：群體遺傳學(xué)的基本概念與原理分解課件

1、第一章：群體遺傳學(xué)的基本概念與原理 2008第1頁，共46頁。基本內(nèi)容基因頻率與基因型頻率 1Handy-Weiberg平衡定律 2親屬對基因型聯(lián)合分布 3常染色體位點連鎖相不平衡 4影響群體結(jié)構(gòu)的因素（遷移，突變，選擇） 5第2頁，共46頁。一、基因頻率與基因型頻率1、群體的遺傳結(jié)構(gòu) 孟德爾群體(Mendelian population): 一個孟德爾群體，是一群能夠相互繁殖的個體，它們享有一個共同的基因庫。在有性繁殖的生物中，一個物種就是一個最大的孟德爾群體。第3頁，共46頁。一、基因頻率與基因型頻率2、 等位基因頻率(alleles frequency)： 在一個二倍體的某特定基因座上某

2、一等位基因占該座位上等位基因總數(shù)的比率為該等位基因的頻率。這是群體遺傳結(jié)構(gòu)的一個最基本的測度(p,q)。第4頁，共46頁。一、基因頻率與基因型頻率3、基因型頻率(genotype frequency)： 群體中某特定基因型個體的數(shù)目，占個體總數(shù)目的比率。D, H, R第5頁，共46頁。一、基因頻率與基因型頻率4、基因頻率計算 P(AA)=D； P(Aa)=H； P(aa)=R； p=P(A) =P(A|AA)P(AA)+P(A|Aa)P(Aa)+P(A|aa)P(aa) =D+(1/2)H p=D+(1/2)H q=R+(1/2)H第6頁，共46頁。一、基因頻率與基因型頻率5、基因頻率計算 例

3、1(記數(shù)法)： Greenland血型數(shù)據(jù)(據(jù)569個體) ： M 83.5%, MN 15.6%, N 0.9%.計算基因頻率 解：定義M、MN和N的頻率為D、H和R；等位基 因M、N的頻率為p和q。我們有 p = D + 1/2H = 0.835+0.5X0.156 = 0.913 q = R + 1/2H = 0.09 + 0.5X0.156 = 0.087 注意：如果是頻數(shù)資料，則： p = (2D + H) /2N; q = (2R + H)/2N 。第7頁，共46頁。二、Hardy-Weinburg定律1、基本概念 隨機(jī)交配(Panmixia): 在有性生殖生物中，一種性別的任何一

4、個個體有同樣的機(jī)會和相反性別的個體交配的方式稱隨機(jī)交配(random mating)。 即各種類型的個體交配的頻率完全取決于自身頻率的大小，而不受任何其他因素的影響。實行隨機(jī)交配的結(jié)果是所有的基因型都是孟德爾式分離所產(chǎn)生的配子隨機(jī)結(jié)合而形成的。第8頁，共46頁。二、Hardy-Weinburg定律2、Hardy-Weinburg定律 在隨機(jī)交配下的孟德爾群體中，若沒有其他因素（基因突變、選擇、遷移）的干擾，基因頻率世代相傳不變。 無論群體的起始成分如何，經(jīng)過一個世代的隨機(jī)交配之后，群體的基因型頻率的平衡建立在下列的H-W公式之中：(pA+qa)2=p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa),

5、平衡群體的基因型頻率決定于它的基因頻率。 只要隨機(jī)交配系統(tǒng)得以保持，基因型頻率保持上述平衡狀態(tài)不會改變。第9頁，共46頁。二、Hardy-Weinburg定律（1）P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2 (2)只要隨機(jī)交配系統(tǒng)得以保持，基因型頻率保持上述平衡狀態(tài)不會改變，子代頻率仍為： P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2第10頁，共46頁。二、Hardy-Weinburg定律3、Hardy-Weinburg定律證明第11頁，共46頁。二、Hardy-Weinburg定律4、Hardy-Weinburg平衡檢驗 第12頁，共46頁。二、Hardy-We

6、inburg定律5、Hardy-Weinburg平衡檢驗例 第13頁，共46頁。三、親屬對基因型聯(lián)合分布 1、基本概念 親屬（relative）:有血緣關(guān)系的人，有血緣關(guān)系意味著基因來源相同，即有相同的祖宗。 遺傳學(xué)中的血緣關(guān)系是相對的，一般指三代以內(nèi)的親屬關(guān)系，一對夫妻如果不是近親結(jié)婚則不是親屬。 而父子、兄弟、祖孫則稱之為親屬對（relative pair）第14頁，共46頁。三、親屬對基因型聯(lián)合分布2、父子對與兄弟對 （同父女、母女等；并假定滿足隨機(jī)婚配與哈代-溫伯格平衡定律；二等位基因A，a頻率分別為p，q；符號：父親F，兒子S，母親M）父子總和AAAaaaAAp3p2q0p2Aap2

7、qpqpq22pqAa0pq2q 3pq2總和p22pqpq21第15頁，共46頁。三、親屬對基因型聯(lián)合分布父子總和AAAaaaAAp3p2q0p2Aap2qpqpq22pqAa0pq2q 3pq2總和p22pqpq21FMP（ FM ，S=AA）AAAAAAAaP4p3qP（ F=AA，S=AA）= P（ F=AA，M=AA，S=AA）+ P（ F=AA，M=Aa，S=AA）= P4+ p3q=p3推導(dǎo)：第16頁，共46頁。三、親屬對基因型聯(lián)合分布3、兄弟對兄弟總和AAAaaaAA（1/4）p2（1+p2) （1/2） p2q （1+p)（1/4） p2q2p2Aa（1/2） p2q （1+

8、p)pq(1+pq) （1/2）pq2（1+q)2pqAa（1/4） p2q2（1/2）pq2（1+q)（1/4）q2（1+q2)pq2總和p22pqpq21推導(dǎo)同理，需要考慮父母的六種婚配型第17頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡1、基本概念（1）連鎖:如果在同一條染色體上的兩個基因座相鄰比較近,那么同源于父親(母親)的等位基因更傾向于一起傳遞給后代,這種現(xiàn)象叫連鎖（2）交叉：在交換時一對染色體出現(xiàn)的交叉型結(jié)構(gòu)。在有絲分裂的雙線期可以在顯微鏡下看到。 第18頁，共46頁。（3）互換(crossover)：（4）重組(recombination) ：奇數(shù)次互換導(dǎo)致一個重組交叉之后開始互

9、換4AaBb123AaBbccCC1234AAaaBBbbccCC1234AAaaBBbbccCC1234AAaaBBbbccCC第19頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡注：交換發(fā)生是隨機(jī)的，距離越長交換的機(jī)會越多，因此交換值的大小可以用來表示基因間的距離長短。由于交換并不一定導(dǎo)致重組，因此重組值要小于或等于交換值。 由于無法直接測定交換率，只有通過標(biāo)記基因的重組來估計交換的頻率。第20頁，共46頁。（5）重組率(recombination fraction):用來表示兩個基因座之間發(fā)生奇數(shù)次交換的概率重組率=重組/（重組+非重組） 四、常染色體位點連鎖相不平衡重組率取值范圍0，1/2

10、第21頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡（6）連鎖分析（linkage analysis）：考察兩個基因座的位置是否臨近，通過對一些基因數(shù)據(jù)的分析來尋找一些感興趣的基因位置，也稱為基因作圖（genetic mapping）。兩個連鎖的基因座上的等位基因更易于作為一個單位由父母傳遞給后代，即更易于共分離。第22頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡 （7）連鎖平衡(linkage equilibrium) ：兩個基因座的等位基因組合的頻率等于組成組合的等位基因各自頻率的積 ，不存在優(yōu)勢組合，稱為連鎖平衡.（8）連鎖不平衡（linkage disequilibrium；LD）：兩個位點

11、的某兩個等位基因不是獨立出現(xiàn)的，則稱這兩個位點處于連鎖不平衡狀態(tài)。注：連鎖只與兩個位點有關(guān)，而連鎖不平衡是與兩個位點上的等位基因有關(guān)。第23頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡（9）連鎖不平衡計算中的幾個量：連鎖不平衡參數(shù): 第24頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡若一個群體初始狀態(tài)D0，假定重組率為，則第二代D2=（1- ）D n代： Dn=(1- )nD當(dāng)重組率比較小的時候趨于零的速度比較慢當(dāng)重組率比較大的時候趨于零的速度比較快該公式為關(guān)聯(lián)分析的理論基礎(chǔ)第25頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡關(guān)聯(lián)分析原理： 假設(shè)一個疾病基因位點有兩個等位基因D，d；引起疾病的等位基因

12、位D，于是疾病群體中的D的頻率要高于對照群體的， 但是我們不知道該疾病位點的位置，如果在疾病位點附近的某個標(biāo)記位點為A，a，如果D與A 關(guān)聯(lián)，因此連鎖不平衡，即疾病群體中的A的頻率要高于對照群體的，即疾病與A關(guān)聯(lián)。因此我們尋找疾病于對照中差異較大的標(biāo)記位點，在標(biāo)記位點附近可能存在著疾病基因。 第26頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡第27頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡第28頁，共46頁。四、常染色體位點連鎖相不平衡注：連鎖與連鎖不平衡的區(qū)別： 連鎖描述兩個位點的位置關(guān)系，可通過重組率來度量，需要重組的數(shù)據(jù)，因此需要家系資料。 連鎖不平衡描述的是群體中兩個位點上的等位基因的關(guān)

13、聯(lián)性，需要群體數(shù)據(jù)。第29頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素當(dāng)一個群體是大的，隨機(jī)交配，不受進(jìn)化力量的影響時，群體的基因頻率并不因為遺傳而改變。然而對很多群體而言并不是理想群體。在這種情況下，基因頻率會發(fā)生改變。 影響群體平衡的主要因素包括：突變、選擇、遷移、遺傳漂變和交配系統(tǒng)（非隨機(jī)交配）。第30頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素1、突變：突變是一切新遺傳變異的來源，等位基因的新組合可以通過重組而產(chǎn)生，但新的等位基因只有當(dāng)突變發(fā)生時才能產(chǎn)生。突變提供了進(jìn)化作用的遺傳原料。大部分的突變將受到損傷，并從群體中被排除。然而少數(shù)的突變可能對個體是有利的，會被保留下來，并在群體中傳播開。突變有害還

14、是有利取決于特殊的環(huán)境，若環(huán)境改變了，先前有害的突變可以變成有利的突變。例如在使用殺蟲劑DDT之后，昆蟲產(chǎn)生了對DDT的抗性突變，這樣昆蟲在噴有DDT的環(huán)境中不僅可以生存還能繁殖。第31頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素突變對進(jìn)化還有一種潛在的作用:通過突變改變?nèi)后w中等位基因頻率。 例如：一個群體中某個位點包含等位基因A，a，當(dāng)A突變?yōu)閍時，將會降低A的頻率，若持續(xù)代數(shù)過多將會使得A消失。 第32頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素突變分為正向、回復(fù)突變：相對概念A(yù)突變?yōu)閍稱為正向突變（forward mutation）。部分基因也會發(fā)生反向突變，即a突變A，這些突變稱為回復(fù)突變（rever

15、se mutation）。在一般情況下正向突變的頻率要大于回復(fù)突變的頻率。第33頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素2、遺傳漂變 哈代-溫伯格定律的一個主要的假定就是群體無限大。實際的群體不可能無限大，但它們要大到足以能預(yù)期基因頻率和基因型頻率。但有些群體很小，這些群體的幾率因子可使基因頻率產(chǎn)生隨機(jī)變化。由于樣本的機(jī)誤（chance errors）導(dǎo)致群體基因頻率的隨機(jī)改變稱為遺傳漂變（genetic drift）或簡稱為漂變。此是由群體遺傳學(xué)家S. Wright于1930年提出的，有時人們也把漂變稱S. Wright效應(yīng)。第34頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素例：。設(shè)想在南太平洋群島上住

16、著人類的最小群體，假設(shè)只有10個人組成，5個人綠眼睛，5個人棕色眼，假設(shè)眼睛的顏色是由單基因決定的（實際上眼睛的顏色是由多基因控制的），且綠色眼的等位基因b對棕色眼的等位基因B是隱性的（BB和Bb為棕色眼，bb為綠色眼）。此島上的群體中綠眼等位基因的頻率是0.6。一次臺風(fēng)襲擊了這個島，群體中50%的人死亡了，也就是5位居民死于風(fēng)暴。正巧這死去的5個人是棕色眼。臺風(fēng)之后這個島上綠色基因的頻率是1.0。在這個群島上的群體中所發(fā)生的突變是綠眼基因的頻率從0.6變成了1.0，這完全是機(jī)會所造成。第35頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素幾率使實際結(jié)果和預(yù)期比產(chǎn)生偏差的這種現(xiàn)象被稱為取樣誤差（sampl

17、ing error）。 設(shè)群體產(chǎn)生一個無窮大的配子庫，其含有的等位基因比分別為p和q。若發(fā)生隨機(jī)交配，所有的配子都結(jié)合成合子，那么基因型的比將是：p2,2pq和q2，而在合子中等位基因的頻率仍保持為p和q。也許后代的數(shù)目是有限的，但這些與配子結(jié)合形成的后代構(gòu)成了潛在的無限大配子庫中的一個樣本。由于隨機(jī)性，或由于樣本的機(jī)誤，樣本可能偏離大庫，樣本越小，偏差越大。第36頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素所有的遺傳漂變都是由于取樣誤差而產(chǎn)生的，但在自然群體中取樣誤差的發(fā)生有各種途經(jīng)。 幾種漂變的發(fā)生： 在大西洋南部有三個很小的火山島(Tristan da cwnha)，1817年開始由蘇格蘭人Wi

18、lliam Glass和他的家族到島上居住。后來又遷來幾個失事的水手和幾個來自遠(yuǎn)處島上的婦女，但這個島是保持著遺傳隔離的狀態(tài)。1961年島上火山爆發(fā)，島上的群體幾乎有300個居住者組成的群體到英格蘭。他們在英國呆了2年，遺傳學(xué)家研究了他們，并重建了這個群體史。第37頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素島上的群體在突變中發(fā)生了三種類型的遺傳漂變。 建立者效應(yīng)發(fā)生在開始定居者中。到1855年這個島的群體擴(kuò)大到約100人，但這個群體26%的基因是由William Glass和他妻子傳下來的。甚至到了1961年這300人的群體的全部基因中有14%的基因來自最初的兩個定居者。Glass和其他的原來的建立

19、者們的特殊基因?qū)σ院笕后w的基因庫有著重大的影響。群體一直保很小，取樣誤差也持續(xù)發(fā)生。取樣誤差的第三種形式稱為瓶頸效應(yīng)（bottleneck effect）這種效應(yīng)在上面所說的小群體中也起到了重要的作用。當(dāng)一個群體減少得很厲害時發(fā)生瓶頸效應(yīng)。在如此的隨機(jī)群體中，偶然事件可能使某些基因從基因庫中丟失。我們前面舉的10個人小群體眼色的例子就是如此。當(dāng)颶風(fēng)襲擊這個島時，使綠眼的基因頻率從0.6變成1.0。這就是瓶頸效應(yīng)的例子。瓶頸效應(yīng)也可以看成是建立者效應(yīng)的一種類型，因為僅幾個個體的減少結(jié)果就會影響群體。第38頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素3、遷移（migration）哈代-溫伯格定律的假設(shè)之一

20、是要求群體是封閉而不受外部環(huán)境因素的干擾。然而很多群體都不是完全隔離的，它們和相同物種的另一些群體之間交換基因。一些個體遷入另一群體可以使遷入群體的基因庫導(dǎo)入新的基因，而改變其的等位基因頻率。因此遷移具有潛在的打破哈迪-溫伯格平衡的作用，從而引起了群體基因頻率的改變。第39頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素基因流（gene flow）：遷移這個術(shù)語通常應(yīng)用于生物個體從一個群體轉(zhuǎn)入到另一群體。然而在群體遺傳學(xué)中我們感興趣的是基因的移動?；虻囊苿觾H發(fā)生在生物或配子“遷移”的時候。把它們的基因貢獻(xiàn)給受納群體的基因庫中。這個過程也可叫做基因流（gene flow）第40頁，共46頁。五、影響群體結(jié)

21、構(gòu)的因素基因流對群體有二個主要的作用：它將新的等位基因?qū)氲绞芗{群體中。由于“突變”這一事件一般是很少發(fā)生的，一個特殊的突變等位基因可能在一個群體中發(fā)生，而不在另一個群體中發(fā)生，基因流可將獨特的等位基因播散到其他的群體，像突變一樣，成為該群體的遺傳變異的來源。當(dāng)遷移動物的基因頻率和受納群體的不同時，基因流改變了受納群體的等位基因頻率。通過基因的改變，群體保持相似性，這樣，遷移是一種均化力量，傾向于阻止群體發(fā)生變異。第41頁，共46頁。五、影響群體結(jié)構(gòu)的因素4、自然選擇（natural selection）適應(yīng)是通過性狀的演化使生物體更加適應(yīng)于環(huán)境的過程。這些性狀增加了生物生存和繁殖的機(jī)會。適應(yīng)反應(yīng)了自然界中我們所見到的很多神奇的有趣的性狀，如蜂雀的翅膀能使其向后飛。豬籠草的葉片能捕獲和吞食昆蟲。腦可以使人類思維、說話、閱讀和愛戀。這些生物學(xué)特點和無數(shù) 其他的精致的性狀都是適應(yīng)的產(chǎn)物。 遺傳漂變、突變和遷移都