno-kulturowymi).

• Następstwem przepływu genów jest zmniejszenie różnicy pomiędzy pulami genów

badanych populacji. Wynika to z:

• niwelowania różnic częstości występowania alleli w obu populacjach
• wprowadzania do puli genowej jednej populacji alleli charakterystycznych

wyłącznie dla drugiej populacji

• Zmienność wprowadzona w wyniku przepływu genów zwykle utrwala się w

populacji pierwotnej przez kilka pokoleń i dlatego szansa wyeliminowania alleli
wprowadzonych do nowej populacji jest bliska zeru.

• Przepływ genów działa na wiele loci jednocześnie, więc ma w ewolucji większą moc

sprawczą niż mutacje.

• Dryf (dryft) genetyczny jest podstawowym procesem neutralnej ewolucji.
• Proces polegający na fluktuacji częstości występowania danego allelu w

populacji, nie wynikający z mutacji, migracji ani z doboru naturalnego.

• Im mniejsza populacja, tym szybciej allel ulegnie eliminacji bądź

zdominuje populację. Dlatego efekt dryfu genetycznego jest łatwiej
obserwowalny w małych, izolowanych populacjach.

• Przypadkowa eliminacja bądź dominacja alleli jest też przyczyną

zwiększenia homozygotyczności i zmniejszenia różnorodności populacji.
Może to prowadzić do kumulacji alleli odpowiedzialnych np. za
wywoływanie chorób.

• Może prowadzić do specjacji, czyli powstawania nowych gatunków.
• Dodatkowym czynnikiem wpływającym na dryf są zdarzenia losowe (np.

przypadkowe wyginięcie części populacji).

• Kiedy allele nie różnią się ze względu na swą zdatność do przetrwania (tj. nie

wchodzi w grę dobór naturalny), to średnia liczba nosicieli allelu w generacji jest
proporcjonalna do tej liczby w generacji poprzedniej.

Jednak średnia nigdy nie jest osiągana, gdyż generacja poprzednia jest rodzicem
tylko jednej generacji. Tym samym nie ma szans na statystyczne "wyrównanie"
ewentualnych rozbieżności.

Stąd częstość występowania allelu u potomków (p1) jest zwykle nieco inna niż u
rodziców. Mówi się, że częstość alleli dryfuje.

U jego podłoża leży kataklizm, katastrofa (np. choroba, susza, powódź itp.),
szczególnie gdy wraz z uprzednim spadkiem entropii w populacji (np.
poprzez hierarchizację, uniformizację, odróżnorodnienie, samopodobnienie,
kompresję).
Liczebność populacji po katastrofie zmniejsza się, a zatem zmienia się pula
genowa populacji (osobniki, które przetrwały kataklizm nie mają wszystkich
genów tworzących pulę genową całej populacji, a na pewno nie w tych
samych proporcjach).

Wąskie gardło powoduje zmniejszenie różnorodności genetycznej oraz
zmianę częstotliwości alleli; po wzroście liczebności populacji ze względu na
nowe mutacje zwiększa się również jej różnorodność genetyczna.

Efekt założyciela

• Jeśli z danej populacji wyodrębni się grupę osobników, przeniesie je na nowy
teren i rozmnożą się tam one wytwarzając nową populację, to struktura
genetyczna nowej populacji będzie determinowana częstotliwościami alleli
występującymi wśród grupy założycieli, a nie populacji, z której oni pochodzą.

• Efekt założyciela jest niezwykle niebezpieczny w populacjach stworzonych z
małej liczby osobników wyjściowych z powodu niebezpieczeństwa wystąpienia
wśród nich niezidentyfikowanego nosiciela (nosicieli) genów letalnych.
Przypadek spowoduje, że taka populacja będzie miała drastycznie odmienną i
zubożałą pulę genetyczną w stosunku do populacji wyjściowej.

Efekt założyciela

Basenji – pies przywieziony z Etiopii i
rozmnożony w Europie z kilku
osobników założycielskich.

W populacji europejskich Basenji
występuje dziedziczna anemia
hemolityczna, która jest praktycznie
nieznana u psów żyjących w Afryce.

Wśród psów wywiezionych z Afryki
znajdował się jeden nosiciel genu
letalnego, który został następnie
rozpowszechniony w całej populacji.

• W pierwszym przypadku obok pierwotnej populacji powstaje nowa

populacja.

• W skutek wąskiego gardła zmianie ulega cała populacja

pierwszy mechanizm dotyczy sytuacji ,w której część osobników się
odłącza i zakłada nową populację.

• Drugi z mechanizmów jest związany z nagłym wydarzeniem losowym

(np. klęską) czego następstwem jest nieselektywne wyginięcie.

Oba zjawiska są szczególnymi wariantami dryfu genetycznego
i skutkują znacznym obniżeniem liczebności populacji oraz puli genowej!

• Każda populacja (zwana metapopulacją) składa się z mniejszych izolowanych

grup, w których działa niezależnie dryf genetyczny. Jego następstwem jest
wzrost zróżnicowania genetycznego wewnątrz metapopulacji.

• Izolacja subpopulacji prowadzi do zwiększenia występowania

homozygotyczności, natomiast efekt odwrotny może przynieść przepływ
genów w następstwie migracji lub połączenia populacji.

• Wskutek wymieszania się subpopulacji obniża się częstość występowania

chorób recesywnych charakterystycznych dla danej populacji lub grupy
etnicznej -> efekt Wahlunda

• Przykładem takiej choroby jest choroba Taya-Sachsa występująca w populacji

Żydów aszkenazyjskich znacznie częściej niż w innych, co jest wynikiem
efektu założyciela.

• Organizmy posiadające korzystne cechy mają większą szansę na przeżycie i

rozmnażanie, co prowadzi do zwiększania częstości występowania
korzystnych genów w populacji.

• Selekcja naturalna, podobnie jak dryf genetyczny, prowadzi do zmniejszenia

różnorodności genetycznej w populacji, jednak jest mechanizmem ściśle
ukierunkowanym.

• Różnice w zdolności do przetrwania osobników w danym gatunku kształtują

się pod wpływem zmiennych czynników środowiskowych. Selekcja może
działać utrwalająco,

kierunkowo

bądź rozdzielczo.

• Selekcja pozytywna - utrwala w populacji mutacje zwiększające szanse na

zachowanie puli genowej korzystnego DNA

• Selekcja negatywna - eliminuje mutacje, których efektem jest obniżenie szansy na

sukces reprodukcyjny

• Selekcja promująca homozygoty - mutacja zwiększa dostosowanie jedynie

homozygot w porównaniu z heterozygotami

• Selekcja promująca heterozygoty - np. w niedokrwistości sierpowatokrwinkowej

mutacja „chroni” przed malarią

• Selekcja równoważąca - zależna od częstości występowania, w przypadku której

to częstość występowania allela bądź genotypu decyduje o dostosowaniu

• Przemieszczanie się osobników pomiędzy

populacjami.

• Osobnicy opuszczający populację nie wpływają

na skład jej puli genowej, o ile nie zachodzi
emigracja selektywna, natomiast grupa
przybywających ma znaczenie zarówno ze
względu na swoją liczebność, jak i skład
genetyczny.

• Migracja osób zdrowych z genem dominującym

zwiększa częstość występowania cechy
recesywnej wśród osobników populacji
opuszczonej.

• Jest to zjawisko ograniczenia krzyżowania

i zahamowania przepływu genów między

populacjami.

• Na ewolucję człowieka wpłynęła izolacja

geograficzna, w wyniku której doszło do

wykształcenia niektórych osobliwości

antropologicznych np. kształt małżowiny

usznej u Buszmenów, duża szerokość

żuchwy i Kozaków oraz wyjątkowo bujna

broda u Ajnów.

• Osoby z rodzin, w których wystąpiły choroby genetyczne, a także

te, które mają lub mogą mieć problemy z prokreacją mogą

korzystać z pomocy poradni genetycznych.

• Badania genetyczne we wspomnianej poradni obejmują nie tylko

analizę rodowodową i analizę kariotypu, ale także testy

molekularne pozwalające wykryć wadliwe geny lub ich produkty.

• W szacowaniu ryzyka choroby genetycznej niezwykle ważne są

badania prenatalne.

Predyspozycje rodzinne

• Badanie genetyczne nie mówi o aktualnym stanie zdrowia.
• Świadczy o:

• zwiększonej predyspozycji do zachorowania
• możliwości zachorowania w dużo młodszym wieku niż średnia populacyjna
• potrzebie wdrożenia odpowiedniej profilaktyki

• Możliwe jest też ryzyko przekazania mutacji potomstwu.
• Test predyspozycji genetycznej do nowotworów może wykonać każdy (grupę

docelową stanowią osoby aktualnie dotknięte nowotworem lub ci, którzy
przeszli leczenie w celu sprawdzenia czy ich choroba ma podłoże genetyczne i
możliwości jej przekazania potomstwu).

• Do odbiorców testu należy również dodać członków rodzin osób cierpiących

na nowotwór.

Predyspozycje rodzinne

• Wynik badania genetycznego jest niezmienny, dlatego nie ma potrzeby

powtarzania badania.

• Z uwagi na fakt, że badane zmiany występują w każdej z budujących organizm

komórek, nie ma znaczenia, w którym momencie życia zostanie wykonane
badanie.

• Wynik badania nie zmienia się także w momencie wystąpienia choroby.
• Wyjątek stanowią mutacje somatyczne, które dotyczą wyłącznie tkanki

nowotworowej i nie są dziedziczne.

W Polsce stosuje się m.in. testy diagnostyczne wykrywające mutacje genów:
• BRCA1 i BRCA2 (zwiększają ryzyko raka sutka i jajnika);
• MSH1, MLH1 ( zwiększają ryzyko rozwoju raka jelita grubego i trzonu macicy)
• APC (ryzyko raka jelita grubego)
• CHEK2 (ryzyko raka nerki, jelita grubego, sutka i prostaty)

Noworodki są poddawanie przesiewowym badaniom pourodzeniowym
(pozwalają wykryć i podjąć leczenie zanim choroba się rozwinie) np.:
• badanie genu CFTR (odpowiedzialny za rozwój mukowiscydozy)
• biochemiczne testy krwi pozwalające wykryć fenyloketonurię

Maciej Smoła, gr. 47, III LEK