Теория биологической эволюции. Особенности популяционной генетики.

1. Тема лекции: Теория биологической эволюции. Особенности популяционной генетики.

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

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

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

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

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

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

8. От количества членов популяции: • Изоляты. • Демы. • Большие популяции.

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

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

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

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

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

14. Математическая зависимость между частотами генов и генотипов. Установили: математик Г.Харди в Англии и врач В. Вайнберг в Германии (1908г.). 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: p2(AA) + 2pg(Aa) + g2(aa) = 1 p(A) + g(a) = 1

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

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

17. Изменение генетической структуры и генофонда популяции – элементарное эволюционное явление.

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

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

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

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

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

23. Дрейф генов в изолятах. Эффект родоначальника – Случайно один из основателей новой малочисленной популяции является носителем редкого аллеля.

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

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

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

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

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

29. 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.

30. 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.

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

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

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

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

35. Например, так был локализован в 4-ой аутосоме доминантный ген болезни Гентингтона, который наследуется вместе с полиморфным ДНК-маркером G8. Аллельные варианты маркера: А. В, С. Д. Болезнь Гентингтона наследуется с аллелем С. Р мать АС х отец АВ б.Гентингтона здоров в 50лет F 1. ВС, 2. АС, 3. АА. 30л. 25л. 20л. З д о р о в ы е У потомков 1 и 2 после 40 лет может развиться болезнь Гентингтона.

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

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

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

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

40. Генный полиморфизм –наличие двух и более аллелей одного гена. Полиморфные системы человека

41. 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

42. Адаптивный (экологический) генный полиморфизм – отбор особей с разными генотипами, генетически оказывающихся лучше адаптированными к меняющимся условиям среды Аллели генов человека, имеющих адаптивное значение

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