background image

Wykład 10 

Genetyka populacji 

Nieco matematyki 

Częstość występowania (prawdopodobieństwo), gdzie n – liczba 

wystąpień np. danej cechy, N – liczebność populacji. 

N

n

p

Prawdopodobieństwa zdarzeń wykluczających się sumują się, 
prawdopodobieństwo jednoczesnego wystąpienia zdarzeń niezależnych jest 
iloczynem częstości występowania tych zdarzeń. 

Średnia:  

 

Wariancja  

Odchylenie standardowe: 

n

x

x

i

1

)

(

2

2

n

x

x

s

V

i

1

)

(

2

n

x

x

s

i

Nieco matematyki 

Test 

c

2

 

służy do sprawdzania hipotez, czyli testowania zgodności 

otrzymanych wyników (O

i

) z ich wartościami oczekiwanymi (E

i

).  

i

i

i

E

E

O

2

2

c

Wyliczona wartość 

c

2

 

pozwala na określenie poziomu istotności hipotezy. 

Poziom istotności określa się (korzystając z tablic rozkładu 

c

2

) znając 

wartość 

c

2

 

oraz ilość stopni swobody badanego problemu. 

Ilość stopni swobody to ilość kategorii występujących w danym problemie 
pomniejszona o 1 (p.d.=n-1). Dla n alleli z jednego locus p.d.=(n

2

-n)/2. 

Poziom istotności oznacza prawdopodobieństwo popełnienia błędu 
(odrzucenia hipotezy zerowej wtedy, gdy jest ona prawdziwa.). 

Nieco matematyki 

Krzyżując ze sobą kwiaty czerwone (cecha dominująca) z białymi (cecha 
recesywna) w drugim pokoleniu (F2) dostajemy 63 kwiaty czerwone i 37 

białych. Czy proporcja taka jest prawidłowa, czy jest to błąd próby? 

 

85

,

1

04

,

1

81

,

0

75

,

43

75

,

43

37

25

,

56

25

,

56

63

2

2

2

c

Ponieważ dane dotyczą n=2 kategorii, więc ilość 
stopni swobody w badanym problemie wynosi 
p.d.=n-

1=1. Z tabeli rozkładu wynika, że poziom 

istotności p zawiera się w przedziale 
0,01>p>0,005. Oznacza to, że stosunek 63:37 
nie pasuje do zakładanego 3:1. 

Zakładając, że wystąpienie koloru czerwonego 
wymaga współpracy dwóch genów, jako hipotezę 
przyjmujemy stosunek 9:7. 

 

68

,

7

76

,

5

92

,

1

25

25

37

75

75

63

2

2

2

c

Wówczas 0,2>p>0,05 i hipoteza jest prawdziwa. 

+

+

AA

A A

Aa

Aa

3 : 1

Aa

Aa

P

F1

F2

aa

aa

Genetyka populacji i ewolucja 

Genetyka populacji (populacyjna)

: badanie 

częstotliwości występowania alleli w populacji. 

Ewolucja

: zmiany częstotliwości występowania alleli w 

czasie.  

Dobór naturalny

: jeden z mechanizmów ewolucji, 

organizmy lepiej przystosowane mają większe szanse 
reprodukcyjne i swoje cechy przekazują większej ilości 
organizmów potomnych. 

Podstawy teorii Drawina 

Założenia
-

Liczba potomstwa danego gatunku może być potencjalnie 
nieograniczona 

-

Wzrost populacji hamowany jest przez ograniczone zasoby 

środowiska 

-

Między osobnikami istnieją różnice (decydujące o 
przystosowaniu) 

Wnioski
-

Pomiędzy osobnikami danego gatunku istnieje walka o dostęp 

do zasobów 

-

Osobniki wygrywające konkurencję przekazują swoje cechy 
potomstwu 

-

Cechy pomocne we współzawodnictwie stopniowo stają się 

coraz częstsze w populacji. 

background image

Modele doboru naturalnego 

• Dobór stabilizujący

: eliminuje 

fenotypy odchodzące zbyt daleko od 
optimum. 

• Dobór kierunkowy

: działa przeciwko 

jednemu krańcowi zakresu 

fenotypów i dąży w ten sposób do 

przesunięcia średniej wartości danej 

cechy (nowe optimum). Dobór 

kierunkowy występuje przy 

zmianach w środowisku i 

współzawodnictwie z innymi 
gatunkami. 

• Dobór rozrywający

: działa przeciwko 

fenotypom średnim, faworyzuje 

fenotypy skrajne. Może się rozwinąć 

np. jako różnica płci. 

populacja

wyjściowa

dostosowanie

populacja

po zadziałaniu
doboru

fenotyp

fenotyp

fenotyp

Dobór płciowy 

Ze względu na różnice pomiędzy płciami dobór na każdą z 

płci  może oddziaływać odmiennie. 

Dobór wewnątrz płci: bezpośrednia konkurencja pomiędzy 

osobnikami tej samej płci (najczęściej pomiędzy 
samcami o samice).  

Dobór między płciami: konkurencja o osobniki przeciwnej 

płci. 

Samolubny gen 

Genom osobników rozmnażających się płciowo jest 
rozrywany podczas gametogenezy i tylko fragmenty DNA 

przekazywane są z pokolenia na pokolenie w stanie nie 
zmienionym.  
Koncepcja „samolubnego genu” zakłada, że ta część DNA 

lub genomu, która może usprawnić przenoszenie kopii do 

następnego pokolenia ma przewagę selekcyjną. 
Fragmenty DNA (transpozony), przemieszczające się z 

częstotliwością większą niż przy segregacji mendlowskiej 

mają duże znaczenie w procesie doboru (zakłócenie 
segregacji mejotycznej).  
Allele SD (segregation distorter) u Drosophila 

działają 

przez niszczenie nasienia, które nie zawiera ich kopii. 

Rozkład genów w populacji  

Pula genowa

: zbiór wszystkich alleli występujących w danej populacji 

(wyposażenie genowe). 

Poszczególne osobniki posiadają allele wybrane losowo z puli 

genowej. 

Częstość występowania allela A w populacji osobników diploidalnych: 

N

n

n

p

AA

Aa

2

2

Jeśli częstość występowania allela a oznaczyć jako q to:

  

1

q

p

Częstość występowania genotypu AA wynosi p

2

, genotypu  aa 

– q

2

zaś genotypu Aa – 2pq (kwadrat Punnet’a).

   

1

2

2

2

2

q

pq

p

q

p

A

(p)

a

(q)

A

(p)

a

(q)

AA

(p )

2

aa

(q )

2

Aa

(pq)

Aa

(pq)

Prawo Hardy’ego-Weinberga 

W stabilnej populacji względne 
stosunki różnych alleli 
(genotypów, fenotypów) 
pozostają stałe. 
Populacja spełniająca prawo 
Hardy’ego-Weinberga jest w 
równowadze H-W. 

(p )

4

(2p q)

3

AA

(p )

2

AA

(p )

2

Aa

(2pq)

Aa

(2pq)

aa

(q )

2

aa

(q )

2

(q )

4

(p q )

2

2

(2p q)

3

(4p q )

2

2

(2pq )

3

(p q )

2

2

(2pq )

3

AA: p

4

 + 2p

3

q + p

2

q

2

 = p

2

(p

2

 + 2pq + q

2

Aa: 2p

3

q + 4p

2

q

2

 + 2pq

3

 = 2pq(p

2

 + 2pq + q

2

aa: p

2

q

2

 + 2pq

3

 + q

4

 = q

2

(p

2

 + 2pq + q

2

Równowaga Hardy’ego-Weinberga 

Nawet jeśli pewien allel uniemożliwia 

reprodukcję to na skutek mutacji nie 

znika on całkowicie z danej populacji 

lecz występuje z częstotliwością 

wynikającą z warunków równowagi 

Hardy’ego-Weinberga. O istnieniu tego 

typu równowagi można mówić, gdy 
badana populacja jest odpowiednio 
liczna a proces kojarzenia par jest 
losowy. 

AA

Aa

aa

A

A

a

a

homozygota aa eliminowana z populacji

Aa

1

2

2

2

2

q

pq

p

q

p

background image

Równowaga Hardy’ego-Weinberga 

Dla allela recesywnego a (związanego z występowaniem choroby) 
łatwe jest określenie częstości występowania homozygot aa, na ogól 
jednak niemożliwe jest rozróżnienie fenotypowo normalnych 
osobników heterozygotycznych Aa i homozygotycznych dominujących 
AA. Częstość występowania takiego allela (q) można określić 
zakładając, że zachodzi równowaga Hardy’ego-Weinberga. 

2

q

q

Przykład: około 1/2500=0,0004 osobników białej rasy rodzi się z 
mukowiscydozą – są oni homozygotami pod względem nie działającego genu 
kodującego białko transportujące jony chlorkowe (CFTR). Częstość 
występowania tego allela wynosi zatem: 

02

,

0

0004

,

0

2

q

q

Zakłócenia równowagi H-W 

Równowaga Hardy’ego-Weinberga może być zakłócona przez szereg 

czynników: 

Dobór obniża płodność lub przeżywalność pewnych genotypów. 

Migracja osobników może zmieniać częstość alleli 

Kojarzenie nielosowe podobnych lub niepodobnych osobników 

zwiększa występowanie odpowiednio homo- lub heterozygot. 

Wewnątrz subpopulacji, której członkowie krzyżują się między sobą 

wzrasta częstość występowania homozygot.  

Dryf genetyczny (występowanie fluktuacji) powoduje odchylenia od 

przewidywanych wartości, szczególnie w małych populacjach.  

Mutacje zmieniają częstości występowania alleli. 

Zmiany liczebności populacji (spadek i potem gwałtowny wzrost) mogą 

wpływać na częstości występowania alleli. 

 
Odchylenia od równowagi oceniane mogą być za pomocą testu 

c

2

 

Zmienność genetyczna 

Przyczyną występowania zmienności genetycznej są wyłącznie 
mutacje.  

Mutacje milczące

 

– nie dają widocznego efektu fenotypowego. 

Synonimiczna zmiana kodonów (np. AAA na AAG, Liz) nie 

powoduje zmiany w sekwencji białka. Zróżnicownie sekwencji może 

wystąpić również w miejscach niekodujących, nie posiadających 

również funkcji regulatorowych. 

Mutacje null

  (zerowe) 

– powodują całkowitą utratę funkcji danego 

genu. Mogą występować głównie przez delecję jak również przez 

powstanie mutacji nonsensownej lub posiadającej przesuniętą 

ramkę odczytu.  

Mutacje neutralne

 

– powodują nieznaczne zmiany (np. niektóre 

mutacje punktowe), nie posiadające istotnego znaczenia. Mutację 

uznaje się za neutralna jeśli dryf ma większy wpływ na jej 

występowanie niż dobór. 

 

Mutacje a dobór 

Załóżmy, że niefunkcjonalne allele są recesywne i że w jednej 
generacji tempo ich powstawania wynosi 

m

, zaś tempo usuwania 

przez dobór zmutowanych alleli wynosi s. W diploidalnej populacji N 
osobników ustali się równowaga pomiędzy ilością powstających 
(2pN

m

) i usuwanych alleli  (2Nsq

2

) jeśli: 

 

2

2

2

Nsq

pN

m

Zakładając, że częstość występowania allela zmutowanego jest 
mała, można przyjąć p~1, a wówczas: 

s

q

sq

m

m

2

Dryf genetyczny 

Częstość występowania allelu nie jest stała i może ulegać drobnym 

zmianom w kolejnych pokoleniach (fluktuacja). Takie zmiany mogą 

kumulować się w kolejnych pokoleniach, co prowadzić może do 

trwałej zmiany częstości występowania danego genu (dryfu 
genetycznego). 
Wariancja częstości dwóch typów allelu a wynosi: 

N

q

p

s

2

0

0

2

gdzie p

0

 i q

0

 

są częstościami początkowymi 

występowania dwóch typów allelu a N jest 
liczebnością populacji. Po upływie t generacji 
wariancja ta będzie wynosiła: 









 

t

N

q

p

s

2

1

1

1

0

0

2

Dryf genetyczny 

Możliwość występowania dryfu 

genetycznego zależy od kilku czynników: 

• w przypadku nowych alleli muszą one być 

wynikiem mutacji neutralnej lub 

korzystnej (nie ma negatywnego wpływu 
doboru naturalnego). 

• początkowa liczba alleli – proporcjonalnie 

większy dryf występuje dla rzadkich alleli. 

• zakres zmian wynikających z dryfu jest 

skorelowana odwrotnie z wielkością 
populacji, dryf w wielkich  populacjach jest 

mały. 

• w małych populacjach nowe allele łatwiej 

ulegają utrwaleniu (fiksacji) lub eliminacji. 

• efekt założyciela

 

– w małych populacjach 

o małej różnorodności genetycznej 

wzrasta homozygotyczność i zwiększa 

się częstość występowania chorób 
genetycznych. 

background image

Dostosowanie 

Dostosowanie (W) danego genotypu wyraża stosunek sukcesu w 
przekazywaniu materiału genetycznego (ilości potomstwa) osobników z 
danym genotypem do sukcesu osobników z genotypem optymalnym.  

Współczynnik selekcji

 s=1-W. 

Szybkość zmian częstości występowania danego allela jest większa 
przy wyższym współczynniku selekcji. 
Krępak nabrzozak (Biston betularia) jako przykład dostosowania 
(melanizm przemysłowy). 

Dobór a częstość alleli 

Zmiany częstości występowania alleli zależą od typu doboru.  

– dominujący allel ciemnego ubarwienia (carbonaria), c – recesywny 

allel ubarwienia  jasnego.  
Przy doborze przeciwko allelom recesywnym (podlegających doborowi 

tylko w homozygotach cc) niezależnie od współczynnika selekcji 

częstość szybko ustala się na niskim poziomie. 
Przy doborze przeciwko allelom dominującym szybkość zmian 

częstości zależy od współczynnika selekcji. 
 

40

60

80

pokolenia

q

100

120

160

140

20

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

s =0,9

cc

s =0,1

cc

s

=0,1

CC&Cc

s

=0,9

CC&Cc