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

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

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

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

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

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%.

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

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

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

2. Браки неродственных людей: Ассортативные браки – между людьми со сходным фенотипом. По генетическому эффекту приравниваются к кровнородственным бракам. 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 неродственных людей в больших популяциях (увеличивают степень гетерозиготности – аутбридинг). Браки далеко неродственных людей из разных больших и малых рас (аутбридинг). Браки далеко неродственных людей из разных больших и малых рас (аутбридинг). Генетические эффекты у потомства: снижение частот рецессивных заболеваний, гетерозис – гибридная сила. 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 (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: p 2 (AA) + 2pg(Aa) + g 2 (aa) = 1 p 2 (AA) + 2pg(Aa) + g 2 (aa) = 1 p(A) + g(a) = 1 p(A) + g(a) = 1

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

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

Изменение генетической структуры и генофонда популяции – элементарное эволюционное явление.

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

Мутационный процесс характеризуется: Это постоянно действующий фактор. Это постоянно действующий фактор. Ненаправленный фактор, ведет к появлению самых разных мутаций – элементарного эволюционного материала. Ненаправленный фактор, ведет к появлению самых разных мутаций – элементарного эволюционного материала. Постоянно поддерживает высокую степень гетерогенности популяций. 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. 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. Частота спонтанных абортов. Частота спонтанных абортов. Частота врожденных пороков развития. Частота врожденных пороков развития. Частота наследственных болезней. 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. 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 в изолятах. Эффект родоначальника – Случайно один из основателей новой малочисленной популяции является носителем редкого аллеля. Признак Распространение Отрицательный резус Среди жителей Памира встречается в 2-3 раза реже, чем в Европе КарликовостьИзолированная популяция в США (штат Пенсильвания) человек этого изолята – потомки 3 супружеских пар

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

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

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

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

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

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 б.Гентингтона здоров в 50лет в 50лет F 1. ВС, 2. АС, 3. АА. 30л. 25л. 20л. 30л. 25л. 20л. З д о р о в ы е З д о р о в ы е У потомков 1 и 2 после 40 лет может развиться болезнь Гентингтона.

Наличие в ДНК гипервариабельных участков Различное число и разная последовательность тандемных повторов из пар нуклеотидов. Различное число и разная последовательность тандемных повторов из пар нуклеотидов. Вероятность совпадения набора участков у разных людей практически нулевая. Вероятность совпадения набора участков у разных людей практически нулевая. Метод выявления таких участков применяется в судебной экспертизе, микробиологии, эпидемиологии и др. 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 НазваниеОсновные аллели АВО(Н)А1, А2, В, Н РезусКомплекс генов: С,с, Д,д, Е,е Лейкоцитарные Антигены - HLA A-25, B-50, C-8, D-35, DR-16

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 АллельГемоглобино- патия Распространение HbSАнемия SТропическая Африка, Средиземноморье (у 40% населения) HbCАнемия CЗападная Африка HbDАнемия DСеверо-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 DRw6 (HLA) Устойчивость к инсулин-зависимому сахарному диабету

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