Теория биологической эволюции. Особенности популяционной генетики.

План 1. Популяция – элементарная эволюционная единица. Частоты генов и генотипов в популяции – закон Харди – Вайнберга. 2. Элементарные эволюционные факторы. 3. Формы генетического полиморфизма в человеческих популяциях.

Популяционный метод n Основан на изучении генетических закономерностей в популяциях человека. n Позволяет оценить вероятность рождения лиц с определенным фенотипом в данной группе населения (семье). n Позволяет рассчитать частоту носительства в гетерозиготном состоянии рецессивных аллелей.

Биологическая эволюция – необратимое, историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом.

Популяция – совокупность особей одного вида, обладающих общим генофондом и занимающих определенную территорию Панмиксия – возможность свободного скрещивания особей внутри популяции

Генетические показатели здоровья населения n Степень инбредности. n Степень гетерозиготности. n Частота и распределение мутантных генов в популяции человека. n Частота особей с разными генотипами.

Генетический анализ популяции: n Изучение распространенности того или иного признака (болезни). n Определение генетической структуры популяции по этому признаку.

От количества членов популяции: 1. Изоляты. 2. Демы. 3. Большие популяции.

Изоляты: n Численность не более 1500 человек. n Представители из других групп людей не более 1%. n Частота внутригрупповых браков свыше 90%. n Естественный прирост населения за 25 лет менее 25%.

Демы: n Численность от1500 до 4000 человек. n Представители других групп людей – 1 -2%. n Частота внутригрупповых браков 80 -90%. n Прирост населения за 25 лет не более 25%.

Большие популяции: n Характеризуются большим количеством членов и численно продолжают возрастать (население города). n В них снижается действие естественного отбора. n Преобладают панмиктические браки (свободный подбор супружеских пар).

Система браков, определяющая генетическую структуру популяции: 1. Кровнородственные браки (инбридинг), ведущие к гомозиготизации: n Запретные браки (1 или 2 степень родства). n Браки внутри изолятов. n Кровнородственные браки в большой популяции (национальные или религиозные). n Генетические эффекты у потомства: увеличение частоты мертворождений и врожденных уродств, ранней смертности и наследственных болезней у потомства.

2. Браки неродственных людей: n Ассортативные браки – между людьми со сходным фенотипом. По генетическому эффекту приравниваются к кровнородственным бракам. n Браки неродственных людей в больших популяциях (увеличивают степень гетерозиготности – аутбридинг). n Браки далеко неродственных людей из разных больших и малых рас (аутбридинг). n Генетические эффекты у потомства: снижение частот рецессивных заболеваний, гетерозис – гибридная сила.

Математическая зависимость между частотами генов и генотипов. Установили: математик Г. Харди в Англии и врач В. Вайнберг в Германии (1908 г. ). Закон Харди – Вайнберга – в большой панмиктической популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот генотипических классов особей. Установившееся равновесие генотипов (АА, Аа, аа) описывается равенством: p 2(AA) + 2 pg(Aa) + g 2(aa) = 1 p(A) + g(a) = 1

Частота гетерозигот (Аа) по рецессивным мутантным генам всегда в несколько раз выше частоты больных (аа). Например: n Частота гетерозигот по гену ФКУ – 1 : 70. n Частота больных ФКУ - 1 : 20000.

Условия равновесия генотипов в популяции: n Наличие панмиксии. n Отсутствие мутационного процесса. n Отсутствие отбора. n Равная плодовитость гомо- и гетерозигот. n Большая численность популяции.

Изменение генетической структуры и генофонда популяции – элементарное эволюционное явление.

Основные элементарные эволюционные факторы: n Мутационный процесс. n Дрейф и миграция генов. n Изоляция. n Естественный отбор.

Мутационный процесс характеризуется: n Это постоянно действующий фактор. n Ненаправленный фактор, ведет к появлению самых разных мутаций – элементарного эволюционного материала. n Постоянно поддерживает высокую степень гетерогенности популяций. n Приводит к накоплению отрицательных мутаций – «генетический груз» (6% от общего числа новорожденных). Каждый из нас – носитель 8 вредных мутаций, скрытых у Аа.

Оценка интенсивности мутационного процесса. n Частота спонтанных абортов. n Частота врожденных пороков развития. n Частота наследственных болезней.

Мутации изменяют генетическую структуру популяции с очень малой скоростью. Например, чтобы снизить частоту гена (А) от 0, 5 до 0, 49 потребуется 2000 поколений.

Дрейф генов – случайные ненаправленные изменения в частоте генов, происходящие в каждом поколении. n Наблюдается при резких изменениях численности популяций (популяционные волны). n При этом, ранее присутствующие в малых концентрациях мутантные гены могут исчезнуть из популяции, а концентрация других мутаций может случайно резко повыситься. n Дрейф генов особенно заметен в изолятах.

Дрейф генов в изолятах. Признак Распространение Отрицательный Среди жителей Памира резус встречается в 2 -3 раза реже, чем в Европе Карликовость Изолированная популяция в США (штат Пенсильвания). 8000 человек этого изолята – потомки 3 супружеских пар Эффект родоначальника – Случайно один из основателей новой малочисленной популяции является носителем редкого аллеля.

Изоляция – нарушение панмиксии, что закрепляет и усиливает начальные стадии генетической неоднородности особей в популяции. Виды изоляции в человеческих популяциях: n Пространственная. n Социально обусловленная. n Религиозная. n Национальная. Результаты изоляции. n Ограничение численности популяции, n Возрастание степени родства брачных партнеров (инбридинг). n Дрейф генов.

Естественный отбор – выживание особей, наиболее приспособленных к данным условиям среды. Действие Е. О. придает направленность эволюции. Формы Е. О. 1. Стабилизирующий : n Направлен на поддержание в популяции среднего значения признака, все отклонения от сложившейся нормы отметаются отбором. n Оберегает виды от существенных изменений. n Поддерживает определенную стабильность в живой природе. Например, доля мертворожденных детей резко возрастает за границами веса 2500 – 4400 г.

2. Движущий: n Способствует сдвигу среднего значения признака. n Например, выработка устойчивости к антибиотикам у болезнетворных микроорганизмов. 3. Дизруптивный: n Отбирается ни одна, а две и более нормы. n Благоприятствует более, чем одному фенотипу и ни один из них не имеет решающего преимущества перед другими. n Приводит к формированию полиморфных систем.

«Генетический груз» - это плата за резкое снижение действия Е. О. в человеческих популяциях.

Действие стабилизирующего отбора у человека: 1. Почти половина зачатий не заканчивается рождением ребенка. 2. Спонтанные аборты составляют 15% от всех зачатий. 3. Мертворождения – 2% от всех зачатий. 4. Детская смертность – 2 -3% от всех зачатий. 5. Часть браков бесплодна. 6. Часть людей не вступает в брак.

1. Возможна ли элиминация рецессивного мутантного гена из популяции путем уничтожения или стирилизации гомозигот (аа)? Если исходная частота аллеля – 0, 01, то чтобы снизить ее до 0, 001, потребуется 900 поколений. Большинство аллелей содержится в генотипах гетерозигот. 2. Изменится ли частота рецессивного мутантного гена в популяции при лечении всех гомозигот (аа)? Например, частота аллеля ФКУ – 0, 006. Если все больные ФКУ будут излечиваться, то частота гена ФКУ на одно поколение изменится от 0, 006 до 0, 006036. Частота гена ФКУ возрастала бы очень медленно, а частота гомозигот – еще медленнее.

Основной результат биологической эволюции – видообразование – в человеческом обществе не реализуется, а действие эволюционных факторов на человека приводит в основном к возникновению генетического полиморфизма и морфофизиологической дифференциации человечества.

Полиморфизм – наличие в пределах одного вида резко отличных по облику особей, не имеющих переходных форм.

Наследственная основа генетического полиморфизма: n Мутационная изменчивость. n Комбинативная изменчивость. Генетический полиморфизм: n Полиморфизм ДНК. n Генный. n Хромосомный. n Геномный.

Полиморфизм ДНК: n Рестрикционный. n Наличие гипервариабельных участков – мини-сателлитов.

Рестрикционный полиморфизм: n Полиморфизм по длине рестрикционных фрагментов. n Ферменты (рестриктазы) разрезают ДНК только в определенных сайтах, которые узнают. n Используется для картирования генов человека.

Например, так был локализован в 4 -ой аутосоме доминантный ген болезни Гентингтона, который наследуется вместе с полиморфным ДНК-маркером G 8. Аллельные варианты маркера: А. В, С. Д. Болезнь Гентингтона наследуется с аллелем С. Р мать АС х отец АВ б. Гентингтона здоров в 50 лет F 1. ВС, 2. АС, 3. АА. 30 л. 25 л. 20 л. Здоровые У потомков 1 и 2 после 40 лет может развиться болезнь Гентингтона.

Наличие в ДНК гипервариабельных участков n Различное число и разная последовательность тандемных повторов из 10 -15 пар нуклеотидов. n Вероятность совпадения набора участков у разных людей практически нулевая. n Метод выявления таких участков применяется в судебной экспертизе, микробиологии, эпидемиологии и др.

Геноскопия – идентификация личности на основании особенностей строения ДНК. Основные этапы метода: 1. Берется кровь из пальца или вены (реже клетки кожи, плаценты, сперматозоиды и др. ). 2. Из ядер лейкоцитов выделяется ДНК. 3. ДНК с помощью рестрикционных ферментов разрезается на отдельные фрагменты. 4. Перенос ДНК-фрагментов на специальные мембраны для разделения на фрагменты (электрофорез). 5. Добавление радиоактивной метки и получение ДНК- отпечатка на рентгеновской пленке. 6. Идентификация ДНК-отпечатков.

Геноскопия. ДНК-отпечатки матери, ребенка и двух предполагаемых отцов

Семейный анализ фрагментов ДНК с помощью блот- гибридизации по Саузерну М – мать Р – ребенок О – отец

Генный полиморфизм – наличие двух и более аллелей одного гена. Полиморфные системы человека Название Основные аллели АВО(Н) А 1, А 2, В, Н Резус Комплекс генов: С, с, Д, д, Е, е Лейкоцитарные A-25, B-50, C-8, D-35, DR-16 Антигены - HLA

Балансированный (гетерозиготный) полиморфизм – способствует сохранению в популяции рецессивных аллелей за счет селективного преимущества гетерозиготных особей. Гемоглобинопатии человека и их распространение в регионах, не благополучных по тропической малярии Аллель Гемоглобино- Распространение патия Hb. S Анемия S Тропическая Африка, Средиземноморье (у 40% населения) Hb. C Анемия C Западная Африка Hb. D Анемия D Северо-Западная Индия, негритянское население США

Адаптивный (экологический) генный полиморфизм – отбор особей с разными генотипами, генетически оказывающихся лучше адаптированными к меняющимся условиям среды Аллели генов человека, имеющих адаптивное значение Аллели Адаптивное значение Аллель А (АВО) Относительная устойчивость к язвенной болезни желудка и 12 - перстной кишки Аллель В (АВО) Относительная устойчивость к чуме Аллель DRw 6 (HLA) Устойчивость к инсулин-зависимому сахарному диабету

Хромосомный полиморфизм: n Аберрации (инверсии, сбалансированные транслокации). n Изменения количества гетерохроматина. Геномный полиморфизм: n Анеуплоидные зиготы по хромосомам с 1 по 12 – летальны. n С 13 по 22 – сублетальны. n По Х- и У-хромосомам - жизнеспособны.