Основы популяционной и эволюционной генетики
advertisement
Основы популяционной и эволюционной генетики Популяционная генетика - раздел генетики, изучающий генофонд популяций и его изменение в пространстве и во времени. Возникновение популяционной генетики было обусловлено, прежде всего, попытками соединения в единое целое дарвиновской теории эволюции и менделевского учения о наследственности. По этой причине в круг ее основных задач входит изучение генетической структуры популяций и особенности изменения этой структуры из поколения в поколение. Эволюционная генетика Так как наследственные изменения, происходящие в ряду поколений, лежат в основе процесса эволюции, то популяционную генетику можно рассматривать в качестве основной составляющей эволюционной генетики, а также эволюционного учения в целом. Это положение связано еще и с тем, что элементарной единицей эволюционного процесса является именно популяция, а не конкретный отдельный организм и не вид в целом. Популяция - представляет собой совокупность особей одного вида, связанных возможностью свободного скрещивания и обладающих общей территорией обитания (ареал). В том случае если популяция репродуцируется половым путем – принято говорить о т.н. менделевской популяции. Менделевскими популяциями наиболее высокого ранга являются виды. Как правило, отдельные виды полностью генетически изолированы друг от друга т.к. существует эволюционно выработанная система изолирующих репродуктивных механизмов. Генофонд При изучении популяционной и эволюционной генетики большое значение имеет представление о генофонде вида либо о генофонде популяции. Генофондом называется совокупность генов всех особей популяции. Генофонды отдельных популяций составляют генофонд вида в целом. Полиморфизм Особи одной популяции имеют разные генотипы, т.е. обладают генетическим полиморфизмом. Этим свойством популяции отличаются от чистых линий, представляющих совокупность однородных гомозиготных особей. Важным следствием этого является тот факт, что отбор может идти только в популяциях, но не в чистых линиях. Изменчивость генофонда Существование наследственной изменчивости генофонда в природных популяциях – это непременное условие эволюции. Изменчивость генофонда принято определять, используя показатели «частота генов» либо «частота генотипов». Зная соотношение между генотипами и соответствующими им фенотипами можно рассчитать частоты соответствующих генотипов, опираясь на реально наблюдаемые частоты фенотипов. Частоты генотипов В качестве примера рассмотрим одну из антигенных эритроцитарных систем, определяющих группы крови у человека – MN. Известно, что в этой системе существуют три группы крови (три фенотипа) – M, N и MN, которые определяются двумя аллелями одного локуса (Lм и Ln). При обследовании 730 человек из конкретной популяции (аборигены Австралии) были получены следующие результаты: у 22 человек была типирована группа М; у 216 – MN и у 492 – N. Частоту группы крови и соответствующего генотипа в этом случае можно получить делением каждого числа на сумму всех чисел. В частности, частота генотипа, определяющего группу крови М, составит 22/730=0,03. Соответственно можно определить и частоты двух других генотипов. Частоты аллелей Часто при описании генетической изменчивости по конкретному локусу удобнее бывает оперировать не частотами генотипов, а частотами аллелей. Эта величина состоит из частоты гомозигот по данной аллели плюс половины частоты гетерозигот. Одной из причин, из-за которых генетическую изменчивость в популяциях удобнее описывать, используя частоту аллелей, а не генотипов является тот факт, что число возможных аллелей существенно меньше числа возможных генотипов. Так, при двух аллелях число возможных генотипов равно 3; при трех – 6, а при четырех – уже десяти. В общем случае, если число различных аллелей одного локуса принять за k, то число возможных генотипов можно вычислить по формуле: k(k+1)/2. закон Харди-Вайнберга На практике часто сложно бывает определять напрямую частоты рецессивных аллелей, т.к. они маскируются доминантными аллелями в гетерозиготном состоянии. В этих случаях частоты рецессивных аллелей определяют, используя закон Харди-Вайнберга. В 1908 году этот закон был сформулирован английским математиком Гарольдом Харди и немецким врачом Вильгельмом Вайнбергом. закон Харди-Вайнберга Данный закон гласит, что процесс наследственной преемственности сам по себе не ведет к изменению частот аллелей и частот генотипов по определенному локусу. Более того, при случайном скрещивании, равновесные частоты генотипов достигаются за одно поколение, в случае если исходные частоты аллелей одинаковы у обеих полов. закон Харди-Вайнберга Равновесные частоты генотипов задаются произведениями частот соответствующих аллелей. Если имеются только два аллеля, А и а, с частотами p и q, то частоты трех возможных генотипов можно выразить следующим уравнением: (p + q)2 = p2 + 2pq + q2 А а АА Аа аа где буквам во второй строке, обозначающим аллели и генотипы, соответствуют расположенные над ними частоты. закон Харди-Вайнберга Если имеются три аллеля (А1, А2 и А3) с частотами p, q и r, то частоты генотипов в этом случае определяются следующим образом: (p + q + r)2 = p2 + q2 + r2 + 2pq + 2pr + 2qr А1 А2 А3 А1А1 А2А2 А3А3 А1А2 А1А3 А3А2 Аналогичный прием возведения в квадрат многочлена может быть использован для определения равновесных частот генотипов при любом числе аллелей. закон Харди-Вайнберга Следует также понимать, что сумма всех частот аллелей так же, как и сумма всех частот генотипов должна быть равна единице: (p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1 закон Харди-Вайнберга вернемся к элементарной ситуации с наличием только двух аллелей в изучаемом локусе (А и а), которые представлены в популяции с одинаковыми для самцов и самок частотами (p и q соответственно). Представим себе, что самцы и самки скрещиваются случайным образом (иначе говоря, гаметы самок и самцов образуют зиготы, встречаясь случайно). Тогда частота любого генотипа будет равна произведению частот соответствующих аллелей. Процесс наследования в этом случае можно представить схематически: Исходя из данной схемы, можно легко доказать, что частоты аллелей не изменяются от поколения к поколению. Так, частота аллеля А в потомстве равна сумме генотипа АА и половины частоты генотипа Аа, т.е. равна: p2 + pq = p (p + q) = p (поскольку p + q = 1 по определению). Частоты гамет у самок q (а) p2 (АА) q (а) pq (Аа) pq (Аа) q2 (аа) «Идеальная» популяция Закон Харди-Вайнберга применим к т.н. идеальным популяциям в которых должны соблюдаться следующие требования: бесконечно большой объем выборки, свободное и случайное скрещивание (панмиксия), отсутствие действия на популяцию каких-либо внешних факторов. Понятно, что в реальных природных популяциях эти требования никогда полностью не выполняются. На популяции постоянно действуют многочисленные внутренние и внешние факторы, нарушающие генетическое равновесие. Именно поэтому все расчеты, связанные с определением частот аллелей в реальных популяциях необходимо проводить с учетом этих факторов. Таким образом, исходя из закона Харди- Вайнберга, можно определить теоретически ожидаемую частоту аллелей в популяции. Вычислив экспериментально частоту рецессивных гомозигот, следует извлечь квадратный корень из полученной величины (частота рецессивной аллели q). Частота доминантной аллели составит p = 1 – q. Определив, таким образом, частоты аллелей можно выяснить частоты всех генотипов в популяции. Приведем конкретный пример Альбинизм у человека обусловлен редким рецессивным геном. Если аллель нормальной пигментации обозначить через А, а аллель альбинизма – а, то генотип альбиносов можно вывести как аа; генотипы нормально пигментированных людей соответственно как АА и Аа. Известно, что частота рождаемости альбиносов в популяциях человека в среднем составляет 1 случай на 10000 рождений. Согласно закону Харди-Вайнберга частота рецессивных гомозигот составляет q2 или 0,0001; отсюда q = 0,001. Таким образом, частота доминантного аллеля будет равна 0,99. Отсюда частоты генотипов нормально пигментированных людей составят: p2 = 0,992 = 0,98 (для генотипа АА); 2pq = 2 х 0,99 х 0,01 = 0,02 (для генотипа Аа) Важным следствием из закона Харди-Вайнберга является тот факт, что редкие аллели присутствуют в популяции главным образом в гетерозиготном состоянии. Рассмотрим приведенный выше пример с альбинизмом. Частота альбиносов (аа) равна 0,0001, а частота гетерозигот (Аа) составляет 0,02. Частота рецессивного аллеля (а) у гетерозигот составляет половину частоты гетерозигот, т.е. – 0,01. Следовательно, в гетерозиготном состоянии рецессивный аллель встречается примерно в 100 раз чаще, чем в гомозиготном. Гетерогенность генетической структуры популяций В середине 20-х годов прошлого века известный отечественный генетик С.С.Четвериков впервые высказал мысль о том, что природные популяции по своей генетической структуре являются чрезвычайно гетерогенными. В частности он писал, что вид как губка впитывает в себя гетерозиготные геновариации (мутации), оставаясь при этом фенотипически однородным. Гетерогенность генетической структуры популяций Несколько позднее – в 40-50-х годах XX века – эта проблема интенсивно дискутировалась на Западе, где были сформированы две взаимоисключающие модели генетической структуры популяции. Согласно «классической» модели популяции представлялись в основном гомозиготными по доминантным аллелям с незначительной примесью вредных рецессивных аллелей. С этой позиции эволюционные процессы в популяциях основаны на отборе редких благоприятных мутантных аллелей. Гетерогенность генетической структуры популяций «Балансовая» модель, напротив, предусматривала наличие широкого наследственного полиморфизма по аллелям «дикого» типа, т.о. речь шла о том, что для каждого гена не существует единственной аллели дикого типа. Поэтому большинство генных локусов должны быть представлены в популяциях сериями аллелей с разными частотами. В этом случае эволюционные процессы в популяциях связывают с отбором не по одному, а по многим генам, аллели которых находятся в балансе друг с другом. В дальнейшем удалось экспериментально подтвердить именно балансовую модель, что в конечном итоге выразилось в концепции генетической гетерогенности природных популяций. (из Ф. Айала, 1984) Генетическая гетерогенность наблюдается даже при изучении морфологических черт строения индивидуумов, однако наибольшие успехи в этой области были достигнуты с использованием биохимических и молекулярно-биологических методов. В частности с помощью метода электрофореза разных белков удалось показать наличие очень широкого полиморфизма элементарных признаков в популяциях, выразившегося в существовании т.н. изозимов одних и тех же белков, ферментов. Изозимы являются гомологичными белками, выполняющими одинаковые функции, но различающиеся друг с другом по отдельным заменам аминокислотных остатков. полиморфизм и гетерозиготность Для того, чтобы оценить генетическую изменчивость популяций обычно используют две основные величины: полиморфизм и гетерозиготность. Полиморфизм (Р) выражается долей полиморфных локусов от числа всех исследованных. Гетерозиготность (Н) по каждому конкретному локусу определяется как отношение гетерозигот к числу исследованных особей в популяции. На основании данных по отдельным локусам определяется средняя гетерозиготность популяции. Так, например, средняя гетерозиготность популяций человека составляет 6,7%. Учитывая тот факт, что геном человека содержит примерно 30000 структурных генов, можно говорить о том, что каждый человек должен быть гетерозиготен как минимум по 2000 генам. Следовательно, его организм потенциально способен продуцировать около 10(65) гамет разного типа. Этот пример показывает, что в основе естественной гетерозиготности популяций заложены колоссальные возможности комбинативной изменчивости, которая, как известно, составляет резерв для эволюционного процесса. Закон Харди-Вайнберга в генетике можно сопоставить с первым законом Ньютона в механике, который гласит, что любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Точно так же закон ХардиВайнберга постулирует, что при отсутствии давления на популяции факторов среды частоты генов в ней меняться не будут. Понятно, что в природных популяциях это условие никогда не выполняется, т.к. существуют постоянно действующие факторы, изменяющие частоты генов от поколения к поколению. Основные факторы микроэволюции Мутационный процесс служит одним из основных факторов динамики генетического состава популяций. Мутации являются источником генотипической изменчивости, основным поставщиком новых генов. В силу случайности мутационного процесса соотношение аллелей разных генов в популяции будет зависеть не только от частоты прямых и обратных мутаций, но и от физиологических характеристик мутаций, т.е., прежде всего, от их влияния на плодовитость и жизнеспособность. Мутации Мутационный процесс может приводить к самым разным результатам, однако в абсолютном большинстве случаев вновь возникающие мутации оказываются вредными и элиминируют из популяции. Однако между доминантными и рецессивными мутациями в этом смысле имеются принципиальные различия. Доминантные неблагоприятные мутации удаляются в любом случае, в то время как рецессивные будут элиминироваться лишь в гомозиготном состоянии. Балансированный полиморфизм Гетерозиготы по рецессивным мутациям могут устойчиво сохраняться в популяциях длительное время. Более того, иногда у гетерозигот может наблюдаться повышенная жизнеспособность по сравнению с доминантными гомозиготами. Следствием этого будет существование в популяциях нескольких генетически различающихся форм. В этих случаях говорят о наличии сбалансированного полиморфизма, т.е. устойчивого воспроизведения нескольких фенотипических классов, обусловленного преимуществом гетерозигот. Балансированный полиморфизм В качестве примера балансированного полиморфизма можно привести факт широкого распространения среди жителей Средиземноморья рецессивного гена серповидноклеточной анемии. Данный ген кодирует β-цепь молекулы гемоглобина, причем от нормальной аллели он отличается заменой лишь одного триплета. Соответственно, в мутантном белке имеется лишь одна измененная аминокислота. На клеточном уровне это приводит к тому, что эритроциты гомозигот по мутантному гену приобретают форму серпа и не способны выполнять свою основную функцию по транспорту кислорода из легких в ткани. Вследствие этого гомозиготы погибают еще в раннем детстве. У гетерозигот функциональными оказываются оба аллеля, а в эритроцитах присутствует 60% нормального и 40% аномального белка. Этих 60% немутантного гемоглобина оказывается достаточно для нормального функционирования эритроцитов, т.е. гетерозиготы не страдают малокровием. Балансированный полиморфизм Кроме того, эти люди оказываются более устойчивыми к возбудителю тропической малярии, т.к. малярийный плазмодий не способен поражать эритроциты слегка измененной формы, которые характерны для гетерозигот. Исследованиями было показано, что частота мутантных гетерозигот по гену S-анемии в некоторых странах Средиземноморского бассейна достигает 70%. Роль мутаций в эволюции Следует отметить, что спонтанные мутации по отдельным локусам происходят достаточно редко (10-4 - 10-6 на один ген за одно поколение). Следовательно, сами по себе мутации не могут вызывать быстрых изменений в генетической структуре популяций. Если бы мутации были единственным фактором, обуславливающим изменения генофонда популяций, то эволюция протекала бы крайне медленно. Естественный отбор Различия в плодовитости, выживаемости, половой активности и т.п. приводят к тому, что одни особи оставляют больше половозрелых потомков, чем другие – с иным набором генов. Различный вклад особей с разными генотипами в воспроизводство популяции называют отбором. Естественный отбор Простейшая форма отбора отражена в т.н. однолокусной модели синтетической теории эволюции. Допустим, что некая обширная популяция изменчива по гену «А». Она содержит с высокой частотой аллель А дикого типа и с низкой частотой - рецессивный аллель а. Если носители аллеля а систематически оставляют больше потомков, чем носители аллеля А, то частота аллеля а в популяции будет постепенно возрастать. Это и есть простейшая форма естественного отбора. Можно в этом случае сказать, что аллель а имеет селективное преимущество по сравнению с аллелем А. Коэффициент отбора (s) Селективное преимущество обычно выражается в коэффициенте отбора (s), величину которого измеряют в диапазоне от 0 до 1. В случае, когда s = 0 отбора не происходит и напротив, если s = 1, то отбор достигает 100% за одно поколение, и соответственно, аллель, против которого направлен отбор, в этом случае элиминируется за 1 поколение или можно сказать, что данный ген является летальным. Коэффициент отбора можно определить по следующей формуле: s = 1 - скорость репродукции аллеля, которому отбор неблагоприятен скорость репродукции аллеля, которому отбор благоприятствует Коэффициент отбора необязательно остается постоянным и на протяжении длительного времени может испытывать резкие изменения. Один и тот же ген может обладать селективным преимуществом на одном этапе истории данной популяции и оказаться селективно нейтральным или неблагоприятным на другом ее этапе. Кроме того, с течением времени в результате мутационного процесса и потока генов в популяцию могут вводиться другие аллели. К настоящему времени сложилось мнение, согласно которому частота многих аллелей, контролируемых отбором, стабилизируется на разных уровнях, не достигая 100% уровня. Типы отбора Обычно выделяют 3 формы отбора: движущий (направленный), стабилизирующий, дизруптивный (разрывающий). Типы отбора из evolution2.narod.ru Движущий отбор - вызывает направленное в одну сторону изменение генетического состава популяции. Он происходит в тех случаях, когда популяция находится либо в процессе приспособления к новой среде или же когда происходит постепенное изменение среды, и, соответственно, изменение популяции. Примером этой формы отбора служит увеличение частоты меланистической формы березовой пяденицы и других бабочек при внезапном изменении среды, а именно — её загрязнении промышленными отходами. Индустриальный меланизм. Темные формы бабочек незаметны на темных стволах , а светлые – на светлых. (из evolution2.narod.ru) Стабилизирующий отбор - сохраняет то состояние популяции, которое обеспечивает ее максимальную приспособленность в постоянных условиях существования. В каждом поколении удаляются особи, отклоняющиеся от среднего оптимального значения по приспособительным признакам. Отбор в пользу средних значений был обнаружен по множеству признаков. У млекопитающих новорожденные с очень низким и очень высоким весом чаше погибают при рождении или в первые недели жизни, чем новорожденные со средним весом. Дизруптивный отбор в противоположной стабилизирующему благоприятствует сохранению крайних типов и элиминации промежуточных. Результат его действия - это сохранение и усиление генетического полиморфизма популяции. Одна из возможных ситуаций в природе, в которой вступает действие дизруптивный отбор, возникает в тех случаях, когда хорошо дифференцированные полиморфные типы обладают явным селективным преимуществом по сравнению со слабодифференцированными полиморфными типами. Дизруптивный отбор Примером этого может служить половой диморфизм: так, самки и самцы с хорошо дифференцированными вторичными половыми признаками спариваются и размножаются более успешно, чем различные промежуточные типы (интерсексы, гомосексуалы и т.д.). Яркая расцветка птиц возникает в эволюции благодаря половому отбору. (из evolution2.narod.ru) Дрейф генов Наряду с мутационным процессом и естественным отбором, к факторам микроэволюции относится дрейф генов (генетико-автоматические процессы). Генофонд каждого последующего поколения данной популяции представляет собой выборку из родительского поколения, давшего ему начало. В связи с этим он подвержен изменчивости, обусловленной ошибкой выборки. Эти колебания будут тем значительнее, чем меньше выборка, то есть, чем меньше эффективная численность популяции. Дрейф генов Результаты компьютерного моделирования процесса случайных колебаний частот аллелей в популяциях разной численности: 25 (вверху) и 250 (внизу) особей из evolution2.narod.ru Дрейф генов Практически все популяции, по крайней мере, иногда, претерпевают неблагоприятные периоды, когда их численность резко сокращается. В этих случаях в них происходят изменения генных частот, не являющиеся прямым следствием естественного отбора. Эффект бутылочного горлышка. (из evolution2.narod.ru) Дрейф генов Примером эффекта бутылочного горлышка может служить ситуация с гепардами – представителями кошачьих. Оказалось, что генетическая структура всех современных популяций гепардов очень сходна. При этом генетическая изменчивость внутри каждой из популяций крайне низка. Этот факт можно объяснить, если предположить, что относительно недавно (пару сотен лет назад) данный вид прошел через очень узкое горлышко численности, и все современные гепарды являются потомками нескольких (по подсчетам американских исследователей, 7) особей. Эффект основателя Случайный дрейф генов может происходить также в результате эмиграции небольшого числа особей, при которой многие гены материнской популяции попросту утрачиваются. Этот процесс, известный под названием эффекта основателя (или эффекта родоначальника) также возможно играет роль в эволюции. Например, именно эффект основателя объясняет обилие эндемичных видов на океанических островах. Итак, можно сказать, что не все происходящие в популяции изменения представляют собой прямой результат мутационного процесса и естественного отбора. Некоторые благоприятные эволюционные изменения могут возникать чисто случайно, например, в результате дрейфа генов, причем, чем меньше популяция, тем сильнее будут эффекты случайности выборки и тем чаще изменения, будут носить случайный характер. Миграции Наряду с мутационным процессом, естественным отбором, дрейфом генов к числу факторов микроэволюционного процесса принято относить явление миграции особей из одной популяции в другую. Миграции создают потоки генов и в конечном итоге, ведут к обмену аллелями между популяциями. Эволюционным последствием миграции и обмена генами является нивелировка генетических различий между локальными популяциями. Таким образом, миграция как фактор эволюции, противодействует другим микроэволюционным факторам – отбору, дрейфу генов и мутационному процессу. Миграции Примером влияния миграции на генетическую структуру популяции может служить распределение генов, определяющего группы крови у человека. Например, в Великобритании ген А представлен высокой концентрацией на юге страны, его частота постепенно уменьшается к северу. Ген 0 имеет обратный градиент. Причиной этому, по-видимому, послужило влияние завоевателей, популяции которых, обладая преимущественно группой А, оттеснили на север коренное население Англии, имевшее высокую концентрацию гена 0. Сравнивая эволюционное значение рассмотренных выше факторов, мы можем заключить, что наличие мутаций и естественного отбора необходимо и достаточно, чтобы обеспечить приспособительную и дивергентную эволюцию организмов. Поэтому мутационный процесс и естественный отбор можно обозначить как необходимые факторы эволюционного процесса. При этом отбор является единственным фактором эволюции, который объединяет движущие, направляющие и интегрирующие воздействия на организмы, формируя их приспособления и влияя на саму мутационную изменчивость. Прочие рассмотренные нами элементарные эволюционные факторы являются дополнительными по отношению к мутационному процессу и естественному отбору. Разумеется, для более полного понимания эволюционного процесса необходимо учитывать сложные взаимодействия всех указанных элементарных эволюционных факторов.
