Популяційна генетика людини

Популяційна генетика людини

Ключові терміни та поняття. Генетика популяцій, адаптивний потенціал, мутаційний процес, природний відбір, міграція населення,дрейф генів, закон Харді - Вайнберга, генетичний тягар популяції,. Засновники популяційної генетики

Завдання популяційної генетики людини Популяційна генетика людини вивчає характеристики популяцій людини, їх генетичну структуру (генофонд), тобто розподіл алелей окремих генів в групах людей і фактори, що порушують рівновагу генів в генофонді (тобто закономірності зміни цього розподілу в часі і по території, причини нерівномірного розподілу алелей). Це дозволяє прогнозувати кількість деяких спадкових захворювань в поколіннях і цілеспрямовано планувати медичні заходи. Варіабельність поширення алелей в популяціях людей залежить від дії різних факторів. Розрізняють популяційні фактори, що впливають на зміну:- частот алелей (генних частот) відносній частоти народження певного алеля (домінантного або рецесивного) в популяції;- частот генотипів (генотипических частот) відносної частоти народження певного генотипу в популяції. На зміну частот алелей в популяції впливають мутації, міграція, природний відбір і генетичний дрейф.

Еволюційні чинники, що впливають на генетичні процеси в популяціях Мутаційний процес створює нові алелі, але дія його не направлена і не призводить до вираженого переважання концентрації одних алелей над іншими, а лише поставляє матеріал для відбору. У сучасному суспільстві дія природного відбору слабшає, тому що завдяки досягненням сучасної медицини люди з вродженими патологіями набувають право на життя (виходжування глубоконедоношенних дітей). Але генетичний вантаж популяції при цьому посилюється - це так званий дисгенний ефект медицини. Наявність генетичного вантажу є безпосереднім наслідком генетичного поліморфізму і своєрідною платою за екологічну і еволюційну гнучкість. Природний відбір в силу впливу на фенотип організмів комплексу факторів, здійснюється за багатьма напрямками. В людській популяції він втратив видо утворювальну функцію (переважає стабілізуючий відбір), але виконує функцію стабілізації генофонду і підтримання спадковогї різноманітності (генетичного поліморфізму). В результаті природного відбору алелі (ознаки), що підвищують виживаність і репродуктивну здатність людини, накопичуються в ряду поколінь, змінюючи генетичний склад популяцій в біологічно доцільному напрямі. Так формуються генофонди популяцій , збалансовані за набором і частотам алелей, що забезпечують в даних умовах достатню виживання популяції.

Еволюційні чинники, що впливають на генетичні процеси в популяціях Міграція населення і супутні їй метисацІя (вступ людей в змішані шлюби) і потік генів призводять до зміни частоти алелей в популяціях (в донорську популяцію можуть привноситься гени захворювань, які раніше в ній не зустрічалися), підвищенню генетичної мінливості. Ці процеси проявляються в нерівномірному розподілі по планеті деяких захворювань, тяжкості їх перебігу в різних людських популяціях, індивідуальні особливості розвитку патологічних процесів, відмінності в реакціях на лікувальну дію. Дрейф генів - це випадкове, неадаптивне зміна співвідношення алелей в малих популяціях. У великій популяції коливання частот алелей з покоління в покоління малі і незначні. У малій популяції спостерігаються різкі коливання генних частот і велика ймовірність втрати рідкісних алелей, або підвищення їх концентрації не залежно від їх біологічної цінності. Чим менше популяція, тим швидше відбувається зміна частоти алелей. Дрейф генів може мати місце в популяціях з одного географічного району, але ізольованих в репродуктивному відношенні від інших.

Генетика популяцій. Людина є одним з найпоширеніших і найчисленніших видів на Землі. Можна сказати, що ареалом нашого виду є майже вся поверхня планети. Як будь-який вид, усю сукупність особин нашого виду можна поділити на популяції - локальні, почасти відокремлені групи осіб. Популяція - це ізольована група особин одного виду, пов'язана спільністю території і походження. Цей термін був запропонований В. Іоганнсеном в 1909 р. Популяції, як і окремі організми, мають чіткі індивідуальні відмінності і є динамічними системами. Кожну популяцію можна описати за різними параметрами: ареал, чисельність, густота, вікова та статева структура, народжуваність, смертність, приріст, екологічними та генетичними характеристиками.

Параметри, що характеризують генетичну структуру популяції Генетичну структуру популяції (та процеси, що призводять до її зміни) вивчає окремий розділ генетики - генетика популяцій. Сукупність усіх генів та їхніх алелів у популяції називають генофондом. Про особин, які належать до однієї популяції, кажуть, що вони мають спільний генофонд, оскільки в результаті вільних схрещувань у популяції відбувається і вільний обмін генетичною інформацією. Дослідження процесів успадкування і мінливості в межах популяції мають свої особливості. Насамперед - це потреба враховувати всі генетичні наслідки від всієї кількості вільних схрещувань, що відбуваються у популяції. Крім того, популяції більш генетично різноманітні, ніж окремі індивідууми (чи родина).

Визначення гетерогенності популяції У геномі людини, як диплоїдного організму будь- який ген може бути представлений максимум двома різними алелями. Але в людських популяціях таких алелів може бути багато, тому можна зустріти різні варіанти генотипів і, відповідно, різні варіанти фенотипу. Яскравий приклад - групи крові за системою АВО. Що більше різних алелей певних генів представлено в популя ції, тим різноманітнішим буде її генофонд. У разі змін умов існування це дає змогу «мобілізувати» весь резерв спадкової мінливості (комбінативної та мутаційної) для формування відповідних адаптацій. Отже, різноманітний генофонд популяції підвищує її адаптивний потенціал. Адаптивний потенціал - міра пристосувальних можливостей популяції або виду до умов середовища.

Визначення гетерогенності популяції Якщо в популяції спостерігаємо тільки один стан ознаки, то така ознака є мономорфною. Наявність у популяції різних станів ознаки (а відповідно, і певного гена) називають поліморфізмом. Отже, поліморфність популяції можна визначити як частку полі морфних генів (чи ознак, які вони зумовлю ють) серед усіх проаналізованих особин. У популяційній генетиці поліморфним вважають алель, частота зустрічальності якого в популяції становить 1 % та більше. Алелі, частота зустрічальності яких не до¬сягає критерію поліморфізму, але значно вища за рівень спонтанних мутацій, назива¬ють рідкісними. Явище поліморфізму свід¬чить про те, що в особин цієї популяції частина генів перебуває у гетерозиготному стані. Поліморфізм за кольором очей у людини

Генетична структура популяції Що більша кількість алелей відповідного гена в популяції, то більше в ній осіб, які є гетерозиготами. Частота гетерозигот за відповідним локусом у даній популяції є другим показником її генетичної різноманітності - гетерозиготності. Головними параметрами генетичної структури популяції (її генофонду) є частоти зустрічальності алелів (концентрація їх у популяції) та певних генотипів.

Визначення частоти зустріваності алелей і генотипів у популяції Частоту зустріваності відповідної алелі визначають, як відношення кількості цього алеля в популяції (враховуючи, що кожна диплоїдна гомозигота має по два подібні алелі певного гена, а гетерозиготи - по одному) до загальної кількості алелів цього гена в популяції. У разі повного домінування (гетерозиготи фенотипово не відрізняються від домінантних гомозигот) прямий розрахунок частоти зустрічальності алелів і певних генотипів неможливий. Її можна визначити за законом Харді – Вайнга, який у 1908 р., незалежно один одного, сформулювали Г. Харді та Вайнберг .

Закон Харді - Вайнберга Закон Харді - Вайнберга полягає в тому, що в достатньо численній популяції, у якій відбувається вільне схрещування особин, відсутній вплив будь-якого зовнішнього фактору, який сприяє чи не сприяє певним поєднанням алелів, не виникають нові мутації, не відбувається обмін генетичною інформацією з іншими популяціями (наприклад, унаслідок міграцій особин), співвідношення алелей стабілізується протягом кількох поколінь і тривалий час залишається сталим.

Співвідношення генотипів нащадків герозиготних батьків у численній популяції, де відбувається вільне схрещуня, буде такою: (р - частота домінантного алеля, q - частота рецесивного алеля).Із цієї таблиці випливає, що розподіл отипів нащадків визначається за формулою (p + q)2 = p2 АА+ 2pq. Аа + q2аа =1 (тобто 100%)Оскільки ми припустили, що є лише два алелі певного гена, то зрозуло,що: р. А + qа = 1. Формула, яка описує закон Харді - Вайнберга, є не що інше, як перенесений на групу особин, де обов’язково є вільне схрещування, результат, який описує другий закон Менделя.

Застосовання закону Харді-Вайнберга Сума частот усіх алелів, як і сума частот усіх генотипів, дорівнюватиме 1. Однак наведена формула якраз і описує ситуацію, коли дійсно різні генотипні класи нащадків траплятимуться з такою самою частотою, як і вбатьків (рівноважне співвідношення). Явище підтримання такого співвідношення називають генетичною рівновагою у популяції. Рівновага зберігається і тоді, коли певний ген представлений не двома, а більшою кількістю алелей. Застосовують закон Харді-Вайнберга на практиці коли досліджують розподіл частот генотипів у популяції при успадкуванні аутосомно-рецесивної або аутосомно-домінантної ознаки, бо за фенотипом можна точно з’ясувати кількість гомозигот за рецесивним алелем: їхній генотип визначатиме лише один варіант фенотипу. Але відрізнити гомозигот за домінантн ою алелл від гетерозигот за фенотипом неможливо.

Застосовність закону Харді - Вайнберга Закон Гарді - Вайнберга справедливий лише для великих популяцій, де відбувається вільне схрещування та відсутні фактори (міграції, ізоляції, природний добір, мутаційна мінливість, популяційні хвилі), які змінюють частоти алелів і генотипів, тобто для ідеальних популяцій. Зрозуміло, що популяцій, які б відповідали всім переліченим вимогам, у природі не існує.

Особливості людських популяцій Людські спільноти чимось подібні до природних популяцій організмів, але дуже від них відрізняються. Так, у зв’язку з розвитком засобів пересування дедалі більше втрачається значення географічних перешкод в ізоляції певних груп людей. Масові міграції сприяють обміну генетичним матеріалом між спільнотами, що мешкають на значній відстані одна від одної. Унаслідок цього можуть поступово зменшуватись відмінності в генофонді людських спільнот, ізольованих географічно. Якщо дві популяції істотно розрізняються за своєю генетичною структурою, це може істотно вплинути на зміну частоти алелей при змішуванні осіб цих популяцій. Неспоріднені шлюби між мігрантами та місцевим населенням супроводжуються підвищенням гетерозиготності. Тому в нащадків від таких шлюбів рецесивні алелі, що здатні в гомозиготному стані причиняти певні спадкові захворювання, часто перебувають у гетерозиготному стані і тому не проявляються у фенотипі. Порівнюючи розповсюдження генів і генотипів у різних популяціях, можна прослідкувати міграцію окремих людських угруповань, шляхи переселення цілих народів, а також зробити висновки про генетичну спорідненість народів (національностей), які проживають на суміжних територіях.

Особливості людських популяцій В ізоляції людських спільнот значна роль може належати соціальним факторам (мова, релігійні погляди, належність до певного народу чи нації, торичні традиції, соціальний стан, освіта тощо). Унаслідок дії соціальних факторів люди, що проживать на спільній території, можуть утворювати обмежені групи - ізоляти. Відмінності в генетичної та демографічній структурі різних популяцій обумовлюють і відмінності в особливостях поширення в них спадкових хвороб. Африканські пігмеїАфриканськіальбіноси

Роль типів схрещування Частота генотипів в популяції залежить від впливу певних типів схрещування, в тому числі інбридингу і ассортативного підбору подружніх пар.Інбридинг - близькоспоріднені шлюби, обумовлені соціально-психологічними, релігійними, майновими та іншими факторами. Відомо, що у християн шлюби заборонені з родичами до третього ступеня споріднення, а мусульман - до другої. Виділяють 3 форми інбридингу:- інцестні шлюби - між родичами першого ступеня споріднення (брати і сестри, батьки і діти), заборонені законом у багатьох країнах;- близькоспоріднені шлюби в ізолятах;- блізкороственние шлюби в великих популяціях. Близькоспоріднені шлюби збільшують частку гомозигот і виявляють в фенотипі нащадків рідкісні рецесивні патологічні алелі . Діти, народжені в близькоспоріднених шлюбах часто мають вроджені аномалії, спадкові захворювання та ін. Наприклад, в королівстві Норвегія одруження з «Не Норгей» заборонялася, в результаті серед Норгей збільшилася частота зустрічальності хвороби Дауна. Ассортативні шлюби (фр. Assorti - підібраний) - шлюби, при яких вибір шлюбного партнера невипадковий. При ассортативность шлюбах виявляється тенденція до великого подібності деяких фенотипових рис у шлюбних партнерів (дебіли одружуються з дебілами), що служить причиною збільшення частоти народження ряду психічних захворювань (шизофренія, неврози, алкоголізм, олігофренія). Таким чином, формуються субпопуляції з підвищеним ризиком захворюваності потомства. Таким чином, відхилення від панміксії (в формі имбридингу і ассортативності шлюбів) ведуть до зміни частоти деяких генів в популяції, в результаті виникає зниження пристосованості потомства (інбрендная депресія) і зниження життєздатності даної популяції.

Наслідком споріднених шлюбів є зростання серед нащадків частоти гомозигот за певним алелем. Оскільки багато летальних або сублетальних алелей рецесивні, у результаті інбридингу збільшується кількість рецесивних гомозигот і спостерігають явище інбредної депресії - зниження життєздатності осіб. Це пояснюють тим, що при переході в гомозиготний стан летальних і сублетальних алелй патологічні ознаки (різноманітні захвовання або вроджені вади розвитку), які вони визначають, проявляються фенотипі.

Генетичний вантаж популяції Сукупність шкідливих точкових (генних) і хромосомних мутацій у генофонді називають генетичним тягарем популяції. Кожна людина є носієм приблизно 300 алельних генів відомих спадкових хвороб. Небезпека народження дитини з певними спадковими захворюваннями, або генетичними вадами зростає зі збільшенням ступеня юрідненості осіб, які беруть шлюб. Ступінь спорідненості характеризується коефіцієнтом інбридингу - імовірністю того, що в генотипі якоїсь зобини будуть наявні два алелі, ідентичні за походженням, тобто походяь від спільного предка. Так, для нащадків рідних братів і сестер цей оефіцієнт дорівнює 1/4 (це означає, якщо один з батьків має певний алель, ймовірність того, що такий саме алель є і в іншого, становить 1/2), для двоюрідних братів і сестер - 1/16, троюрідних - 1/64. Сучасні людські популяції несуть величезний генетичний вантаж: за останніми оцінками, на 1 млн. новонароджених - 638 тис. мають будь-які вроджені патології

Вплив природного добору на генофонд популяції На генофонд популяції у наступних поколіннях може впливати природний добір. Якщо певний варіант фенотипу, який визначається відповідним варіантом генотипу, виявиться несприятливим у даних умовах снування, то в таких особин, відповідно, менше шансів вижити й залишити плодючих нащадків. Вочевидь, що при вилученні з процесу розмноження певного генотипу, наприклад рецесивної гомозиготи, частота зустріваності цього генотипу та, відповідно, рецесивного алеля буде зменшуватися впродовж наступних декількох поколінь. Таким чином, тиск добору може змінити співвідношення частот зустріваноності алелей у наступних поколіннях. Такий процес завжди відбувається у певному напрямку: надаючи перевагу одному варіанту генотипу, добір може повністю вилучити з популяції інший. Хоча до природного добору залучені фенотипи особин, одиницею добору є генотип, тобто відповідний набір генетичної інформації. Тому що різноманітніший генофонд популяції, то ефективніша дія природного добору.

Еволюційні фактори в популяції людини Природний добір і мутаційний процес «працюють» спільно. Якщо новоутворений варіант послідовності нуклеотидів у молекулах ДНК забезпечує розвиток адаптивної в даних умовах ознаки, такий алель «підхоплюється» природним добором і фіксується в наступних поколіннях. Як вже згадувалось, для того, щоб виконувався закон Харді - Вайнберга, популяція має бути численною. Це забезпечує утворення всіх можливих гамет та їхніх комбінацій під час формування наступного покоління. Коли популяція нечисленна, то підвищується імовірність випадкового відхилення від середньої частоти зустріваності якоїсь алелі, а це може призвести до істотної зміни частот алелів і генотипів.

Дрейф генів у популяції Процес випадкової і неспрямованої зміни частот зустрі ностіваності алелей у нечисленній популяції має назву дрейф генів. Найчастіше дрейф генів спостерігають при різкому зменшенні чисельності популяції. Наприклад, коли внаслідок міграції невелика кількість особин переселяється на нову територію. У такому разі кажуть, що популяція наче проходить крізь «шийку пляшки»: у маленькій новій популяції зазвичай будуть представлені не всі алелі, притаманні вихідній популяції, а лише частина. Крім того, частота зустрічальності алелів у новоствореній популяції буде іншою порівняно з вихідною. Отже, генофонд наступних поколінь визначатиме невелика кількість особин ново- створеної невеликої популяції (ефект засновника). Одним з наслідків дрейфу генів є зростання частки гомозиготних особин у популяції і вона буде істотно відрізнятись від материнської.