1、第十章 群體遺傳學(xué),? Hardy-Weinberg定律 ? 改變?nèi)后w基因頻率的因素,,◆ 群體遺傳學(xué)（population genetics）：研究群體中的基因組組成以及世代間基因組變化的學(xué)科。 ◆ 群體（population）：指孟德?tīng)柸后w，即在特定地區(qū)內(nèi)一群能相互交配并繁育后代的個(gè)體。一個(gè)最大的孟德?tīng)柸后w就是一個(gè)物種。 ◆ 等位基因頻率（allele frequency）：一個(gè)群體中某一等位基因在該基因座

2、上可能出現(xiàn)的等位基因總數(shù)中所占的比率。任一基因座的全部等位基因頻率之和等于1。,,,,,例題：某一1000人群中MN血型的分布是 M MN N 250 500 250M的頻率：(250X2+500)/1000x2=0.5N的頻率：(250X2+500)/1000x2=0.5,◆ 基因型頻率：一個(gè)群體中不同基因型所占的比率。全部基因型頻率的總和等于1。 ◆

3、 群體遺傳結(jié)構(gòu)：群體中各種等位基因的頻率以及由不同的交配體制所產(chǎn)生的各種基因型在數(shù)量上的分布。 ◆ Hardy-Weinberg定律：在一個(gè)大的隨機(jī)交配的群體內(nèi)，基因型頻率在沒(méi)有遷移、突變和選擇的理想條件下，世代相傳保持不變。由英國(guó)數(shù)學(xué)家Hardy，G. H和德國(guó)醫(yī)學(xué)家Weinberg，W于1908年提出。,平衡群體：在生物個(gè)體隨機(jī)交配，且沒(méi)有突變，選擇情況下，群體的基因型頻率世代保持不變這樣的一個(gè)群體稱為平衡群體。,隨機(jī)交配

4、一代，基因型頻率發(fā)生改變的群體不是平衡群體。一個(gè)非平衡群體，隨機(jī)交配一代以后，成為平衡群體。,平衡群體鑒定,AA Aa aa 是否平衡1. 0.5 / 0.5 -2. 0.4 0.2 0.4 -3. 0.25 0.5 0.25

5、 +,改變?nèi)后w基因頻率的因素,● 突變能產(chǎn)生新的等位基因，但改變基因頻率的 速率很慢 ● 自然選擇是進(jìn)化的潛在動(dòng)力 ● 突變與選擇對(duì)常染色體上等位基因頻率的聯(lián) 合效應(yīng) ● 遺傳漂變對(duì)進(jìn)化平衡的不可預(yù)測(cè)效應(yīng) ● 遷移造成群體間的基因流（gene flow）,群體在世代過(guò)程中等位基因頻率的變化，稱為微進(jìn)化（microevolution），即發(fā)生在物種內(nèi)的遺傳變化。大進(jìn)

6、化（macroevolution）指從現(xiàn)有物種中產(chǎn)生新物種的過(guò)程，是微進(jìn)化的擴(kuò)展、累積的結(jié)果。,選擇的作用,趨同進(jìn)化：在突變和選擇的作用下，對(duì)不同五中間具有趨同進(jìn)化的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象稱協(xié)同進(jìn)化。遺傳負(fù)荷：如果一個(gè)群體的突變不斷積累，并且這些突變是有害的，就會(huì)出現(xiàn)的適合度下降。這種現(xiàn)象被稱為遺傳負(fù)荷。用1－w/W來(lái)表示遺傳負(fù)荷的度量。,,軟骨發(fā)育不全遺傳病侏儒108人生27個(gè)子女，確定相對(duì)生育率，正常對(duì)照457人生582個(gè)子女，侏儒相對(duì)生

7、育率是：27/108 582/457=0.20,● 突變能產(chǎn)生新的等位基因，但改變基因頻率的速率很慢（13-3）,設(shè)初始頻率為：a=q；A=1-q， 突變率：A→正突變→a（u）；a→回復(fù)突變→A（v） 每代中有（1-q）u的A→a qv的a→A 當(dāng) ＞qv，a的頻率增加 ＜qv，A的頻率增加 處于平衡時(shí)：,選擇對(duì)純合隱性個(gè)體不利時(shí)基因頻率的改變

8、,AA Aa aa 合計(jì) a頻率初始頻率 P2 2pq q2 1 q0適合度 1 1 1- s 選擇后頻率 P2 2pq q2(1-s) 1-sq2相對(duì)頻率

9、 P 2 2pq q2(1-s) 1 q1=q(1-sq) 1-sq2 1-sq2 1-sq2 1-sq2a頻率的改變q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2,,◇ 適合度（fitness，w）：群體中一個(gè)個(gè)體相

10、對(duì)于其他個(gè)體存活并傳遞其基因到下一代的能力。適合度具有兩個(gè)基本成分：存活力（viability）和生殖成功（reproductive success）。 ◇ 選擇系數(shù)（selection coefficient，s）：在選擇的作用下降低的適合度 。 ◇ 自然選擇（natural selection）：自然界中逐漸淘汰適合度低的個(gè)體，選擇適合度高的個(gè)體作為下一代親本的過(guò)程.,當(dāng)有害隱性基因純合致死時(shí),q0

11、? ? ? ?qn s=1 s=0.50.99 0.50 1 110.50 0.10 8 200.10 0.01 90 1850.01 0.001 900 1

12、8050.001 0.0001 9000 18005 0.0001 0.00001 90000,,當(dāng)純合隱性個(gè)體致死或不能生育時(shí)，隱性基因a的頻率q改變?nèi)缦拢簈1=q/(1+q0 )q2=q/(1+2q0 )q3=q/(1+3q0 )…q4=q/(1+nq0 )n=1/qn－1/q0,選擇對(duì)顯性個(gè)體不利時(shí)基因A頻率p的改變,AA Aa aa

13、合計(jì) A頻率初始頻率 P2 2pq q2 1 p0適合度 1-s 1-s 1 選擇后頻率 P2(1-s) 2pq(1-s) q2 1-sp(2-p)相對(duì)頻率

14、 p2(1-s) 2pq(1-s) q 2 p - sp 1-sp(2-p) 1-sp(2-p) 1-sp(2-p) 1-sp(2-p) 選擇一代后p的改變: (p-sp)/[(1-sp(2-p) ] - p = -sp(1-p)2/1-sp(2-p),選擇對(duì)雜合個(gè)體有利

15、時(shí)基因頻率的改變,AA Aa aa 合計(jì) 初始頻率 P2 2pq q2 1 適合度 1-s 1 1- t

16、 選擇后頻率 P2(1-s) 2pq q2(1-t) 1-sp2-tq2相對(duì)頻率 P2(1-s)/1-sp2-tq2 2pq /1-sp2-tq2 q2(1-t)/1-sp2-tq2 q的改變： pq(ps-qt)/1-sp2-tq2,突變與選擇情況下基因頻率的改變,a頻率的改變：q1-q0=-sq2(1-q

17、)/1-sq2當(dāng)很小時(shí)，1-sq2近似等于1。當(dāng)選擇對(duì)純合隱性個(gè)體不利時(shí)，a基因的頻率q每代減少sq2(1-q)新產(chǎn)生的隱性突變基因(A?a)的頻率pu=u(1-q)平衡時(shí)：sq2=u q2=u/s,,人類全色盲是常染色體隱性遺傳，約80000人中有1個(gè)患者，患者的生存率 是0.5,計(jì)算平衡時(shí)的突變率。q2=1/80000, s=0.5u=sq2 =1/80000 X 0.5

18、 =0.6 x 10-6,● 遺傳漂變對(duì)進(jìn)化平衡的不可預(yù)測(cè)效應(yīng),◆ 遺傳漂變（genetic drift）：群體內(nèi)由于抽樣誤差造成的等位基因頻率的隨機(jī)波動(dòng). ◆ 奠基者效應(yīng)（founder effect）：遺傳漂變的一種形式，指由帶有親代群體中部分等位基因的少數(shù)個(gè)體重新建立新的群體。 ◆ 瓶頸效應(yīng) ：由于自然環(huán)境急劇的改變，使得群體中大部分個(gè)體死亡，僅存的少數(shù)個(gè)體僥幸逃生，繁衍成新的群體。,低頻率基因

19、由于遺傳漂變，成為高頻率。東卡羅林群島 Pringelap人群，先天性失明占10％。由于1780年颶風(fēng)，原人群大量死亡，遺留下帶有失明基因的個(gè)體比例很高，使得該群體的后代有病個(gè)體大幅度增加。基因頻率改變。 AA Aa aa ? AA Aa aa 0.95 0.04 0.01 0.4 0.2 0.4,● 遷移造成群體間的基因流（gene

20、flow）,◆ 設(shè)有一個(gè)大群體A，每代有部分（m）個(gè)體從B遷入，某一等位基因在A群體中的頻率為qo，B群體中為qm，則混合后的群體基因頻率為 (1-m)n = qn-Q / q0 - Q,,Rh血型的一個(gè)等位基因R；非洲黑人q0=0.630美國(guó)白人Q0=0.028美國(guó)黑人q1

21、0=0.446計(jì)算200－300年以來(lái)，每代由白人導(dǎo)入黑人的群體中的基因占黑人群體的比例。(1-m)10=q10- Q / q0- Q =0.446 -0.028 / 0.630 - 0.028 m=0.036白人每代遷入基因比例0.036,基因組進(jìn)化,基因組的起源 RNA起源學(xué)說(shuō) 原始RNA的三種作用:剪切，復(fù)制和編碼，合成。 新基因的形成 突變，轉(zhuǎn)座，重組，

22、擴(kuò)增。,編碼序列的改變,人類中僅僅有1.5%的ＤＮＡ是編碼序列。 染色體加倍，基因重組，外顯子洗牌，滑序復(fù)制，轉(zhuǎn)座以及突變等原因使得編碼序列的基因發(fā)生改變，在選擇壓力下，基因組不斷進(jìn)化,◆ DNA的變化是基因組進(jìn)化的基礎(chǔ),◇ 真正中性的突變不受自然選擇的影響，通過(guò)遺傳漂變維持在群體中或被淘汰。 ◇ 負(fù)選擇（negative selection）淘汰群體中有害的突變。 ◇一些對(duì)生物有利的極稀有的突變通過(guò)正選擇

23、（positive selection）增加等位基因頻率，并固定在群體中。,功能域或外顯子洗牌（exon suffling）,由不同基因中編碼不同結(jié)構(gòu)域的片段彼此連接形成全新編碼順序，稱為外顯子洗牌。例如：組織纖維蛋白溶原酶（TPA）， 作用是促使血液中凝血塊的分解。 由組織纖維蛋白溶原酶原激活因子；血纖維蛋白酶原；生長(zhǎng)因子等外顯子組成。,,,,,冗余基因具有功能但是通常不表達(dá)的重復(fù)基因。,新

24、的重復(fù)基因向新基因過(guò)渡的重復(fù)基因保留部分功能的重復(fù)基因 細(xì)胞分裂，DNA復(fù)制，基礎(chǔ)代謝等重要的基因少有重復(fù)的多余基因。與發(fā)育或涉及生物多樣性的多功能域基因冗余。,非編碼序列的改變,人類中僅僅有98%的ＤＮＡ是非編碼序列。沒(méi)有選擇壓力，基因組積累了大量的變異。非編碼序列有未知的功能玉米中轉(zhuǎn)座因子MITE序列，在225kb中有33個(gè)重復(fù)，在基因兩側(cè)。原來(lái)認(rèn)為是沒(méi)有生物功能的序列，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)它與ＤＮＡ復(fù)制和調(diào)控有關(guān)。自私DNA:本身

25、沒(méi)有功能，進(jìn)化中處于中性，只是伴隨編碼DNA復(fù)制并遺傳。內(nèi)含子起源：GT－AG真核中的內(nèi)含子，細(xì)菌中沒(méi)有。晚起源與早起源學(xué)說(shuō),基因島與基因協(xié)同進(jìn)化,基因組間基因的間隔相差很大，基因在基因組中的分布疏密不一，某些區(qū)段形成基因基因集中的基因島。啤酒酵母缺失了一部分裂殖酵母和其它酵母特有的基因。這些基因功能相近，相伴丟失。,◆利用基因組間遺傳差異構(gòu)建分子種系發(fā)生樹(shù),◇ 分子鐘（molecular clock）：分子進(jìn)化過(guò)程中，特定的分子（

26、核苷酸或蛋白質(zhì)）在所有譜系中的變化速率是恒定的。分子鐘是構(gòu)建分子種系發(fā)生樹(shù)的理論基礎(chǔ)。如流感病毒A血細(xì)胞凝集素（hemagglutinin）基因的分子樹(shù)。 ◇ 分子種系發(fā)生樹(shù)（molecular phylogenetic tree）：同源基因或蛋白質(zhì)之間的關(guān)系的圖解。如人的血紅蛋白基因的種系發(fā)生樹(shù)。 ◇ 分子種系發(fā)生樹(shù)的構(gòu)建 利用遺傳學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建種系發(fā)生樹(shù)的方法很多，如Maximum Parsimony法、M