Сущность и значение закона генетического равновесия популяции
Закон генетического равновесия действует только в равновесных или идеальных популяциях, отвечающих определенным требованиям: свободное скрещивание или панмиксия, отсутствие притока и оттока генов за счет миграции особей, отсутствие естественного отбора и мутаций, равная плодовитость гомозигот и гетерозигот.
При таких условиях равновесие генов по одной аллельной паре (А —» а) наступает через одно поколение и сохраняется таковым во всех последующих.
Если частоты доминантного и рецессивного гена обозначить через ри q, то согласно Закону Харди-Вайнберга:
1 .Сумма частот генов одной аллельной пары в популяции есть величина постоянная:
p+ q= 1(100%)или pA+qa = 1(100%)
2. Сумма частот генотипов по одной аллельной паре в популяции также величина постоянная, а распределение их определяемся уравнением:
(р+ q)2= 1(100%)или р2+2р q£ 1 (100%)
Чтобы определить частоты генотипов по одной аллельной паре генов АА, Аа и аа нужно допустить, что в равновесной популяции женские и мужские особи дают одинаковое число гамет по доминантным и рецессивным генам. Тогда частоты всех генотипов будут складываться из произведения частот генов, заключенных в гаметах всех особей популяции, а формула приобретет следующий вид:
(рА+qa )2x (pA+ qa) = р2АА+2р qAa+ q2aa■ 1 (100%)
где, р2 - частота доминантных гомозигот,
2р q - частота гетерозигот
q2 - частота рецессивных гомозигот.
Используя закон Харди-Вайнберга, можно прогнозировать насыщенность популяции определенными генами. В медицинской практике иногда возникает необходимость установить количественные соотношения людей с различными генотипами по какому-либо аллелю, включая и патологические ген или частоту встречаемости этого гена среди населения. Благодаря таким исследованиям была изучена геногеография ряда наследственных болезней в популяциях человека.
Пример определения генетической структуры популяции по гену резус-фактора.
ЗАДАЧА 1.В населенном пункте при обследовании населения на резус -фактор оказалось 16% лиц с резус-отрицательным фактором (ЯгТ") и 84 % - с резус- положительным фактором ((Rh +). Известно, что резус - фактор наследуется моногенно по аутосомно-доминантному типу практически. Если аллельную пару генов обозначить через D и d, то носители Rh + будут иметь генотипы DD и Dd, а носители ШГ - dd, Но какая часть Rh + будут гомозиготами, а какая гетерозиготами?
По закону Харди-Вайнберга возможен рассчет частот генов D и d и генотипов: ДЦ, Дц, дд по формуле:
р2 DD +2р q Dd q2 dd =1 (100%),
Частота гомозигот по рецессивным генам известна, она составляет
q2 = 16% = 0,16 .отсюда q = 0,16 = 0,40 или 40%
Так как р + q = 1, отсюда р = 1-q = 1- 0,40 = 0,60
Остается вычислить частоты генотипов DDи Da:
р2= (0,60) 2= 0,36 (36%0)
2р q = 2 х 0,60 х 0,40 = 0,48 (48%)
Итак в исследованной группе людей Rh + - гомозиготы составили 36%, Rh +- гетерозиготы - 48%, Rh~" - 16%.
Согласно Закону Харди-Вайнберга в равновесной популяции частоты генов и частоты генотипов сохраняются в ряду поколений.
Соотношение генов и генотипов может меняться в том, случае, если популяция теряет равновесие. Нарушение равновесия может быть вызвано разными факторами.
Одни факторы поставляют в популяцию новые аллели. К ним относятся иммиграция и мутационный процесс, которые вызывают первичные изменения генетической структуры популяций.
Другие факторы изменяют соотношение различных генотипов в популяции. К ним относятся эмиграция особой из популяции, отбор в пользу гомозигот или гетерозигот, инбридинг, дрейф генов. Изменения частот генотипов изменяют и частоты генов, но не вызывают появления новых аллелей. Такие явления можно отнести к вторичным процессам изменения генетической структуры популяций.
В человеческих популяциях наиболее распространены панмиктические браки. Однако встречаются и кровнородственные браки или инбридинг.
В популяциях человека существуют различные формы инбридинга:
а) инцестные (запретные) браки - между родственниками первой степени родства;
б) кровнородственные браки, обусловленные территориальной изолированностью небольших популяций - изолятов;
в) кровнородственные браки, обусловленные социальной изоляцией в некоторых группах населения, поощряемые экономическими или религиозными мотивами.
Генетическая структура малочисленных популяций формируется за счет влияния инбридинга и случайных колебаний концентрации аллельных генов либо доминантных, либо рецессивных, поэтому одни аллели могут исчезать, другие возрастать из поколения в поколение. Это явление называется - дрейф генов или генетико-автоматические процессы, распространяющиеся на всю популяцию. Результатом их является постепенная гомозиготизация генотипов особей популяции. Так происходит накопление очагов аутосомно -доминантных или аутосомнорецессивных заболеваний в изолятах. Отбор в человеческих популяциях привел к сушествованию так называемого балансированного полиморфизма. Система балансированного полиморфизма поддерживает генетическую гетерогенность человеческих популяций и обеспечивает, уникальную генотипическую и фенотипическую индивидуальность человека.
СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ
Самостоятельная работа студентов.
1. Решение ситуационных задач по определению генетической структуры человеческих популяций.
2. Расчет частоты генов и генотипов по соотношению фенотипов в модельных популяциях.
ЗАДАЧА1. При определении групп крови MN в городе К., установлено, что из 4200 обследованных 1218 человек имеют антиген М (генотип ММ), 882 человека имеют антиген N (генотип N N) и 2100 человек имеют оба антигена М и N (генотип MN). Определить частоты всех генотипов, выразив их в долях единицы или в процентах.
ЗАДАЧА2. Из 84000 детей, родившихся в течение 10 лет в родильных домах города К., у 210 детей обнаружен патологический рецессивный признак (ген-£). Популяция города К. отвечает условиям панмиксии.
1. Определить частоты генов L и Z в популяции г. К.
2. Определить частоту гетерозигот LC.
3. Установить генетическую структуру популяции г. К., вычислив частоты доминантных гозигот (LL), гетерозигот (L V) и рецессивных гомозигот (££).
ЗАДАЧА 3Альбинизм общий наследуется как рецессивный аутосомный признак. Заболевание встречается с частотой 1: 20 000 (К. Штерн) Вычислить количество гетерозигот в популяции.
ЗАДАЧА 4Глухонемота связана с врожденной глухотой, которая препятствует нормальному усвоению речи. Средняя частота заболевания по разным странам колеблется, для европейских стран она равна 2: 10 000 (В.П. Эфроимсон). Определить возможное количество гетерозиготных носителей глухонемоты в районе, включающем 8 000 000 жителей.
ЗАДАЧА 5 Наследственная метгемоглобинемия (повышенное содержание метгемоглобина в крови) наследуется по аутосомно-рецессивному типу и встречается среди эскимосов Аляски с частотой 0,09% (П.Б. Гофман-Кадошников). Определить генетическую структуру анализируемой популяции по метгемоглобулинеми?.
ЗАДАЧА 6 Врожденный вывих бедра наследуется доминантно с пенетрантностью 25%. Заболевание встречается с частотой 6: 10 000 (В.Л. Эфроимсон). Определить частоту гомозиготных носителей по рецессивному гену.
ЗАДАЧА 7 Аниридия (отсутствие радужной оболочки) наследуется как доминантный аутосомный признак и встречается с частотой 1: 10 000 (В.П. Эфроимсон). Определить генетическую структуру популяции по аниридии.
ЗАДАЧА 8 В одном из американских городов в части, представляющей изолят из итальянских переселенцев, в период с 1928 по 1942 гг. среди 26 000 новорожденных 11 оказалось с тяжелой формой талассемии. Определить число гетерозигот среди изученной популяции.
ЗАДАЧА 9 Подагра встречается у 2% людей и обусловлена аутосомным доминантным геном. У женщин ген подагры не проявляется, у мужчин пенетрантность его равна 20% (Эфроимсон). Определить генетическую структуру популяции по анализируемому признаку, исходя из этих данных.
ЗАДАЧА 10. Группа состоит из 80% особей генотипом DD и 20% - с генотипом dd. В условиях панмиксии в первом же поколении установится равновесие генотипов DD, Dd, dd. Определить частоты всех трех генотипов, выразив в долях единицы.
ЗАДАЧА 11. В районе с населением 50000 человек при полной регистрации заболеваемости муковисцидозом (генотип mm) обнаружено 12 человек. Определить частоту генотипа mm, вычислив число больных на 1 млн. населения.
ЗАДАЧА 12. Группа особей (искусственная выборка) состоит из 30 гетерозигот Аа. Вычислить частоту нормального гена — А и частоту мутантного гена - а, выразив в долях единицы и в процентах.
ЗАДАЧА 13. Группа состоит из 90 % особей с генотипом ВВ и 10 % с генотипом bb. Показать, что в условиях панмиксии в первом же поколении установится равновесие генотипов ВВ, ВЬ и bb. Определить частоты трех генотипов после установления равновесия.
Форма исходного и заключительного контроля знаний!
Тестовый контроль, устный опрос, контрольная ситуационная задача.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.
ОСНОВНАЯ:
1. Ярыгин В.Н. Биология 2004. кн.1. с. 265-266.
2.ЯрыгинВ.Н. 1984. с. 123,261-267.
3. Слюсарев А.А., Жукова СВ. Биология 1987. с. 117,225-226.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:
1. Бочков Н.П., Захаров А.Ф., Иванов В.И. Медицинская генетика. — М.: Медицина 1984.
РАЗДЕЛ IV.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА
Молекулярная генетика изучает явления наследственности и изменчивости на молекулярном уровне. Ей предшествовала биохимическая генетика, основателем которой является английский врач А. Гаррод. В 1908 году он впервые описал наследственные болезни обмена веществ, такие как алкаптонурия, альбинизм, цистинурия и высказал предположение о врожденных пороках, обусловленных дефектами ферментов. Высказав идею о биохимических мутациях у человека, он предвосхитил развитие молекулярной биологии и генетики.
В 30 годах О. Серебровский и Н. Дубинин сформулировали центровую теорию гена, из которой следовало, что такая сложная единица наследственности как ген может иметь достаточно сложную структуру, подобную белкам.
В 1941 году Д. Бидл и Е. Татум, изучая мутантные штаммы нейроспора выдвинули гипотезу «один ген — один фермент», предположив, что каждый биохимический процесс находится под генетическим контролем, а каждая реакция находится под контролем одного, соответствующим образом направленного гена и что в результате мутации гена первичная реакция в клетке изменяется.
В 1944 году группой американских ученных была экспериментально доказана генетическая роль нуклеиновых кислот, что и послужило толчком к развитию молекулярной генетики.
В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик представили оригинальную модель строения двойной цепи молекулы ДНК, ставшей важнейшим открытием в молекулярной биологии и генетики. Модель позволяла также расшифровать механизм самовоспроизведения ДНК, объяснить соответствие структуры генов и белков, механизмы кодирования и реализации генетической информации. На основании новых данных была сформулирована концепция «один ген — один белок» и несколько позже «один ген - одна нолипептидная цепь».
В 1954 году Г. Гамов высказывает предположение о триплетной структуре генетического кода, суть которого сводится к тому, что определение одной аминокислоты в полипептиде контролируется тремя рядом стоящими нуклеотидами ДНК или м-РНК. К 60-м годам была завершена расшифровка генетического кода для всех 20 аминокислот, входящих в состав белков.
В 1957 году американский ученый С. Бензер в результате экспериментов на бактериофагах с применением метода рекомбинации ДНК, вводит новые понятия о структуре и функции генов: рекон, мутон, цистрон. Рекон -наименьшая единица рекомбинации, равная двум соседним нуклеотидам ДНК, Мутон - наименьшая единица мутации, равная одному нуклеотиду ДНК, Цистрон - наименьшая единица функции наследования.
В 1961 году французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно на основании собственных экспериментов на бактериях сформулировали гипотезу оперона, объясняющей регуляцию генной активности как саморегулирующуюся систему, основанную на принципах обратной связи. Оперон — совокупность структурных и функциональных генов, регулирующих синтез белков общего метаболического цикла. Оперон может быть активен или пассивен под влиянием гена-регулятора, воздействующего на оперой через систему белков репрессоров и метаболитов индукторов. У эукариот эта схема усложняется многократно повторяющимися регуляторными генами в геноме, действием гистонов, гормонов, сложным строением хромосом.
Важным этапом в развитии молекулярной генетики стали исследования в области молекулярных мутаций у человека. Значительным событием в этом плане явилось открытие причин образования аномальных гемоглобинов у человека. Было выявлено свыше 100 мутаций в гемоглобине человека. Большая их часть связана или с заменой аминокислот миссенс-мутации, или с превращением кодонов не кодирующих аминокислоты - нонсенс-мутации. Эти данные легли в основу молекулярной патологии человека.
Успехи современной молекулярной биологии и генетики были достигнуты благодаря совершенствованию методов анализа и их технического оснащения. Современные методы связаны с манипуляциями ДНК (секвенирование, получение ДНК-зондов, ГТЦР), гибридизацией соматических клеток, генно-инженерными технологиями.
Значительные успехи достигнуты в области применения молекулярно-гекетических методов в изучении генома человека, прекатальной диагностике наследственных болезней, генетической инженерии и биотехнологии.
Молекулярная генетика входит в такие области исследований как популяционная генетика, экологическая генетика, иммуногенетика, антропогенетика, фармакогенетика. клиническая генетика.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ№ 10.
ТЕМА:МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. БИОСИНТЕЗ БЕЛКА.
МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ.
Фундаментальные основы молекулярной биологии и генетики имеют важное значение для теоретической практической медицины. Значение структурно-функциональной организации наследственного материала, структуры и функции генетического кода, механизмов реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка, появление молекулярных мутаций необходимы для генетического подхода к возникновению молекулярных наследственных болезней человека, принципов их диагностики, лечения и профилактики.
ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ.Изучение молекулярно-генетического уровня организации наследственного материала и механизмов реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка.
Студент должен знать:
1. Молекулярное строение и свойства ДНК как вещества наследственности в организме.
2. Структуру и свойства генетического кода.
3. Генный уровень организации наследственного материала.
4. Механизмы реализации генетической информации в процессе биосинтеза белка.
Студент должен уметь:
1. Моделировать процессы транскрипции и трансляции у прокариот и эукариот.
2. Пользоваться таблицей генетического кода.
3. Решать ситуационные задачи по теме.