第二十章群体与进化遗传分析

1、学习要点：学习要点： 1. 名词概念：名词概念： 孟德尔群体、基因库、基因频率、基因型频率、适应值、孟德尔群体、基因库、基因频率、基因型频率、适应值、选择系数、迁移、遗传漂变、多态性、杂合度、物种选择系数、迁移、遗传漂变、多态性、杂合度、物种. 2. Hardy-Weinberg定律及其应用。定律及其应用。 3. 影响影响Hardy-Weinberg定律的因素及机理。定律的因素及机理。 4. 遗传多态性。遗传多态性。 5. 物种的形成及其遗传学基础。物种的形成及其遗传学基础。 6. 分子进化的中性学说。分子进化的中性学说。一、孟德尔群体和基因库一、孟德尔群体和基因库 1. 孟德尔群体孟德尔群体

2、(- population):一群相互交配的个体组成一群相互交配的个体组成的群体的群体 2. 基因库基因库(gene pool)：群体中所有个体共有的全部基：群体中所有个体共有的全部基因因二、群体的遗传结构二、群体的遗传结构 1. 基因频率基因频率(gene frequency)：一个二倍体中某基因座：一个二倍体中某基因座位上，某一等位基因在该位点所有等位基因中所占的比位上，某一等位基因在该位点所有等位基因中所占的比率。率。 2. 基因型频率基因型频率(geotype frequency)：群体中特定类型的：群体中特定类型的基因型个体的数目，占个体总数目的比率。基因型个体的数目，占个体总数目的

3、比率。设：在个个体的群体中，在常染色体有一对等位基因、设：在个个体的群体中，在常染色体有一对等位基因、a，其可能的基因型为：，其可能的基因型为：AA、Aa、aa。 如果群体有如果群体有n1AA n2Aa n3aa个体，个体，n1 n2 n3=N. 于是此于是此3种基因型的频率为：种基因型的频率为： AA： D= n1/N Aa: H=n2/N aa: R=n3/N D+H+R=1，D显性；显性；H杂合；杂合；R隐性隐性.等位基因等位基因A的频率为的频率为p=(2n1+n2)/2N=D+H/2 同理同理,等位基因等位基因a的频率的频率q=(2n3+n2)/2N=R+H/2 所以所以p+q=1.同

4、时公式反映出了基因频率与基因型频率的关同时公式反映出了基因频率与基因型频率的关系。系。例：例： 1)中国汉族人群中中国汉族人群中PTC尝味能力分布尝味能力分布。 2）MN血型在中国人中的分布血型在中国人中的分布一、随机交配一、随机交配1. 概念：在有性生殖的生物中，一种性别的任何一个个概念：在有性生殖的生物中，一种性别的任何一个个体有同样的机会和另一性别的个体交配的方式。体有同样的机会和另一性别的个体交配的方式。2. 例如：一对等位基因，三种基因型例如：一对等位基因，三种基因型AA(D)、Aa(H)、aa (R) 之间的随机交配，不同交配类型及频率之间的随机交配，不同交配类型及频率: (D+H

5、+R)2=(D2+H2+R2+2DH+2DR+2HR)=11908年英Hardy、德Weinberg分别独立发现.1. Hardy-Weinberg定律定律：又称为基因型频率的平衡定又称为基因型频率的平衡定律，当一个大的孟德尔群体中的个体间进行律，当一个大的孟德尔群体中的个体间进行随机交配随机交配，同时同时没有选择、没有突变、没有迁移和遗传漂变没有选择、没有突变、没有迁移和遗传漂变发生，发生，下一代基因型频率将和前一代基因型频率一样，于是这下一代基因型频率将和前一代基因型频率一样，于是这个群体被称为处于随机交配系统下的平衡中。个群体被称为处于随机交配系统下的平衡中。2. 分析：分析：设常染色体

6、上的一对等位基因设常染色体上的一对等位基因A和和a的频率分别的频率分别为为p和和q，且，且p+q=1. 随机交配的三种基因型：随机交配的三种基因型： p A q a p A p2 pq q a pq q2 基因型频率：基因型频率：AA:D=p2; Aa:H=2pq; aa:R=q2设没有选择、突变、迁移、漂变等影响，其各种基因型随设没有选择、突变、迁移、漂变等影响，其各种基因型随机结合，产生的子代的基因型频率仍然为：机结合，产生的子代的基因型频率仍然为： AA:P2=D Aa:2pq=H aa:q2=R 群体基因型平衡群体基因型平衡3. 举例：举例：随机交配大群体常染色体等位基因随机交配大群体

7、常染色体等位基因A、a，三种，三种基因型基因型(原代原代)： AA D0 0.18 Aa H0 0.04 aa R0 o.78 则基因频率：则基因频率：p0= D0+(1/2)H0=0.18+0.02=0.20 q0= R0+(1/2)H0=0.02+0.78=0.80 随机交配随机交配 0.20 (A) 0.80 (a) 0.20 (A) 0.04(AA) 0.16 (Aa) 0.80 (a) 0.16(Aa) 0.64(aa) 则则AA:p2= 0.04 Aa:2pq=0.32 aa:q2=0.64 子代与原代基因型频率不同。但基因频率一致：子代与原代基因型频率不同。但基因频率一致： p1

8、=0.04+(1/2)0.32=p02+(1/2)(2p0q0)=P0 q1=0.64+(1/20.32)=q02+(1/2)(2p0q0)=q0 让子代再随机交配：让子代再随机交配：随机交配随机交配 0.20 (A) 0.80 (a) 0.20 (A) 0.04(AA) 0.16 (Aa) 0.80 (a) 0.16(Aa) 0.64(aa) 则则AA:p2= 0.04 Aa:2pq=0.32 aa:q2=0.64与子一代相同与子一代相同4. Hardy-Weinberg定律的要点：定律的要点： 若没有突变、选择、迁移、漂变等的影响，群体的若没有突变、选择、迁移、漂变等的影响，群体的基因频率

9、世代保持不变。基因频率世代保持不变。 无论群体的起始基因型频率如何，经过一个世代的无论群体的起始基因型频率如何，经过一个世代的随机交配后，群体基因型的频率达到平衡。平衡群体随机交配后，群体基因型的频率达到平衡。平衡群体的基因型频率的值取决于基因频率的值，即：的基因型频率的值取决于基因频率的值，即： (pA+qa)2=p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa) 只要系统保持随机交配，基因型频率的值始终保持只要系统保持随机交配，基因型频率的值始终保持不变。不变。二、二、 平衡群体的一些基本性质平衡群体的一些基本性质 (1)二倍体群体中，杂合体的比例只有当二倍体群体中，杂合体的比例只有当p=q=1/

10、2时达到最大；时达到最大； 推导推导：p+q=1 (p+q)2=1 (p2+q2-2pq)+4pq=1 4pq=1-(p-q)2 当当p-q=0,即即p=q=0.5时，时，2pq有最大值：有最大值：2pq=1/2=0.5 (2)杂合体的频率是两个纯合体频率的乘积的方根杂合体的频率是两个纯合体频率的乘积的方根的两倍；的两倍； 推导推导：H=2pq=2 p2q2= 2 DH 或者：或者：H2=4DR 或或H/ DH=2，可用于验证，可用于验证群体是否达到平衡。群体是否达到平衡。 (3)群体点在齐次坐标中的运动轨迹为一个抛物线群体点在齐次坐标中的运动轨迹为一个抛物线H2=4DR; D+H+R=1为定

11、值为定值(坐标系中等边三角形的高坐标系中等边三角形的高) 平衡群体在齐次坐标系中为抛物线平衡群体在齐次坐标系中为抛物线H2=4DR。(4)平衡群体中平衡群体中AaAa交配的频率为交配的频率为AA aa交交配频率的两倍。配频率的两倍。 AaAa=H2=(2pq)2=2(2p2q2)=2(2DR)=2(AAaa) (5)如果如果q0则则p1 而而q2 0，因此：，因此： R0 H=2pq2q D1-2q 说明：一个群体中一个隐性基因的频率说明：一个群体中一个隐性基因的频率q很低，很低，则隐性纯合体基因型的频率则隐性纯合体基因型的频率q2更低。更低。 * 隐性基因绝大多数处于杂合状态。隐性基因绝大多

12、数处于杂合状态。 eg：尿黑酸尿症发病率尿黑酸尿症发病率q2=10-6, 隐性基因频率隐性基因频率q=10-3, 群体中杂合体的频率群体中杂合体的频率H2q=210-3.1.常染色体复等位基因的平衡常染色体复等位基因的平衡 如果常染色体一个基因位点有如果常染色体一个基因位点有3个等位基因个等位基因A、a、a 在群体中遗传，其频率分别为在群体中遗传，其频率分别为p, q, r且且 p+q+r=1。 平衡时：平衡时： (A a a)2=AA Aa Aa aa aa aa p q r p2 2pq 2pr q2 2qr r2 即：(p+q+r)2 =p2 + 2pq + 2pr + q2 + 2qr

13、 + r2 基因频率可以由基因型频率求得：基因频率可以由基因型频率求得： P=p2+(2pq+2pr)/2; q=q2+(2pq+2qr)/2; r=r2+(2pr+2qr)/2 例如：例如：果蝇果蝇D. willistoni的的Lap-5基因的座位上有三个复等基因的座位上有三个复等位基因位基因“98”“100”“103” 。如若群体中有如若群体中有k个复等位基因：个复等位基因： 有有k个复等位基因个复等位基因A1, A2, Ai, Ak 相应的基因频率相应的基因频率 p1, p2, pi, pk基因频率与基因型频率的关系：基因频率与基因型频率的关系： (piAi)2= pi2AiAi+2 p

14、ipjAiAj (0i,j k, 其中其中i q, p0，A基因增加，同时基因增加，同时a基因减少基因减少 当当q q, p0，A基因减少，基因减少， a基因增加基因增加举例：举例： 设一对等位基因设一对等位基因A、a：u=1.510-6，v=110-6 则平衡时则平衡时 a: q=u/(u+v)=0.6; A: p=v/(u+v)=0.4 表示在突变压的作用下，平衡时表示在突变压的作用下，平衡时 A 基因的频率为基因的频率为40%； a基因的频率为基因的频率为60% 若若u=v则平衡时则平衡时 A基因频率为基因频率为50%，a基因的频率也为基因的频率也为5%。1.适应值适应值(adaptiv

15、e value)： 也称达尔文的适合度，指一种已知基因型的个体，也称达尔文的适合度，指一种已知基因型的个体，将它的基因传递给后代的相对能力，用将它的基因传递给后代的相对能力，用表示。表示。 解释解释：为一个相对值，一般将具有最高生殖效能的为一个相对值，一般将具有最高生殖效能的基基 因型个体的适应值定为因型个体的适应值定为1，其它基因型个体与之相比，其它基因型个体与之相比的比值来表示。如：不同遗传病患者的适合度。的比值来表示。如：不同遗传病患者的适合度。适合度是一个相对概念，与环境因素有关。例如，适合度是一个相对概念，与环境因素有关。例如，椒花蛾在污染区时椒花蛾在污染区时(浅色容易被淘汰浅色容易

16、被淘汰)：在非污染区时（黑色容易被淘汰）：在非污染区时（黑色容易被淘汰）：2.选择系数：选择系数： 一种基因型的个体在群体中不利于生存的程度，用一种基因型的个体在群体中不利于生存的程度，用S表示。表示。 其中其中S=1-，显然，显然=1时时, S=0; =0时，时，S=1.3.选择对隐性纯合体的作用。选择对隐性纯合体的作用。 (1)对隐性纯合体的不完全选择，即对隐性纯合体的不完全选择，即0S1. 设一对等位基因设一对等位基因A和和a，频率分别为，频率分别为p、q，处于平衡状态，则基，处于平衡状态，则基因型频率为：因型频率为： AA: p2; Aa: 2pq; aa: q2 和为和为1 设设AA

17、和和Aa 的的=1，而，而aa的的=1-S, 则选择前后基因型的频率分则选择前后基因型的频率分别为：别为：经过选择后下一代的基因频率分别为：经过选择后下一代的基因频率分别为： A: p1=(p2+pq)/(1-Sq2) a: q1=pq+q2(1-S)/(1-Sq2)=q(1-Sq)/(1-Sq2)a基因的频率改变量：基因的频率改变量： q= q1-q=q(1-Sq)/(1-Sq2)-q=-Sq2(1-q)/(1-Sq2) q很小时，1- Sq21，则，则 q -Sq2(1-q) (2)对隐性纯合体的完全选择，即对隐性纯合体的完全选择，即S=1：经过一代选择后，经过一代选择后， A和和a基因的

18、频率为：基因的频率为： A: p1=(p02+ p0q0)/ (p02+2p0q0)= (p0+q0)/(1+q0)=1/(1+ q0) a: q1=2(p0q0)/(p02+2p0q0)/2=q0/(1+q0) qn+1 = qn /(1+ qn) 可以递推可以递推 qn = q0 /(1+ nq0) 即即 n=(1/qn)-(1/q0), 当当qn =q0/2时，时，n=1/q0表示表示: 隐性基因减少一半时的世代数为初始基因频率的倒数。隐性基因减少一半时的世代数为初始基因频率的倒数。 举例举例: 已知人类白化病等位基因的频率为已知人类白化病等位基因的频率为0.01，若白化纯，若白化纯合体

19、不育（合体不育（S=1），要将此基因的频率分别降至），要将此基因的频率分别降至0.001和和0.0001所需的世代数。所需的世代数。利用利用n=(1/qn)-(1/q0)计算计算: n=(1/0.001)-(1/0.01)=900 n=(1/0.0001)-(1/0.01)=99003.对显性体的选择：对显性体的选择：经过一个世代的选择后，经过一个世代的选择后，A和和a基因的频率分别为：基因的频率分别为：A: p1=p2(1-S)+pq(1-S)/1-Sp(2-p)=(1-S)p/ 1-Sp(2-p) a: q1=q2+pq(1-S)/1-Sp(2-p)=q(1-pS)/1-Sp(2-p) p

20、=p(1-S)/1-Sp(2-p)-p=-Sp(1-p)2/1-Sp(2-p) 当当S很小时很小时，分母约为，分母约为1，p-Sp(1-p)2突变和选择可以在一个群体中同时起作用。若同向施压，突变和选择可以在一个群体中同时起作用。若同向施压，使基因改变频率加快；若反向施压，最终会达到平衡。使基因改变频率加快；若反向施压，最终会达到平衡。1.选择隐性纯合体选择隐性纯合体: 设一对等位基因设一对等位基因A和和a(频率分别为频率分别为p, q)，正向突变频率，正向突变频率u，回复突变频率，回复突变频率v，同时选择系数，同时选择系数S作用于作用于aa。 则突变使则突变使a增加频率为：增加频率为：q1=

21、-qv+pu=u(1-q)-vq 选择使选择使a减少频率为：减少频率为：q2=-Sq2(1-q)/(1-Sq2)-Sq2(1-q) (注注：q很小时作近似处理，即很小时作近似处理，即1-Sq2 1) 平衡时：平衡时： u(1-q)-vq= Sq2(1-q) 即即 q1 + q2 = 0 若若v也很小，也很小，vq0，则，则u Sq2，q=u/S 可用于推算自发突变的频率可用于推算自发突变的频率u或平衡时或平衡时q:举例：举例： 例一例一:人类全色盲为常染色体人类全色盲为常染色体,隐性纯合体的比例为隐性纯合体的比例为8万万分之分之1,并且色盲的子女为正常人的一半并且色盲的子女为正常人的一半,求正

22、向突变频率求正向突变频率. 解解: q2=1/80000，S=0.5，则，则u=Sq2=6.2510-6 例二例二:若若u=0.000018，S=0.02，则，则q2=u/S=0.0009, q=0.032. 选择的是显性纯合体：同样选择的是显性纯合体：同样v=Sp2.3. 选择显性体（选择显性体（AA和和Aa） 选择选择 p1=-Sp(1-p)2； 突变突变 p2=qv=v(1-p)； 平衡平衡 =0 Sp(1-p)2 =v(1-p) 当当p很小时，很小时，1-p1，所以，所以v=Sp 例如例如：人类侏儒：人类侏儒(AA, Aa)，适应值，适应值=0.2 ，正常，正常a突变为突变为A的频率的

23、频率v=5 10-5, 求求A基因的频率。基因的频率。 解：解：S=1-=0.8，v= 5 10-5，则，则 p=v/S=6.2510-5 杂合体杂合体H=2pq2p=1.2510-4 1.概念：概念： 迁移迁移(migration):只指群体中有个体的迁入或迁出只指群体中有个体的迁入或迁出(生殖生殖前前)，导致群体中基因的频率发生改变。，导致群体中基因的频率发生改变。2.分析分析： 两个两个群体甲、乙，一对等位基因群体甲、乙，一对等位基因A和和a： 甲：甲：A: p; a: q (甲为大群体甲为大群体) 乙：乙：A: p0; a: q0 (乙为小群体乙为小群体) 迁移迁移:甲甲乙乙; 同时乙

24、同时乙甲和其它，迁移率均为甲和其它，迁移率均为m, 分析分析群体乙群体乙 中中a 基因。基因。 那么经过一个世代后，群体乙中那么经过一个世代后，群体乙中a的频率为：的频率为： q1=q0-mq0+mq = mq+q0(1-m) 则则 q=q1-q0=m(q-q0) 那么那么q1-q=q0+m(q-q0)-q=(1-m)(q0-q) 说明说明: 迁移使甲乙群体中的迁移使甲乙群体中的a基因的频率差距缩小；基因的频率差距缩小； m恒定，恒定，q=q0时群体平衡时群体平衡, 迁移不影响基因频率。迁移不影响基因频率。 若每个世代若每个世代m不变，大群体甲迁移后不变，大群体甲迁移后q不变。则不变。则 q2

25、=mq+q1(1-m)=mq+mq+q0(1-m)(1-m) =mq+mq (1-m) +q0(1-m)2 可以类推：可以类推： qn=mq+mq(1-m) +mq(1-m)2+mq(1-m)n-1+q0 (1-m)n 前前n项之和项之和 Sn=mq1-(1-m)n/1-(1-m)=q-q(1-m)n 故连续迁移故连续迁移n代后群体乙中代后群体乙中a基因的频率基因的频率 qn=q-q(1-m)n+(1-m)nq0 = q+(1-m)n(q0-q) 所以所以(1-m)n=(qn-q)/(q0-q) *可用于计算群体的迁移率。可用于计算群体的迁移率。 举例：举例： 两个群体两个群体A、B， 大群体

26、大群体A中中Rh血型的血型的R基因频率基因频率p=0.028, 小群体小群体B中中Rh血型的血型的R基因频率基因频率P0=0.630, B群体与群体与A群体基因有迁移群体基因有迁移10代后，代后，Pn=0.446。求。求R基因迁移的频率。基因迁移的频率。 解解: (1-m)n=(pn-p)/(p0-p) 则则(1-m)10=(0.446-0.028)/(0.630-0.028) 可得可得m=1- 100.694 = 0.036注：迁移对大群体基因频率影响不大，可以忽略。一、定义：一、定义： 遗传漂变遗传漂变(random genetic drift):一个小群体中，由于一个小群体中，由于偶然事

27、件导致群体中基因频率的改变偶然事件导致群体中基因频率的改变(Wright effect)。二、特点：二、特点： 1. 遗传漂变与抽取的样本数有关，样本数越小基因频遗传漂变与抽取的样本数有关，样本数越小基因频率的波动越大，样本数越大基因频率的波动越小；率的波动越大，样本数越大基因频率的波动越小； 2.环境条件的改变可能造成遗传漂变。环境使原来群环境条件的改变可能造成遗传漂变。环境使原来群体的部分隔离体的部分隔离, 造成基因频率的改变造成基因频率的改变.三、奠基者效应三、奠基者效应(founder effect)和瓶颈效应和瓶颈效应(bottle effect) A. 奠基者效应奠基者效应: 由少

28、数几个个体的基因频率，决定后由少数几个个体的基因频率，决定后代的基因频率代的基因频率. B. 瓶颈效应瓶颈效应: 一个大的群体通过瓶颈后，由少数几个一个大的群体通过瓶颈后，由少数几个个体再扩展成原来原来规模的群体，群体数量消长的过个体再扩展成原来原来规模的群体，群体数量消长的过程对遗传造成的影响。程对遗传造成的影响。 一、多态性和杂合性一、多态性和杂合性 遗传多态性遗传多态性(genetic polymorphism): 一个物种的一个物种的同一群体中存在两种或两种以上变异类型的现象。同一群体中存在两种或两种以上变异类型的现象。例如例如:检测一个海蠕虫群体中的检测一个海蠕虫群体中的30个基因座

29、，其中个基因座，其中有有18个有多态性，多态性频率个有多态性，多态性频率60%。 多个群体的平均多态性：多个群体的平均多态性： 检测的各群体相同基因座多态性频率之和检测的各群体相同基因座多态性频率之和 群体的总数群体的总数杂合性杂合性(heterozygosity): 指群体中，平均每个基因指群体中，平均每个基因座位都是杂合状态的比率，或者称为群体的平均座位都是杂合状态的比率，或者称为群体的平均杂合性杂合性. 每个基因座都为杂合子的频率的总和每个基因座都为杂合子的频率的总和 基因座的总数基因座的总数 染色体多态性染色体多态性:是染色体的结构或数目差异造成的是染色体的结构或数目差异造成的群体内或

30、群体之间染色体群体内或群体之间染色体(核型核型)的差别的差别. 例如例如:果蝇果蝇 核型核型(karyotype)：将一个二倍体的物种的染色体：将一个二倍体的物种的染色体按长度、着丝点的位置、次缢痕等等参数，依次按长度、着丝点的位置、次缢痕等等参数，依次排列形成的染色体图谱。排列形成的染色体图谱。 蛋白质多态性蛋白质多态性:由于基因的结构变异造成构成蛋由于基因的结构变异造成构成蛋白质氨基酸的组成和数目发生变化，使蛋白质呈白质氨基酸的组成和数目发生变化，使蛋白质呈现多态性分布。现多态性分布。 例如例如:镰刀红细胞多态性，由镰刀红细胞多态性，由HbA,HbS,HbC,HbE等蛋白基因序列的差异造成

31、。等蛋白基因序列的差异造成。 lDNA序列多态性序列多态性:由于由于DNA核苷酸组成或排列顺核苷酸组成或排列顺序的改变使群体之间或者群体内部的个体之间出序的改变使群体之间或者群体内部的个体之间出现现DNA的多态性分布的多态性分布. 1. 限制性片段长度多态限制性片段长度多态(RFLP)：基因组：基因组DNA经限经限制性内切酶酶切后，经电泳得到长度不同的限制制性内切酶酶切后，经电泳得到长度不同的限制性片段，表现出片段长度的多态分布。性片段，表现出片段长度的多态分布。 2.扩增片段长度多态扩增片段长度多态(AFLP)：由基因组：由基因组DNA经特经特异性扩增产生的异性扩增产生的DNA片段长度的多态分布。片段长度的多态分布。 3.随机扩增多态性随机扩增多态性DNA(RAPD): 基因组基因组DNA经随经随机扩增产生的机扩增产生的DNA片段长度的多态分布。片段长度的多态分布。 RT-PCR; SSCP-PCR一、物种的概念一、物种的概念 1. 指个体间能相互交配、并在第一世代中产生指个体间能相互交配、并在第一世代中产生健康而可育后代的一个自然群体。健康而可育后代的一个自然群体。 2. 通常以生殖隔离作为确定物种的标准。通常以生殖隔离作为确定物种的标准。 生殖隔离的机制：生殖