Основы популяционной генетики. Информационнодидактический блок Популяционная генетика
 Скачать 32.26 Kb.
|
|
Информационно-дидактический блок: Популяционная генетика – раздел генетики, изучающий генетические процессы на популяционном (видовом) уровне: генетическую структуру популяций, влияние различных факторов на ее динамику. При анализе генетической изменчивости на популяционном уровне индивидуум перестает быть единицей наблюдения: вместе с другими людьми он составляет популяцию, в которой действует уже иные популяционно-генетические процессы: мутации, отбор, миграции и дрейф генов. Популяционная генетика позволяет установить частоту и распространенность наследственной патологии (хромосомные, моно- и полигенные болезни) в различных популяциях, влияние демографических, генетических, экологических, географических и иных факторов на их уровень, осуществить профилактические меры по их предупреждению и снижению. Популяцией (франц.population – население) называется совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство и свободно скрещивающихся между собой. Популяционная генетика человекаизучает структуру генофонда, его внутри – и межпопуляционное разнообразие, генетические процессы, приводящие к изменениям популяционных генофондов, историю их формирования и пространственные закономерности в их изменчивости. Популяция человека – относительно обособленная группа населения, которая исторически сложилась на определенной территории и воспроизводит себя в границах этого исторического ареала из поколения в поколение. Популяция человека, также как любая популяция, характеризуется демографическими (экологическими) и генетическими характеристиками. К демографическим характеристикам относятся: 1) численность (размер) популяции; 2) показатели рождаемости; 3) показатели смертности; 4) возрастной и половой состав популяции; 5) экономическое состояние; 6) уклад жизни. Численность (размер) популяции. В историческом развитии численность населения изменялась неравномерно. В настоящее время число людей на планете более 7 млрд. и имеет тенденцию к дальнейшему повышению. Колебания численности людей, изменяя плотность населения и вызывая миграции, влияют на состояние генофондов человеческих популяций. Численность популяции зависит от размеров занимаемой территории, соотношения рождаемости и смертности, возрастного и полового состава, экономического положения и уклада жизни в данной популяции. Общая численность населения Казахстана по данным на 1 сентября2017 года составляет 18 074 100. Коэффициент суммарной рождаемости 2,8 рождений на одну женщину. Рождаемость - это среднее число новорожденных, приходящихся на одну сотню или тысячу человек, за год или иную единицу времени. Рождаемость в Казахстане– 314348 младенцев в году. Общий коэффициент рождаемости на 1000 – 22,7. Смертность - число умерших или погибших, приходящихся на одну сотню или тысячу человек, за год или иную единицу времени. Смертность -124 034 в году. Общий коэффициент смертности на 1000-7,5. Возрастной состав имеет важное значение для популяции. В формировании генетического состава принимают участие люди репродуктивного периода в возрасте от 20 до 40 лет. В настоящее время в популяции человека наблюдается тенденция к увеличению людей старшего возраста в связи с увеличением продолжительности жизни, благодаря научно-техническому прогрессу и развитию медицины. Согласно расчётам, по состоянию на начало 2017 года, население Казахстана имело следующее распределение по возрасту: младше 15 лет – 21,6%; в возрасте от 15 до 65 лет -71,0; люди старше 64 лет -7,4%. Половой состав характеризуется тремя уровнями соотношения полов: первичный - на момент зачатия; вторичный - на момент рождения: на 100 девочек рождается 106 мальчиков; третичный – во взрослом состоянии: к 17-18 годам соотношение полов становится 1:1, затем оно уменьшается в сторону мужского пола и к 50 годам на 100 женщин приходится 85 мужчин, а к 70 годам соотношение полов достигает 2:1, т.е. на 100 женщин приходится 50 мужчин. Численность мужского населения в РК - 8 771 374 (48,0%), женского населения -9 489 953 (52,0%). Средняя ожидаемая продолжительность жизни мужчин - 63.2 лет, женщин - 74.1 лет. Для стимулирования роста населения и снижения смертности в Казахстане разработаны и приняты ряд правовых и нормативных документов, а также реализованы механизмы по защите материнства и детства. Демографические показатели оказывают серьезное воздействие на состояние генофондов человеческих популяций, главным образом через структуру браков. Браки между неродственными особями называются аутбридингом, а свободное вступление в брак - панмиксией.В тех случаях, когда брак неслучаен, т.е. особи с определенными генотипами (сходными или различными) вступают в брак между собой чаще, чем это следует ожидать на основе случайности, говорят об ассортативном браке. Ассортативные браки сами по себе не изменяют частот генов, но изменяют частоты генотипов. Особенно интересную форму ассортативного брака представляет собой инбридинг, при котором браки между родственными особями происходят чаще, чем можно было бы ожидать на основе случайности. Поскольку родственные особи в генетическом отношении более сходны между собой, чем не состоящие в родстве организмы, инбридинг ведет к повышению частоты гомозигот и снижению частоты гетерозигот, хотя не изменяет частоты аллелей. Медицинское последствия инбридинга заключаются в том, что среди генов, полученных от общего предка, могут быть рецессивные гены наследственных болезней, которые могут перейти в гомозиготное состояние у детей родителей, являющихся кровными родственниками. Браки между родителями и детьми, или братьями и сестрами называются кровосмесительными или инцестными. В большинстве человеческих культур существует запрет на подобные браки, хотя в династиях египетских фараонов они встречались часто. Инцесты, как и инбридинги, ведут к повышению частоты гомозигот и снижению частоты гетерозигот и, соответственно, к увеличению развития физических и умственных дефектов, различныхзаболеваний. Большое значение в определении структуры браков имеет размер популяции. Большинство популяций человека составляют крупные популяции. К крупным популяциям относится идеальная или менделевская популяция, которая характеризуется: большой численностью населения, панмиксией, отсутствием мутации, изоляции, миграции и естественного отбора. Понятно, что ни в одной конкретной популяции совокупность всех вышеперечисленных условий не может быть соблюдена, поэтому такие популяции называются идеальными. Реальные популяции часто имеют ограниченную численность, панмиксия никогда не бывает абсолютной, происходят миграции особей и мутационный процесс. Наряду с большими популяциями существуют и малые популяции. Демы– это популяции с численностью от 1500 до 4000 человек. Они характеризуются высокойчастотой родственных браков 80-90 %, приток генов из других популяций составляет 1-2 %. Естественный прирост населения 25 % за поколение. Изоляты– популяции с численностью особей до 1500 человек, где частота родственных браков свыше 90 %, приток генов из других популяций менее 1%, естественный прирост населения 20 % за поколение. Признаки в идеальной популяции наследуются по менделевским законам и соотношение генотипов доминантных гомозиготных, гетерозиготных и гомозиготных рецессивных составляют 1:2:1 и остается постоянным из поколения в поколение. Это положение известно как закон Харди-Вайнберга. Закон Харди-Вайнберга состоит в том, что в отсутствие элементарных эволюционных процессов, а именно мутаций, отбора, миграции и дрейф генов, частота генов остаются неизмененными из поколения в поколение, а также что, если скрещивание случайно, то частоты генотипов связаны с частотами генов простыми (квадратичными) соотношениями. Закон Харди – Вайнберга сформулировали в 1908 г. независимо друг от друга матиматик Г. Харди в Англии и врач В.Вайнберг в Германии. Эти ученые привелисоотношение генотипов в популяции в математическую формулу: пусть ген “А” встречается в популяции с частотой р, а ген “а” - с частотой q, то
0,25 АА:0,5Аа:0,25аа=1 p2+2pq+q2=1 (p+q) 2=1, где: q2 - частота рецессивных гомозигот (аа) p2 – частота доминантных гомозигот (АА) 2pq – частота гетерозигот (Аа) Закон Харди-Вайнберга можно использовать при анализе крупных популяций человека, где нет подбора пар с соотносящими признаками и допустив, что отток генов в результате гибели особей или миграции компенсируется притоком их за счет мутаций. В медицинской генетике этот закон применяют для анализа популяции по патологическим генам. Кроме того, используя закон Харди-Вайнберга можно установить порознь частоты гомозигот АА и гетерозигот Аа, которые фенотипически не отличаются. Изучение особенностей распространения наследственных болезней в популяции дает возможность прогнозировать их частоту в последующих поколениях. К генетическим характеристикам популяции относятся: 1) генофонд; 2) наследственное разнообразие (генетическая гетерогенность или полиморфизм); 3) генетическое единство. Генетически популяция характеризуется ее генофондом (аллелофондом). Он представлен совокупностью аллелей, образующих генотипов всех организмов данной популяции. Генофонд обладает свойством изменяться в поколениях. Даже одно и то же поколение в период своего рождения и период ухода из жизни по генетическому составу не тождественно само себе. Причина этого состоит в связи жизнеспособности людей с их генотипами: обладатели разных генотипов при прочих равных условия имеют неравную вероятность дожить до одного и того же возраста. Лишь в случае внутриутробной гибели и ранней детской смерти это связь становиться зримой, но чаще ее регистрирует статически. Еще большие изменения в структуру генофонда вносит неравная рождаемость – разная вероятность для различных генотипов воспроизвести себя в поколениях. По параметрам рождаемости отличаются разные семьи даже в одной популяции, отличается городское население от сельского, отличаются разные районы страны друг от друга, отличаются разные народы. Различия в интенсивности урбанизации, миграции, в экономических условиях, образе жизни, традициях культуры и структуре браков вызывают неравный прирост разных частей генофонда и тем самым меняют общие характеристики генофонда от поколения к поколению. Изменения в составе генофонда следует за всеми другими, в том числе за изменениями в социально-экономической культурной сфере жизни населения. Одним из важных свойств популяции является генетический полиморфизм. Генетическим полиморфизмом называется одновременное присутствие в популяции нескольких генотипов. Например, наследование групп крови по системе АВО, половой диморфизм. Генетическое разнообразие популяции объясняется непрерывным влиянием различных (демографических, эволюционных, генетических, социально-экономических, географических и др.) факторов на их генетическую структуру (генофонд). Различают балансированный и адаптационный полиморфизм. Балансированный полиморфизм направлен на сохранение гетерозиготных особей, приводит к генетической разнородности популяции, эволюционной гибкости в ходе исторического развития. Адаптационный полиморфизм связан с действием факторов окружающей среды, при котором сохраняется тот или иной генотип. Генетический полиморфизм, как неотъемлемое свойство нормы – это генетическое многообразие состояния здоровья, это множественность генетических условий устойчивости и потенциальной предрасположенности к множеству заболеваний. Наконец, генетический полиморфизм – это основа и клинического полиморфизма болезней человека. Генетическое единство популяции обусловливается достаточным уровнем панмиксии. В условиях свободного вступления в брак источником аллелей для генотипов организмов последовательных поколений является весь генофонд популяции. Генетическое единство проявляется также в общей генетической реализации популяции при изменении условий существования, что обусловливает как выживание вида, так и образование новых видов. Процессы, которые приводят к изменению генетического состава популяции, называются элементарными эволюционными факторами. К ним относятся - мутационный процесс, миграция, изоляция, дрейф генов, естественный отбор. Мутационный процесс. Мутации – события, приводящие к возникновению нового варианта фрагмента ДНК- создают основу всего генетического полиморфизма популяции. Роль мутаций в эволюции была вскрыта С.С.Четвериковым, который указывал, что в природных популяциях непрерывно возникают новые мутации. Мутации изменяют сами гены, в то время как остальные факторы популяционной динамики изменяют только их численность. Мутации приводят к возникновению новых аллелей, их комбинации и переходу популяции в гетерозиготное состояние, что является причиной генетического разнообразия. Мутационные события обычно скрыты от глаз исследователя. Исключение составляют доминантные мутации, например доминантные наследственные нарушения, сразу подставляющие мутации denovo под действием отбора. Мутации, вызывающие рецессивные наследственные болезни, скрыты от отбора и манифестируют лишь тогда, когда по воле случая встречаются с такими же мутациями в генотипе одного индивидуума. До токого печального события могут пройти много поколения, в течение которых велика вероятность потери мутации. Отбор и мутации действует на каждый ген в отдельности в отличие от изоляции, дрейфа генов и миграций, которые влияют на все гены. Миграция – обмен генами между популяциями.Независимо от того, что привело «чужих» генов в популяцию: веками устоявшаяся структура брачных связей между соседними популяциями (поток генов через брачные миграции), случайные браки с пришельцами из других популяций или же массовые перемещения целых групп населения. Миграция приводит к повышению доли межрасовых и межнациональных браков, стиранию расовых различий, к гетерогенности популяции. При этом меняется генный состав популяций, из которых население эмигрировало, и тех, куда иммигрировало. Количественной характеристикой фактора миграций служит скорость притока генов за поколение. Важно не только общее количество «прибывших» генов, но и степень из новизны для популяции, несхожести с ее собственным генофондом: чем «неожиданней» прибывший с миграцией вариант гена, тем больше генетическая эффективность миграции. «Новизну» прибывшего гена может определять не только географическая, но и культурно-историческая разобщенность популяции. Миграция предотвращает утрату генетического сходства между популяциями в результате дрейфа генов. Миграционные процессы в Республике Казахстан развиваются под влиянием различных факторов: социально-экономических, политических, этнических, экологических и других. В начале ХХ-го века, в результате Столыпинской переселенческой политики в Казахстане происходит значительный рост русско-украинского населения. Переселение уйгуров и дунганов в Казахстан началось конце ХІХ века. 1917-1936 годы усилились миграционные оттоки казахов в связи с жестоким подавлением восстания, событиями гражданской войны и голода, когда значительная часть казахов спаслась бегством от этих трагических событий в Китай, Афганистан, а также в другие регионы Российской Федерации. В годы Второй мировой войны в Казахстан были насильственно переселены с Поволжьянемцы, с Кавказачеченцы, ингуши и другие народы, а в 1950—1960-е годы в связи с освоением целины сюда переехало более миллиона жителей России, Украины и Белоруссии. В условиях незовисимости Республики Казахстан внешняя миграция принимает огромный размах в двух направлениях: 1) из Казахстана уезжают представители восточных славян, в первую очередь русские, а также немцы, татары и другие; 2) на свою историческую родину возращаются казахи из России, Китая,Узбекистана, Афганистана, Ирана, Турции и др. Согласно последним данным, казахи составляет большинство населения (66,48%). Следующими крупными этносами населяющими страну, являются русские (20,61%), узбеки (3,11%), украинцы (1,64%), уйгуры (1,45%), татары (1,15%) и другие. Волею судеб Казахстан сделался одной из самых многонациональных стран в мире. Сегодня в стране в Казахстане около 18 % всех браков заключается между представителями разных национальностей. Изоляция. Изоляция в популяциях человека может возникнуть в силу географических, религиозных, расовых, национальных, экономических и других причин. Изоляция приводит к возникновению малых популяций – демов и изолятов. Из вышеизложенного видно, что в малых популяциях резко повышается частота родственных браков, ограничивается свободный брак, а это, в свою очередь, приводит к переходу скрытых вредных рецессивных генов в гомозиготное состояние. В малых популяциях увеличивается частота рождения детей с наследственными заболеваниями, врожденными аномалиями, мертворождения, и т.д. В настоящее время наблюдается разрушение изоляционных барьеров, уменьшение количества малых популяций. Дрейф генов – случайныеизменения частоты гена в популяциях – процесс, не имеющий направления. С равной частотой он может увеличить или уменьшить частоту генетического маркера. Интенсивность дрейфа генов полностью зависит от размера популяции: чем меньше ее размер, чем меньше гамет передается следующему поколению, тем больше вероятность, что у потомков пропорции частот генов будут отличаться от пропорций в родительском поколении. Наиболее яркие проявления дрейфа генов – «эффект основателя» и «бутылочного горлышка» В результате дрейфа генов некоторые адаптивные аллели могут быть элиминированы из популяции, а менее адаптивные и даже патологические в силу случайных причин могут достигнуть относительно высоких концентраций. Если генофонд популяции формируется под влиянием аллелей ограниченного числа быстро “размножающихся “ семей, то говорят об эффекте родоначальника. В таких популяциях нередко можно наблюдать высокую частоту того или иного патологического аллеля, распространившегося в результате случайного дрейфа. Эти колебания продолжаются из поколения в поколение и в конечном итоге приводят либо к закреплению, либо к потере данного аллеля. Таким образом,последствия дрейфа генов, представляющие интерес для медицины, заключаются в неравномерном распределении некоторых наследственных заболеваний по группам населения земного шара. Так,например,изоляцией и дрейфом генов можно объяснить низкую частоту встречаемости фенилкетонурии и высокую частоту болезни Тея-Сакса у евреев–ашкенази. Таким образом, дрейф генов приводит к гомозиготности, уменьшению гетерозиготности. Естественный отбор. Естественный отбор – это главный, определяющий эволюционный фактор, поддерживающий генетическое разнообразие организмов и способствующий их адаптации к различным условиям существования. Именно отбором можно объяснить адаптивную и высокоорганизованную природу живых существ. В отличие от других эволюционных факторов, действие естественного отбора направлено. Отбор, сохраняющий определенные фенотипы, по своему направлению является положительным, тогда как отбор, устраняющий фенотипы из популяции - отрицательным. В зависимости от результата различают стабилизирующую, движущую и дизруптивную формы естественного отбора. Стабилизирующий отбор сохраняет в популяции средний вариант фенотипа или признака. При относительном постоянстве условий среды благодаря этой форме сохраняются результаты предшествующих этапов эволюции. Движущий (направленный) отбор обусловливает последовательное изменение фенотипа в определенном направлении, что проявляется в сдвиге средних значений отбираемых признаков в сторону их увеличения или уменьшения. При смене условий обитания благодаря этой форме отбора в популяции закрепляется фенотип, более соответствующий среде. Направленный отбор составляет основу искусственного отбора. Дизруптивный (разрывающий) отбор сохраняет крайние варианты, элиминируя промежуточные или средние варианты. Дизруптивная форма отбора "разрывает" популяцию по определенному признаку на несколько групп. Она поддерживает в популяции состояние генетического полиморфизма. Отбор приводит генофонды в соответствие с условиями внешней среды. В человеческих популяциях отбор утратил функцию видообразования. Естественный отбор способствует адаптации людей к различным условиям среды, стабилизации генофонда, поддерживает генетический полиморфизм.  Виды отбора, характерных для человеческого общества: а)отбор против рецессивных гомозигот; б) отбор против доминантных аллелей; в) отбор в пользу гетерозигот; г) отбор против гетерозигот.Естественный отбор имеет как позитивный, так и негативный аспекты. Он влечет за собой предпочтительное выживание и размножение одних генотипов и предпочтительную элиминацию и невозможность размножения других. Мутационные факторы среды приводят к увеличению числа измененных генов, скрытых в виде гетерозигот. Этот скрытый объем генетической информации, опасный для жизни и здоровья человека, является генетическим грузом. Многие рецессивные мутации не влияют на фенотип гетерозиготных организмов, но они сохраняются в генофондах популяций, составляя резерв наследственной изменчивости. Генетический груз - насыщенность популяции рецессивными генами, снижающими приспособленность отдельных особей к среде обитания, по сравнению всей популяцией (5-10%). Генетический груз может иметь фенотипическое проявление (спонтанные аборты, внутриутробная гибель плода, мертворождение, генные и хромосомные болезни, пороки развития), либо не иметь проявления (гетерозиготное носительство патологических рецессивных генов). Сегрегационный генетический груз передается из поколения в поколение. Мутационный – возникает в результате мутагенеза и зависит от степени загрязнения окружающей среды. Одна из задач медицины – стабилизировать рост числа заболеваний, вызванной генетическим грузом, посредством охраны среды от загрязнения мутагенами, разработки методов ранней диагностики наследственных болезней. Эффективный метод уменьшения генетического груза – создание широкой сети медико-генетического консультирования (МГК). |