第10章群体遗传学

1、chapter 10 chapter 10 population population geneticsgenetics群群 体体 遗遗 传传 学学研究研究群体群体中中遗传结构遗传结构及其变异的分支学科及其变异的分支学科群体（群体（population）：生活在同一地域，能够自由、）：生活在同一地域，能够自由、随机婚配随机婚配的个体集合。的个体集合。 遗传结构（遗传结构（genetic structure ）：）： gene frequencies and genotype frequencies in a population.群体遗传学：研究群体中基因的分布及逐代传递中群体遗传学：研究群体

2、中基因的分布及逐代传递中影响影响基因频率基因频率与与基因型频率基因型频率的变化规律的科学。的变化规律的科学。第一节第一节 群体遗传学基本概念群体遗传学基本概念 基因频率（基因频率（gene frequency）：群体中）：群体中某一基因某一基因在其在其所有等所有等位基因数量位基因数量中所占的比例。中所占的比例。 a%= - = p p + q = ? a%= - = p p + q = ? 基因型频率（基因型频率（genotype frequency）: :群体中群体中某一基因型个某一基因型个体体占群体总个体数的比例占群体总个体数的比例。 aa%= -aa%= - aa + a aaaa +

3、aa + aa1第二节第二节 群体中的遗传平衡群体中的遗传平衡一、一、 基因频率基因频率 & 基因型频率基因型频率d：显性纯合子（：显性纯合子（aa）的频率）的频率h：杂合子（：杂合子（aa）的频率）的频率r：隐性纯合子（：隐性纯合子（aa）的频率）的频率p：显性基因（：显性基因（a）的基因频率）的基因频率q：隐性基因（：隐性基因（a）的基因频率）的基因频率 基因型频率基因型频率d= 233 / 747= 31.2 %d= 233 / 747= 31.2 %h= 385 / 747= 51.5 %h= 385 / 747= 51.5 %r= 129 / 747= 17.3 %r= 12

4、9 / 747= 17.3 % 例例: : 在在747747人的人群中，人的人群中，m m型血有型血有233233人，人，mnmn型血有型血有385385人，人，n n型血有型血有129129人，求各基因型频率和基因频率。人，求各基因型频率和基因频率。 对于共显性和不完全显性对于共显性和不完全显性 表型调查表型调查 基因型频率基因型频率 基因频率基因频率 基因频率基因频率p= d+h/2 = 0.57p= d+h/2 = 0.57q= r+h/2 = 0.43q= r+h/2 = 0.43二、二、 遗传平衡定律遗传平衡定律 （the hardy-weinberg law） 1908 1908年

5、，英国数学家年，英国数学家hardyhardy和德国内科医生和德国内科医生weinbergweinberg分别同时提分别同时提出遗传平衡定律。出遗传平衡定律。 内容：内容：1. 1. 只要群体符合一定条件，只要群体符合一定条件，基因频率基因频率和和基因型频基因型频率率在世代传递过程中将在世代传递过程中将不会发生改变不会发生改变。2. 2. 非平衡群体非平衡群体只要经过一代的随机婚配只要经过一代的随机婚配，就可以，就可以变成平衡群体。变成平衡群体。infinite population size no migration no mutation no selectionrandom mating

6、 assumptions of the hardy-weinberg equillibrium1. infinite population size (there are infinitely many individuals in the population.)2. no allele flow (i.e., no movement of individuals from population to population.)3. no mutation (no biochemical changes in dna that produce new alleles.) 4. random m

7、ating (this means that with regard to the trait were looking at, individuals mate at random they dont select mates based on this trait in any way.) 5. no selection: the different genotypes (for the genetic trait were studying) have equal fitness.hardy-weinberg定律的推断定律的推断 假设在一个理想的群体中，某个基因座上有一对等位基因假设在一

8、个理想的群体中，某个基因座上有一对等位基因 a和和a， 基因频率基因频率a = p，a = q p + q = 1 a（p） a（q）a（p） aa（p2） aa（pq） a（q） aa（pq） aa（q2）精精 子子卵卵 子子因此因此子一代基因型频率：子一代基因型频率：aa = paa = p2 2 aa = 2pq aa aa = 2pq aa = q = q2 2（p）（q）（q）（p）（p2）（pq）（q2）（pq）在随机婚配的条件下：在随机婚配的条件下： 根据子一代的基因型频率，可以推断子一代的基根据子一代的基因型频率，可以推断子一代的基因频率：因频率：hardy-weinberg定

9、律的推断定律的推断基因频率基因频率a = d+h/2 = p2 +2pq/2=p(p+q)=p基因频率基因频率a = r+h/2 = q2 +2pq/2=q(p+q)=q子一代的基因频率与其亲代是一样的！子一代的基因频率与其亲代是一样的！同理可证，同理可证，基因频率基因频率与与基因型频率基因型频率在世代相传中在世代相传中保持不变！保持不变！p2 + 2pq + q2=1hardy-weinberg定律的推断定律的推断在遗传平衡的群体中：在遗传平衡的群体中：反之亦然：反之亦然：当当d：h：r = p2：2pq：q2时，时，这样的群体处于平衡状态。这样的群体处于平衡状态。例：一个例：一个10010

10、0万人的群体中，万人的群体中，aaaa有有6060万人，万人，aaaa有有2020万人，万人，aaaa有有2020万人。万人。问：群体是否属于平衡群体？随机婚配后的基因型频率？问：群体是否属于平衡群体？随机婚配后的基因型频率？二、二、hardy-weinberg定律的应用定律的应用1、遗传平衡群体的判定、遗传平衡群体的判定 2、群体中基因频率的计算、群体中基因频率的计算 aa% = 60/100 = 0.6 aa% = 20/100 = 0.2 d：h：r = 0.6：0.2：0.2 = 3：1：1 aa% = 20/100 = 0.2 p = aa + 1/2 aa = 0.7 q = aa

11、 + 1/2 aa = 0.3 p2=0.492pq=0.42 q2=0.09 群体患病率群体患病率 = d + h = p= d + h = p2 2+2pq+2pq， p+qp+q=1=1 实际计算时，致病基因频率实际计算时，致病基因频率p p很低，很低，aaaa纯合个体少，纯合个体少，p p2 2可以可以忽略忽略，因此：，因此： p p2 2 00，q 1q 1，患病率患病率= p= p2 2+2pq h 2p+2pq h 2p 所以对于所以对于adad遗传病：遗传病：p= p= h h( (1) ad1) ad遗传病：遗传病： p= p= h h2 2、基因频率的计算、基因频率的计算例

12、：某地软骨发育不全性侏儒的患病率例：某地软骨发育不全性侏儒的患病率 1/10000 致病基因致病基因a频率频率p= * 1/10000 =0.00005 正常基因正常基因a频率频率q=p=0.99995(2) ar(2) ar遗传病：遗传病：携带者频率携带者频率 = 2pq = 2pq 2q ，患病，患病率率 = q= q2 2 ar ar遗传病患者为致病基因的纯合子。遗传病患者为致病基因的纯合子。 对于一种罕见的对于一种罕见的ar遗传病遗传病 致病基因频率致病基因频率q很低，正常基因频率很低，正常基因频率p1 ： 杂合携带者频率杂合携带者频率 = 2pq =2q 即杂合即杂合携带者频率约为致

13、病基因频率的携带者频率约为致病基因频率的2倍倍。例如：已知白化病的患病率为例如：已知白化病的患病率为1/100001/10000，求白化病致病基因频，求白化病致病基因频率率q q和携带者频率。和携带者频率。 白化病为白化病为arar遗传病，患者为致病基因的纯合子，因此：遗传病，患者为致病基因的纯合子，因此： 患病率患病率 = q= q2 2 = 1/10000 q = 1/100 = 1/10000 q = 1/100 p = 1 p = 1 q = 99/100q = 99/100 携带者频率携带者频率 = 2pq = 2 = 2pq = 2 1/100 1/100 99/100 = 0.0

14、198 99/100 = 0.0198 这提示人群中有这提示人群中有 2% 2% 为白化病致病基因携带者，对于遗传咨为白化病致病基因携带者，对于遗传咨询很重要。询很重要。( (3)x3)x连锁遗传病：连锁遗传病：男性患者的频率男性患者的频率 = = 致病基因频率致病基因频率女性女性男性男性基因型基因型xa xaxa xaxa xaxayxay基因型频率基因型频率p22pqq2pq 对于对于xr遗传病：遗传病： 男性患者男性患者 = 致病基因频率致病基因频率 = q 女性患者女性患者 = 致病基因频率的平方致病基因频率的平方 = q2 对于对于xd遗传病：遗传病： 男性患者男性患者 = 致病基因

15、频率致病基因频率 = p 女性患者女性患者 = p2 + 2pq 2p第三节第三节 影响遗传平衡的因素影响遗传平衡的因素平衡的条件平衡的条件影响因素影响因素（1 1）在一个很大的群体）在一个很大的群体 （2 2）没有大规模迁移）没有大规模迁移（3 3）没有突变发生）没有突变发生（4 4）没有自然选择）没有自然选择（5 5）随机婚配）随机婚配小群体小群体迁移和基因流迁移和基因流突变突变选择选择近亲婚配近亲婚配factors that disturb hardy-weinberg equilibrium 一、一、mutation (突变突变)突变率突变率以每代中每一百万个基因中发生突变的次数表示以

16、每代中每一百万个基因中发生突变的次数表示（n10-6/基因基因/代）代） 设一对等位基因设一对等位基因a和和a，a的频率为的频率为p，a的频率为的频率为q，a突变为突变为a的突变率为的突变率为u，a突变为突变为a的突变率为的突变率为v。则：每代中由则：每代中由a突变为突变为a的数量的数量 = pu 由由a突变为突变为a的数量的数量 = qv 当当 pu = qv a和和a的基因频率保持不变的基因频率保持不变 pu qv a的基因频率增加的基因频率增加 pu qv a的基因频率增加的基因频率增加factors that disturb hardy-weinberg equilibrium如果基因

17、突变对个体既无害处，也无好处，则基因如果基因突变对个体既无害处，也无好处，则基因频率完全由频率完全由u u和和v v决定。决定。vuvpvuuq+ += =+ += =pqqvpu= =- -= =1否则，基因突变将受否则，基因突变将受选择选择影响。影响。（环境因素对基因的作用）（环境因素对基因的作用） 适合度适合度（fitness，f）：一个个体能生存并把他的基因传）：一个个体能生存并把他的基因传给下一代的能力。给下一代的能力。一般用在同一环境中不同个体间的一般用在同一环境中不同个体间的相对生育率相对生育率衡量。衡量。0 f 1factors that disturb hardy-weinb

18、erg equilibrium 二、二、selection (选择选择)例：软骨发育不全的侏儒例：软骨发育不全的侏儒108108人共生育了人共生育了2727个子女，这些侏个子女，这些侏儒的儒的457457个正常同胞共生育了个正常同胞共生育了582582个子女，求软骨发育不个子女，求软骨发育不全症的适合度？全症的适合度？ 27/108 27/108f = = 0.2f = = 0.2 582/457 582/457 选择的作用在于增高或降低个体的适合度，一般选择的作用在于增高或降低个体的适合度，一般用选择系数（用选择系数（s）表示。）表示。factors that disturb hardy-w

19、einberg equilibrium选择系数（选择系数（s s）：在选择的作用下：在选择的作用下降低的适合度降低的适合度。 s = 1 s = 1 f f适合度：患者基因适合度：患者基因能传下去的比率能传下去的比率选择系数：患者基因向后代传递过程中的选择系数：患者基因向后代传递过程中的淘汰率淘汰率在遗传平衡的群体中，因在遗传平衡的群体中，因选择选择而被淘汰的基因将由而被淘汰的基因将由突变突变补偿。补偿。 选择对选择对ad等位基因的作用等位基因的作用 选择对选择对ar等位基因的作用等位基因的作用u = sq2 = srfactors that disturb hardy-weinberg eq

20、uilibrium 选择对选择对xr等位基因的作用（只考虑男性患者面临选择）等位基因的作用（只考虑男性患者面临选择）u = 1/3 sq 选择对选择对xdxd等位基因的作用等位基因的作用 v = sp = sh v = s（p /3 + 2p /3 ）= sp在遗传平衡的群体中，因在遗传平衡的群体中，因选择选择而被淘汰的基因将由而被淘汰的基因将由突变突变补偿。补偿。 在在34代内有共同祖先的个体间称为近亲，代内有共同祖先的个体间称为近亲，他们之间的婚配称为他们之间的婚配称为近亲婚配近亲婚配。 近亲婚配使近亲婚配使子女得到一对相同等位基因的概率子女得到一对相同等位基因的概率称为称为近婚系数近婚系

21、数（ coefficient of inbreeding，f）。）。 近亲婚配可以降低杂合子频率而增高纯合子频率，近亲婚配可以降低杂合子频率而增高纯合子频率，导致后代导致后代ar遗传病发病率增高。遗传病发病率增高。factors that disturb hardy-weinberg equilibrium 三、三、inbreeding (近亲婚配近亲婚配)1、常染色体基因的近婚系数：、常染色体基因的近婚系数：p1p2b1b2sa1a2a3a4a1a1 = （1/2）4a2a2 = （1/2）4a3a3 = （1/2）4a4a4 = （1/2）4f = 4 （1/2）4 = 1 / 4同胞兄妹

22、间婚配同胞兄妹间婚配一级亲属间的近婚系数为一级亲属间的近婚系数为1/41/4factors that disturb hardy-weinberg equilibriump1p2b1b2sa1a2a3a4a1a1 = （1/2）5a2a2 = （1/2）5a3a3 = （1/2）5a4a4 = （1/2）5f = 4 （1/2）5 = 1 / 8舅甥女间婚配舅甥女间婚配c二级亲属间的近婚系数为二级亲属间的近婚系数为1/81/8factors that disturb hardy-weinberg equilibriump1p2b1b2sa1a2a3a4a1a1 = （1/2）6a2a2 = （

23、1/2）6a3a3 = （1/2）6a4a4 = （1/2）6f = 4 （1/2）6= 1 / 16表兄妹间婚配表兄妹间婚配三级亲属间的近婚系数为三级亲属间的近婚系数为1/161/16c1c2factors that disturb hardy-weinberg equilibrium计算计算x连锁基因的连锁基因的f值时，值时，只计算女性只计算女性f值值。传递特点：传递特点：男性的男性的x连锁基因连锁基因一定传给女儿一定传给女儿，传递概率为，传递概率为1男性的男性的x连锁基因连锁基因不可能传给儿子不可能传给儿子，传递概率为，传递概率为0factors that disturb hardy-w

24、einberg equilibrium2、x连锁基因的近婚系数：连锁基因的近婚系数：x连锁基因的近婚系数：连锁基因的近婚系数：p1p2b1b2sx1yx2x3c1c2x1x1 = （1/2）3x2x2 = （1/2）5x3x3 = （1/2）5f = （1/2）3+（1/2）5 +（1/2）5 = 3 / 16姨表兄妹姨表兄妹factors that disturb hardy-weinberg equilibriump1p2b1b2sx1yx2x3c1c2x1x1 = 0x2x2 = 12（1/2）4x3x3 = 12 （1/2）4f = （1/2）4+（1/2）4= 1 / 8舅表兄妹舅表

25、兄妹factors that disturb hardy-weinberg equilibriump1p2b1b2sx1yx2x3c1c2x1x1 = 0x2x2 = 0x3x3 = 0f = 0姑表兄妹姑表兄妹factors that disturb hardy-weinberg equilibriump1p2b1b2sx1yx2x3c1c2x1x1 = 0x2x2 = 0x3x3 = 0f = 0堂表兄妹堂表兄妹factors that disturb hardy-weinberg equilibrium小 结 对于常染色体基因来说，三级亲属对于常染色体基因来说，三级亲属f=1/16f=1

26、/16 对于对于x x连锁基因来说：连锁基因来说：姨表兄妹姨表兄妹3/163/16舅表兄妹舅表兄妹2/162/16姑表兄妹和堂兄妹姑表兄妹和堂兄妹0 0 所以对于所以对于x x连锁疾病，姨表兄妹婚配或舅表兄妹婚配比姑连锁疾病，姨表兄妹婚配或舅表兄妹婚配比姑表兄妹或堂表兄妹危害还要大，姨表兄妹近亲婚配危害表兄妹或堂表兄妹危害还要大，姨表兄妹近亲婚配危害最大。最大。factors that disturb hardy-weinberg equilibrium 随着群体迁移，两个群体混合并相互婚配，新的等位基因随着群体迁移，两个群体混合并相互婚配，新的等位基因进入另一群体，将导致进入另一群体，将导致

27、基因频率基因频率的改变，这种等位基因跨越种的改变，这种等位基因跨越种族或地界的渐进混合称为族或地界的渐进混合称为基因流基因流（gene flow）。例如：例如：b b型血型血 等位基因起源于亚洲，逐渐向西流动，因此等位基因起源于亚洲，逐渐向西流动，因此b b型血的等位型血的等位基因在亚洲频率高，跨越欧洲逐步降低。基因在亚洲频率高，跨越欧洲逐步降低。factors that disturb hardy-weinberg equilibrium 四、四、migration (迁移迁移)factors that disturb hardy-weinberg equilibriumfactors th

28、at disturb hardy-weinberg equilibrium 五、五、genetic drift (遗传漂变遗传漂变) in small populations, significant random fluctuations in allele frequencies are possible by chance deviation. the degree of fluctuation increases as the population size decreases, a situation known as genetic drift.在在群体较小群体较小时，时，等位基因

29、频率等位基因频率会发生显著的会发生显著的随机波动随机波动。随着群体规模下降，波动程度也。随着群体规模下降，波动程度也增加的情况称为遗传漂变。增加的情况称为遗传漂变。factors that disturb hardy-weinberg equilibrium第四节第四节 遗传负荷遗传负荷遗传负荷遗传负荷是指在一个群体中，由于致死基因或有害基因的是指在一个群体中，由于致死基因或有害基因的存在而使群体适合度降低的现象。存在而使群体适合度降低的现象。遗传负荷包括遗传负荷包括突变负荷突变负荷和和分离负荷分离负荷。突变负荷突变负荷是指由于基因的致死突变或有害基因突变产生而降低了适合是指由于基因的致死突变

30、或有害基因突变产生而降低了适合度，给群体带来的负荷。度，给群体带来的负荷。分离负荷分离负荷是指由于杂合子（是指由于杂合子（aa）和杂合子（）和杂合子（aa）之间的婚配，后代）之间的婚配，后代中必将分离而产生一部分适合度降低的纯合子（中必将分离而产生一部分适合度降低的纯合子（aa），因而导致群体），因而导致群体的适合度降低。的适合度降低。总 结1 1、从、从基因型频率基因型频率计算计算基因频率基因频率 p = d + h/2 p = d + h/2 q = r + h/2 q = r + h/22 2、在、在遗传平衡遗传平衡的群体中，的群体中，由由基因频率基因频率计算计算基因型频率基因型频率：p

31、2 + 2pq + q2=1p+q=1(1)ad(1)ad遗传病：遗传病： p= p= h h(2)ar(2)ar遗传病：遗传病：携带者频率携带者频率 = 2pq = 2pq 2q ，患病，患病率率 = q= q2 2 (3)x(3)x连锁遗传病：男性患者的频率连锁遗传病：男性患者的频率 = = 致病基因频率致病基因频率3、基因频率的计算：、基因频率的计算： 患者生育率患者生育率f =f = 正常生育率正常生育率 s = 1 f4、选择与突变、选择与突变 选择对选择对ad等位基因的作用等位基因的作用 选择对选择对ar等位基因的作用等位基因的作用u = sq2 = sr 选择对选择对xr等位基因的作用（只考虑男性患者面临选择）等位基因的作用（只考虑男性患者面临选择）u = 1/3 sq 选择对选择对xdxd等位基因的作用等位基因的作用 v = sp = sh v = s（p /3 + 2p /3 ）= sp案案 例例 一一 一对外表正常的新婚夫妇，新郎是上海人，新一对外表正常的新婚夫妇，新郎是上海人，新娘是美国马萨诸塞州人，双方均无遗传病家族史，娘是美国马萨诸塞州人，双方均无遗传病家族史，他们看到邻居家一对非近亲结婚的健康夫妇生了个他们看到邻居家一对非近亲