Název školy Gymnázium, střední odborná škola, střední odborné učiliště a vyšší odborná škola, Hořice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/ Název materiálu Genetika populací. (VY_32_INOVACE_ ) Autor RNDr. Helena Trkalová Tematická oblast Genetika Ročník Čtvrtý Datum tvorby Listopad 2012 Anotace Prezentace je určena pro výuku genetiky v hodinách biologie a biologického semináře ve vyšších ročnících gymnázia. Předpokládá určitou úroveň znalostí z různých biologických disciplín, především z ekologie a biologie člověka. Kromě toho jsou nutné i základní matematické dovednosti. Metodický pokyn 1. část šablony lze použít pro objasnění evolučních zákonitostí v různých typech populací. 2. část je věnována řešení příkladů pomocí Hardyho-Weinbergova zákona. Časová dotace 2 hodiny

Genetika populací Populace, genofond populace. Autogamická populace. Inbreeding a incest. Alogamická a panmiktická populace, Hardyho – Weinbergův zákon. Řešení příkladů

Populace  Je definována jako skupina jedinců stejného druhu se společným genofondem, která obývá určitou oblast. Dále uvažujeme, že jedinci se mezi sebou mohou volně křížit a pochází ze stejného předka. Pojem populace tedy nejde dobře aplikovat na druh s převážně vegetativním rozmnožováním.  Z genetického hlediska lze populaci definovat jako soubor vzájemně příbuzných jedinců téhož druhu

Genofond  Jedinci tvořící populaci jsou po fenotypové i genotypové stránce značně odlišní  Všichni se však podílejí na společném populačním genofondu  Pod pojmem genofond rozumíme soubor alel všech genů, které jsou přítomny v gametách a mohou se uplatnit v dalších generacích  Na genofondu mají podíl všichni příslušníci populace schopní rozmnožování  Každá populace je genotypově strukturovaná, obsahuje jedince s různými genotypy (homozygoty, heterozygoty,..)

Vlivy působící na genofond populace  a) Mutační tlak:  Mutace lze považovat za náhodnou a neusměrněnou změnu genotypu  Může docházet např. ke vzniku zcela nových alel či změně dominantní alely na recesivní i naopak.  Může vzniknout i alela s původní kodominantní (krevní skupiny)  Může se měnit frekvence jedné z alel v populaci  Mutace může být pro svého nositele nevýhodná (což je nejčastější), neutrální, nebo dokonce i výhodná.  Četnost těchto jevů je velmi nízká a změny se během jedné generace téměř neprojevují.  Mutace mohou zvyšovat genetickou variabilitu populací

Vlivy působící na genofond populace  b) Selekční tlak: Selekce neboli přírodní výběr má velký vliv. Pokud alela svého nositele zvýhodňuje oproti jedincům bez této alely, bude frekvence této alely v následujících generacích postupně stoupat. Nevýhodné alely postupně ubývají (dominantní mizí poměrně rychle, recesivní mizí pomalu a úplně nevymizí nikdy), protože své nositele znevýhodňují (tzv. negativní selekce).  Selekci nepodléhají pouze tzv. neutrální mutace  Selekce umožňuje výběr genotypů, které jsou pro přežití populace nejvýhodnější (viz. Darwin a přírodní výběr)  Zvýhodnění či znevýhodnění určitého genotypu vůči ostatním charakterizuje veličina fitness - w. Hodnota fitness vypovídá, jakou mírou přispívají jedinci s tímto genotypem do genofondu populace - tedy kolik mají procent potomků oproti jedincům s jinými genotypy.  Hodnoty fitness mohou nabývat hodnot od 0 do 1, přičemž hodnotu w = 1 nacházíme u "nejplodnějšího" genotypu.  Míru vlastní selekce proti určitému genotypu pak charakterizuje koeficient selekce - s. Platí vztah s = 1 - w, kde w je fitness příslušného genotypu, pro který koeficient selekce stanovujeme. Hodnota s = 1 je typická pro genotypy, které jsou letální, nebo jejichž nositelé jsou infertilní - v obou případech do společného genofondu nepřispívají.

Vlivy působící na genofond populace  c) Migrace: Migrace (v širším smyslu stěhování) může znamenat obohacení genofondu o nové alely (ale i jeho ochuzení). Organismy žijí často na zcela specifickém místě, kde mohou tvořit více či méně izolované subpopulace. Pro výměnu genů ( genový tok ) mezi takovýmito populacemi je pak migrace nezbytná. Případné rozšíření těchto alel opět závisí na jejich adaptativní hodnotě (vliv selekce) - podmínky na původním a novém stanovišti se mohou lišit.  Zvláště v minulosti bylo vytváření izolovaných populací ( populačních izolátů ) typické i pro člověka.  Při migraci na nové místo se pak někdy setkáváme s tzv. efektem zakladatele, kdy některý jedinec zakládající populace (která "přimigrovala" do nové oblasti - např. etnické skupiny, osadníci v Americe...) předal do dalších generací relativně vzácnou alelu, která se pak (například vlivem genetického driftu) rozšířila v této populaci natolik, že je její frekvence mnohem vyšší než v jiných částech lidské populace.

Vlivy působící na genofond populace  d) Genetický drift: Genetický drift neboli posun jsou náhodné posuny ve frekvenci jednotlivých alel v rámci genofondu dané populace.  V praxi to znamená, že tyto změny frekvencí nepodléhají selekci, ale závisí vyloženě na náhodě při vzniku gamet a zygot  Nositel výhodné alely nemusí tuto alelu svým potomkům předat a tato se v další generaci neobjeví. Tyto změny jsou kumulativní - časem tak může dojít dokonce i k fixaci jedné alely a vymizení alely druhé.  Genetický drift se uplatňuje v relativně malých populacích - čím je populace menší - tím výraznější je vliv driftu a tím častěji dojde k fixaci jedné z alel.

Typy populací  Autogamická populace  Alogamická populace, jejím zvláštním případem je populace panmiktická

Typy populací V čem spočívají rozdíly mezi autogamickou a alogamickou populací? Co to je panmixie? Proč je panmiktická populace v genetické rovnováze?

Typy populací  Autogamická populace: Je vytvářena jedinci, kteří se rozmnožují autogamií (samooplozením). Každý jedinec (hermafrodit) tedy produkuje samčí i samičí gamety. Typicky tato situace nastává u samosprašných rostlin. Jelikož homozygotní jedinec (ať už homozygotně dominantní nebo homozygotně recesivní) může produkovat jen a jen homozygotní potomky a heterozygot produkuje heterozygoty pouze v 50 % případů (2. Mendelův zákon), vznikají zde postupem času dvě čisté linie homozygotů a heterozygotů neustále ubývá až téměř vymizí. Úplně však z populace nevymizí nikdy.  U živočichů je autogamie méně častá, setkáme se s ní u některých bezobratlých živočichů

Typy populací  Alogamická populace: Vytvářejí ji organizmy, u kterých nový jedinec (potomek) vzniká splynutím 2 gamet od různých jedinců téhož druhu. Zvláštním případem této populace je populace panmiktická.  Panmiktická populace: Je ideálním případem alogamické populace. V této velmi rozsáhlé populaci (ideální je nekonečné množství jedinců) musí být zaručena stejná pravděpodobnost zkřížení jakýchkoli 2 jedinců v populaci.

V autogamické populaci přibývá homozygotů  Spočítejte, jak se mění podíl homozygotů v autogamické populaci, uvažujte generace F 1 – F 4 u monohybridního křížení  * Řešte stejný úkol pro dihybrida  Z generace na generaci podíl heterozygotů v autogamické populaci klesá – stoupá – nemění se  Jak se mění podíl homozygotů v panmiktické populaci?  Proč nás zajímají autogamické populace?

Inbreeding, incest  Při příbuzenských sňatcích a příbuzenské plemenitbě dochází k podobným posunům ve frekvenci alel jako v autogamické populaci  Roste podíl homozygotů  Zvyšuje se riziko geneticky podmíněných poruch (hlavně autozomálně recesivních a multifaktoriálních)  Tento jev se nazývá inbrední deprese  (alkaptonurie na Slovensku, sňatky v panovnických rodinách)

Je lidská populace dokonale panmiktická?  Náhodnému výběru jedinců brání četné bariéry, podmíněné zejména společenským postavením, kulturními, národnostními, náboženskými a etnickými rozdíly  Srovnejte seznamovací inzeráty, na co jejich pisatelé dávají důraz? Napiš svůj vlastní inzerát na seznámení  Panmiktická populace je v genetické rovnováze, tuto rovnováhu popisuje Hardyho- Weinbergův zákon

Cystická fibrózy, gen CFTR  Molekulárněbiologické výzkumy ukázaly, že mutace v některých úsecích genomu jsou vzácné a pokud vzniknou, jsou charakteristické jen pro určitou část populace  Studujeme-li frekvenci této mutantní alely třeba v rámci kontinentu, lze s určitou pravděpodobností objasnit historický původ některých mutací, určit, kde žili jejich předkové jejich nositelů  Význam mohou mít i mutace v rámci jednoho genu  Př. – gen CFTR, jeho mutantní alely způsobují v homozygotně recesivní kombinaci cystickou fibrózu  Rozlišujeme např. keltskou, ale i slovanskou a germánskou mutaci  Keltská mutace je poměrně častá na území Čech, ale také v Irsku, Walesu či v Bretani

Proč nejsou alely způsobující geneticky podmíněná onemocnění eliminovány selekcí?  Příčinou je hlavně vznik nových mutací  Jejich význam se plně projeví hlavně u autozomálně dominantních chorob  Např. 80 % případů chondrodystrofie je způsobeno novou mutací v zárodečných buňkách  Dítě postižené chondrodystrofií se může narodit zcela zdravým rodičům  V případě recesivních alel se působení přírodního výběru omezuje jen na homozygotně recesivní nositele těchto alel, nikoli na heterozygotní přenašeče

Proč nás ohrožují mutace, které našim předkům pomáhaly přežít?  Zachování nepříznivých mutací v populaci lze vysvětlit někdy tím, že došlo ke změnám selekčních podmínek  Př. trombofilie – v evropské populaci se vyskytuje u 3-6% osob  Může být podmíněna alelami několika různých genů, některé formy jsou autozomálně dominantní, jiné spíš multifaktoriální  Postižení mají zvýšenou náchylnost k tvorbě trombů, již od mladého nebo středního věku trpí ischemickými poruchami  Při včasném rozpoznání lze podávat léky proti tvorbě sraženin  Vdávné minulosti mohla být taková alela výhodná (rychleji se srážela krev při poraněních)

Genetika x ochrana přírody  Nutnost zachovat i genetickou diverzitu  U malých populací hrozí inbrední deprese  Snaha o propojení maloplošných ChÚ biokoridory  Rozpracování soustav biocenter, ve kterých jsou zachované přirozené biotopy ohrožených druhů  ? co může sloužit jako přirozený biokoridor?  (př. populace ohrožené inbrední depresí – lvi v kráteru Ngorongoro v Tanzánii)

Zákon Hardyho-Weinbergův  Na základě Hardyho-Weinbergova zákona můžeme vypočíst genotypovou skladbu panmiktické populace. Zákon platí za těchto předpokladů:  Populace musí být panmiktická a velmi početná  Nedochází k mutacím (alespoň ne u sledovaného genu)  Nedochází k selekci  Nedochází k migraci

Zákon Hardyho-Weinbergův  Nyní trochu matematiky:  Pokud dominantní alelu(resp. frekvenci dominantní alely) označíme jako p a recesivní alelu jako q, získáme vztah pro populaci p + q = 1 (100 %).  Dále vyjádříme šanci setkání dvou dominantních alel (vznik dominantního homozygota) jako p x p = p 2 a šance setkání dvou recesivních alel q jako q x q = q 2. Šance vzniku heterozygota je (p x q) + (q x p) = 2pq. Celkové genotypové složení populace je tedy p 2 + 2pq + q 2 = 1, což odpovídá výrazu (p + q) 2 = 1.

Zákon Hardyho-Weinbergův  Pokud se v daném lokusu vyskytují více než dvě alely, platí zákon obdobně, tedy:  p + q... + n = 1  (p + q... + n) 2 = 1  Pro 3 alely (např. AB0 krevní systém) by byl vzorec:  p + q + r = 1  (p + q + r) 2 = p 2 + q 2 + r 2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1

Příklad 1  V populaci (9800 jedinců celkem) se vykytuje hypotetický geneticky podmíněný znak. Dominantní forma tohoto znaku je podmíněna dominantní alelou A, recesivní forma znaku je podmíněna recesivní alelou a. Dominantní fenotyp mělo 4998 jedinců. Určete frekvenci dominantní a recesivní alely (populace je v H-W rovnováze).

Řešení příkladu 1  Označme si dominantní alelu (respektive její frekvenci v populaci) jako p a frekvenci recesivní alely jako q.  Pro populaci, která je v H-W rovnováze, platí následující vztah: p 2 + 2pq + q 2 = 1 ; kde výraz p 2 odpovídá dominantním homozygotům ), q 2 odpovídá recesivním homozygotům a 2pq heterozygotům.  Dále pro genové frekvence alel platí tento vztah: p + q = 1.  V uvedené populaci máme 4998 jedinců s dominantním fenotypem. Celkem je v populaci 9800 jedinců - tedy recesivní fenotyp má 4802 ( =4802) jedinců. U jedinců s dominantním fenotypem neznáme genotyp (může jít o dominantní homozygoty i heterozygoty); genotyp známe pouze u jedinců s recesivním fenotypem  Abychom mohli sestavit rovnici, musíme znát procentuální zastoupení recesivních homozygotů v populaci  Tedy 4802 / 9800 = 0,49 = 49%  Můžeme tedy sestavit následující rovnici: q 2 = 0,49  Pokud obě strany rovnice odmocníme, získáme výraz: q = 0,7  A konečně dosazením do rovnice p + q = 1 získáme rovnici p + 0,7 = 1  Snadno tedy vypočteme p, p = 0,3

Řešení příkladu 1  Pro kontrolu si můžeme dopočíst počet jedinců s dominantním fenotypem.  Spočteme zastoupení heterozygotů:  2pq = 2.0,3.0,7 = 0,42 = 42%  A zastoupení dominantních homozygotů: p 2 = 0,3.0,3 = 0,09 = 9%  Dominantní fenotyp by mělo mít 51% ( = 51) všech jedinců.  ,51 = 4988  Zkouška tedy vyšla - výsledek je správný. Výsledek: p = 0,3 (frekvence alely A ) q = 0,7 (frekvence alely a )

Příklad 2  U 200 osob byla vyšetřena krevní skupina. V MN systému byly výsledky následující: 32 jedinců mělo skupinu M, 96 jedinců mělo skupinu MN a 72 jedinců mělo skupinu N. Vypočtěte genové frekvence alel M a N

Řešení příkladu 2:  Krevní systém MN je jedním z vedlejších krevních systémů. Jde o monogenní znak, který se dědí kodominantně. Jinými slovy - jedinci s genotypem MM mají skupinu M, jedinci s genotypem MN mají skupinu MN a jedinci s genotypem NN mají skupinu N.  U kodominance máme tedy výhodu, že ke každému fenotypu můžeme přesně přiřadit genotyp. Můžeme tedy vypočíst rovnou procentuální zastoupení alely M v populaci.  Celek představuje všech 200 osob. Protože se ale budeme zabývat alelami a každý jedinec má alely 2 - musíme jako celek počítat 400 alel.  Nyní - kolikrát se v tomto celku vyskytuje alela M ? U 32 jedinců nacházíme skupinu M - jsou tedy dominantní homozygoti a každý z nich má alelu M dvakrát = 64.  Dále nacházíme alelu M u jedinců se skupinou MN. To jsou ovšem heterozygoti a alelu M najdeme u každého pouze jednou. Tedy = 96. U jedinců se skupinou N alelu M nenacházíme.  Celkem se v naší hypotetické populaci alela M vyskytuje 160krát ( = 160).  Nyní toto číslo vyjádříme jako procento z celku: 160 / 400 = 0,4  A dopočteme frekvenci alely N : N = 1 - 0,4 = 0,6 (vycházíme ze vzorce p + q = 1 ).

Řešení příkladu 2  Můžeme si opět udělat zkoušku, jestli vypočtené genové frekvence jsou správné:  Skupina M: M2 = 0,4.0,4 = 0,16 = 16%  0, = 32 jedinců  Skupina MN: 2MN = 2.0,4.0,6 = 0,48 = 48%  0, = 96 jedinců  Skupina N: N2 = 0,6.0,6 = 0,36 = 36%  0, = 72 jedinců  Výsledek zkoušky potvrzuje správnost výsledků. Výsledek: Frekvence alely M = 0,4 Frekvence alely N = 0,6

Příklad 3  Pomocí H-W zákona můžeme spočítat, kolik je v populaci přenašečů určité recesivně podmíněné choroby.  Např. cystická fibróza postihuje přibližně jednoho z jedinců.  Kolik je mezi námi heterozygotů, tedy zdravých nositelů některé z alel pro cystickou fibrózu?

Řešení příkladu 3 Zhruba každý 25. člověk je u nás nositelem alely pro cystickou fibrózu

Příklad 4  Další známou autozomálně recesivní chorobou je fenylketonurie, jejíž frekvence výskytu v populaci je asi 1/ Vypočítejte podíl zdravých přenašečů.  Zopakujte si základní poznatky o tomto onemocnění.  Jak se provádí plošný screening na fenylketonurii?

Použitá literatura  Kočárek,E.: Genetika. Scientia, Praha 2004  Sokolovskaja, B.Ch., Pikálek, P.: Genetika v příkladech. SPN, Praha 1974