1. Genetika populaci a historie - Masaryk University• řešení ukázkových p říklad ůze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní osnova na ISu) • formou e-výuky (doma

Genetika populac í

Genetika populac í

Doposud – genetika na úrovni bu ňky, organizmu

Genetika populacíÚvod

Genetika populací - jedinec nás nezajímá- pouze jeho gamety a to jako jedny z mnoha = genofond

= soubor všech gamet skupiny jedinců

Populace – mnoho různých definic- skupina organizmů téhož druhu žijící v určitém geograficky vymezeném

areálu, čase a schopných pá ření

Genetika populac í


Genetika populac í

• objevuje se jako výsledek sporu

mendelist ů x biometrik ů

R. C. Punnet W. Bateson K. Pearson W. F. R. Weldon

• pro v ětšinu m ěřitelných znak ů neplatí Mendelovy principy

• Mendelovy principy neplatí v populacích ani pro jednoduché znakypř. brachydaktylie - jedinců s dominantním fenotypem není v populaci většina,

jak biometrici vykládali Mendelovy štěpné poměry

Brachydaktylie - abnormálně krátké, zavalité prsty. Často též malý vzrůst + krátké ruce a nohy.


Genetika populac í

Oba argumenty vyvráceny:• měřitelné znaky – podmíněny polygenní dědičností, tedy větším počtem genů s

mendelovskou dědičností

• brachydaktylie – četnost dominantních alel a fenotypů v populaci odvodil G. H. Hardy a W. Weinberg

Podrobněji o tom za chvíli v rámci Historie genetiky populací

Dvě tváře popula ční genetiky:

• genetika populací je tedy založena na matematice a statistice �

• ale skrývá v sobě úžasné věci pro biology a genetiky ☺

Výpočty jsou jen prost ředkem ke sledování populací.


Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi

Studuje : • strukturu populace - hodnoty alelových četností

Četnost krevní st ředoevropská Papagoskupiny populace (Arizona)

A (IAIA, IAi) 42 % 6 %

0 (ii) 38 94

B (IBIB, IBi) 14 0

AB (IAIB) 6 0

Genetika populac í

Alelovéčetnosti SE Papago%

IA 28 4 IB 11 0i 61 96


• dynamiku populace - jak se mění alelové četnosti z generace na generaci= v dlouhém sledu generací = evoluce

Genetika populací = Evolu ční genetika

Genetika populac í

Populace je z pohledu populační genetiky charakterizována alelovými četnostmi

Studuje : • strukturu populace - hodnoty alelových četností

• ustavení genetické rovnováhy


Genetika populac í

• budeme se učit jak studovat populace z pohledu genetiky• konkrétní aplikace jen jako příklady

Jak studujeme genetiku populací:

Alelové četnosti jsou ovlivněny• způsobem rozmnožování - autogamie x panmixie, příbuzenské křížení• typem dědičnosti – autozomální, gonozomální, vazba• evolučními silami – genetickým driftem, mutacemi, genovým tokem, selekcí

Na populace v p řírodě působí všechny faktory sou časně= sledujeme strukturu populací (alelové četnosti) u modelové populace – např.

• když se jednotlivé generace nepřekrývají• když nepůsobí žádné evoluční faktory a populace je pouze panmiktická• když nepůsobí žádné evoluční faktory, ale v populaci probíhá příbuzenské

křížení• když se sleduje vliv jednotlivých faktorů na alelové četnosti odděleně apod.

Tím se budeme zabývat v pr ůběhu semestru – pochopíme tak, co se asi vše může odehrávat v p řírodních populacích.


Genetika populac í

Využití populační genetiky- Evoluční biologie (Bi8150)- Paleogenetika člověka (Bi6290)


Sylabus

Přednáška – 2 hodiny

1 – Historie genetiky populací2 – Genetická variabilita v populacích (fenotypová, genotypová, genetická

struktura populací) a její stanovení (polymorfizmus a heterozygotnost, typy polymorfizmů, měřítka rozmanitosti, měřítka genetické vzdálenosti, využití)

3 – Organizace genetické variability (modelová populace, Hardy – Weinbergůvprincip, Snyderovy podíly)

4 – Speciální p řípady náhodného oplození (tři a více alel, Bruceho poměry, vazba na pohlaví, vazba a HW rovnováha)

5 – Nenáhodné oplození (výběrové, nenáhodné oplození, inbríding, odhad příbuznosti)

6 – Náhodný genetický posun (malé populace, důsledky, efektivní velikost populace, vliv zakladatele)

7 – Mutace (mutační tlak, počet alel udržovaných v populaci, hypotéza neutrality)8 – Migrace - genový tok (jednosměrná, obousměrná, přerušení izolace, odhad

velikosti migrace)9 – Přírodní výb ěr (zdatnost a adaptivní hodnota, výběr u haploidních, diploidních

organizmů, výběr a rovnováha, rovnováha mezi výběrem a mutací)


Cvičení – 1 + 1 hodina

1 hodina (v libovolném čase)• řešení ukázkových příkladů ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní

osnova na ISu)• formou e-výuky (doma u PC)

Sylabus



1 hodina (v libovolném čase)• řešení ukázkových příkladů ze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní

osnova na ISu)• formou e-výuky (doma u PC)

Sylabus

• lze si zapsat samostatněbez experimentální části

• zápočet za vyřešenéodpovědníky (celkem 21 příkladů, jako příprava na zkouškové příklady)



Sylabus

1 hodina (čt 14:00-14:50, A36-209)• sledování ustavení genetické rovnováhy v populaci D. melanogaster u

znaku vázaného na pohlaví• vyhodnocení popula čních dat a výpo čet alelových četností pomocí

Snyderových podílů (chutnačství a rolování jazyka)• vyhodnocení DNA profilu pro kriminalistické a soudní účely• exkurze na Ústavu soudního léka řství


Literatura

Relichová, Jiřina. Genetika populací . Brno 1997

Relichová, Jiřina. Genetika populací . Brno 2009


Literatura

Interaktivní osnova v IS


Literatura

Elektronická skripta „Genetika populací“


Literatura

Webová stránka s aktuálními zajímavostmi z Genetiky populací a Paleogenetiky

https://sites.google.com/site/lizalpal/home/zaujalo -me


Zakončení

Cvičení


Zakončení

Přednáška – zkouška složená ze dvou částí:

1. část:• úspěšně vyřešit v odpov ědníku t ři vylosované p říklady

- velmi podobné příkladům ze cvičení- řešení doma nebo kdekoliv jinde s literaturou- neomezený čas s opakovaným spuštěním - pro splnění je potřeba 100% úspěšnost

2. část:• ústní zkouška

- jen v případě úspěšně vyřešených příkladů- rozhovor na téma populační genetika (případné

vzorečky lze mít s sebou)

Genetika populací

Historie genetiky populac í

1859 Charles Darwin – „O původu druhů“ – vývoj druhů umožňuje existence variability v populacích = zdroj evoluce přírodním výběrem

1. vědecký popis (genetické) variability

- nebyl však vysv ětlen mechanizmus – „smíšená dědičnost“ či „dědičnost získaných vlastností“ neuměly vysvětlit mechanizmus působení přírodního výběru

- sám Darwin (1868) navrhl jako hypotézu dědičnosti pangenezi- Darwin bohužel neznal Mendlovu práci , která vznikla ve stejnou dobu a která by

dokázala Darwinovy výsledky vysvětlit

Řecký historik Herodotos (5. st. př. n. l.) – první podrobný popis lidské rozmanitosti . Píše například o tmavých a tajemných Libyjcích i o kmeni barbarských lidojedů z ruského severu a dále popisuje lidi, kteří připomínají Turky a Mongoly = první etnografické pojednání.

Genetika populací


Mendel a jeho práce

- popula ční genetika při popisu struktury populací využívá základníprincipy genetiky

- díky principu segregace a principu kombinace m ůžeme předpovídat distribuci genotyp ů v potomstvu

- populační genetika tak vlastně vzniká s genetikou jako takovou a ve své podstatě lze Mendela považovat za jejího zakladatele

Aa x Aa

AA : Aa : aa1 : 2 : 1

1866 „Versuche über Pflanzen-Hybriden “popsal mimo jiné i distribuci genotypů v potomstvu při opakovaném samooplození

Genetika populací


Generace v pom ěru 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 : 2 n-1

Mendelovo zobecnění genotypových štěpných poměrů při opakovaném samooplození monohybrida Aa.

Sám Mendel ve své práci píše:„V desáté generaci je např. 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 ři opakovaném samooplození snižuje na polovinu.

četnostAa

2/4 = 1/24/16 = 1/48/64 = 1/8

16/256 = 1/1632/1024 = 1/32

1/2n

Genetika populací


Dále předpokládal, že toto zobecnění má platnost pouze tehdy, jsou-li všechny genotypy stejn ě plodné, tedy nep ůsobí-li selekce .

Tento popis struktury populací odvozený Mendelem však platí jen pro p řípad samooplození – hrách je typickou rostlinou rozmnožující se samosprášením.

Ve většin ě živo čišných populací však probíhá páření jedinc ů mezi sebou a to náhodn ě.

Genetika populací


Složení populace náhodn ě se křížících jedinců vyřešili v roce 1908 Hardy a Weinberg

• ve své podstatě velmi jednoduchý• stal se základním principem genetiky populací• umožňuje také p ředpovídat genotypové četnosti v dalších generacích

• princip se zrodil jako výsledek sporu mezi mendelisty a biometriky

G. H. Hardy(1877-1947)britský matematikPublikoval totéž několik měsícůpo Weinbergovi, ale anglicky.

Wilhelm Weinberg(1862-1937)německý lékařJako první v němčině- nepovšimnuto.

Hardy-Weinberg ův princip

Genetika populací


• oponenti Mendelových principů tvrdili, že genotypový poměr 1:2:1 a fenotypový poměr 3:1 musí platit v jakékoliv populaci pro většinu znaků

• ovšem jen velmi málo znaků vykazovalo v populacích podobnost s těmito poměry(např. by muselo být v populaci 75 % brachydaktyliků)

= zobecn ění mendelovské d ědičnosti bylo zpochyb ňováno

• R. C. Punnet jako mendelista vyzval právě Hardyho, aby dokázal, že i při platnosti mendelovských princip ů se nemusí v populacích tyto pom ěry objevit

• své zdůvodnění Hardy publikuje v jednostránkovém článku v roce 1908 v časopisu Science („Mendelian proportions in a mixed population“)

Genetika populací


Hardyho zd ůvodn ění

• proč v populacích člověka při platnosti Mendelových principů nepřevládnou jedinci s dominantní chorobou (př. brachydaktýlie)

• genotypové složení populace pro jeden gen se dvěma alelami A, a je:

p : 2q : rpro genotypy AA : Aa : aa

• za předpokladu, že populace bude velká, s náhodným oplozením, stejnou distribucígenotypů u obou pohlaví a všichni jedinci budou stejně fertilní = pak tento pom ěr bude shodný i v následujících generacích

Dnes používáme symboly p a q pro alelové četnosti

• ve druhé generaci se ustaví stabilní pom ěr zdravých a postižených jedinců, který závisí pouze na alelových četnostech

Genetika populací


Hardy-Weinberg ův princip

• ve velké populaci s náhodným oplozením, kde nepůsobí migrace, mutace ani selekce - alelové četnosti se z generace na generaci nem ění

• v dalších letech byl vyřešen vliv inbrídingu a selekce u populací s náhodným oplozením; vliv vícenásobných alelových lokusů a vazby na strukturu populací

Další velikáni popula ční genetiky:

Sir Ronald A. Fisher (1890-1962) britský statistik, evoluční biolog a genetik

• mimo jiné vysvětlil vliv selekce na genetickou strukturu populací

Genetika populací



Sewall Green Wright (1889-1988)americký genetik

• posun v četnosti genů v malých populacích

• některé kombinace genů tak vznikají méně častěji než v populacích větších

• rozdělení populace na malé subpopulace - nejp říznivějšífaktor pro rychlou evoluci (selekce nemá tak velký vliv)

Wright a Fisher propojili Darwinovu evoluční teorii s genetikou - neodarwinizmus

Genetika populací



J. B. S. Haldane (1892-1964)britský genetik a evoluční biolog

• vliv p řírodního výb ěru na strukturu populací

• sledoval změny genetické struktury populací při danýchadaptivních hodnotách různých genotypů

• interakce mezi selekcí, mutací a migrací

„Zlatý v ěk popula ční genetiky “

• Fisher, Wright a Haldane smířili genetiku a biometriku – dědičnost metrických(kvantitativních) znaků je řízena velkým po čtem mendelovských faktor ů

(polygenů)

• kvantifikovali evoluční změny a propojili matematiku, genetiku a evoluční biologii(„nejúspěšnější aplikace matematické teorie v biologii“)

Genetika populací


Bylo již vše tou dobou objeveno?

• poznatky byly jen teoretické na modelových populacích – nyní bylo pot řeba platnost ověřit i na populacích reálných, přírodních

• obtížný úkol – v přírodních populacích působí všechny faktory a proměnnésoučasně a jejich vliv se jen těžko od sebe odlišuje

• závěry 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)původem ruský genetik Teodosij Grigorovič Dobžanskijpo emigraci do USA (1927) pracoval ve „Fly room“

• studoval genetickou variabilitu různých lokálních přírodníchpopulací D. melanogaster

Genetika populací


• v té době již bylo známo, že v přírodních populacích je vysoká genetickározmanitost - Sergej Sergejevi č Četverikov (1880-1959)

• nevědělo se ale, že ji lze studovat mendelovskými metodami – jsou v p řírodních populacích dostate čně zastoupeny recesivní alely?

Nikolaj Petrovi č Dubinin (1907-1998), čestný doktorát MU z roku 1965 – studoval řadu přírodních populací D. melanogaster z oblasti Kavkazu

= vysoké procento letálních alel je skryto v heterozygotním stavu (potvrdil i Dobzhanskya další)

= podíl letálních či jiných nepříznivých recesivních alel v populacích může být ivíce než 15%

Genetika populací


Motoo Kimura (1924-1994)japonský genetik

• rozpracoval důsledky náhodného genetického driftu• rozšířil Fisherovu teorii přírodní selekce o faktory jako dominance

a epistáze• evoluce na molekulární úrovni je především výsledkem

náhodných procesů 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 evoluční teorii na molekulární úrovni a

položil základy směru molekulární evoluce

Genetika populací


V současnosti zažívá rozvoj právě oblast molekulární evoluce – zkoumání evoluce dříve pomocí polymorfizmu izoenzymů, dnes již spíše na úrovni sekvence DNA .

Zkoumá se také propojení práv ě mezi evolucí molekulární, fyziologickou, morfologickou a vlivem p řírodního výb ěru (adaptivní hodnotou).

• Evoluce na úrovni DNA nemusí nutně odrážet evoluci na úrovni fenotypůskupiny jedinců.

• A jak je provázána s evolucí socio-kulturní (rozvoj technologií a umění).

Documents

1. Genetika populaci a historie - Masaryk University• řešení ukázkových p říklad ůze skript (zdroj: skripta, e-skripta, Interaktivní osnova na ISu) • formou e-výuky (doma