Genetická variabilita v populacích - Masaryk University · 2014-02-20 · Genetická variabilita v populacích Genofond • evolu ční změny = jako změny alelových četností

Genetick á variabilita v populac ích


1) Populace, genofond

2) Fenotypová a genotypová variabilita populací

3) Vznik a zdroje genetické variability

4) Odhad genetické struktury populací (výpo čet alelových četností)

5) Odhad genetické variability populací- heterozygotnost a polymorfizmus u alozym ů

- polymorfizmus délky restrik čních fragment ů- variabilita nukleotidových sekvencí

6) Využití genetické variability

- je nástrojem studia popula ční (evolu ční) genetiky


Populace

• skupina organizm ů téhož druhu – pro populační genetiku nedostačující definice

1) většinou jsou studovány jen určité skupiny jednoho druhu (nikoliv druh celý)2) žijící v dostatečně geograficky vymezeném areálu3) dochází k náhodné reprodukci

• jedinci určitého druhu vytvářejí stáda, hejna, kolonie apod.

• rozdělení/sdružování na (sub)populace daného druhu je dáno např. • přírodními podm ínkami (např. slunná a stinná místa, města)• sociálním chováním (smečky vlků, tlupy goril apod.)


Populace

• budou nás zajímat právě lokální skupiny mezi sebou křížících se jedinc ů velkýchgeograficky strukturovaných populací = lokální populace (dema)

- lze studovat zm ěny alelových četností vlivem r ůzných faktor ů - evoluce

• jedinec je nevhodnou jednotkou pro taková pozorování- jeho genotyp se během života/generace nemění- relativně krátká délka života

• populace – nepřetržitý sled generací – studujeme změny v dlouhém časovém úseku

Populace v populační genetice = lokální populace = mendelovská populace = = subpopulace

Proč populace m ísto jedince?


Genofond

• evoluční změny = jako změny alelových četností

• alely jsou v gametách, po splynutí v zygotách = genový fond populace = genofond

Genofond = společný soubor gamet a zygot všech jedinců populace

= mendelovská populace je tedy reproduk ční spole čenství jedinc ů, kteří tvo říspole čný genový fond

Genofond u diploidních organizmů populace s N jedinci = 2N haploidních genomů,2N genů každého lokusu (vyjma genů vázaných na pohlaví)

Genetika populací zkoum á statiku a dynamiku genového fondu populacípomocí genových (alelových) četností.










Fenotypová a genotypová variabilita

• Genetika populací je genetika = zkoum á podobnost/rozmanitost , avšak na úrovni populace

• při pohledu na přírodní populace je zřejmá obrovská fenotypová variabilita -- rozmanitost

• např. u populace člověka – rozdíly ve výšce postavy, hmotnosti, barvě vlasů, kůže, očí a v mnoha dalších fyzických i psychických vlastnostech

• zajímá nás však rozmanitost způsobená genotypovými rozdíly mezi jedinci - genotypová variabilita a sekvenčními rozdíly na úrovni DNA – sekven ční

rozmanitost

Obecně hovoříme o genetické variabilit ě (rozmanitosti )



• existence genetické variability je nutnou podm ínkou evolu čních zm ěn

Ch. Darwin – souvislost mezi stupněm genetické variability v populacích a rychlostíevoluce při působení přírodního výběru

Ronald A. Fisher – zformuloval matematicky – základní teorém p řírodního výb ěru

- zavádí adaptivní hodnotu jako míru přizpůsobení se organizmůpodmínkám prostředí (míra úspěchu při rozmnožování)

- rychlost růstu adaptivní hodnoty je dána mírou genetické variance



• vztah mezi stupněm genetické variability a rychlostí evoluce ukazuje pokus se dvěmapopulacemi D. serrata

Populace I – Nová Guinea Populace II - Austrálie

• smíšená populace s vyšší genetickou rozmanitostí má i v různých podmínkách prostředí větší adaptivní hodnoty (vyšší početnost jedinců na generaci)



• přítomnost genetické rozmanitosti lze otestovat pomocí um ělého výb ěru

• vybíráme jedince s požadovanou vlastností a křížíme je mezi sebou – z každégenerace vybereme krávy s nejvyšší dojivostí a křížíme je s býky, jejichž potomcijsou také vysoce produkční (ročně 6 000 až 8 000 litrů mléka)

• pokud se bude ve sledu generací dojivost zvyšovat ve směru výběru = ve výchozípopulaci byla ur čitá geneticky podm íněná variabilita tohoto znaku

= podstata šlechtění= šlechtit lze jen na geneticky podmíněné vlastnosti s vysokou variabilitou v

populaci

• změny vlivem umělého výběru mohou být velmi výrazné:

roční snáška slepic Leghorn 125,6 vajec (1933) 249,6 (1956)

> 300 (současnost)










Vznik a zdroje genetické variability

• Genetická variabilita – jako existence mnohonásobných alel mnoha genů

• polymorfizmus gen ů = zdroj genetické rozmanitosti

• vznik těchto variant = mutace x udržení v populaci = selekce

• výhoda polymorfních gen ů – u diploidních organizmů dávají vzniknout velkému množství variant r ůzných genotyp ů

při n-alelách - možných homozygotů je n- možných heterozygotů je n (n-1) / 2 - celkový počet všech možných genotypů je n (n+1) / 2

např. jediný gen HLA-B s více než 30 alelami = více než 465 genotypů

• čím víc genů bude polymorfních, tím více bude kombinací a tzv. vícenásobných heterozygotů (heterozygoti ve více genech)


• u člověka bylo odhadnuto , že má asi 6,7 % genů v heterozygotní sestav ě

• tedy z odhadovaných 23 500 genů by to bylo asi 1 575 heterozygotních gen ů

• z Mendelových principů víme, že n-hybrid dá 2n různých typů gamet (nejsou-li ve vazbě)

= teoreticky tedy může vzniknout 2 1575 druh ů gamet , což je asi 10480

• vzhledem k nepatrnému množství gamet, které může člověk za život uplatnit je to dokonce tak obrovské číslo, že tolik druhů gamet ještě nemohlo vzniknout ani za dobu existence člověka

Zajímavost: uvádí se, že celkový počet protonů a neutronů na Zemi je odhadem 1076


• ikdyž různá spojení v gametách jsou různě pravděpodobná, je tento údaj natolik vysoký, že doposud žádné dvě gamety nemohou být úplně shodné

= žádní dva lidé z celého počtu žijících lidí v současnosti, minulosti či vzdálenébudoucnosti nemohou být geneticky shodní (vyjma jednovaječných dvojčat)


• totéž platí pro jakékoliv pohlavně se rozmnožující organizmy s jistou úrovníheterozygotnosti a polymorfizmu

• každý jedinec je originálem, který zaniká jeho smrtí


• na molekulární úrovni je tato rozmanitost ješt ě vyšší , protože změna může nastat v každém z 3,5 x 109 nukleotidů

Takto obrovská rozmanitost je tedy nejenom dobrým zd rojem evoluce, ale taképřístupem k popisu struktury jednotlivých populací










• popisujeme pomocí odhadu alelové a genotypové četnosti na reprezentativnínvzorku genů

Výpočet alelových četností jako základní charakteristiky popisu struktury populací:

a) z počtu jedinců daných genotyp ů (fenotypů)b) z četností genotyp ů

Odhad genetické struktury populací(výpo čet alelových četností)

• než si ukážeme, jak můžeme vypočítat velikost genetické variability v populaci, musíme si ukázat, jak lze zjistit alelové četnosti jednotlivých genů


Odhad genetické struktury populací

Výpočet alelových četností:

a) z počtu genotypů (fenotypů)

Genotyp/fenotyp MM MN NN celkem

Počet jedinců 36 48 16 100

Počet alel M 72 48 0 120

Počet alel N 0 48 32 80

Celkový počet alel 72 96 32 200

Četnost alely M v populaci: 120 / 200 = 0,6

Četnost alely N v populaci: 80 / 200 = 0,4

p = 0,6q = 0,4 p + q = 1



p = 0,6q = 0,4 p + q = 1

p = p2 + 1/2 (2pq) q = q2 + 1/2 (2pq)!!!!!



- jednotlivé populace se mezi sebou liší v alelových četnostech = vhodnácharakteristika pro popis jednotlivých populací



- takto lze odhadnout alelové četnosti nejen u polymorfních alel, ale i u vzácných mutantních alel

- populace se opět liší alelovými četnostmi = různá četnost výskytu jednotlivých dědičných onemocnění


Mutantní alela Polymorfní alela


Cystická fibróza 0,01 – 0,02Fenylketonurie 0,01Galaktosémie 0,004

!!! Polymorfní lokus = pokud četnost nej častější alely není vyšší než 95 % !!!pokud četnost nej častější alely není vyšší než 99 %!!!

Př.:0,94 0,03 0,03 = polymorfní (četnost je < 0,95)0,94 0,01 0,02 0,01 0,02 = polymorfní0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 = polymorfní0,98 0,01 0,01 = mutantní (četnost je > 0,95)

Nejsou mutantní alely.

Jsou mutantní alely (0,98; 0,99; 0,996)



• choroby či krevní skupiny u člověka – popis fenotypové či genotypové variability

• u fenotypové variability si však musíme být jistí, že je podm íněna čist ě genetickybez vlivu prost ředí – takových znaků je však málo pro komplexní popis struktury populací

• pro popis genetické struktury populací je tedy fenotypová variabilita nedostatečná

= větší polymorfizmus najdeme na molekulární úrovni

Cepea nemoralis (páskovka hajní) ukázka genetické variability ve zbarvení a kresbě ulity



• sledovat genetickou variabilitu na molekulární úrovni umožnil objev elektroforézy bílkovin

- zavedli v roce 1966 Lewontin a Hubby u přírodních populací D. pseudoobscura

- od určitého počtu jedinců se odebere vzorek tkáně, izolují se bílkoviny a následně se provede elektroforéza

- záměna aminokyseliny u některého jedince se projeví změnou náboje a tedy rychlosti, kterou vzorek putuje v gelu

- takto lze ale detekovat jen ty záměny, které vedou ke změněelektroforetické mobility



- zviditelňuje se variabilita produktu jednotlivých alel a tím i alelová a genotypová četnost

- Lewontin a Hubby u D. pseudoobscura díky tomu zjistili, že u průměrného jedince je 8 až 15 % lokusů heterozygotních

- H. Harris v témže roce podobnou technikou stanovil polymorfizmus v lidských populacích

• sledovat genetickou variabilitu na molekulární úrovni umožnil objev elektroforézy bílkovin



Hypotetický gel znázor ňující monomorfizmus u monomerního enzymu . Všichni jedinci (celkem 16) mají enzym se stejnou elektroforetickou mobilitou.

Hypotetický gel ukazující alozymový polymorfizmus u monomerního enzymu . Osm jedinců je homozygotních pro alelu F kódující rychle migrující enzym; dva jedinci jsou homozygotní pro druhou alelu S kódující pomalu migrující enzym; šest jedinců je heterozygotních F/S, a proto vykazují pruhy odpovídající oběma alelám.



• u alozymů lze díky rozdílné mobilitě jednotlivých alel vypočítat alelové četnosti(obdobně jako při výpočtu z počtu genotypů, i zde jsou genotypy zviditelněny)

FF 8FS 6SS 2Celkem 16

p(F) = (2 x 8) + 6 / 32 = 0,6875

q(S) = (2 x 2) + 6 / 32 = 0,3125

p + q = 0,6875 + 0,3125 = 1

• výpo čet proběhl na výb ěrovém vzorku jedinc ů = alelové četnosti jsou odhadem četností skutečných v celé populaci



• správn ě by m ěl být reprezentativní vzorek velký alespo ň 100 a více jedinc ů

• vypočítané hodnoty jsou pouze odhady skutečných hodnot populace, které nejsme schopni zjistit

• proto počítáme odhady těchto parametrů, nejlépe na několika výb ěrech

• jestliže opakujeme odhady na různých vzorcích téže populace, potom- přibližně 68 % těchto odhadů bude ležet v intervalu ±1 směrodatná

odchylka- přibližně 95 % bude ležet v intervalu ±2s- a 99,7 % v intervalu ±3s- tedy 32 %, 5 % nebo 0,3 % odhadů se bude lišit od skutečné hodnoty

v populaci

Směrodatnou odchylku s pro odhad alelové četnosti vypočítáme jako:

s = √V(p) V(p) = p (1 – p) / 2n



Výpočet alelových četností u gen ů s více než dv ěma alelami:

• založen na stejných pravidlech• organizmus je diploidní, takže v genotypu nese vždy dvě alely

Např.: u D. willistoni bylo zjištěno 6 různých genotypů lokusu Lap-5 (gen pro leucinaminopeptidázu)

Alelové četnosti lze opět vypočítat z:

a) počtu genotypůb) genotypových četností



a) počtu genotyp ů

p(98) = (2 x 2) + 38 + 20 = 62 / 1000 = 0,062

p(100) = (2 x 172) + 38 + 214 / 1000 = 0,596

p(103) = (2 x 54) + 20 + 214 / 1000 = 0,342

0,062 + 0,596 + 0,342 = 1



2 / 500 = 0,004172 / 500 = 0,344

p(98) = 0,004 + 1/2 (0,076) + 1/2 (0,040) = 0,062

p(100) = 0,596

p(103) = 0,342

0,062 + 0,596 + 0,342 = 1

b) genotypových četností










Odhad genetické variability populací

Polymorfizmus a Heterozygotnost

• Polymorfizmus = odhad podílu polymorfních lokusů v dané populaci• Heterozygotnost = podíl heterozygotních lokusů u typického jedince populace

• nelze však zkoumat každý lokus každého organizmu a navíc ani neznáme celkový počet lokusů v genomu většiny organizmů

• opět vycházíme z reprezentativního vzorku gen ů

• nelze také použít klasickou techniku k řížení – gen musí být zastoupen ve dvou variantách = nezachytili bychom monomorfní geny

• využívá se p řístup ů molekulární genetiky – každý gen, alela se přepíše do pořadí ak proteinu = můžeme analyzovat polymorfnost proteinů a tím genů, kteréje kódují



• pokud je protein u všech sledovaných jedinců stejný = gen kódující tento protein nenív populaci polymorfní a naopak

• na základě toho pak můžeme kvantitativně odhadnout stupe ň genetické variability

• stanovení sekvence 20 protein ů u 100 jedinc ů bylo však v počátcích téměřnemožné, a proto byla s výhodou využívána práv ě elektroforéza bílkovin – rychláa efektivní

Postup :

• vybere se náhodný vzorek r ůzných protein ů, u nichž se testuje polymorfizmus = představují reprezentativní náhodný výb ěr ze všech strukturních gen ů



12 lokusůmonomorfních18 lokusů polymorfních

Kvantitativní vyjád ření polymorfizmu této populace: 18/30 = 0,60

Polymorfizmus jednotlivých populací: 18/30 = 0,6015/30 = 0,5016/30 = 0,5314/30 = 0,47

Průměrný polymorfizmus ze čtyř populací:(0,60 + 0,50 + 0,53 + 0,47) / 4 = 0,525

Polymorfizmus

U červa Phoronopsis viridis bylo studováno 30 lokusů:

Takto byly analyzovány další 3 populace:



Kritérium polymorfizmu:např. lokus se považuje za polymorfní pouze tehdy, jestliže četnost nejrozšířenější

alely tohoto lokusu nepřevyšuje 0,95

• těchto kritérií však existuje více, např. 99% = tím se stávají polymorfní i lokusy, které se dle předchozího kritéria jevily jako monomorfní (např. lokus s alelovou četností 0,97 a 0,03)

= hodnoty polymorfizmu se pak tedy liší

• 95% kritérium polymorfizmu však umožňuje zaměřit se na opravdu polymorfnílokusy, tedy eliminovat vzácné alely, které jsou v populaci udržovány tzv. rekurentními mutacemi (jsou natolik škodlivé, že jsou z populace eliminovány a jejich výskyt je udržen pouze opakovaně vznikajícími mutacemi = jejich četnost tak zůstává velmi nízká)



• z uvedených důvodů se v současnosti více využívá pro vyjádření míry genetickévariability průměrná četnost jedinců heterozygotních v určitých lokusech – tzv. heterozygotnost populace

• nejdříve se stanoví četnosti jedinců heterozygotních v každém lokusu a poté se vypočítá průměr pro všechny lokusy

• polymorfizmus však není úpln ě přesnou m írou genetické variability , např. lokus 1: 2 alely s četnostmi 0,95 a 0,05lokus 2: 20 alel s četnostmi 0,05

• na lokusu 2 je zjevně větší variabilita, avšak z hlediska 95% kritéria jsou oba lokusyhodnoceny jako polymorfní = neodráží tedy přesně míru té variability



např. budeme v populaci studovat 4 lokusy

četnosti heterozygotů v těchto lokusech byly 0,25 0,42 0,09 a 0

odhad heterozygotnosti populace pak bude: (0,25 + 0,42 + 0,09 + 0) / 4 = 0,19

Odhadovaná heterozygotnost populace je 19 %

• takto se však hodnotí velké množství lokusů a u několika populací – z údajů pak lze získat tzv. průměrnou heterozygotnost

Např. 0,19 0,15 0,13 0,17 průměrná heterozygotnost je 16%



• heterozygotnost je používan ější , protože je přesnější- udává pravděpodobnost, že dvě alely daného lokusu náhodně vybrané z

genofondu populace budou rozdílné - mnohem lépe odráží genetickou variabilitu

• to ovšem platí jen pro populace s náhodným oplozením

• problém u populací se samooplozením - většina jedinců homozygotních, přestože populace může být polymorfní – různí jedinci nesou různé alely v homozygotní sestavě

Generace četnostAa

1 2/4 = 1/22 4/16 = 1/43 8/64 = 1/84 16/256 = 1/165 32/1024 = 1/32

n 1/2n

• totéž platí pro populace s určitým podílem p říbuzenskéhokřížení

• údaje o polymorfizmu a heterozygotnosti se pak můžou lišit i pro jednotlivé geny (viz př.)



A1A1

A2A2A3A3

A4A4

B1B1 B1B1

B1B1

C1C3

C3C4C1C3

C2C3C1C4

gen A- je polymorfní (A1, A2, A3, A4)- nulová heterozygotnost, pouze

homozygoti

gen B- je monomorfní (pouze B1)- nulová heterozygotnost, pouze

homozygoti

gen C- je polymorfní (C1 až C4)- 100% heterozygotnost, pouze

heterozygoti

Problémy s polymorfismem a heterozygotností u jednot livých gen ů:



= pro geny, ale i pro celou populaci pak platí, že:

• vysoký polymorfizmus nemusí nutn ě znamenat velkou heterozygotnost(v populaci převažují homozygoti – autogamie, inbríding)

• máme dvě různé populace• každá z nich má 10 jedinců• oběmají alelovéčetnosti stejné: p(A1) = 0,5 p(A2) = 0,3 p(A3) = 0,1 p(A4) = 0,1

Zapište genotypy jedinců ve dvou různých populacích tak, aby v první populaci nebyli žádní heterozygoti a ve druhé naopak byli pouze heterozygoti.

12345678910

12345678910

A1A1A1A1A1A1A1A1A1A1A2A2A2A2A2A2A3A3A4A4

A1A2A1A2A1A2A1A2A1A2A1A2A1A3A1A3A1A4A1A4• Obě populace jsou polymorfní

• Heterozygotností se však liší


Zkusme vy řešit následující problém:



• problémy s podílem příbuzenského křížení nebo autogamie lze překonat výpočtem

očekávané heterozygotnosti

= odvozena z četnosti alel za předpokladu, že oplození je v populaci náhodné

Příklad :• Předpokládejme, že v populaci existují 4 alely určitého lokusu s četnostmi

p1, p2, p3 a p4 0,5 0,3 0,1 0,1

• Očekávaná četnost homozygotů při náhodném oplození bude:p1

2 + p22 + p3

2 + p42

• Tedy očekávaná heterozygotnost:Hoček. = 1 – (p1

2 + p22 + p3

2 + p42) = 1 – (0,52 + 0,32 + 0,12 + 0,12) = 0,64



Alozymový polymorfizmus

• příklad v evropské populaci člověka

• 71 lokusů• 51 monomorfních• 20 polymorfních (viz tabulka)

(P=0,282)

Průměrná heterozygotnost

4,78 / 71 = 0,067

4,78




Četnost alel, heterozygotnost a polymorfismus na některých lokusech Phoronopsis viridis

Lokus četnost alel (pruhy na elfo) heterozygo tnost polymorf.1 2 3 4 5 6 pozor. o ček. 95% krit.

Acph-1 0,995 0,005 0,010 0,010 neAcph-2 0,009 0,066 0,882 0,014 0,005 0,024 0,160 0,217 ano Adk-1 0,472 0,528 0,224 0,496 anoEst-2 0,008 0,992 0,017 0,017 neEst-3 0,076 0,924 0,151 0,140 ano Est-5 0,483 0,396 0,122 0,443 0,596 anoEst-6 0,010 0,979 0,012 0,025 0,041 ne…..….. ……. …….

0,072 0,094

Při 95% kritériu jsou polymorfní 4 z vybraných lokusů v tabulce – tedy 4/7 = 0,57Při 99% kritériu je polymorfních 5 z vybraných lokusů v tabulce – tedy 5/7 = 0,71




Četnost alel, heterozygotnost a polymorfismus na některých lokusech Phoronopsis viridis


Acph-1 0,995 0,005 0,010 0,010 neAcph-2 0,009 0,066 0,882 0,014 0,005 0,024 0,160 0,217 ano Adk-1 0,472 0,528 0,224 0,496 anoEst-2 0,008 0,992 0,017 0,017 neEst-3 0,076 0,924 0,151 0,140 ano Est-5 0,483 0,396 0,122 0,443 0,596 anoEst-6 0,010 0,979 0,012 0,025 0,041 ne…..….. ……. …….

0,072 0,094

Rozdíl mezi očekávanou a pozorovanou heterozygotností je pravděpodobně způsobenpodílem samooplození (P. viridis je hermafrodit)



• lokusy s větším počtem alel nemusí mít nutně větší heterozygotnost ve srovnání s lokusy s menším počtem alel


Acph-2 0,009 0,066 0,882 0,014 0,005 0,024 0,160 0,217 ano Adk-1 0,472 0,528 0,224 0,496 ano

• lokus se 2 alelami (Adk-1) má heterozygotnost vyšší než lokus se 6 alelami (Acph-2)




• pro výpo čet heterozygotnosti obvykle postačí sledovat v populaci asi 20 lokus ů• další navýšení již výsledky zpravidla příliš významně nezmění

například u člověka:26 lokusů H = 0,07271 lokusů H = 0,067

Srovnání alozymového polymorfizmu r ůzných organizm ů:

• byl stanoven u 243 populací r ůzných druh ů organizm ů (rostlin i živočichů)• celkový průměr všech těchto organizmů byl: H = 0,07 ± 0,05 P = 0,26 ± 0,15

• u obratlovců zjištěny nižší hodnoty genetické rozmanitosti, rostliny jsou v blízkosticelkového průměru a bezobratlí mají hodnoty nejvyšší

• nejvariabilnější byla Drosophila• hodnoty pro člověka H = 0,06 P = 0,32




polymorfizmus

heterozygotnost

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

00,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20



• alozymový polymorfizmus je tedy velmi rozší řený – dokonce i u prokaryotickýchorganizmů, např. Escherichia coli má úroveň genetického polymorfizmu 2 až 3xvyšší než jakou mají eukaryotické organizmy

• existují však také výjimky – např. oba poddruhy Acinonyx jubatus (gepard štíhlý) jsou téměř monomorfní

• východoafrický A. jubatus rainey: P = 0,04 H = 0,01• jihoafrický A. jubatus jubatus: P = 0,02 H = 0,0004

- při transplantacích zjištěno, že jsou monomorfní i pro geny MHC , které jsouu ostatních savců vysoce polymorfní

- ztráta rozmanitosti je způsobena dvěma vážnými poklesy po četnosti populacegepardů (dnes jich žije méně než 20 000)




• studium alozym ů pro odhad genetické variability má velkou nevýhodu

• sledujeme jen omezený po čet genů – výsledky nelze extrapolovat na celý genom = výsledky jsou nepřesné – studované geny asi nejsou reprezentativním vzorkem genů, co se polymorfizmu týče

• pomocí elfo nelze zachytit všechny možné substituce ak- např. po vylepšení elfo technik bylo u myší odhaleno 2 x více alel- u genu pro xantindehydrogenázu u D. pseudoobscura takto nalezeno 37

oproti původním 6 (odhad H se tak zvýšil z 0,44 na 0,73)

• nicm éně odhady P z ůstávají nezm ěněny – monomorfní lokusy zůstávajímonomorfní

= výsledky mohou být podhodnoceny





= výsledky mohou být však také nadhodnoceny

• pomocí elfo jsou zkoumány enzymy z tkání a tělních tekutin (enzymy skupiny II), kterých je dostatečné množství pro analýzu

• enzymy skupiny I, které jsou substrátově více specifické tak zkoumány nejsou

= vzorek zkoumaných enzymů tak nemusí být dostatečně reprezentativní

Např. u drozofily10 enzymů skupiny II: P = 0,7 H = 0,2411 enzymů skupiny I: P = 0,27 H = 0,04

Pro p řesnější výzkum úrovn ě rozmanitosti pro celý genom byla pot řeba nějakádokonalejší technika.


Polymorfizmus délky restrik čních fragment ů (RFLP)


• umožňuje zkoumat variabilitu p římo v nukleotidových sekvencích , která se nemusí projevit změnou v sekvenci ak

• lze analyzovat nekódující oblasti genomu• využitím restrikčních enzymů – specificky štěpí DNA dle sekvence restrikčního místa• v populačních studiích se používají nejčastěji enzymy se 4 nebo 6 nukleotidovými

rozpoznávacími místy

• v důsledku mutace ve štěpném místě nedochází ke štěpení, což lze detekovat pomocí elfo s následnou Southernovou hybridizací


Polymorfizmus délky restrik čních fragment ů (RFLP)


• na základě štěpení sadou restrikčních enzymů lze vypočítat odhad nukleotidovéhopolymorfizmu a heterozygotnosti jako:

• vysvětlení písmenek ze vzorečků a výpočet konkrétního příkladu je součástí cvičení

Pnuc = 0,029

Hnuc = 0,010


Variabilita nukleotidových sekvencí – sekven ční analýza


• díky metod ě sekvencování je možné odhalit variabilitu až na úrovni jednotlivých nukleotid ů

• podívejme se na konkrétní případ výpo čtu polymorfizmu- analyzován byl DNA úsek o délce 500 nukleotidů- variabilita byla zjištěna jen v 16 místech (viz tabulka)

- podíl polymorfních m íst je tedy 16 / 500 = 3,2 %- odpovídá odhadu polymorfizmu, vycházíme z něj např. při

vyjadřování průměrné heterozygotnosti nt sekvencí




• výpo čet podílu variabilních m íst (p s):

Př. máme 4 DNA sekvence s 10 nukleotidy

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10sekvence1 A A C C T G A G C Asekvence2 A A G C T G A G C Asekvence3 A A C C A G A G C Asekvence4 A A C T T G A G C A

sekvence1 - - - - - - - - - -sekvence2 - - G - - - - - - -sekvence3 - - - - A - - - - -sekvence4 - - - T - - - - - -

ps = S / N

S – počet rozdílných nukleotidových místN – celkový počet míst

ps = 3 / 10 = 0,3

Výpočet heterozygotnosti




• výpo čet průměrné heterozygotnosti ( π):

Př. máme 4 DNA sekvence s 10 nukleotidy

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10sekvence1 A A C C T G A G C Asekvence2 A A G C T G A G C Asekvence3 A A C C A G A G C Asekvence4 A A C T T G A G C A

1) Stanovíme heterozygotnost jednotlivých párových srovnání :

1 vs. 2 1 rozdíl 1/10 = 0,11 vs. 3 1 rozdíl 1/10 = 0,11 vs. 4 1 rozdíl 1/10 = 0,12 vs. 3 2 rozdíly 2/10 = 0,22 vs. 4 2 rozdíly 2/10 = 0,23 vs. 4 2 rozdíly 2/10 = 0,2

2) Průměrná heterozygotnost π (součet jednotlivých heterozygotností dělený počtem srovnání):

π = (0,1 + 0,1 + 0,1 + 0,2 + 0,2 + 0,2) / 6 == 0,15

Jiný postup je:1) celkový počet rozdílů vydělit počtem

srovnání9 / 6 = 1,5

2) tento průměrný počet rozdílů vydělitdélkou srovnávané sekvence

1,5 / 10 = 0,15










Využití genetické variability

• studium historie skupin organizm ů

• studium genetické variability u geparda – extrémní uniformita (alozymovýpolymorfizmus je 2 až 5krát menší než u jiných velkých kočkovitých šelem

= pravděpodobně důsledek velmi vážného poklesu po četnosti populace v nedávnéminulosti (ne před více než 10 až 12 tisíci lety)

• naopak vysoká úrove ň genetické variability u E. coliukazuje, že i asexuální haploidní organizmy mohou být vysoce polymorfní



• studium p ůvodu a historie skupin organizm ů

• vyšší genetická variabilita uvnit ř lokálních populací člověka než mezi nimi ukazuje, že jsou geneticky větší odlišnosti např. mezi Afričany navzájem než např. mezi Afričany a Evropany = zamítnutí konceptu ras

10 % celkové genetické variability člověka představují rozdíly mezi geografickými oblastmi 5 % připadá na rozdíly mezi populacemi v dané oblasti

85 % jsou rozdíly uvnitř lokálních populací



• studium genetických vztah ů mezi subpopulacemi ur čitého druhu

• na základě podobnosti alelových četností subpopulací lze odhadnout rychlosti migrace – alely se přemisťují genovým tokem, lze odhadnout např. kolik migrantů do subpopulace přichází nebo kolik let migrace trvá apod.



• studium p ůvodu

• vychází se z principu, že stejné alely pocházejí od spole čných p ředků

- např. Ainuové ze Severního Japonska mají četnérysy podobné Evropanům (rysy obličeje, světlákůže, ochlupení na těle)

- geneticky polymorfizmus však jasně ukazuje na jejich velmi blízkou příbuznost s mongoloidními skupinami lidí

např. mají alely pro krevní skupinu Diego Dia – ta se téměřvýhradně vyskytuje v populacích Mongoloidů



• studium p ůvodu

• na základ ě podobností a odlišností na úrovni sekvencí lze studovat evolu ční původ a historii – molekulární fylogenetika

- např. africký původ moderního člověka, asijský původ domorodých američanů

- příbuznost mezi taxony = změny v taxonomii organizmů



• genetický polymorfizmus jako zdroj marker ů chorob a znak ů

• je-li nějaký polymorfizmus (RFLP, SNP apod.) v těsné vazbě s genem, pak určitý typ (alela) se dědí buď se standardní nebo mutantní alelou genu zájmu == přirozený genetický marker

• čím je marker polymorfnější, tím může být užitečnější:např. DNA identifikace – tzv. DNA profilování

= u člověka paternity, kriminalistika, katastrofy= u živočichů paternity, identifikace, odolnost či citlivost k různým

faktorům apod.= stanovení způsobu oplození u rostlin a živočichů – detekce blízce

příbuzných jedinců= stanovení příbuznosti mezi altruisticky se chovajícími jedinci apod.



Další p říklady z poslední doby – využívá se zejm éna rozmanitosti v SNP

e-skripta – odkaz na web

Documents

Genetická variabilita v populacích - Masaryk University · 2014-02-20 · Genetická variabilita v populacích Genofond • evolu ční změny = jako změny alelových četností