群体遗传学的基本概念与原理分解

1、基本内容基本内容 基因频率与基因型频率基因频率与基因型频率 1 Handy-Weiberg平衡定律平衡定律 2 亲属对基因型联合分布亲属对基因型联合分布 3 常染色体位点连锁相不平衡常染色体位点连锁相不平衡 4 影响群体结构的因素（迁移，突变，选择）影响群体结构的因素（迁移，突变，选择） 5 一、基因频率与基因型频率一、基因频率与基因型频率 v1、群体的遗传结构、群体的遗传结构 孟德尔群体(Mendelian population): 一个 孟德尔群体，是一群能够相互繁殖的个 体，它们享有一个共同的基因库。在有 性繁殖的生物中，一个物种就是一个最 大的孟德尔群体。 一、基因频率与基因型频率一、

2、基因频率与基因型频率 v2、 等位基因频率等位基因频率(alleles frequency)： 在一个二倍体的某特定基因座上某 一等位基因占该座位上等位基因总数的 比率为该等位基因的频率。这是群体遗 传结构的一个最基本的测度(p,q)。 一、基因频率与基因型频率一、基因频率与基因型频率 v3、基因型频率、基因型频率(genotype frequency)： 群体中某特定基因型个体的数目，占 个体总数目的比率。D, H, R 一、基因频率与基因型频率一、基因频率与基因型频率 v4、基因频率计算基因频率计算 P(AA)=D； P(Aa)=H； P(aa)=R； p=P(A) =P(A|AA)P(A

3、A)+P(A|Aa)P(Aa)+P(A|aa)P(aa) =D+(1/2)H p=D+(1/2)H q=R+(1/2)H 一、基因频率与基因型频率一、基因频率与基因型频率 v5、基因频率计算基因频率计算 例1(记数法)： Greenland血型数据(据569个体) ： M 83.5%, MN 15.6%, N 0.9%.计算基因频率 解：定义M、MN和N的频率为D、H和R；等位基 因M、N的频率为p和q。我们有 p = D + 1/2H = 0.835+0.5X0.156 = 0.913 q = R + 1/2H = 0.09 + 0.5X0.156 = 0.087 注意：如果是频数资料，则：

4、 p = (2D + H) /2N; q = (2R + H)/2N 。 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v1、基本概念基本概念 随机交配随机交配(Panmixia): 在有性生殖生物中，一种性别的任何一个个 体有同样的机会和相反性别的个体交配的方式称 随机交配(random mating)。 即各种类型的个体交配的频率完全取决于自 身频率的大小，而不受任何其他因素的影响。实 行随机交配的结果是所有的基因型都是孟德尔式 分离所产生的配子随机结合而形成的。 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v2、Hardy-Weinburg定律定律 在随机交配下的孟德尔群体中，若没有其

5、他因素（基因 突变、选择、迁移）的干扰，基因频率世代相传不变。 无论群体的起始成分如何，经过一个世代的随机交配之 后，群体的基因型频率的平衡建立在下列的H-W公式之中： (pA+qa)2=p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa), 平衡群体的基因型频 率决定于它的基因频率。 只要随机交配系统得以保持，基因型频率保持上述平衡 状态不会改变。 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v（1）P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2 (2)只要随机交配系统得以保持，基因型频率保 持上述平衡状态不会改变，子代频率仍为： P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q

6、2 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 3、Hardy-Weinburg定律证明定律证明 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v4、Hardy-Weinburg平衡检验平衡检验 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v5、Hardy-Weinburg平衡检验例平衡检验例 三、三、亲属对基因型联合分布亲属对基因型联合分布 v1、基本概念、基本概念 亲属（亲属（relative）:有血缘关系的人，有血缘关系意有血缘关系的人，有血缘关系意 味着基因来源相同，即有相同的祖宗。味着基因来源相同，即有相同的祖宗。 遗传学中的血缘关系是相对的，一般指三代以内遗传学中的血缘关系是相

7、对的，一般指三代以内 的亲属关系，一对夫妻如果不是近亲结婚则不是的亲属关系，一对夫妻如果不是近亲结婚则不是 亲属。亲属。 而父子、兄弟、祖孙则称之为亲属对（而父子、兄弟、祖孙则称之为亲属对（relative pair） 三、三、亲属对基因型联合分布亲属对基因型联合分布 v 2、父子对与兄弟对父子对与兄弟对 （同父女、母女等；并假定满足随机婚配与哈代-温伯格平衡定律；二等位基因A，a频率分别为p， q；符号：父亲F，儿子S，母亲M） 父子总和 AAAaaa AAp3p2q0p2 Aap2qpqpq22pq Aa0pq2q 3pq2 总和p22pqpq21 三、三、亲属对基因型联合分布亲属对基因型

8、联合分布 父子总和 AAAaaa AAp3p2q0p2 Aap2qpqpq22pq Aa0pq2q 3pq2 总和p22pqpq21 FMP（ FM ，S=AA） AAAA AAAa P4 p3q P（ F=AA，S=AA） = P（ F=AA，M=AA，S=AA）+ P（ F=AA，M=Aa，S=AA） = P4+ p3q=p3 推导： 三、三、亲属对基因型联合分布亲属对基因型联合分布 v 3、兄弟对兄弟对 兄弟总和 AAAaaa AA（1/4）p2（1+p2) （1/2） p2q （1+p)（1/4） p2q2p2 Aa（1/2） p2q （1+p)pq(1+pq) （1/2）pq2（1+

9、q)2pq Aa（1/4） p2q2（1/2）pq2（1+q)（1/4）q2（1+q2)pq2 总和p22pqpq21 推导同理，需要考虑父母的六种婚配型 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 v1、基本概念、基本概念 （1）连锁连锁:如果在同一条染色体上的两个基因座相 邻比较近,那么同源于父亲(母亲)的等位基因更倾 向于一起传递给后代,这种现象叫连锁 （2）交叉交叉：在交换时一对染色体出现的交叉型结构。 在有丝分裂的双线期可以在显微镜下看到。 （3）互换(crossover)： （4）重组）重组(recombination) ：奇数次互换导致一个重组 交叉之后开始互换交叉

10、之后开始互换 4 Aa Bb 1 23 Aa Bb ccCC 1 234 AAaa B B b b ccC C 1 234 AAaa B B b b ccC C 1 234 AAaa BBbb ccCC 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 注： 交换发生是随机的，距离越长交换的机会越多，交换发生是随机的，距离越长交换的机会越多， 因此交换值的大小可以用来表示基因间的距离长因此交换值的大小可以用来表示基因间的距离长 短。短。 由于交换并不一定导致重组，因此重组值要小于由于交换并不一定导致重组，因此重组值要小于 或等于交换值。或等于交换值。 由于无法直接测定交换率，只有通过标

11、记基因的由于无法直接测定交换率，只有通过标记基因的 重组来估计交换的频率。重组来估计交换的频率。 （5）重组率）重组率(recombination fraction): 用用来表示来表示 两个基因座之间发生奇数次交换的概率两个基因座之间发生奇数次交换的概率 重组率重组率=重组重组/（重组（重组+非重组）非重组） 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 重组率取值范围0，1/2 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 （6）连锁分析（连锁分析（linkage analysis）：考察两个基 因座的位置是否临近，通过对一些基因数据的分 析来寻找一些感兴趣的基因位

12、置，也称为基因作 图（genetic mapping）。两个连锁的基因座上的 等位基因更易于作为一个单位由父母传递给后代， 即更易于共分离。 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 （7）连锁平衡连锁平衡(linkage equilibrium) ：两个基因座的等位 基因组合的频率等于组成组合的等位基因各自频率的积 ， 不存在优势组合，称为连锁平衡. （8）连锁不平衡（连锁不平衡（linkage disequilibrium；LD）：两个 位点的某两个等位基因不是独立出现的，则称这两个位点 处于连锁不平衡状态。 注注：连锁只与两个位点有关，而连锁不平衡是与两个位点上 的等位基

13、因有关。 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 （9）连锁不平衡计算中的几个量： 连锁不平衡参数: 1 111 2222 1 212 2 121 () () A BAB A BAB A BAB A BAB DPP P PP P PP P PP P 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 若一个群体初始状态D0，假定重组率为，则第 二代D2=（1- ）D n代： Dn=(1- )nD 当重组率比较小的时候趋于零的速度比较慢 当重组率比较大的时候趋于零的速度比较快 该公式为关联分析的理论基础 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 关联分析原

14、理： 假设一个疾病基因位点有两个等位基因D，d； 引起疾病的等位基因位D，于是疾病群体中的D的 频率要高于对照群体的， 但是我们不知道该疾病 位点的位置，如果在疾病位点附近的某个标记位 点为A，a，如果D与A 关联，因此连锁不平衡， 即疾病群体中的A的频率要高于对照群体的，即 疾病与A关联。因此我们寻找疾病于对照中差异 较大的标记位点，在标记位点附近可能存在着疾 病基因。 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 max1221 min, ABAB DP PP P m a x D D D 0D max1122 max, ABAB DP PP P 0D D 四、常染色体位点连锁相

15、不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 1212AABB D r p pp p 2 r 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 注：连锁与连锁不平衡的区别： 连锁描述两个位点的位置关系，可通过重组 率来度量，需要重组的数据，因此需要家系资料。 连锁不平衡描述的是群体中两个位点上的等 位基因的关联性，需要群体数据。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v当一个群体是大的，随机交配，不受进化力量的 影响时，群体的基因频率并不因为遗传而改变。 然而对很多群体而言并不是理想群体。在这种情 况下，基因频率会发生改变。 v 影响群体平衡的主要因素包括：突变、选择、迁突变、选择、迁

16、移、遗传漂变和交配系统（非随机交配）。移、遗传漂变和交配系统（非随机交配）。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v1、突变：、突变：突变是一切新遗传变异的来源，等位基 因的新组合可以通过重组而产生，但新的等位基 因只有当突变发生时才能产生。突变提供了进化 作用的遗传原料。大部分的突变将受到损伤，并 从群体中被排除。然而少数的突变可能对个体是 有利的，会被保留下来，并在群体中传播开。突 变有害还是有利取决于特殊的环境，若环境改变 了，先前有害的突变可以变成有利的突变。 v例如在使用杀虫剂DDT之后，昆虫产生了对DDT 的抗性突变，这样昆虫在喷有DDT的环境中不仅 可以生存还能繁殖。

17、五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v突变对进化还有一种潜在的作用:通过突变改变群 体中等位基因频率。 例如：一个群体中某个位点包含等位基因A，a， 当A突变为a时，将会降低A的频率，若持续代数 过多将会使得A消失。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v突变分为正向、回复突变： 相对概念 A突变为a称为正向突变（forward mutation）。 部分基因也会发生反向突变，即a突变A，这些突变 称为回复突变（reverse mutation）。 在一般情况下正向突变的频率要大于回复突变的频 率。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v2、遗传漂变 哈代-温伯格

18、定律的一个主要的假定就是群体无限 大。实际的群体不可能无限大，但它们要大到足 以能预期基因频率和基因型频率。但有些群体很 小，这些群体的几率因子可使基因频率产生随机 变化。由于样本的机误（chance errors）导致群 体基因频率的随机改变称为遗传漂变（genetic drift）或简称为漂变。此是由群体遗传学家S. Wright于1930年提出的，有时人们也把漂变称S. Wright效应。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v 例：。设想在南太平洋群岛上住着人类的最小群体，假设 只有10个人组成，5个人绿眼睛，5个人棕色眼，假设眼睛 的颜色是由单基因决定的（实际上眼睛的颜色是

19、由多基因 控制的），且绿色眼的等位基因b对棕色眼的等位基因B是 隐性的（BB和Bb为棕色眼，bb为绿色眼）。此岛上的群 体中绿眼等位基因的频率是0.6。一次台风袭击了这个岛， 群体中50%的人死亡了，也就是5位居民死于风暴。正巧 这死去的5个人是棕色眼。台风之后这个岛上绿色基因的 频率是1.0。在这个群岛上的群体中所发生的突变是绿眼 基因的频率从0.6变成了1.0，这完全是机会所造成。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v几率使实际结果和预期比产生偏差的这种现象被 称为取样误差（取样误差（sampling error）。 设群体产生一个无穷大的配子库，其含有的等位 基因比分别为p和

20、q。若发生随机交配，所有的配 子都结合成合子，那么基因型的比将是：p2,2pq 和q2，而在合子中等位基因的频率仍保持为p和q。 也许后代的数目是有限的，但这些与配子结合形 成的后代构成了潜在的无限大配子库中的一个样 本。由于随机性，或由于样本的机误，样本可能 偏离大库，样本越小，偏差越大。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v所有的遗传漂变都是由于取样误差而产生的，但 在自然群体中取样误差的发生有各种途经。 几种漂变的发生： 在大西洋南部有三个很小的火山岛(Tristan da cwnha)，1817年开始由苏格兰人William Glass和 他的家族到岛上居住。后来又迁来几个

21、失事的水 手和几个来自远处岛上的妇女，但这个岛是保持 着遗传隔离的状态。1961年岛上火山爆发，岛上 的群体几乎有300个居住者组成的群体到英格兰。 他们在英国呆了2年，遗传学家研究了他们，并重 建了这个群体史。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v 岛上的群体在突变中发生了三种类型的遗传漂变。 建立者效应发生在开始定居者中。到1855年这个岛的群体扩大到约 100人，但这个群体26%的基因是由William Glass和他妻子传下来的。 甚至到了1961年这300人的群体的全部基因中有14%的基因来自最初 的两个定居者。Glass和其他的原来的建立者们的特殊基因对以后群 体的基因

22、库有着重大的影响。 群体一直保很小，取样误差也持续发生。 取样误差的第三种形式称为瓶颈效应（bottleneck effect）这种效应在 上面所说的小群体中也起到了重要的作用。当一个群体减少得很厉害 时发生瓶颈效应。在如此的随机群体中，偶然事件可能使某些基因从 基因库中丢失。我们前面举的10个人小群体眼色的例子就是如此。当 飓风袭击这个岛时，使绿眼的基因频率从0.6变成1.0。这就是瓶颈效 应的例子。瓶颈效应也可以看成是建立者效应的一种类型，因为仅几 个个体的减少结果就会影响群体。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v3、迁移迁移（migration） v哈代-温伯格定律的假设之

23、一是要求群体是封闭而 不受外部环境因素的干扰。然而很多群体都不是 完全隔离的，它们和相同物种的另一些群体之间 交换基因。一些个体迁入另一群体可以使迁入群 体的基因库导入新的基因，而改变其的等位基因 频率。因此迁移具有潜在的打破哈迪-温伯格平衡 的作用，从而引起了群体基因频率的改变。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v基因流（基因流（gene flow）：）：迁移这个术语通常应用于 生物个体从一个群体转入到另一群体。然而在群 体遗传学中我们感兴趣的是基因的移动。基因的 移动仅发生在生物或配子“迁移”的时候。把它 们的基因贡献给受纳群体的基因库中。这个过程 也可叫做基因流（基因流（g

24、ene flow） 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v基因流对群体有二个主要的作用： v它将新的等位基因导入到受纳群体中。由于 “突变”这一事件一般是很少发生的，一个特殊 的突变等位基因可能在一个群体中发生，而不在 另一个群体中发生，基因流可将独特的等位基因 播散到其他的群体，像突变一样，成为该群体的 遗传变异的来源。 v当迁移动物的基因频率和受纳群体的不同时， 基因流改变了受纳群体的等位基因频率。通过基 因的改变，群体保持相似性，这样，迁移是一种 均化力量，倾向于阻止群体发生变异。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v 4、自然选择（natural selectio

25、n） v 适应是通过性状的演化使生物体更加适应于环境的过程。 这些性状增加了生物生存和繁殖的机会。适应反应了自然 界中我们所见到的很多神奇的有趣的性状，如蜂雀的翅膀 能使其向后飞。猪笼草的叶片能捕获和吞食昆虫。脑可以 使人类思维、说话、阅读和爱恋。这些生物学特点和无数 其他的精致的性状都是适应的产物。 遗传漂变、突变和迁移都影响到适应的方式和过程，但唯 有自然选择才能产生适应。自然选择是很多性状的进化的 主宰力量，并在自然中形成了很多的表型变异。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v自然选择的本质是自然选择的本质是基因型差别复制， v自然选择的含义是自然选择的含义是：带有某些基因产

26、物的个体比 另一些具有更多的后代。这些基因在下一代中的 频率得到了增加。通过自然选择对生存和繁殖有 利的性状逐代增加。生物以这种方式来适应它们 的环境。 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v5、非随机交配 v理想群体假设群体中的交配是随机的，但很多群 体对于某些性状而言交配并不是随机的。当非随 机交配发生时基因型存在的比例就难以用哈代-温 伯格定律来进行估计 五、影响群体结构的因素五、影响群体结构的因素 v 非随机交配有以下几种情况： v 正选型交配（正选型交配（Positive assortative mating）：）：即当带有相似表型 的个体优先交配。在自然群体中这种情况较为

27、普遍。例如人类的选择 性就很高。高个子女人和高个子男人婚配，矮个女人与矮男人婚配都 比较常见，比随机频率要高。 v 负选型交配（负选型交配（negative assortative mating）：）：是不相同表型的个 体交配的概率要大于随机交配。情况和上面的例子相反。正选型交配 和负选型交配的类型都不会影响群体的基因频率，但他们可能会影响 基因型频率。 v 近交（近交（inbreeding）近交实质是对亲属关系的正选交配。近交大部 分是属于自交，此多发生在自花受粉的植物和少数自体受精的动物中, 如某些种类的蜗牛。自交会影响到基因频率的改变，可以促进等位基 因的纯合 v 远交（远交（outbr

28、eeding）远交是非亲缘关系优先交配，突质上是负选 交配。 一、基因频率与基因型频率一、基因频率与基因型频率 v3、基因型频率、基因型频率(genotype frequency)： 群体中某特定基因型个体的数目，占 个体总数目的比率。D, H, R 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v（1）P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2 (2)只要随机交配系统得以保持，基因型频率保 持上述平衡状态不会改变，子代频率仍为： P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 v1、基本概念、基本概念 （1

29、）连锁连锁:如果在同一条染色体上的两个基因座相 邻比较近,那么同源于父亲(母亲)的等位基因更倾 向于一起传递给后代,这种现象叫连锁 （2）交叉交叉：在交换时一对染色体出现的交叉型结构。 在有丝分裂的双线期可以在显微镜下看到。 四、常染色体位点连锁相不平衡四、常染色体位点连锁相不平衡 关联分析原理： 假设一个疾病基因位点有两个等位基因D，d； 引起疾病的等位基因位D，于是疾病群体中的D的 频率要高于对照群体的， 但是我们不知道该疾病 位点的位置，如果在疾病位点附近的某个标记位 点为A，a，如果D与A 关联，因此连锁不平衡， 即疾病群体中的A的频率要高于对照群体的，即 疾病与A关联。因此我们寻找疾病于对照中差异 较大的标记位点，在标记位点附