🗊Презентация Генофонд человеческих популяций, факторы его динамики. Популяционно-статистический анализ

Лекция 6 Тема: Генофонд человеческих популяций, факторы его динамики. Популяционно-статистический анализ.

Статистический (математический) метод В работе Г.Менделя этот метод впервые был применен для количественной оценки наследуемости отдельных признаков у анализируемых растений (горох), что позволило установить закономерности наследования при моно- и дигибридном скрещивании. В настоящее время метод чаще используется в медико-генетических исследованиях для определения вероятности рождения детей (больных или здоровых) в семьях с отягощенной наследственностью. Вероятность выражается в процентах. Метод широко применяется при проведении популяционных исследований - популяционно-статистический анализ

Популяция – это некоторая часть вида, которая исторически отделившись от основного массива своего вида, заняла новую экологическую нишу и сформировала собственный генофонд Генофонд – это совокупность всего генетического материала всех членов одного вида (генофонд вида) или популяции (генофонд популяции). Генофонд формируется из совокупности доминантных и рецессивных генов, определяющих все признаки всех членов сообщества. Некую долю генофонда - составляют мутантные доминантные или рецессивные гены, которые обусловливают патологические признаки (наследственные болезни человека) - это генетический груз генофонда вида или популяции.

Для определения величины генетического груза в популяции или частоты отдельных патологических генов в её генофонде используется математическое уравнение Харди-Вайнберга : р2 + 2pq + q2 = 1 или (100%), где : р – доминантные гены, а q – рецессивные гены Сумма всех доминантнах и всех рецессивных генов образуют генофонд популяции (р+q=1) р2 - частота индивидов в популяции гомозиготных по доминантным генам (рр); q2 – частота индивидов гомозиготных по рецессивным генам (qq); рq – частота индивидов гетерозиготных. Для определения числа членов популяции с различными генотипами необходимо:

1. Установить размер популяции, т.е. численность всех членов; 2. Определить количество индивидов с рецессивными фенотипами по анализируемому признаку, что соответствует генотипам гомозиготным по рецессивным генам (qq или q2 ); 3. Определить частоту гомозигот по рецессивным генам среди всех членов популяции (N/ nqq ); 4. Определить частоту рецессивного гена q= N/nqq 5. Определить частоту доминантного гена: р= 1- q 6. Определить частоту гетерозигот - pq 7. Сопоставляя частоты генотипов с общей численностью популяции определяется количество гетерозигот – скрытых носителей рецессивных генов. Пример: В популяции численностью 100 000 человек у 10 человек диагностирован альбинизм (аутосомно - рецессивный признак). Необходимо определить предполагаемое количество фенотипически здоровых носителей рецессивных генов, т.е. гетерозигот, которые могут передать эти гены последующим поколениям.

По определению Н.В.Тимофеева-Ресовского (1933 г) «Популяция - это группа особей определенного вида, которая: 1) в течение достаточно длительного времени (большого числа поколений) населяет конкретный ареал; 2) в той или иной степени случайно скрещивается в его пределах; 3) не имеет внутри себя заметных изоляционных барьеров; отделена от соседних групп этого вида той или иной степенью давления тех или иных форм изоляции».

Человеческие популяции формируются исторически в течение нескольких поколений. Поколение – это средний возраст родителей к моменту рождения среднего ребенка, в семьях с законченной репродуктивной функцией. Пример: в ядерной семье (полная по составу), где возраст обоих супругов 56 лет, имеется 3 ребенка. Первый ребенок родился, когда родителям было по 23 года, 2-й - в возрасте 26 лет, а 3-й – 30 лет. Поскольку 2-й ребенок в данной семье является средним, то и средний возраст родителей будет составлять 26 лет. По совокупности аналогичных оценок в других семьях определяется средний размер поколения для конкретной исследуемой популяции.

Случайное скрещивание или панмиксия - подразумевает систему формирования брачных пар не зависящую от генотипов особей или других ограничивающих этот процесс факторов. При этом все брачные пары формируются из членов одной популяции. В результате брачного миксиса формируется генофонд соответствующей популяции. Генофонд популяции – это совокупность всех генов (доминантных и рецессивных) всех членов отдельной популяции. Некоторая часть генофонда состоит из мутантных (патологических) генов, которые образуют генетический груз популяции. Величину генетического груза в отдельной популяции можно определить по уравнению Харди-Вайнберга ( р2+2pq+q 2 =1).

Генофонд популяции – это совокупность всех генов всех членов одной популяции. «… Мы стоим у края необъятного моря. Тысячи различных драгоценных или вредных веществ – гены растворены в этом море… и море это волнуется. Неслышными взрывами ежеминутно взрываются в нем мутации, даря нам ценности или отравляя это море новыми ядами. Медленно расползаются диффузными процессами эти гены, захватывая все новые и новые зоны. Сложными потоками переливаются, смешиваясь и крутясь, разноцветными струями, рождая новые комбинации генов, часто еще неведомые человеку… Имя этому морю – генофонд… Познать, понять и овладеть его взволнованной многосложной жизнью – наша благородная задача!» А.С Серебровский

Факторы динамики генофонда: демографические или социальные биологические или генетические Демографические факторы: Размер популяции (общая численность); Половозрастной состав (число мужских и женских индивидов, возраст по группам: дорепродуктивный, репродуктивный, пострепродуктивный возраст), эффективный размер популяции; 3) Брачная ассортативность – предпочтительность в выборе брачного партнёра (по этническим, экономическим, религиозным и др. причинам); 4) Индекс эндогамии (экзогамии) - % браков, заключенных между членами одной популяции (других популяций) за несколько прошедших лет;

5) Брачные миграции – географические расстояния (в км) между местами рождения обоих брачующихся; 5) Брачные миграции – географические расстояния (в км) между местами рождения обоих брачующихся; 6) Гаметный индекс – число гамет, возникших в пределах анализируемой популяции (зарегистрированные беременности), завершившихся живорожденными детьми за некоторый временной период; 7) Изоляция от других популяций (географическая, экологическая, этническая и др.) Популяции численностью до 1500 человек называются изолят, численностью от 1500 до 4000 – дем, более 4000 – популяция.

Генетические факторы: Дрейф генов или генетико-автоматические процессы (эффект основателя или эффект «горлышка бутылки») – это изменение частоты аллелей в ряду поколений в силу случайной ошибки выборки. Н.П.Дубинин, Д.Д.Ромашов и С.Райт в 30-х гг. показали, что дрейф генов приводит к изменению частот аллелей в популяциях конечной численности. Популяция «не имеет памяти» о том, в каком состоянии она находилась много поколений назад, поскольку постоянно изменяются частоты аллелей в каждом поколении и эти случайные флуктуации частот генов могут проявиться накоплением доминантных или рецессивных генов в генофонде. Изменение частоты аллелей будет происходить тем быстрее, чем меньше численность популяции.

2) Мутационный процесс. Спонтанный мутагенез в популяциях человека составляют 10-5-10-6 на одну гамету за одно поколение. Так, если частота доминантного аллеля А в результате мутации уменьшится с 1 до 0,99 потребуется 1000 поколений, для уменьшения частоты аллеля А с 0,5 до 0,49 , т.е на 0,01 потребуется 2000 поколений. Даже увеличение темпа мутирования вдвое не ускорит значительно процесс изменения частоты аллеля. Следовательно, изменение частоты нормального гена А за поколение будет падать по мере уменьшения частоты этого аллеля в генофонде популяции.

3) Естественный отбор. В нативных (природных) популяциях является одним из основных факторов изменения популяционной структуры. В популяциях Homo sapiens роль естественного отбора, как фактора изменяющего генофонд и структуру популяций снижена (наука, медицина, социальное обустройство и др.). Однако, в результате спонтанных абортов, мертворождений и смерти детей после рождения не доживших до репродуктивного возраста и не реализовавших свои гены в последующих поколениях, формируют естественный отбор, величина которого в популяциях определяется как индекс Кроу по формуле: I tot = Im +1 | Ps x If, где I tot – величина естественного отбора, Im – индекс смертности (Im=Pd|Ps , где Pd - доля не доживших до репродуктивного возраста; Ps- доля, доживших до репродуктивного возраста; If – индекс плодовитости: If= Vx|x2 , где х- среднее число детей в семье (размер семьи), Vx - дисперсия.

4) Инбридинг – фактор генетической однородности популяции или выраженность гомозиготности ее членов. Инбридинг в популяциях может быть: случайный, неслучайный (генеалогический), тотальный. Случайный инбридинг (Fst) – отражает корреляцию между случайно объединяющимися гаметами в субпопуляции относительно всей популяции. Этой статистикой можно оценить степень генетической дифференциации популяций. Неслучайный инбридинг (Fis) – это мера отклонения от панмиксии в элементарной популяции или усредненная оценка для нескольких популяций. Она позволяет оценить брачную ассортативность в популяции.

Тотальный инбридинг (Fit) – отношение доли объединяющихся гамет относительно всей популяции. Его определяют как сумму Fst и Fit. Оценка случайного инбридинга в популяции проводится по формуле : Fst=Σqi 2 /4 , где q I - частота признака в популяции. Оценка неслучайного инбридинга ( Fis) рассчитывается по формуле: Fis= Fit – Fst / 1-Fst. Величина тотального инбридинга складывается из случайного и неслучайного инбридинга: Fit=Fst (1-Fis)+Fis Дж.Кроу для оценки F - статистик предложил использовать фамилии членов популяции в качестве генетического маркера.

Fst = ¼ S im · Sif , где S if – частота фамилий у женщин, Sim – частота фамилий у мужчин. Если различиями частот фамилий между мужчинами и женщинами пренебречь, то Fst = Σ q I 2 / 4 . Fis - компонента, возникающая в результате брачной ассортативности из уравнения: Fis=Fit-Fst / 1-Fst. Fit определяется как наблюдаемая доля изонимных (однофамильных) браков в популяции, разделенная на 4.