Inovace studiamolekulární a buněčné biologiereg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0354

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Populační genetika (KBB/PG)

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Historie populační genetiky, základní pojmy,

polymorfní lokusy

RNDr. Petr Nádvorník, Ph.D.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Cíl přednášky

- Seznámení s historií populační genetiky, se základními termíny oboru a se způsobem studia polymorfních lokusů

Klíčová slova

- Populace, dema, genetická variace, polymorfní lokus, polymorfismus, heterozygotnost, alelová a genotypová četnost

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Populační genetika

J. Relichová: Genetika populací. Masarykova Univerzita, Brno, 2001.

J. Nečásek, I. Cetl a kol.: Obecná genetika. SPN, Praha, 1984.

D.L. Hart, A.G. Clark: Principles of Population Genetics. Sinauer Associates,Sunderland, 1997, 3. vydání.

R. Halliburton: Introduction to Population Genetics. Pearson Prentice Hall,Upper Saddle River, 2004.

J. Flegr: Evoluční biologie, Academia, Praha, 2005.

Doporučená literatura:

Historie populační genetiky

(~1900-1920)

- Znovuobjevení Mendelových zákonů

- Matematický popis změn alelových a genotypových frekvencí v populacích

- 1908 Hardy – Weinbergův zákon

Gregor Mendel (1822-1884)

Godfrey H. Hardy(1877–1947)

Wilhelm Weinberg(1862–1937)

(1920-1950)

- Studium genetické variability uvnitř a mezi populacemi

- John B. S. Haldane – studium selekce

- Ronald Fisher – studium korelací, fenotypů, epistaze, asortativního oplození

- Sewall Wright – studium epistaze a inbreedingu

- Počátky uplatňování eugeniky

Ronald Fisher(1890–1962)

Sewall Wright 1889-1988

John Haldane(1892- 1964)

(1950-1960)

- Motoo Kimura – teorie neutrality

- Gustave Malécot – studium korelace a vazby

- Theodosius Dobzhansky (Феодосий Григорьевич Добржанский) – genetickéa evoluční studie

Motoo Kimura(1924-1994)

Gustave Malécot(1911–1998)

Theodosius Dobzhansky(1900-1975)

(1960-1980)

- Objev alozymového polymorfizmu

- Objev struktury DNA

- Objev sekvenování DNA

(1980-2011)

- Objev PCR a dalších technik molekulární biologie

- Rozšíření výkonných počítačů

- Sofistikovaný software

(2011-????)

- Moderní matematické zpracování

- Integrace nových směrů (evoluce mitochondrií, multigenové rodiny, transpozóny, viry, …) do obecné teorie genetiky a evoluce

- Popis vztahů mezi evolucí molekulární, fyziologickou, morfologickou a fitness

Využití populační genetiky

Evoluční studie (speciace, evoluce genů, …)

Ekologie (migrace, rozmnožování, …)

Medicína (dědičné choroby a jejich šíření v populacích, …)

Šlechtitelství (kvantitativní znaky, …)

Taxonomie (fylogeneze, speciace, …)

Epidemiologie (rekombinace patogenů, šíření nákaz, …)

Populační genetika- studuje genetickou strukturu populací a změny této struktury

z generace na generaci

- dokumentuje, analyzuje a vysvětluje přírodní genetickou rozmanitost

Populace: - skupina individuí téhož druhu, jejíž členové jsou mezi sebou spojeni příbuzenskými vztahy- reprodukční společenství jedinců určitého druhu, kteří se podílejí na společném genovém fondu

(Lokální) populace = demy = mendelovské populace = subpopulace

Genofond (genový fond populace) = společný soubor gamet a zygot všech jedinců populace (N jedinců = 2N hapl. genomů)

Genetická variace (rozmanitost) Fenotypová rozmanitost – univerzální

vlastnost přírodních populací

Důležité: genotypové rozdíly mezi jedinci (často mnohonásobný alelismus)

Vyjádření genetické variace – odhady ze studia určitého počtu genů

Odhady genetické variace v populacích1. studium polymorfních lokusů (jejich podíl v populaci)2. podíl heterozygotních lokusů u typického člena populace

Studium reprezentativního vzorku ►extrapolace na populaci

Studium polymorfních lokusůVýpočet četnosti alel (=relativní zastoupení alel na daném lokusu)1) Z počtu genotypů

Odhad četnosti alely A:<p> = ( 2AA + Aa) / 2n

Odhad variance vzorku:<Var (<p>)> = <p> (1 – <p>) / 2n

2) Z počtu jedinců v jednotlivých fenotypových třídách (pokud fenotypy odpovídají genotypovým třídám)

3) Z genotypových četností

Odhad četnosti alely A:<p> = f(AA) + f(Aa) / 2

Př.1: Výpočet alelových četností z počtu genotypů

Genotyp F/F Genotyp F/S Genotyp S/S Celkem

Počet jedinců 8 6 2 16

Počet alel F 16 6 0 22

Počet alel S 0 6 4 10

Počet alel F+S 16 12 4 32

Četnost alely S = (6+4) / 32 = 0,3125

Četnost alely F = (16+6) / 32 = 0,6875

Př.2: Výpočet alelových četností z počtu jedincův jednotlivých fenotypových třídách a z genotypových

četnostíKrevní skupina Genotyp Počet ČetnostM LM LM 22 0,030MN LM LN 216 0,296N LN LN 492 0,674Celkem 730 1

Výpočet alelových četností z počtu jedinců v jednotlivých fenotypových třídách:

pLM = [ 2x22 + 216] / [2x730] = 0,178pLN = [ 2x492 + 216] / [2x730] = 0,822

Výpočet alelových četností z genotypových četností:

pLM = 0,030 + 0,296 / 2 = 0,178pLN = 0,674 + 0,296 / 2 = 0,822

Výpočet alelových četností pro lokus s více alelami

Lokus a alelami A1, A2 a A3

1) Z počtu genotypů

p = f(A1) = ( 2A1A1 + A1A2 + A1A3) / 2nq = f(A2) = ( 2A2A2 + A1A2 + A2A3) / 2nr = f(A3) = ( 2A3A3 + A1A3 + A2A3) / 2n

2) Z genotypových četností

p = f(A1) = f(A1A1) + f(A1A2)/2 + f(A1A3)/2q = f(A2) = f(A2A2) + f(A1A2)/2 + f(A2A3)/2r = f(A3) = f(A3A3) + f(A1A3)/2 + f(A2A3)/2

Výpočet alelových četností pro geny na X chromozomu

Samice nesou dvě alely, samci jednu

p = f(XA) = [2 x (XAXA ♀) + (XAXa ♀) + (XAY ♂)] / [2 x (♀) + (♂)]

q = f(Xa) = [2 x (XaXa ♀) + (XAXa ♀) + (XaY ♂)] / [2 x (♀) + (♂)]

Pokud jsou počty samců a samic shodné

p = f(XA) = 2/3 [(XAXA) + 1/2 (XAXa)] + 1/3 (XAY)

q = f(Xa) = 2/3 [(XaXa) + 1/2 (XAXa)] + 1/3 (XaY)

Míry genetické variace Kvantitativní ukazatelé vyjádření četností variant různých genů v populacích Umožňují srovnání různých populací mezi sebou Polymorfizmus a heterozygotnost

Polymorfizmus:• Udává podíl polymorfních lokusů v populaci• Lokus polymorfní, pokud frekvence nejčetnější alely není větší než 95 %

(případně 99 %)• Použitím různých kritérií dostaneme různé hodnoty polymorfizmu• Není přesnou mírou genetické variace (např. 2 lokusy: lokus1 má 2 alely

s četnostmi 0,95 a 0,05, lokus2 má 20 alel s četností 0,05)

Př.3: Studium 30 lokusů červa Phoronopsis viridis. 12 lokusů bez variace, 18 lokusů polymorfních.

Pol = 18/30 = 0,6 ~ 60 %

Možno stanovit průměrný polymorfizmus zprůměrováním polymorfizmu více populací.

Heterozygotnost:• = průměrná četnost heterozygotních jedinců (v určitých lokusech)• Nezahrnuje v sobě elementy volnosti a nepřesnosti• Nejprve se stanoví četnosti heterozygotních jedinců v každém lokusu, pak

průměr pro všechny lokusy

Př.4: Výpočet průměrné heterozygotnosti na čtyřech lokusech

Lokus Počet jedinců Heterozygotnost

heterozygotních celkem1 25 100 25 / 100 = 0,252 42 100 42 / 100 = 0,423 9 100 9 / 100 = 0,094 0 100 0 / 100 = 0,00

Průměrná heterozygotnost: (0,25+0,42+0,09+0,00) / 4 = 0,19

• Heterozygotnost je mírou pravděpodobnosti, že se dvě alely daného lokusu náhodně vybrané v populaci projeví jako rozdílné

• Platí to pouze v populacích s náhodným oplozením!!!

• V populacích se samooplozením a s určitým podílem příbuzenského křížení je zvýšený podíl homozygotů oproti populaci s náhodným oplozením

• Eliminuje se výpočtem očekávané heterozygotnosti (Hexp)

Výpočet Hexp:

Polymorfní lokus s n alelami A1, A2, A3, … , An

Očekávané četnosti homozygotů při náhodném oplození: A12, A2

2, A32, … , An

2

Hexp = 1 – (A12 + A2

2 + A32 + … + An

2)

Odhad celkové genetické variace v přírodních populacích

Odhad průměrné heterozygotnosti v lidské populaci ~ 6,7 %

Člověk ~ 30 000 genů, tedy je heterozygotní ve 30 000 x 0,067 = 2 010 lokusech

Teoreticky může vzniknout 2n gamet

22010 = 10605 různých gamet (celkový počet protonů a neutronů na Zemi asi 1076)

Genetická shoda pouze u jednovaječných dvojčat

Žádné 2 organismy na Zemi vzniklé z různých zygot nemohou být geneticky shodné!!! (žádné 2 nezávisle vzniklé gamety nemohou být úplně shodné – i když různá spojení alel v gametách nejsou stejně pravděpodobná)

Způsoby studia molekulární variace Analýza proteinů

Studium alozymů, proteinový fingerprinting (IEF)

Analýza DNA

Restrikční polymorfizmus (RFLP), AFLP, RAPD, sekvenční polymorfizmus, konformační polymorfizmus

Polymorfizmus repetitivních sekvencí (Mikrosatelitováa minisatelitová analýza)

Analýza informačních makromolekul odhaluje skrytou genetickou variaci, která není pozorovatelná na úrovni genotypů

Využití genetického polymorfizmu

Poskytuje markery pro genetické studie organismů

Možno využít tam, kde není proveditelná klasická genetická analýza

Studie genetických vztahů (např. mezi populacemi – odhady migrace, nalezení společného předka)

Monitoring škodlivých genů (např. dědičná choroba) v lidské populaci ► včasná diagnóza postižených jedinců (polymorfní gen slouží jako přirozený genetický marker)

Studium přirozených způsobů rozmnožování (pomocí četností alternativních genotypů)

Studie původu skupin organismů

Znak Standardní alela Mutantní alela Dominance

Barva těla y+ šedé tělo y žluté tělo y+ nad y

Tvar oka B+ eliptické oko B úzké oko B nad B+

Značení alel

•Alely dominantní a recesivní (A,a)

•Nově – odvození od formy znaku, která vznikla mutací z formy standardní