第十一章群体遗传与进化

2020 4 19 1 遗传学 研究生物遗传和变异的规律和机理 进化论 研究生物物种的起源和演化过程 新种 可遗传的变异群体遗传学是研究进化论的基础 群体遗传学的研究 为生物进化的研究提供更多的证据 解释生物进化根本原因和历史过程 2020 4 19 2 11 1群体的遗传结构 1 概念群体遗传学 populationgenetics 研究群体的遗传结构及其变化规律的遗传学分支学科 2 研究特点以群体为基本研究单位 用基因频率和基因型频率描述群体遗传结构 采用数学和统计学的方法进行研究 2020 4 19 3 3 研究目的应用数学和统计学的方法来研究群体中的基因频率 基因型频率 以及影响这些频率的选择 突变 迁移 遗传漂变等作用与遗传结构的关系 据此来探讨生物进化的机制 生物进化的过程实质上是群体中基因频率的演变过程 所以群体遗传学是生物进化的理论基础 生物进化机制的研究无疑也属于群体遗传研究的范畴 2020 4 19 4 二 基本概念1 群体 population 指一群可以互相交配的许多个体繁育成的集群 又称孟德尔群体 群体可能是一个品系 一个品种 一个变种 一个亚种 甚至一个物种所有个体的总和 2 基因库 genepool 一个孟德尔群体所包含的基因总数称为一个基因库 3 随机交配 randommating 指在有性繁殖的生物群中 一种性别的任何一个个体有同样的机会会与其相反性别的个体交配的方式 2020 4 19 5 三 群体的遗传结构 1 基因频率和基因型频率基因频率 genefrequency 又叫等位基因频率 指一个二倍体的某特定基因座上某一等位基因占该座位等位基因总数的比率 即该等位基因在群体内出现的概率 基因频率是决定一个群体性质的基本因素 当环境条件或遗传结构不变时 等位基因频率在各世代不变 这是孟德尔群体的基因特征 2020 4 19 6 如有100个个体组成的群体 有一对等位基因A a 其中AA30个 Aa60个 aa10个 这样 A基因的频率 60 0 6a基因的频率 40 0 4 或1 0 6 0 4 说明一个群体中任何一个位点上全部等位基因的频率之和 1或100 2020 4 19 7 基因型频率 genotypefrequency 指群体中某特定基因型个体的数目占个体总数目的比率 如上述群体中 AA的基因型频率为30 Aa基因型频率为60 aa基因型频率为10 30 60 10 100 1 即 一个群体中 全部基因型频率的总和仍然是1或100 2020 4 19 8 D H R n1 N n2 N n3 N 1等位基因A的频率为 p 2n1 n2 2N D 1 2H同样 等位基因a的频率为 q 2n3 n2 2N R 1 2Hp q D 1 2H R 1 2H D H R 1eg2 人类群体中 常染色体上T t基因决定苯硫脲 PTC 尝味能力不同 T对t不完全显性 表型与基因型是完全对应的 抽样调查1000人 如下 2020 4 19 9 解 D n1 N 490 1000 0 49H n2 N 420 1000 0 42R n3 N 90 1000 0 09基因T在群体中的频率为 1400 2000 0 7t在群体中的的频率为0 3 p q 0 3 0 7 1 D H R 1 2020 4 19 10 11 2Hardy Weinberg定律 一 遗传平衡定律二 平衡群体的一些性质三 遗传平衡定律的扩展 2020 4 19 11 一 遗传平衡定律 群体遗传结构的变化 遗传水平的进化突变和重组 进化遗传不改变基因频率1 遗传平衡定律英国数学家Hardy和德国医生Weinberg经过独立的研究 于1908年分别发表了 基因平衡定律 的论文 故称为Hardy Weinberg定律 2020 4 19 12 1 遗传平衡定律的要点 在随机交配的大群体中 若无其它因素的影响 群体的基因频率始终保持不变 在任何一个群体内 基因型频率如果是不平衡的 只要经过一代随机交配 就可达到平衡 如果平衡 可一代代保持下去 在平衡状态下 基因频率与基因型频率之间的关系为 D p2 H 2pq R q2 2020 4 19 13 平衡群体需符合的条件 是无限大的有性繁殖群体 随机交配 无突变 迁移 遗传漂变等作用 无任何形式的自然选择和人工选择 2020 4 19 14 2 定律的证明 假设某一群体中 在常染色体上的某一基因座位上有两个等位基因A和a F0基因型基因AAAaaaAa频率D0H0R0p0q0p0 q0 1AAD0 p02AaH0 2p0q0aaR0 q02零世代产生的配子 A或a 其频率为 A D0 1 2H0 p02 2p0q0 p02 p0q0 p0 p0 q0 p0 2020 4 19 15 a R0 1 2H0 q02 2p0q0 q02 p0q0 q0 p0 q0 q0若该世代随机交配 则 F1中AAD1 p02AaH1 2p0q0aaR1 q02 F1产生的配子A p1 D1 H1 2 p0a q1 H1 2 R1 q0 F2 F3 Fn 在哈 温群体中 只要处于遗传平衡 基因频率世代相传不会改变 2020 4 19 16 二 平衡群体的一些性质1 在一个二倍体的群体中 杂合子的比例 H 2pq 是当p q 1 2时有最大值为0 5p q 1 2时 H有最大值2 H 2D R H2 4DR可用于验证群体是否达到平衡 3 平衡群体中的Aa Aa交配的频率为AA aa交配频率的两倍 Aa Aa 4p2q2AA aa 2DR 2p2q2 2020 4 19 17 2020 4 19 18 4 极限形式 如果一个基因 q 的频率很低 另一个等位基因 p 的频率接近于1 DHR1 2q2q0 根据这个特性 估算隐性遗传病在群体中的发病率及杂合子频率 例如 白化病10000人中有一患者 问携带者的概率是多少 aa R q a 1 100p 1 1 100 0 99H 2pq 2 0 99 0 01 0 0198 2020 4 19 19 检验群体是否Hardy weinberg平衡 D p2 H 2pq R q2H2 4DR 2检验例如 MN血型 抽样420人进行MN血型分析 其中M型137人 MN型196人 N型87人 问该群体是否平衡 p LM 137 2 196 420 2 0 56q LN 1 0 56 0 44 2020 4 19 20 由基因频率可算出基因型频率 D p2 0 56 2 0 314R q2 0 44 2 0 194H 2pq 2 0 56 0 44 0 493 2020 4 19 21 2测验 2 0 19 0 58 0 44 1 21n 1 因为基因频率只有p q两种 P 0 05所以该群体符合遗传平衡 2020 4 19 22 三 遗传平衡定律的扩展 1 复等位基因的平衡设A位点有3个等位基因A1 A2 A3 其频率为p q r 且p q r 1在一个大的群体中 如果3个基因的基因频率和6种基因型频率符合下列关系 则认为平衡关系已经建立 A1A2A3 2 A1A1A1A2A1A3A2A3A2A2A3A3p22pq2pr2qrq2r2D1H1H2H3D2D3 2020 4 19 23 由基因型频率 基因频率P D1 1 2H1 1 2H2 p2 1 2 2pq 2pr q D2 1 2H1 1 2H3 q2 1 2 2pq 2qr r D3 1 2H2 1 2H3 r2 1 2 2pr 2qr eg 人类的ABO血型受常染色体上的三个复等位基因控制 IA IB i 频率分别为p q r 且p q r 1 随机婚配下的表型与基因型如下表 2020 4 19 24 ABO血型 分别计算pqr i的基因频率 r2 0 31 0 556IA的基因频率p 1 q r 1 B O 1 q2 2qr r2 p 1 B O 2020 4 19 25 IB的基因频率q 1 p r 1 A O IB的基因频率q 1 0 32 0 31 0 21IA的基因频率p 1 0 27 0 31 0 242 性连锁基因的平衡 1 伴性遗传时 要区分同型配子性染色体和异型配子的性染色体数目 如XY型性别决定时 假定只有一对等位基因在X染色体上遗传 在随机交配的条件下 达到平衡时 2020 4 19 26 基因型和频率可列表表示如下 雄性群体中 基因频率等于基因型频率 当性连锁基因处于平衡时 在雌雄两性中的基因频率是相等的 2020 4 19 27 px pxx pqx qxx qeg 在西欧男性人群中 色盲发生率为8 问女性人群中的色盲发生率是多少 解 8 则q 0 08那么 色盲发生率为q2 0 08 2 0 64 2 性连锁平衡不稳不会经一个世代达到平衡 而是以一种振荡的方式快速的接近 经过若干世代达到平衡 2020 4 19 28 11 3影响遗传平衡定律的因素 Hardy Weinberg假设的群体只是理想群体 许多因素影响Hardy Weinberg遗传平衡 包括 突变 选择 迁移 遗传漂变 geneticdrift 非随机交配等 2020 4 19 29 一 基因突变 突变对群体遗传组成的作用为选择提供材料直接导致群体基因频率改变假定一个基因座上有两个等位基因A a 每个世代每个配子从A a的突变率为u a A的突变率为v A p a q u x n X是n代中积累的突变体 2020 4 19 30 则在某一世代中 A a的频率为pu 正突变压 a A的频率为qv 反突变压 突变压 mutationpressure 突变所造成的群体中基因频率改变的度量 以一对基因为例 零世代基因频率为 一世代中基因频率减少 则每一代都有pu的A a 有qv的a A Aa 2020 4 19 31 如果pu qv 则a的频率增加 pu qv 则A的频率增加 若pu qv 则基因频率保持不变 群体达到新的平衡状态 此时群体的基因频率为 例1 u 1 10 6 v 5 10 7 p 0 33q 0 67 例2 u v 1 10 6 p q 0 5 由于大多数基因突变频率很低 10 4 10 7 因此突变压对基因频率的改变很小 需要经过很多世代 基因频率由突变率u和v决定 2020 4 19 32 二 选择 选择的作用破坏群体的基因平衡 定向地改变群体的基因频率 增加有利基因或有益基因的频率 从而改变物种类型 自然选择作用 是指不同的遗传变异体具有差别的生活力和差别的生殖力 2020 4 19 33 适合度 fitness 和选择系数 selectivecoefficient 适合度 指某一基因型与其它基因型比较时 能够成活和繁殖后代的相对能力 记为W 选择系数 指在选择的作用下降低的适合度 记为S S 1 W W为一个相对值 一般把适合度最高的生物的W 1 如在24 25 下 把野生型果蝇的生存率定为W 1 则焦刚毛为0 79 小翅为0 69 2020 4 19 34 适合度是指一种生物能生存并把它的基因传给下一代的相对能力 eg 成鸟喂养幼鸟和独食的成鸟 适合度的计算 用相对的生育率来衡量 eg 人类群体中调查软骨发育不全侏儒症患者108人生育了27个子女 他们的457个正常同胞共生育了582个子女 W 0 2 27 108 2020 4 19 35 S和W的关系 W 1 S 0选择不起作用W 0 S 1完全选择 致死基因 不育基因 0 W 1不完全选择S是关于选择强度的一个指标 如焦刚毛在24 25 下的W 0 79 则S 1 0 79 0 21 即在此温度条件下 野生型个体留下一个子代时 焦刚毛只能留下0 79个子代 有0 21个子代不利于生存 被选择淘汰了 致死基因或不育基因的纯合体 W 0 2020 4 19 36 自然选择的例子 工业黑化 工业黑化 Industrialmelanism 比如椒花蛾 Bistonbetularia 黑色 DD 为显性浅灰色 dd 隐性个体英国的曼彻斯特 伯明翰 严重污染区 工业区 废气污染 地衣不生长 树干为煤灰色非污染区 树皮上的地衣生长 树干为花白色选择因素 蛾体颜色是否和栖息地树皮颜色接近 2020 4 19 37 对隐性纯合体不利的选择对显性基因不利的选择在突变和选择作用下的遗传平衡 针对不同基因选择的效果 2020 4 19 38 1 选择对隐性纯合体不利 AAAaaa 起始频率 选择系数 适合度 w 选择后个体数 相对频率 00s 111 s 在一个随机交配的大群体中 设一对等位基因A a A对a完全显性 有3种可能的基因型 AAAaaa 假定选择对隐性纯合体不利 经过一代自然选择后 p0 q0 1 群体总数 p02 2p0q0 q02 1 s 1 sq02 基因型 2020 4 19 39 a基因频率的改变 q1 R 1 2H q02 1 s p0q0 1 sq02 当q0很小时 分母1 sq021 则 q 1 s 1 q为负值 2020 4 19 40 上面的公式表明 当 2 3时 改变量达到最大 这时自然选择最有效 当值较大时 即使s值较小 q的改变量也较大 当值很小时 每代基因频率的改变量是很小的 若进行人工选择 每代完全淘汰aa隐性个体 即s 1 w 0 下一代隐性基因只能从杂合体中分离 则有 N D0 H0q1 1 2H0 D0 H0 p0q0 p02 2p0q0 q0 1 q0 2020 4 19 41 如果每代s 1 淘汰隐性个体 n代之后 群体中的基因频率变为 由此推算基因频率变化到多少时所需的世代 P491表20 9eg 若开始q0 0 5 s 1 要求隐性基因频率减少至0 01 所需的世代数为多少 n 1 0 01 1 0 5 100 2 98 2020 4 19 42 当a基因频率很低时选择作用越来越小 下表所表示的是白化基因 玉米 在世代中的变化情况 2020 4 19 43 例如 人的白化病频率为1 20000 假定采用禁婚的办法使其频率减低为现有的一半 问需要多少代 qo2 1 20000qo 1 20000 1 141若频率减低一半 则qn2 1 20000 1 2 1 40000qn 1 40000 1 40000 1 200n 1 1 200 1 1 141 200 141 59代假设25年折合一代 59 25 1500年 2020 4 19 44 2 选择对显性基因不利 若显性完全 显性基因A的频率为p 对显性基因的选择系数为s AAAaaa 起始频率 选择系数 适合度 w 选择后个体数 相对频率 ss0 1 s1 s1 群体总数 N p02 1 s 2p0q0 1 s q02 1 s sq02 2020 4 19 45 或者N 1 sp0 2 p0 基因频率的改变量为 同样 p为负值 若s很小时 分母1 s sq021 则 当s 1时 p p和选择对隐性基因不利相比 选择对显性基因更为有效 sq02 1 q0 q 当s很小时 p q 2020 4 19 46 3 突变和选择下的群体平衡 1 选择对隐性纯合体不利选择对隐性纯合体不利 同时突变使新的隐性基因进入杂合体中补充丧失的基因 达到某一平衡点 eg a的基因频率为q 选择系数为s由正突变产生的a基因的频率为 由选择导致a基因频率减少的量为 2020 4 19 47 q1 pu qv u 1 q qv如果q很小时 v很小 vq忽略不计 q1 u 1 q 当群体达到新的平衡 则 q1 q2 S 1 u q2 q u平衡时的基因频率由选择系数和突变率决定 与原来的基因频率无关 2020 4 19 48 eg 人类中全色盲是常染色体隐性遗传病 大约8万人中有1个纯合体 据调查他们的平均子女数为正常人的一半 全色盲基因的突变率是多少 解 q2 1 80000s 0 5u sq2 0 5 1 80000 6 25 10 6 2 选择对显性体不利 v sp p v s当s 1 显性致死 时 p v 2020 4 19 49 由突变增加的A基因频率 p1 qv pu如果p很小时 u很小 pu忽略不计 p1 u 1 p 由选择减少的A基因频率 p2 sp 1 p 2当群体达到新的平衡 则 p1 p2 1 p u sp 1 p 2即p v s 2020 4 19 50 eg 软骨发育不全症 AC 常染色体显性遗传病 从正常等位基因a向软骨发育不全症等位基因A的突变率v约为5 10 5 侏儒症患者的适合度经计算为W 0 2 计算A的基因频率 W 0 2 S 0 8 v 5 10 5p v s 6 25 10 5p很小 q近似于1 H 2pq 2 6 25 10 5 1 25 10 4 5 10 5 0 8 2020 4 19 51 三 遗传漂变 1 定义 遗传漂变 geneticdrift 当群体不大时 因抽样的随机误差所造成的群体中基因频率的随机波动 又称莱特效应 遗传漂变的方向无法预测 遗传漂变所引起的随机波动可以使选择上既不是有利又不是有害的的基因 中性基因 或近乎中性的基因保存下来 2020 4 19 52 在一个小群体中 由于个体间不能充分随机交配 因而基因不能达到完全自由分离和组合 使等位基因频率产生偏差 即导致抽样误差 2 特点 1 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 2 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 造成基因频率的改变 2020 4 19 53 设有一群体为随机抽取的样本 在生育年龄时 群体大小为N 就常染色体上某一基因座而言 共有2N个基因 假定这一位点上的一对等位基因为A a 其基因频率为p q p q 1 A基因频率改变的方差可以表示 方差 S2 pq 2N标准差 S pq 2Neg 设p q 0 5 则N 50 S pq 2N 0 5 0 5 2 50 0 05N 5000 S pq 2N 0 005 2020 4 19 54 遗传漂变常用来说明人类种族间的差异 eg 北美印第安人的血型分布 北美印第安人多数为O型 但是Blood和Black feet印第安人中A型比较常见 而且IA基因频率大于50 遗传漂变在小群体中特别有效 可以掩盖 甚至违背选择所起的作用 2020 4 19 55 比较明显的例子是人的血型 如ABO血型 这属于一种适应的中性性状 但在不同种群有明显差异 2020 4 19 56 3 奠基者效应 foundereffect 和瓶颈效应 bottleneckeffect A 奠基者效应 由少数几个个体的基因频率 决定后代的基因频率 B 瓶颈效应 一个大的群体通过瓶颈后 由少数几个个体再扩展成原来规模的群体 群体数量消长的过程对遗传造成的影响 2020 4 19 57 东卡罗林群岛的Pringelap人群 先天性失明 AR 占10 由于1780年飓风袭击东卡罗林群岛 原人群大量死亡 仅留下9个男人和数目不祥的女人 遗留下带有失明基因的个体比例很高 使得该群体的后代有病个体大幅度增加 基因频率改变 AAAaaa AAAaaa0 950 040 010 40 20 4 2020 4 19 58 四 迁移 迁移 migration 指个体从一个群体迁入另一个群体或从一个群体迁出 然后参与交配繁殖 导致群体间的基因流动 设在一个大的群体 土著群体 内 某一等位基因的频率为q0 每代有一部分个体 移民群体 新迁入 其迁入率为m 迁入群体中同一等位基因的频率为q0 则1 m是原有群体的比率 二者混合后群体内等位基因的频率q1将是 2020 4 19 59 q1 1 m q0 mq0 m q0 q0 q0一代迁入所引起的等位基因频率的变化 q为 q q1 q0 m q0 q0 说明由于迁移引起的基因