遗传学第十二章 群体遗传学

第十二章群体遗传学群体遗传学（populationgenetics）研究群体中的基因组组成以及世代间基因组变化的学科

第一节群体的遗传平衡一、种群（群体）与基因库种群（population)：是指可以互相交配潜在的有交配能力的许多个体的集合体，遗传因子（基因）可以以不同的方式从一代传递给下一代，这种可以互相交配的个体所组成的群体称为“孟德尔氏种群”。种群又指孟德尔群体，即在特定地区内一群能相互交配并繁育后代的个体。一个最大的孟德尔群体就是一个物种。

基因库(genepool)：指一个群体所包含的所有基因的总和。群体遗传结构：群体中各种等位基因的频率以及由不同的交配体制所产生的各种基因型在数量上的分布。二、基因频率和基因型频率

基因频率：指在一个群体中，某一等位基因占该位点上等位基因总数的比率。(一个群体中不同基因型所占的比率。全部基因型频率的总和等于1。)等位基因频率（allelefrequency）：一个群体中某一等位基因在该基因座上可能出现的等位基因总数中所占的比率。任一基因座的全部等位基因频率之和等于1。基因型频率：在一个群体内某一基因型的个体在总群体中所占的比率。497只虎蛾基因型分别为：

BB=452，Bb=43和bb=2它们的基因型频率分别是：P=f(BB)=452/497=0.909H=f(Bb)=43/497=0.087Q=f(bb)=2/497=0.004合计：1.000基因频率等位频率（allelicfreguencies）或称为基因频率（genefreguencie)基因频率=（群体中某个基因座位上特定基因的拷贝数)÷(群体中该座位所有等位基因数)p=f(B)=(2×BB＋Bb)/(2×个体总数)

=(2×452+43)/(2×497)

=947/994=0.953q=f(b)=(2×2＋43)/(2×497)

=47/994=0.047复等位基因的基因频率牛奶草甲虫葡萄糖磷酸变位酶（PGM）座位上有3个等位基因，每个等位基因编码了酶的不同分子变异体，在一个群体中基因型的数目收集如下：AA=4，AB=41，BB=84，AC=25，BC=88，CC=32，共计274个甲虫。它们的等位基因频率是：f(A)

=p=(2×4+41+25)/2×274=0.135f(B)=q=(2×84+41+88)/2×274=0.542f(C)

=r=(2×32+88+25)/2×274=0.323由基因型频率来计算基因频率以深红虎蛾为例：p=f(B)

=(BB的频率+1/2Bb的频率)

=0.909+0.087×0.5=0.909+0.0435=0.953q=f（b）=（bb的频率+1/2Bb的频率）

=0.004+0.087×0.5=0.004+0.0435=0.047p=f(X

A）=（2XAXA♀）+(XAXa)+(XAY♂)2×雌体数+雄体数 q=f(X

a）=（2XaXa♀）+(XAXa)+(XaY♂) 2×雌体数+雄体数X-连锁座位上的基因频率第二节改变基因频率的因素

群体在世代过程中等位基因频率的变化，称为微进化（microevolution），即发生在物种内的遗传变化。大进化（macroevolution）指从现有物种中产生新物种的过程，是微进化的扩展、累积的结果。改变群体基因频率的因素突变能产生新的等位基因，但改变基因频率的速率很慢自然选择是进化的潜在动力突变与选择对常染色体上等位基因频率的联合效应遗传漂变对进化平衡的不可预测效应迁移造成群体间的基因流（geneflow）(一)突变（mutation）

假设：A基因频率为p,a为q

A->a的频率为u,a->A的频率为v则：每代有pu的A基因突变为a

有qv的a回复突变为A

当pu＞qv时，A增加而a减少；相反，当pu＜qv时，A减少而a增加。当群体平衡时：pu=qv，或p/q=v/u即平衡时，基因频率的比率取决于突变频率的比率。

设正向突变（A→a）的频率为u，回复突变（a→A）的频率为v。群体中f(A)=p，f(a)=q，假设群体很大，无自然选择存在，那么在每一代中，A等位基因以u频率突变成a增加时，回复突变的等位基因增加。若up

vq时，f（a）增加,即正突变

回复突变，若up

vq时，f（A）增加,即正突变

回复突变。若达到平衡时，

p=vq－up=0

vq=up

vq=u(1-q)

解这个等式，我们可以得到平衡时q值

vq=u－uqvq+uq=uq(v+u)=uq=u/(v+u)(二)自然选择(NaturalSelection)自然界中逐渐淘汰适合度低的个体，选择适合度高的个体作为下一代亲本的过程.（１）适合度与选择系数适合度（fitness），又称适应值（adaptivevalue），用W表示，是指在一定环境下，一个个体能够生存并把他的基因传递给子代的相对能力。将具有最高生殖效能的基因型的适应值定为1，其它基因型在0~1之间。选择系数（selectivecoefficient),用s表示，是指在一定环境下，某基因型在群体中不利于生存的程度；或自然选择作用下降低的适合度，即s=1-W。致死或不育的基因型，s=1，W=0。

相同基因型的个体在不同环境下，其s及W可能不同。自然选择（Naturalselection）

达尔文（CharlesDarwin）华莱士（RusselWallace）

工业黑化现象灰色桦尺蠖（Bistonbetularia）椒花蛾黑化型（carbonaria）

1880年黑蛾的比例已超过了90%。

1959年黑色型为93.3%，

1965年就下降到90.2%。

椒花蛾(4)选择的作用趋同进化：在突变和选择的作用下，对不同物种间具有趋同进化的趋势，这种现象称协同进化。遗传负荷：如果一个群体的突变不断积累，并且这些突变是有害的，就会出现的适合度下降。这种现象被称为遗传负荷。用1－w/W来表示遗传负荷的度量。(三)迁移（migration）

指个体从一个群体迁入另一个群体或个体的迁出。假设：新迁入的个体数为m迁入前的个体数为1-m原群体a基因的频率为q0新迁入群体的a基因频率为qm迁入后a基因频率q1=mqm+（1-m）q0=m(qm-q0)+q0△q=m(qm-q0)+q0-q0=m(qm-q0)说明由于迁移引起的基因频率改变取决于新迁入的个体数以及新迁入的群体与原群体之间基因频率的差异。迁移（migration）的作用（1）它将新的等位基因导入到群体中。（2）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。假设：群体I中A等位基因频率（PI）是0.8，群体II中A的频率（PII）是0.5。每代某些个体从群体I迁移到群体II。迁移后群体II实际含有两组个体：一组是迁移者，其A等位基因频率PI

=0.8。另一组是接纳群体的成员，A等位基因频率PII=0.5。迁移者在群体II中的比例为m，那么迁移后群体II中A基因的频率是：

P

II=mPI+(1-m)PII混合后群体II中A基因频率为：

P

II＝mPI+(1-m)PII

在群体II中基因频率的改变设为

P,等于混合的A频率减去群体II原来的A基因频率：

p=P

II-PII将上式代入

p=mPI+(1-m)PII

－PII展开

p=mPI+PII

－mPII－PII

p=mPI－mPII

p=m（PI－PII)最后结果表明迁移使基因频率发生改变，此依赖于两个因素：混合群体中迁移者的比例（m）和两个群体之间基因频率的差（PI－PII）。迁移造成群体间的基因流（geneflow）◆设有一个大群体A，每代有部分（m）个体从B迁入，某一等位基因在A群体中的频率为qo，B群体中为qm，则混合后的群体基因频率为

(1-m)n=qn-Q/q0-QRh血型的一个等位基因R；非洲黑人q0=0.630美国白人Q0=0.028美国黑人q10=0.446计算200－300年以来，每代由白人导入黑人的群体中的基因占黑人群体的比例。(1-m)10=q10-Q/q0-Q=0.446-0.028/0.630-0.028m=0.036白人每代迁入基因比例0.036(四)遗传漂变（geneticdrift）由于样本的机误（chanceerrors）导致群体基因频率的随机改变称为遗传漂变（geneticdrift）或简称为漂变。指基因频率在小群体中的随机增减现象。此概念是由群体遗传学家S.Wright于1930年提出的，有时人们也把漂变称S.Wright效应（一）基因频率的随机改变偶然的因素只有在很小的群体中使基因频率发生改变。机率使结果和预期比产生偏差的这种现象被称为取样误差（samplingerror）。为了确定遗传漂变的大小，我们必须知道有效种群大小（effectivepopulationsize），等于成体为下代提供的配子的当量数。Ne=(4×Nf×Nm)/(Nf+Nm)等式中Nf是交配的雌体数，Nm是交配的雄体数。70个雌性和2个雄性的群体中，每个雄性要为下一代总的基因数贡献1/2×1/2=0.25。而每个雌性只贡献所有基因的1/2×1/70=0.007。

Ne=(4×70×2)/(70+2)=7.8或近似等于8个交配成体。这意味着70雌和2雄的群体其遗传漂变相当于只有4个交配雄性和4个交配雌性的小群体的遗传漂变。遗传漂变的原因

取样误差

建立者效应（foundereffect）

瓶颈效应（bottleneckdffect）: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。小的交配单位丢失了基因流（geneflow）德国浸礼会的教派叫做Dunkers,在1719年到1729年之间，有50个Dunker家庭从德国迁到美国定居，从此Dunkers保持了一个隔离的小群体，不能和教派之外的人群通婚，而他们本身的人数又是相当少。遗传漂变（geneticdrift）：群体内由于抽样误差造成的等位基因频率的随机波动.

◆奠基者效应（foundereffect）：遗传漂变的一种形式，指由带有亲代群体中部分等位基因的少数个体重新建立新的群体。

◆

瓶颈效应：由于自然环境急剧的改变，使得群体中大部分个体死亡，仅存的少数个体侥幸逃生，繁衍成新的群体。低频率基因由于遗传漂变，成为高频率。东卡罗林群岛Pringelap人群，先天性失明占10％。由于1780年飓风，原人群大量死亡，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。

AAAaaaAAAaaa

0.950.040.010.40.20.4遗传漂变的效应

导致基因频率逐代改变，从而使逐代频率随机波动和漂变。减少群体中的遗传变异。导致等位基因的固定和丢失第三节哈迪-温伯格法则哈迪-温伯格（Hardy-Weinberg）法则(1908年)在理想群体中，基因频率和基因型频率逐代将保持不变。此定律可分为3个部分：第一部分是前提：理想群体：无穷大，随机交配，没有突变、没有迁移和自然选择；第二部分：是结论:基因频率和基因型频率逐代不变；第三部分：是关键随机交配一代以后基因型频率将保持平衡。例如有一个群体其三种基因型频率为fAA=0.2，fAa=0.2,faa=0.6，那么两种配子中的基因频率为：

fA=fAA+1/2fAa=0.2+1/2(0.2)=0.3fa=faa+1/2fAa=0.6+1/2(0.2)=0.7若随机交配，可求出下一代中基因频率为：fAA=0.09;fAa=0.42;fAa=0.49我们再来计算下下一代配子中的基因频率fA=0.09+1/2(0.42)=0.3fa=0.49+1/2(0.42)=0.7

在一个无限大的可随机交配的群体中，如果没有任何形式的突变、自然选择、迁移、遗传漂变的干扰，则群体中各基因型的频率可以一代一代维持不变。证明：假设：AA个体为p2，Aa为2pq，aa为q2。则：产生A或a配子的频率为：A：p2+1/2(2pq)=p2+pq=p(p+q)=pa:q2+1/2(2pq)=q2+pq=q(p+q)=q随机交配：♂

♀pAqapAp2AApqAaqapqAaq2aa子代：AAp2,Aa2pq,aaq2,与亲代完全一样。例：AA~0.6,Aa~0.4,aa~0的不平衡群体产生配子的频率：A：p=0.6+½x0.4=0.8a：q=1/2x0.4=0.2随机交配一代：♂

♀0.8A0.2a0.8A0.64AA0.16Aa0.2a0.16Aa0.04aa三种基因型个体为：AA~0.64,Aa~0.362,aa~0.04产生配子的频率：

p=0.64+½x0.32=0.8,q=0.04+½x0.32=0.2随机交配后三种基因型的个体为：

AA~0.64,Aa~0.362,aa~0.04与上代相同，群体达到平衡。基因型

AAAaaa基因Aa个体(基因）数30601012080

频率D=0.3H=0.6R=0.1(D+H+R=1)p=0.6q=0.4(p+q=1)例：有一群体：AA30个，Aa60个，aa10个例题：某一1000人群中MN血型的分布是

MMNN250500250M的频率：(250X2+500)/1000x2=0.5N的频率：(250X2+500)/1000x2=0.5哈迪-温伯格定律的扩展假如存在3个等位基因A，B和C的话，它们的频率分别为p、q、r，在平衡时基因型的频率也等于等位基因频率的平方：（p+q+r）2=p2+q2+r2+2qp+2pr+2qr=p2(AA)+q2(BB)+r2(CC)+2pq(AB)+2pr(AC)+2qr(BC)例：长岛海峡兰色的贻贝群体中有一基因座位编码亮氨酸肽酶，这个座位有3个等位基因：等位基因频率LAP98

p=0.52LAP96

q=0.31LAP94

r=0.17若这个群体达到哈迪-温伯格平衡，预期它们的基因型频率将是：基因型预期频率LAP98/LAP98

p2=(0.52)2=0.27LAP98/LAP96

2pq=2(0.52)(0.31)=0.32LAP96/LAP96

q2=（0.31）2=0.10LAP96/LAP94

2qr=2(0.31)(0.17)=0.10LAP94/LAP98

2qr=2(0.52)(0.17)=0.18LAP94/LAP94

r2=(0.17)2=0.03平衡群体

在生物个体随机交配，且没有突变、选择的情况下，群体的基因型频率世代保持不变这样的一个群体称为平衡群体。随机交配一代，基因型频率发生改变的群体不是平衡群体。一个非平衡群体，随机交配一代以后，成为平衡群体。平衡群体鉴定

AAAaaa是否平衡1.0.5/0.5-2.0.40.20.4-3.0.250.50.25+哈迪-温伯格比例的测定为了决定一个群体的基因型是否符合哈迪-温伯格比，我们首先从基因型频率中计算p和q。一旦我们求得了这些基因频率就能计算基因型频率（p2,2pq和q2），并将这些频率和实际获得和基因型的频率相比较，用卡方来测定。例以红-黑田鼠（Clethrionomysgapperi）的血红蛋白基因为例。人们在这个基因座位发现了3种基因型：MM、MJ和JJ。1976年在加拿大西北部发现了一个田鼠群体，群体中有12只MM型，53只MJ型，和12只JJ型。为了确定它们的基因型是否符合哈迪-温伯格比，我们先用我们熟悉的公式来计算它们的基因频率。例用从基因型中计算出的p和q能重新计算基因型的哈迪-温伯格比：f(MM)=p2=(0.50)2=0.25;f(MJ)

=2pq=2(0.50)(0.50)=0.50；f(JJ)=q2=(0.50)2=0.25黑田鼠的血红蛋白基因型比的卡方测定第四节在自然群体中的遗传变异突变和基因重组产生进化的原材料突变基因重组新的等位基因多种多样的基因型种群中出现大量可遗传的变异变异是不定向的形成了进化的原材料,不能决定生物进化的方向隔离与物种的形成因为马与驴交配产生的后代骡没有生殖能力马和驴是不是一个物种？什么是物种？什么叫隔离？东北虎华南虎隔离分类？什么叫隔离？

两个不同虎亚种

（马和驴杂交产骡）生殖隔离注：不同种群之间一旦产生殖隔离，就不会有基因交流了。地理隔离地理隔离突变、基因重组、自然选择生殖隔离新物种物种的形成：加拉帕戈斯群岛一的几种地雀南美洲地雀因地理隔离导致生殖隔离比较常见新物种形成的标志：生殖隔离某海岛上的昆虫出现残翅和无翅类型物种的形成原始祖先新物种新物种（不定向变异）（定向自然选择）（地理隔离、生殖隔离）因地理隔离导致生殖隔离比较常见亚洲虎南美洲地雀地理隔离突变、重组、自然选择生殖隔离新物种一．遗传变异的模型1.经典模型（classicalmodel）。是由实验遗传学家提出的，他们认为大部分自然群体具有较小的遗传变异。根据这个模型表明，在每个群体中一个等位基因的功能是最好的，这个等位基因对自然选择能很好地适应。自然选择的结果使这个群体中的每一个体几乎都是“最好”的等位基因。2.平衡模型：没有单个的等位基因是最好的或分布广泛的。一个群体的基因库在每个座位含有很多的等位基因。因此群体中的个体在许多座位上都是杂合的。进化是通过逐步地改变等位基因的频率和种类而发生的。在一个群体中通过自然选择积极地维持了遗传变异。如镰刀形贫血（HbAHbs）杂合子的红细胞比镰形贫血患者（HbSHbS纯合体）及正常人（HbAHbA）的红细胞对疟原虫具有更高的抵抗力，3种基因型的适应性分别为HbAHbA：0.81，HbAHbS：1.00,HbSHbS：0.20。许多物种用电泳方法所获得的多态座位比例和杂合性的值。研究的结果很清楚表明大部分物种其蛋白质具有大量的遗传变异，而经典模型明显是错误的。但这并不能证明平衡模型是正确的。平衡模型预言在自然群体中很多的遗传变异，但平衡模型也提出大量的遗传变异是通过平衡选择来维持，而电泳研究的结果并不能证实这一论点。现在争论的焦点转移到获得的变异是靠什么维持的。3.中性突变学说（neuture-mutation）,它是由木村资生（1968年）提出的他承认在蛋白质中广泛地存在着遗传变异，但这些变异对于自然选择是中性的。中性突变学说提出在某些位点上的变异也影响适应性，自然选择将排除这些座位上的变异。第五节分子进化

一．DNA顺序的变异通常将进化速率定义为每年每个核苷酸位点被另外核苷所取代的比例。①序列相似性比较：将待研究序列与DNA或蛋白质序列库进行比较，用于确定该序列的生物学属性。常用的程序包括BLAST，FASTA等；②序列同源性分析：将待研究序列加入到一组与之同源，但来自不同物种的序列中同时进行多序列比对，以确定该序列与其它序列的同源性大小。完成这项工作必须使用多序列比较算法。常用的程序有CLUSTAL。③构建系统进化树：根据序列同源性分析结果可构建系统进化树。完成此项工作需多种软件包，如PYLIP，MEGA等。④稳定性检验：检测构建好的进化树的可信度。需进行统计可靠性检验。以大概率（70%以上）出现的分支点才是可靠的。通用的方法是Bootstrap算法。细胞色素C的进化

二.多基因家族（multigenefamily)的进化三．线粒体DNA的进化动物mtDNA中的核苷酸顺序的进化速率要比核基因的编码顺序快得多(快5~10倍)。

(1)可能和mtDNA顺序的高突变率有关。

(2)因为其缺乏修复机制

(3)mtDNA的DNA聚合酶存在较多倾向误差。

(4)可能是选择压力在核基因中淘汰了很多突变，而在线粒体中这种压力松驰了

(5)再者由mtDNA编码的蛋白质,tRNAs和rRNAs的改变对个体适应性的损伤更少一些。基因组进化基因组的起源

RNA起源学说原始RNA的三种作用:剪切，复制和编码，合成。新基因的形成突变，转座，重组，扩增。

编码序列的改变人类中仅仅有1.5