 |
Генетическая структура популяции.
|
|
|
|
Популяционная генетика – раздел генетики, который изучает генетический состав популяции, а также факторы влияющие на изменение этого состава.
Популяция – это совокупность особей одного вида, которые проживают в течении длительного времени на определённом ареале, свободно скрещиваются, дают плодовитое потомство и отделены от других популяций того же вида той или иной формой изоляции.
Основная закономерность, позволяющая исследовать генетическую структуру популяций, была установлена в 1908 году независимо друг от друга английским математиком Г. Харди и немецким врачом В. Вайнбергом. Этот закон позволяет установить математическую зависимость между частотами генов и генотипов в популяции.
Рассмотрим пару аллельных аутосомных генов (А и а). Например, если ген А встречается с частотой (р), а ген а - с частотой (q), то соотношение частот этих аллелей в популяции окажется равным 1.
р+q=1
А а
Первое положение закон Харди-Вайнберга.
Сумма частот встречаемости доминантного и рецессивного аллелей
Одного гена величина постоянна и равна 1.
Возведя в квадрат, мы получим (р+q)2=р2+2рq+q2=1
АА Аа аа
Генотип АА встречается с частотой (р2), генотип Аа встречается с частотой (2рq), генотип аа встречается с частотой (q2). Распределение частот встречаемости различных генов соответствует коэффициентам бинома Ньютона второй степени.
Второе положение закона.
Сумма частот встречаемости различных генотипов по одному аллелю в данной популяции величина постоянная и равна 1.
Аналогичный способ расчёта можно применить для трёхаллельной системы, например, для исследования групп крови.
pIA +qIB +rIO + =1, возводим в квадрат и получаем
(pIA + qIB +rIO)2 =1,раскрываем скобки
|
|
|
P2IAIA + q2IBIB +r2IOIO +2pqIAIB +2prIAIO =2qrIBIO=1
Это количественная оценка всех гомозиготных и гетерозиготных генотипов по системе АВО.
Закономерности полученные Харди и Вайнбергом справедливы для равновесных популяций, для которых характерно:
1. Свободное скрещивание или отсутствие специального подбора пар по каким-либо отдельным признакам.
2. Отсутствие оттока аллелей вызываемого отбором или миграцией за пределы данной популяции.
3. Отсутствие притока аллелей вызываемого мутационным процессом или миграцией особей в данную популяцию из вне.
4. Равная плодовитость гомозиготных и гетерозиготных особей.
5. Поколения не должны перекрываться во времени.
6. Численность популяции должна быть значительно большой.
В действительности реальная популяция может лишь приближаться к этим условиям. Известные генетики Ниль и Шелл считают, что, хотя ни в одной конкретной популяции эта совокупность условий не может быть соблюдена, в большинстве случаев расчёты по закону Харди-Вайнберга настолько близки к действительности, что этот закон вполне пригоден для анализа генетической структуры популяции.
Факторы, нарушающие равновесие генов в популяции.
В человеческой популяции постоянно действуют такие факторы эволюции, как мутационный процесс, миграция, отбор, дрейф генов, что приводит к изменению частот генов.
Мутационный процесс
Мутационный процесс существенной влияет на генетический состав человеческой популяции. Многие мутантные гены снижают продолжительность жизни человека, и он умирает, не оставив потомства, или имеют меньше детей, чем у нормальных людей. В результате происходит элиминация мутантного аллеля и его частота снижается. К таким генам относятся летальные и полулетальные гены. Значительная часть хромосомных аномалий элиминируется ещё на ранних стадиях внутриутробного развития. Однако не каждый патологический ген устраняется естественным отбором и рождаются дети с различными наследственными заболеваниями.
|
|
|
Мутационный процесс у человека сходен с таковым у других организмов по всем основным показателям – средней частоте мутирования на локус или геном за поколение, гинетико-физиологическим характеристиками мутаций, наличию антимутационных барьеров. Это совпадение неслучайно. Основные характеристики спонтанного мутагенеза формировались на начальных этапах эволюции жизни под действием таких постоянных факторов, как ультрафиолетовые и иные виды излучения, температура, определённая химическая среда.
Хотя оценка частоты возникновения мутаций у людей встречает серьёзные трудности, некоторые походы к получению таких данных имеются. Согласно одному их них, максимальная определяемая вероятность новой мутации составляла 2,24 * 10 -5 на один локус в поколении.
В настоящие время давление мутационного процесса на генофонд человечества, по-видимому, усиливается благодаря росту индуцированных мутаций. Их причиной нередко служат факторы, возникающие в связи с производственной деятельностью человека в условиях научно-технической революции, например ионизирующее излучение. Подсчёт прироста количества мутаций сверх фоновых значений встречается с теми же трудностями, о которых шла речь выше. Согласно ориентировочно данным, доза в 1 Гр (грей),получаемая при низком уровне радиации мужчинами, индуцирует от 1000 до 2000 мутаций с серьёзными фенотипическими последствиями на каждый миллион живых новорождённых. У женщин эта цифра ниже – 900.
Мутагенные факторы индуцируют мутации как в половых, так и в соматических клетках. В последнем случае результат может состоять в повышении частоты определённых заболеваний, прежде всего злокачественных опухолей.
Популяционные волны.
Численность населения планеты за обозримый исторический период в целом возросла. В эпоху неолита число людей было равно примерно 5 млн., в период появления городов – 20 – 40 млн., во времена Римской империи к началу новой эры – 200 млн., к 1600 г. – 500 млн., в 1800 г. – 1 млрд., в настоящее время более 4 млрд. Представляя общую тенденцию в истории человечества, эти данные указывают также на изменение во времени темпов прироста народонаселения. Это показатель, однако, изменялся в историческом развитии неравномерно.
|
|
|
Моменты ускорения прироста численности людей совпадают с важнейшими достижениями человечества – развитием земледелия примерно 8000 лет назад, началом индустриализации, эрой научно-технической революции. Важным следствием увеличения темпа прироста является изменение плотности населения. Так, в эпоху охотников и собирателей она составляла менее 1 человека на 3 км 2, в век бронзы и железа – 10 человек, в настоящее время от 4 до 900 – 1200 на 3 км2. Даже сейчас 50% населения размещаются всего 5% площади обитаемой суши. Крайне неравномерное распределение людей на земном шаре имело место на любом этапе развития человечества. Ускорение роста численности про ограниченности заселяемой территории способствует усилению миграций.
На фоне общей тенденции к повышению численности людей имели место отдельные снижения этого показателя. Причиной снижения, отражаемого на диаграмме динамики населения планеты, явилась эпидемия чумы с большой смертностью, которая в средние века распространилась на значительные территории. Заметные колебания численности на ограниченных территориях происходили вследствие, например, особо опасных инфекций. Они были закономерными явлениями в жизни целых народов ещё в начале текущего столетия. Периодические колебания численности людей на обширных или ограниченных территориях, изменяя плотность населения и вызывая миграции, влияли на состояния генофондов человеческих популяций.
Изоляция.
Размер, уровень рождаемости и смертности, возрастной состав, экономическое состояние, уклад жизни являются демографическими показателями популяций людей. Генетически они характеризуются генофондами (аллелофондами). Демографические показатели оказывают серьезное воздействие на состояние генофондов человеческих популяций, главным образом через структуру браков. Большое значение в определении структуры браков имеет размер группы.
|
|
|
Популяции из 1500-4000 человек называют демами, популяции численностью до 1500 человек – изолятами. Для демов и изолятов типичен
относительно низкий естественный прирост населения – соответственно по-
рядка 20% и не более 25% за поколение. Частота внутригрупповых браков в них составляет 80 – 90% и выше 90%, а приток лиц из других групп сохраняется на уровне 1- 2% и менее 1%. В силу высокой частоты внутригрупповых браков члены изолятов, просуществовавших четыре поколения (примерно 100 лет) и более, являются не менее чем троюродными братьями и сестрами (сибсами).
Человеческое общество длительно развивалось как совокупность изолированных производственных коллективов, внутри которых в основном и совершались браки. Природа изоляционных барьеров между популяциями людей разнообразна. В ранней истории человечества важное место принадлежало по-видимому, географической изоляции. Специфическими для человеческого общества являются формы изоляции, зависящие от разнообразия культур, экономических укладов, религиозных и морально-этических установок.
Фактор изоляции оказывал влияние на генофонды популяций людей. Длительным проживанием в состоянии относительной культурной и географической изоляции объясняют. Например, некоторые антропологические особенности представителей малых народностей: своеобразный рельеф ушной раковины бушменов, большая ширина нижнечелюстного диаметра коряков и ительменов, исключительное развитие бороды айнов. Среди горных таджиков, проживающих в одном районе, выделены группы с разным соотношением индивидуумов по антигенам эритроцитов системы АВ0. Причиной различия является изолированность от главных перевальных путей сообщения.
Сохранению высокого уровня генетической изоляции двух популяций, существующих на одной территории, способствуют отличия по физическим признакам или образу жизни. Однако такие барьеры со временем ослабевают. Об этом свидетельствует судьба популяций белых и негров в США и Бразилии. К настоящему времени доля генов от белых составляет американских негров 25%, а у бразильских – 40%. между двумя генетическими различающимися популяциями, через которые и происхоит обмен генами. В таких случаях наблюдается градиент признака. Так, частота аллеля группы крови В Европе постепенно повышаться с запада на восток. У коренного населения Пиренейского п-ова этот ген практически отсутсвует, тогда когда как в районе Астрахани его частота достигает 30%.
Настоящее время круг возможных браков неуклонно расширяется. Разрушение многовековых изоляционных барьеров – процесс, по-видимому необратимый.
|
|
|
Предположительно человеческие популяции в полиолите состояли из нескольких сотен индивидуумов. Всего одно -два столетия тому назад люди жили преимущественно населениями в 25-35 домов. В плоть до самого последнего времени количество индивидуумов в отдельных популяциях, непосредственно участвующих в размножении, редко превышало 400 – 3500 человек. Причиной географического, экономического, расового, религиозного, культурного порядка ограничивали брачные связи масштабами определённого района, племени, поселения, секты. Высокая степень репродуктивной изоляции малочисленных человеческих популяций на протяжении многих поколений создавала благоприятные условия для дрейфа генов.
Дрейф генов.
Дрейф генов или генетико-автоматические процессы возникают в малочисленных популяциях, в которых на протяжении многих сотен лет сохраняется высокая степень репродуктивной изоляции. Дрейф генов приводит к сглаживанию изменчивости внутри группы и появлению случайных, не связанных с отбором различий между изолятами. Именно это выявили наблюдения за особенностями фенотипов малочисленных групп населения в условиях, например, географической изоляции. Так, среди жителей Памира резус-отрицательные индивидуумы встречаются 2-3 раза реже, чем в Европе. В большинстве кишлаков такие люди составляют 3-5% популяции. В некоторых изолированных селениях, однако, их насчитывается до 15%, т.е. примерно как в европейской популяции.
В крови человека имеются гаптоглобины, которые связывают свободный гемоглобин после разрушения эритроцитов, чем предотвращает его выведения из организма. Синтез гаптоглобина Hp1 – 1 контролируется геном Hp1. Частота этого гена у представителей двух соседних племён на север Южной Америки составляет 0,205 и 0,895, отличаясь более чем в 4 раза.
Примером действия дрейфа генов человеческих популяций служит рода начальника он возникает, когда несколько семей порывает с родительской популяцией и создаёт новое на другой территории. Такая популяция обычно поддерживает высокий уровень брачной изоляции. Это способствует случайному закрепления в её генофонде одних аллелей и утрате других. В результате частота очень редкого аллеля может стать значительной.
Так, члены секты амишей во округе Ланкастер штата Пенсильвания, насчитывает к середине текущего столетия примерно 8000 человек, почти все произошли от трёх супружеских пар иммигрировавших в Америку в 1770 г. В это изоляте обнаружено 55 случаев особой формы карликовости с многопалостью, которая наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Это анамалия не зарегистрирована среди амишей штатов Огайо и Индиана. В мировой медицинской литературе описано едва 50 таких случаев. Очевидно, среди членов первых трёх семей, основавших популяцию, находился носитель соответствующего рецессивного мутантного аллеля – «родоначальник» соответствующего фенотипа.
В XVIII в. из Германии в США иммигрировало 27 семей основавших в штате Пенсильвания секту Дункеров. За 200 летний период в существовании в условия сильной брачной изоляции генофонд популяции Дункеров изменился в сравнении с генофондом населения Рейнской области в Германии, из которой они произошли. При это степень различия во времени увеличивалось. У лиц в возрасте 55 лет и выше частота аллелей групп крови MN ближе к цифрам, типичного для населения Рейнской области, чем у лиц в возрасте 28 – 55 лет. В возрастной группе 3- 27 лет сдвиг достигает ещё больших значений. Направление изменений не совпадает с таковым целым для населения штата Пенсильвания. Польза дрейфа генов говорит также то, что в генофонде американский Дункеров увеличилось концентрация аллелей, контролирующих развитие заведомо биологических нейтральных признаков, например оволосение средней фаланги пальцев, способности оставлять большой палец кисти.
На протяжении большей части истории человечества дрейф генов оказывал влияние на генофонды популяций людей. Так, многие особенности узкоместных типов приделах арктической, байкальской, центрально-азиатской, уральской групп населения Сибири являются, по-видимому, результатом генетико-автоматических процессов в условиях изоляции малочисленных коллективов. Эти процессы, однако, не имели решающих значений в эволюции человека.
Последствие дрейфа генов, представляющие интерес для медицины, заключаются в неравномерном распределении по группам населения Земного шара некоторых наследственных заболеваний. Так, изоляцией и дрейфом генов объясняется, по-видимому, относительная высокая частота церебромакулярнй дегенерации в Квебеке и Ньюфаундленде, детского цистиноза во Франции, алкаптонурии в Чехии, одного их типов порфирии среди европиоидного населения в Южной Америке, адреногенитального синдрома у эскимосов. Эти же факторы могли быть причиной низкой частоты фенилкетонурии у финнов и евреев-ашкенази.
Случайный дрейф генов или эффект Райта может служить важнейшим механизмом эволюционных изменений в небольших или изолированных популяциях. В небольших популяциях могут быть представлены не все аллели, типичные для данного вида. Случайные события, например, преждевременная гибель особи, единственного носителя какого-либо аллеля приведет к исчезновению этого аллеля из популяции. Точно также как некий аллель может исчезнуть из популяции, частота его может и повысится чисто случайным образом. Случайный дрейф генов являение непредсказуемое. Небольшую популяцию он может привести или к гибели или наоборот повысить ее приспособленность к данной среде. С дрейфом гена связано такое явление как эффект основателя или родоначальника. Этот эффект возникает когда несколько семей порывают с родительской популяцией и создают новую на другой территории. Такая популяция обычно поддерживает высокий уровень брачной изоляции. Это способствует закреплению в генофонде одних аллелей и утрате других.
Примеры действия принципа основателя были выявлены при изучении небольших популяций, образованных в Америке религиозными сектам, эмигрирующими из Германии в 18 веке. Например, секта дункеров, обосновалась в Пенсильвании. Она была основана 27 семьями и на протяжении более 200 лет браки заключались исключительно между членами этой секты. В итоге генофонд популяции дункеров сильно изменился по сравнению с генофондом населения Рейнской области Германии, из которой они произошли. Определение групп крови дало следующие результаты:
Частоты группы А.
Население Пенсильвании 42%
Население ФРГ 45%
Община дункеров 60%.
Другим примером может быть секта амишей в округе Ланкастер штата Пенсильвании. Эту секту основали три супружеские пары которые иммигрировали в Америку в 1770 году. В этом изоляте описано 55 случаев особой формы карликовости с многопалостью, которая наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Последствия дрейфа генов, представляющие интерес для медицины, заключаются в неравномерном распределении по группам населения Земного шара некоторых наследственных заболеваний.
Изоляцией и дрейфом генов объясняется относительно высокая частота церебромакулярной дегенерации в Квебеке и Ньюфаундленде, детского цистиноза во Франции, алкаптонурии в Чехии, адреногенетального синдрома у эскимосов. А также низкая частота фенилкетонурии у финнов и евреев- ашкенази. Изменения генетического состава популяции в следствии генетико-автоматических процессов приводит к гомозиготизации индивидуумов. При этом чаще фенотипические последствия оказываются неблагоприятными. Хотя возможно образование и благоприятных комбинаций аллелей. И мутационный процесс и дрейф генов поставляют в популяцию новые аллели и следовательно служат источником изменчивости в популяции.
Естественный отбор.
Единственным эволюционным фактором, вызывающим направленное изменение генофонда путём элиминации из популяции менее приспособленных индивидов или снижения их плодовитости является естественный отбор. Существуют три вида отбора стабилизирующий, направленный и дизруптивный.
Стабилизирующий отбор проводится в тех случаях, когда фенотипические признаки оптимально соответствуют условиям среды и конкуренция относительно слабая. Такой отбор действует в популяциях и элиминирует особей с крайними отклонениями признаков. Карн и Пенроуз изучили корреляцию между весом новорожденных и постнатальной смертностью у 13730 младенцев, родившихся в Лондоне в период 1935-1946г г. Среди них 614 родились мертвыми или умерли в первый месяц после рождения. Оптимальный вес новорожденных 3,6 кг. Младенцы с большим или меньшим весом оказывались в смысле отбора в невыгодном положении. И смертность среди них была намного выше. Например, смертность среди младенцев с весом 3,6 кг была 1.8% Смертность среди младенцев с весом 1,8 -2 кг была 34%. Стабилизирующий отбор не способствует эволюционному изменению, а поддерживает фенотипическую стабильность популяции из поколения в поколении.
Направленный отбор.Эта форма возникает в ответ на постепенное изменение условий среды. Направленный отбор влияет на диапазон фенотипов, существующих в данной популяции и оказывает селективное давление, сдвигающий средний фенотип в ту или иную сторону. После того как средний фенотип придет к оптимальному соответствию с новыми условиями среды вступает в действие стабилизирующий отбор. Направленный отбор приводит к эволюционным изменениям оказывая на популяцию такое давление которое благоприятствует увеличению в ней частоты новых аллей.
В настоящее время в человеческих популяциях преобладает стабилизирующий естественный отбор. Возможны две разновидности естественного отбора. Отбор в пользу гомозигот и отбор в пользу гетерозигот. Примером отбора в пользу гетерозигот является наследование серповидно-клеточной анемии у жителей Африки и средиземноморья. Ребенок, рожденный гомозиготным в отношении серповидно-клеточной анемии. Умирает еще до полового созревания. Это приводит к быстрому снижению изменчивости по соответствующему локусу. Во многих популяциях людей частота аллелей аномальных гемоглобинов не превышает 1%. Высокая частота аллелей такого аномального гемоглобина как с в некоторых районах планеты иллюстрирует действие естественного отбора по поддержанию в человеческих популяциях состояния балансированного генетического полиморфизма. Отрицательный отбор в отношении гомозигот (АА) перекрывается положительным отбором в пользу гетерозигот (Аа) в очагах тропической малярии.
Можно рассмотреть влияние отбора на примере доминантно наследуемой патологии – ахондроплазии. Патологический аллель ахондроплазии снижает жизнеспособность и некоторые дети умирают еще в раннем детстве, т.е. устраняются естественным отбором. Выжившие люди имеют своеобразный фенотип, проявляющийся карликовостью, поэтому они реже вступают в брак., а у вступивших в брак детей в среднем меньше, чем у нормальных в отношении этого признака людей. Суммарный итог всех этих явлений заключается в том, что лишь 20% аллелей ахондроплазии, существующих в поколении родителей, передаются поколению детей, а 80% этих аллелей элиминируется из популяции. Это позволило ввести показатели влияния отбора- селекционную ценность генотипа и коэффициент отбора. Селекционная ценность характеризуется способностью организмов данного генотипа передавать свои аллели потомству. В данном случае селекционная ценность генотипа ахондроплазии составляет 0,2 (20%), а коэффициент отбора 1-0,2= 0.8 (80%).
Насколько широко действие отбора в человеческих популяциях, можно видеть в следующих суммарных данных. Популяционные исследования В. Маккьюсика (1968) показали, что около 15% плодов погибают до рождения, 5% погибают во время родов или сразу после рождения, 3% умирают не достигнув полового созревания, 20% людей не вступают в брак и в 10% случаев браки являются бесплодными. Во всех случаях аллели эллеминируются отбором.
Однако не каждый патологический ген снижает селекционную ценность признака. Это относится к аллелям, проявление которых в онтогенезе начинается в пожилом возрасте, когда репродуктивная деятельность организма закончилась. В этих случаях отбор не устраняет патологический аллель из популяции. Среди генов этой группы можно отметить аллели, обуславливающие предрасположение к гипертонической болезни, атеросклерозу, подагре и т.д. Отсутствие элиминирующего действия отбора объясняет высокую частоту болезней с наследственной предрасположенностью в пожилом и старческом возрасте.
Человечеству свойственен высокий уровень генетического полиморфизма, который объясняется действием известного фактора отбора. В результате формируются генофонды, сбалансирование по набору и частотам аллелей, которые обеспечивают в данных условиях хорошую выживаемость популяций. Генетический полиморфизм является основой межпопуляционной и внутрипопуляционной изменчивости людей. Изменчивость проявляется в неравномерном распределении по планете некоторых заболеваний, тяжести их протекания в разных человеческих популяциях, разной степени предрасположенности. Сравнение распространености
Заключение.
Одна из основных задач популяционной генетики человека состоит в изучении генетической структуры популяции, а также причин, приводящих к ее изменению в последующих поколениях. В практическом плане особый интерес представляют данные о частоте генов (генотипов), определяющих развитие патологических признаков (наследственных заболеваний, болезней с наследственной предрасположенностью) в разных популяциях человека. Такие данные являются основой для понимания эпидемиологии наследуемых патологических состояний. Они необходимы также для планирования мероприятий, связанных с профилактикой мутационного груза наследственной патологии, возникающего под воздействием мутагенов среды на генетический аппарат человека.
|
|
|
