GENETYKA POPULACYJNA

Prawo Hardy’ego -Weinberga

„ Procesy rekombinacji i niezależnej segregacji chromosomów w mejozie nie powodują zmian w częstości alleli w populacjach potomnych w stosunku do populacji rodzicielskich”

• Prawo Hardy’ego – Weinberga przedstawia stan dynamicznej równowagi w populacji, na którą nie działają: mutacje, selekcje, izolacje, migracje, dobór naturalny, dryft genetyczny

- Prawo Hardy’ego – Weinberga opisuje stan populacji idealnej (idealnych populacji w stanie równowagi genetycznej w przyrodzie nie ma)

Cechy populacji w stanie równowagi dynamicznej

• Prawdopodobieństwo skojarzenia z jakimkolwiek osobnikiem płci przeciwnej musi być jednakowe (osobniki kojarzą się ze sobą całkowicie losowo)

• Nie działa dobór naturalny (nie działają mechanizmy różnicujące przeżywanie bądź rozrodczość osobników o odmiennych genotypach)

• Nie występują mutacje

• Osobniki nie migrują (nie ma miejsca emigracja ani imigracja)

• Populacja jest duża (liczy przynajmniej kilkaset osobników)

Jeżeli liczba nowych mutacji równa się liczbie eliminowanych, zmutowanych genów, to obciążenie genetyczne populacji znajduje się w stanie równowagi

Do wzrostu obciążenia genetycznego populacji dojdzie gdy:

- zwiększy się liczbę czynników mutagennych i mutacji de novo

- obniży się tempo selekcji osobników obarczonych defektami genetycznymi

- oba te procesy występują jednocześnie

Prawo Hardy’ego -Weinberga

Pozwala na obliczenie częstości występowania: poszczególnych genotypów w populacji, poszczególnych alleli w populacji

(p + q)² = p² + 2pq + q² p + q = 1

p = częstość allelu dominującego

q = częstość allelu recesywnego

(A + a)² = A² (AA) + 2Aa + a² (aa)

AA - homozygoty dominujące

Aa - heterozygoty

aa - homozygoty recesywne

Zadanie

Grupa studencka liczy 40 osób. 28 osób odczuwa smak

fenylotiomocznika, a 12 osób nie. Podaj częstości alleli.

12 osób z 40= 30% = 0.3

12 osób = tt = homozygoty recesywne

tt = t² = q²

q = pierw. kwadr. z 0.3 = 0.552

p + q = 1

P = 1 – q = 1 – 0.552 = 0.448

Odp. p = 0.448, q = 0.552

(0.448 + 0.552)² = 0.200 + 0.495 + 0.305

0.695 + 0.305 = 1

Częstość grup A, B, AB i O w równowadze Hardy’ego - Weinberga

Mutacje

Metody oceny częstości mutacji:

- metoda bezpośrednia (stosowana wyłącznie do cech autosomalnych dominujących o dużym stopniu penetracji; polega na obserwacji w populacji wszystkich przypadków pojawienia się cechy dominującej, w których rodzice tej cechy nie przejawiają)

Częstość nowych mutacji można wyliczyć ze wzorów dla cech:

- autosomalnych dominujących: m = 1/2 (1- f) a

- autosomalnych recesywnych: m = (1- f) a

- sprzężonych z chromosomem X:

Xm = 1/3 (1 - f) a*

m - częstość mutacji danego genu przypadająca na gametę w pokoleniu

f - wartość adaptacji biologicznej

a - częstość występowania danej cechy, czyli n/N, gdzie N to liczebność populacji, n to liczba nosicieli danej populacji

a* - częstość występowania danej cechy u mężczyzn

Selekcja

• naturalna selekcja jest główną siłą, która zmienia częstość alleli w dużych populacjach

• jest jednym z najważniejszych czynników zmian ewolucyjnych

• w wyniku selekcji następuje eliminacja niekorzystnych genotypów związana ze zróżnicowaną rozrodczością osobników

TYPY SELEKCJI

a) utrwalająca


b) kierunkowa


c) rozdzielcza

x₀ – średnia częstość alleli w populacji wyjściowej

x_śr – średnia częstość alleli w populacji po selekcji

Wpływ selekcji na częstość cechy dominującej i recesywnej

Zależność między częstością genów p i q oraz częstością genotypów

Stan równowagi między mutacją a selekcją

Dobór naturalny

• Jest to różnica w przeżywalności i zdolności do wydawania potomstwa między osobnikami różniącymi się od siebie jakimiś cechami. Dobór naturalny prowadzi do utrwalenia nowych form i adaptacji do nowych środowisk.

• Wyróżnia się dobór naturalny:

- stabilizujący – faworyzuje w populacji fenotypy nie odbiegające od średniej;

- kierunkowy - faworyzuje w populacji fenotypy o cechach skrajnych, w jedną lub drugą stronę od średniej;

- różnicujący - faworyzuje w populacji fenotypy ekstremalne, zarówno po jednej jak i po drugiej stronie średnich

Migracje

Zmiany częstości allela A w jednym pokoleniu w następstwie migracji określonej frakcji genów określa wzór:

p = m (p_m - p)

p - częstość allela A w populacji

p_m - częstość allela A u imigrantów

p - zmiana częstości w jednym pokoleniu

m - współczynnik migracji (stosunek migrujących genów wchodzących do populacji na jedno pokolenie)

Migracje - przykładowe zadanie

Dane:

• p = 0,4

• p_m = 0,6

• 10% rodziców dających nowe pokolenie jest imigrantami (m = 0,1)

p = m (p_m - p)

p = 0,1 (0,6 - 0,4) = 0,02

w następnym pokoleniu:

p₁ = p + p

p₁ = 0,4 + 0,02 = 0,42

Dryft genetyczny

• Są to przypadkowe zmiany częstości alleli w puli genowej populacji (wyłącznie a skutek działania przypadku)

• Odgrywa istotną rolę w usuwaniu bądź promowaniu bardzo rzadkich alleli (może prowadzić do utrwalenia jednego z alleli i wykluczenia drugiego, niezależnie od ich wartości adaptacyjnej)

Może mieć charakter:

- tzw. efektu szyjki butelki – kiedy populacja zmniejsza się do małej liczby osobników (np. przez chorobę lub głód)

- tzw. efektu założyciela – kiedy mała i niereprezentatywna grupa zakłada nową kolonię (np. Amisze - religijna sekta w USA założona przez małą liczbę rodzin imigrantów)

Dryft genetyczny

Czarne kółka – osobniki o allelu A

Czerwone kółka - osobniki z rzadszym allelem a

Na skutek przypadkowego

zdarzenia (powódź, susza)

następne pokolenie tej

populacji będzie stanowić

wyłącznie potomstwo małej

ilości ocalałych osobników

(obszar zakreskowany)

Efekt założyciela

Częstość allelu

determinującego biały kolor

oczu w populacji Drosophila

zamieszkującej stały ląd = 0.1

Na odległą wyspę przedostają się: białoki samiec i białoka samica, nie mające allelu warunkującego kolor oczu czerwony (normalny kolor oczu). Całość populacji na wyspie ma kolor oczu biały

Wzór strukturalny fenylotiomocznika (PTU)

Wrażliwość smakowa na PTU w różnych populacjach ludzkich

Zadanie

Grupa studencka liczy 40 osób. 28 osób odczuwa smak

fenylotiomocznika, a 12 osób nie. Podaj częstości alleli.

12 osób z 40= 30% = 0.3

12 osób = tt = homozygoty recesywne

tt = t² = q²

q = pierw. kwadr. z 0.3 = 0.552

p + q = 1

P = 1 – q = 1 – 0.552 = 0.448

Odp. p = 0.448, q = 0.552

(0.448 + 0.552)² = 0.200 + 0.495 + 0.305

0.695 + 0.305 = 1

Podstawy poradnictwa genetycznego

Poradnictwo genetyczne jest procesem komunikacji dotyczącym problemów człowieka związanych z wystąpieniem lub ryzykiem wystąpienia choroby genetycznej w rodzinie. Proces ten obejmuje próbę pomocy osobie lub rodzinie podjętą przez jedną lub kilka należycie przeszkolonych osób mającą na celu:

1. zrozumienie faktów medycznych obejmujących: diagnozę, prawdopodobny przebieg choroby i możliwe postępowanie medyczne
2.ocenę sposobu dziedziczenia schorzenia oraz ryzyka pojawienia się choroby u określonych członków rodziny
3.zrozumienie możliwości postępowania względem ryzyka ponownego wystąpienia schorzenia

4.wybór kierunku działania, który wydaje się najlepszy w zależności od ryzyka, celów rodzinnych oraz etnicznych i religijnych przekonań
5.najlepsze z możliwych przystosowanie się członków rodziny do schorzenia lub do ryzyka jego ponownego wystąpienia

JEST DEFINICJA WEDŁUG AMERICAN SOCIETY OF HUMAN GENETICS

Większość genetyków klinicznych
przyjmuje „zasadę niesugerowania”: informacje o ryzyku, wywiadzie rodzinnym, leczeniu i jego wyniku podawane są w sposób neutralny i wyważony, a decyzje odnośnie do posiadania potomstwa pozostawiane są rodzinie.

Członek rodziny, u którego jako pierwszego wykryto chorobę nazywany jest probandem.

Etapy postępowania w poradnictwie genetycznym

• Zebranie wywiadu

• Konstrukcja i analiza rodowodu

• Badanie fizykalne

• Ustalenie rozpoznania

• Udzielenie porady genetycznej

Sporządzanie rodowodu

• Określenie osoby, od której zbierany jest wywiad, daty zbierania wywiadu oraz osoby zbierającej wywiad

• Uwzględnienie osób zmarłych i żyjących, poronień, martwych urodzeń, urodzeń dzieci z wadami rozwojowymi,

• Uwzględnienie osób chorych i zdrowych

• Przedstawienie urodzeń w porządku chronologicznym (od lewej do prawej w linii poziomej, z góry na dół w linii pionowej)

• Wywiad powinien obejmować co najmniej 3 pokolenia i wszystkich krewnych

• Ustalenie pokrewieństwa między małżeństwami

• Określenie miejsc i wielkości miasta, z którego pochodzą członkowie rodziny

Sporządzanie rodowodu

• Przy konstruowaniu rodowodu stosuje się odpowiednie symbole graficzne

• Linia męska usytuowana jest po lewej a żeńska po prawej stronie diagramu

• Cyframi rzymskimi oznacza się kolejne pokolenia, rozpoczynając od najwcześniejszego

• Członków tego samego pokolenia umieszcza się w jednej linii poziomej

• Do oznaczanie poszczególnych osób w pokoleniu stosuje się cyfry arabskie

- do postawienia ostatecznego rozpoznania niezbędne jest wykonanie specjalistycznych badań m.in. badań cytogenetycznych, w tym oznaczenia kariotypu, analizy DNA czy ukierunkowanych badań biochemicznych i enzymatycznych
- dziedzina nauki zajmująca się badaniem chromosomów i ich aberracji to cytogenetyka

- oznaczanie kariotypu jest podstawowym badaniem genetycznym w poradnictwie genetycznym

- nieprawidłowości chromosomowe występują w 50 i 20% poronień odpowiednio w I i II trymestrze ciąży

Diagnostyka cytogenetyczna obejmuje też zespoły niestabilności chromosomów, które charakteryzują się zwiększoną częstotliwością pęknięć chromosomów i ryzykiem rozwoju nowotworów. Związane są z defektami replikacji i naprawy DNA (Zespół Blooma, niedokrwistość Fanconiego, ataksja teleangiektazja, Xeroderma pigmentosum)

Obecnie obowiązujące są również badania cytogenetyczne w niektórych nowotworach:

- białaczka szpikowa – chromosom Filadelfia (powstały w wyniku translokacji wzajemnej pomiędzy chromosomami 22 i 9, w wyniku której protoonkogen abl zostaje przeniesiony na 22q)
- chłoniak Burkitta (translokacja wzajemna 8 i 14)
- rak piersi – mutacje genów BRCA1 i BRCA2

Mutacje w genie p53 występują w 50% przypadków nowotworów m.in. szyjki macicy, okrężnicy, piersi, prostaty , krtani, jajnika, żołądka,pęcherza moczowego, wątroby ,płuc, mózgu, trzustki, tarczycy.
Obecność mutacji w p53 pogarsza rokowanie zwłaszcza w przypadku raka piersi i okrężnicy.

W diagnostyce nowotworów ważne są mutacje:
- genu APC wykrywanego w 85% raków okrężnicy
- MSH2, MLH1, PMS1 i PMS2 w przypadku
dziedzicznego niepolipowatego raka okrężnicy
- genu p16 w czerniaku rodzinnym
- BRCA1 w raku jajnika

Diagnostyka prenatalna
- obejmuje działania zmierzające do oceny prawidłowości rozwoju anatomicznego i fizjologicznego płodu
- w tym wykrywania wad rozwojowych i chorób genetycznie uwarunkowanych

[obecnie znanych jest około 5000 chorób uwarunkowanych monogenowo; spośród wad rozwojowych ok. 50% uwarunkowanych jest wieloczynnikowo, 7,5% jednogenowo, a 6,5% aberracjami chromosomowymi]

Bezpieczeństwo diagnostyki prenatalnej zależy od doświadczenia osoby badającej i wymaga określenia wskaźników śmiertelności matki i płodu oraz częstości występowania poronień

Badania prenatalne

• Nieinwazyjne

- USG płodu

- badanie dopplerowskie

• Inwazyjne

- amniopunkcja

- biopsja kosmówki

- kordocenteza

- fetoskopia

Badania prenatalne inwazyjne oprócz zwiększenia możliwości utraty ciąży mogą w przypadku niezgodności w układzie Rh doprowadzić do immunizacji matki

Biopsja kosmówki
- jest to pobranie trofoblastycznej tkanki płodu przez szyjkę macicy lub powłoki brzuszne matki
- wykonuje się ją przy pomocy USG w 10-11 tyg.
- wyniki mogą być niedokładne ze względu na mozaikowatość łożyska
- współczynnik utraty płodu jest o 0,5-1% wyższy niż w przypadku punkcji owodni.
- wykazano, że biopsja kosmówki może podnieść ryzyko wad kończyn

Punkcja owodni (amniopunkcja)
- pobranie 15-20 ml płynu owodniowego przez ścianę brzucha matki po zlokalizowaniu łożyska i położenia płodu przy użyciu USG
- wykonuje się ją w 15-17 tyg. ciąży
- standardowe badania cytogenetyczne wykonuje się po hodowli komórek z płynu owodniowego
- ocenia się również płyn owodniowy
- ryzyko utraty płodu jest większe o 0,5% (wynosi 1/200)

U niektórych kobiet dochodzi do rozwoju zakażenia. Przy wczesnej punkcji owodni wzrasta ryzyko utraty płodu i są wyższe wskaźniki anomalii rozwojowych np. stopy.

Kordocenteza

- przezskórne pobranie próbki krwi z pępowiny
- przeprowadza się je po 16 tyg. ciąży
- wykonuje się pod kontrolą USG
- ryzyko utraty płodu jest wyższe niż w poprzednich metodach

Fetoskopia

Inwazyjna technika diagnostyczna, która przy użyciu fibroendoskopu pozwala na: - ocenę anatomiczną płodu
- przeprowadzenie biopsji skóry i wątroby
- pobranie krwi płodu
- wykonanie wewnątrzmacicznej terapii płodu
Wykonuje się ją pomiędzy 15-21 tyg. ciąży

USG (badanie ultrasonograficzne płodu)
W niektórych krajach europejskich przeprowadza się rutynowe przesiewowe badania USG w II trymestrze.

W materiale pobranym metodami inwazyjnymi bada się:

- płyn owodniowy (amniopunkcja) –badania biochemiczne
- komórki – kariotyp, DNA, badania biochemiczne
- krew płodu - badania hematologiczne, bakteriologiczne, wirusologiczne (kordocenteza)

AFP (alfa-fetoproteina)
- białko płodu początkowo wytwarzane w pęcherzyku żółciowym, a potem w wątrobie
- jego poziom wzrasta do 10-14 tyg. ciąży, a następnie stopniowo maleje
- wzrost AFP obserwuje się w wadach cewy nerwowej, poziom AFP jest też większy w przypadkach niedoszacowanego czasu ciąży, śmierci płodu, ciąży bliźniaczej, domieszce krwi i specyficznych wadach rozwojowych (np. przepuklinie pierścienia pępkowego)

Poziom AFP mierzy się w osoczu matki i/lub w płynie owodniowym
Poziom AFP w płynie owodniowym jest badaniem dokładniejszym niż badanie AFP w osoczu matki, ale podwyższa ryzyko utraty płodu.
Zwykle poziom AFP w osoczu matki jest podwyższony, gdy jest 2-2,5 raza większy od prawidłowego. Jednak około 1-2% kobiet wykazuje poziom AFP wyższy od wartości granicznej.

W przypadkach zespołu Downa poziom AFP jest niższy.

Test potrójny - pomiar AFP, niezwiązanego estriolu i ludzkiej gonadotropiny kosmówkowej.

Sam pomiar AFP identyfikuje zespół Downa w 30 % przypadków, natomiast test potrójny w 70% (z 5% wyników fałszywie dodatnich).

Diagnostyka z wykorzystaniem komórek płodu wyizolowanych z krwi matki

Może być dokonywana w 6-8 tyg. ciąży. Polega m.in. na wyizolowaniu jądrzastych krwinek czerwonych płodu w krwiobiegu matki.
Mutacje komórek płodu wykrywa się metodą PCR i FISH.

12