Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

Populasjonsgenetikk er studiet av genfrekvenser og deres variasjon i tid og rom (som er det samme som evolusjon). Populasjonsgenetikk omfatter en kvalitativ.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Populasjonsgenetikk er studiet av genfrekvenser og deres variasjon i tid og rom (som er det samme som evolusjon). Populasjonsgenetikk omfatter en kvalitativ."— Utskrift av presentasjonen:

1 Populasjonsgenetikk er studiet av genfrekvenser og deres variasjon i tid og rom (som er det samme som evolusjon). Populasjonsgenetikk omfatter en kvalitativ retning (som behandler gener på enkelt-loci) og en kvantitativ (som tar for seg egenskaper som påvirkes av gener på mange loci (f.eks. i avlsgenetikk). Det mest sentrale teoremet er Hardy-Weinberg’s lov, som på et vis er ”populasjonsutgaven” av de Mendelske arvelovene. Materialet er genetiske polymorfismer, og metodene er preget av matematiske modeller og statistisk verktøy. Utgangsspørsmålet er: Hvordan påvirkes populasjonenes genfrekvenser av de 4 evolusjonære hovedkreftene [mutasjon, immigrasjon, genstrøm og seleksjon]. BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

2 Typer av genetiske polymorfismer Variasjon innen og mellom populasjoner Variasjon i kvalitative og kvantitative egenskaper Variasjon som skyldes kjønnet formering Hvordan oppstår nye egenskaper Adaptive landskap Interaksjon mellom de evolusjonære kreftene Artsdannelse BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

3 Populasjonene er de viktige evolusjonære enhetene. Evolusjonens ”råstoff” er mutasjoner, som akkumuleres over tid i arter og populasjoner, og som medfører flere allel på et locus. Evolusjon kan defineres som ”enhver forandring i allelfrekvens”. Frekvensen av de forskjellige allel på et locus kan påvirkes av de evolusjonære kreftene, som er: Mutasjoner Tilfeldig genetisk drift Tilfeldig genetisk drift Genstrøm (genflyt) Genstrøm (genflyt) Seleksjon Seleksjon Hvis disse kreftene blir satt ut av spill har vi det som kalles en ”Hardy-Weinberg populasjon”; en panmiktisk (tilfeldig parring), statistisk ideell populasjon der allelfrekvensene og dermed genotypefrekvensene er konstante over generasjoner. Populasjonsgenetikkens tilnærmingsmåte er å gå ut fra en H-W situasjon, og så studere hvordan de fire evolusjonære kreftene hver for seg og sammen påvirker allel- og genotypefrekvensene innen og mellom populasjoner. BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

4 BI 3010H05 Forutsetninger for Hardy-Weinbergs lov om genotypefordeling: Panmixi (tilfeldig parring) Ingen mutasjoner Ingen tilfeldig genetisk drift (dvs uendelig stor populasjon) Ingen genstrøm mellom populasjoner (dvs ingen immigrasjon) Ingen seleksjon Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

5 BI 3010H05 Hardy-Weinbergs lov: ”I en panmiktisk, statistisk ideell populasjon vil genotypefrekvensene på et locus være bestemt av allelfrekvensene på samme locus ifølge binominal- formelen (multinominal hvis mer enn to allel): (p+q) 2 = p 2 + 2pq + q 2 Allelfrekvensen vil være konstant over generasjoner, og vil gjenopprette den samme genotypefordelingen i hver ny generasjon. Allel- og genotypefrekvenser kan således tjene som populasjonskarakteristika. Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

6 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

7 BI 3010H05 Kji-kvadrat test av Hardy-Weinberg fordeling Gitt at vi ved elektroforese har studert et locus med to allel hos en art. Vi har kalt allelene F og S, og har 3 mulige genotyper (FF, SF og SS). I en stikkprøve på 50 individ fra en naturlig populasjon observerte vi 10 stk med genotype FF, 28 med genotype SF, og 12 med genotype SS. Vi ønsker å teste om denne genotypefordelingen er rimelig lik forventningsverdiene ifølge Hardy-Weinbergs lov ut fra de allelfrekvenser som kan kalkuleres fra dem. Til dette bruker vi en såkalt kji-kvadrat Hardy-Weinberg Goodness-of-fit test. Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

8 BI 3010H05 Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3 Kji-kvadrat test av genetiske forskjeller mellom stikkprøver For å teste eventuelle forskjeller mellom stikkprøver bruker vi en RxC (rows by columns) kji-kvadrat test. Vi tester gjerne både genotypefordeling og allelfordeling. Den sistnevnte er statistisk sett den sterkeste. Betrakt to stikkprøver på N=100 hver, og et locus med to allel (A og B): Genotyper_______ Stikkprøve AA AB BBN Prøve 1 36(26) 48(48) 16(26) 100 Prøve 2 16(26) 48(48) 36(26) Total ===================================================== Nullhypotesen som skal testes er at stikkprøvene er tatt fra samme populasjon. I så fall vil vårt beste estimat av den sanne genotypefordeling være den som observeres i totalmaterialet. Derfor benytter vi genotypefordelingen i totalmaterialet til å beregne hva som ”skulle ha vært” i de to enkeltprøvene (vi ”glemmer” Hardy-Weinberg fordeling i denne sammenheng). Forventet antall AA i Prøve 1 blir f.eks. ((52/200)*100)=26. Som ved alle kji-kvadrat tester finner vi testobservator slik: Kvadrer forskjellen mellom observert og forventet verdi, og divider kvadratet med observert verdi. Resultatene fra allel tallparene summeres. Antall frihetsgrader ved en slik ”kontingenstabell test” er (R-1)x(C-1). For ovenstående genotypefor-deling får vi verdien kji-kvadrat=15.38, DF=2. Fra en kji-kvadrat tebell finner vi da at P= Hvis vi skal teste forskjellen i allelfordeling mellom disse to stikkprøvene, ser tabellen slik ut: Allel _ Stikkprøve A B N Prøve 1 120(100) 80(100) 200 Prøve 2 80(100) 120(100) Total ===================================================== Samlet kji-kvadrat verdi for denne fordelingen er lik Her er det imidlertid bare én frihetgrad, så P-verdien (P= ) blir lavere enn ved genotype-testen ovenfor. Imidlerid; i begge tilfeller kan vi trygt forkaste nulllhypotesen, siden P<<0.05.

9 Genetisk differensiering og genetisk struktur Sewall Wright’s Fst (relativt mål for differensiering): Evolusjon kan defineres som enhver forandring i genfrekvens. De evolusjonære kreftene (mutasjon, genetisk drift, genstrøm og seleksjon) vil over tid føre til forskjellige genfrekvenser i forskjellige populasjoner. Det finns flere modeller for å beskrive denne genetiske differensieringen. En av de mest kjente og mest anvendte er Sewall Wright’s “Mainland-Island Model”. Den tar utgangspunkt i en situasjon der en start-populasjon (Mainland) splittes i en rekke subpopulasjoner (Islands), og beskriver den genetiske differensieringen mellom disse over generasjoner i formler som tar hensyn til f.eks. populasjonsstørrelse, migrasjonsrater og antall generasjoner. Wright benytter et spesielt mål - F st - for graden av differensiering. Beregning av Fst er basert på størrelsen Heterozygositet (H) som kan beregnes for grupperinger på forskjellige nivå (sub- og totalpopulasjon). Den observerte heterozygositet er rett og slett proporsjonen av heterozygoter i en stikkprøve. Den beregnede (forventede) heterozygositet (H) på et locus er derimot definert ved allelfrekvensene: H = 1-  xi 2 der x i er frekvensen av det i-te allel. Gjennomsnittlig forventet H skrives med en ‘bar’ over H og er det aritmetiske gjennomsnitt av H på de undersøkte loci (som regel både monomorfe og polymorfe loci). F st = 1 - H mean / H total der H mean er det aritmetiske gjennomsnitt av enkeltheterozygositetene i alle subpopulasjonene, mens H total er den forventede heterozygositet basert på den felles allelfrekvens i summen av alle subpopulasjonene. Det vil gå frem av formelen at F st er lik 0 når subpopulasjonene er helt like, og 1 når de er fiksert for forskjellige allel. Wright’s F st måles for enkeltloci. Masatoshi Nei har angitt et mål som nyttiggjør seg informasjon fra mange loci samtidig. Målet er analogt til Wright’s F st, men beregnes ved hjelp av allelfrekvenser heller enn genotypefrekvenser (idet det antas Hardy-Weinberg likevekt på alle loci i alle subpopulasjoner) og kalles G st. Nei’s I og D (absolutte mål for differensiering): Masatoshi Nei har også anvist et annet mål, D, (“Genetic Distance”) som gir et estimat av de absolutte genetiske forskjeller mellom populasjoner (“.. det gjennomsnittlige antall aminosyresubstitusjoner pr locus”). Dette målet benytter allelfrekvenser på mange loci, og beregnes for hvert locus via størrelsen I (“Genetic Identity”) som har følgende formel: I =  x i y i / SQR[ (  x i 2 )(  y i 2 )], og videre defineres D = - ln(I) der x i og y i er frekvens av det i-te allel i populasjon X og Y, respektive (SQR betyr kvadratrot). Man beregner så det aritmetiske gjennomsnitt av D for det aktuelle antall loci. 11

10 BI 3010H05 Effekt av avvik fra forutsetningen om panmixi (tilfeldig parring) Avvik fra tilfeldig parring forekommer i naturlige populasjoner. Den vanlige effekt av ikke-tilfeldig parring er økt homozygositet (= redusert heterozyogositet) i populasjonen i forhold til den forventede under Hardy-Weinberg likevekt. Pr definisjon er dette innavl. Sannsynligheten for homozygositet ved nedarving kalles Innavlskoeffisienten (jfr path-analyse i Fig og Box 24-5). Prinsippielt to typer situasjoner; a) - beslektede individer foretrekker hverandre eller unngår hverandre. Hvis to foreldre er mer i slekt enn gjennomsnittet av populasjonen skjer en innavl. Hvis de er mindre i slekt enn gjennomsnittet skjer en utavl. b) - "like" individer for en spesifikk egenskap (som har en genetisk komponent) foretrekker hverandre eller unngår hverandre. Eksempler på første type hos menneske: Hudfarge, kroppshøyde. Dette kalles positiv assortativ parring, og vil øke innavl for den spesifikke egenskapen. Den motsatte tendens, negativ assortativ parring, vil øke utavl for egenskapen. Effekter av avvik fra Hardy-Weinberg forutsetninger Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

11 Populasjonsgenetikk BI Effekt av avvik fra forutsetning om uendelig populasjonsstørrelse (genetisk drift) Det kan være nyttig å tenke seg kjønnet formering i Hardy-Weinberg betydning som en prosess der spermier og egg fra alle potensielle foreldre er fargede kuler som trekkes to og to fra en hatt, og at hvert uttrekt kulepar gir genotypen på ett spesifikt locus for ett spesifikt individ. Hvis alle foreldre har likt antall gameter vil frekvensen av hvert gen i den nye generasjon da tendere til å være den samme som i forrige. Imidlertid; de individ som blir foreldre til en generasjon utgjør et utvalg av den forrige. Når man gjør et utvalg av en gene pool induserer man straks en unøyaktighet, en usikkerhet i utvalgets representativitet for populasjonen. Gjentatte utvalg vil gi noe forskjellige resultat hver gang selv om gjennomsnittet av alle utfall forventes å være likt foreldregenerasjonens verdi. Matematisk beskrives denne prosessen som binominal sampling (hvis to allel), og spredningen rundt gjennomsnittsverdien som binominalvariansen. Standardfeilen (SE) for en allelfrekvens p i filialgenerasjonen kan således angis med: som viser at både allelfrekvens og populasjonsstørrelse har effekt på stabiliteten (el variasjonen) av allelfrekvenser. Formelen forteller at allelfrekvenser (spesielt de rundt 0.5) i små populasjoner vil tendere til å fluktuere mye mellom generasjonene. Dette fenomenet kalles tilfeldig genetisk drift.

12 Drosophila genetisk drift: Ne = 16 (8 hanner & 8 hunner)Balansert seleksjon (human sigdcelle-celle anemi) Evolusjonære krefter: Eksempler

13 Populasjonsgenetikk BI Effekt av avvik fra forutsetningen om ingen mutasjon Punktmutasjoner (baseparforandringer som medfører aminosyresubstitusjoner) er den egentlige kilde til variasjon på gennivå og er således evolusjonens råstoff. De forekommer med en viss hyppighet som ser ut til å variere mellom loci. Det er imidlertid vanskelig å avgjøre hvor stor (eller liten) forskjellen i mutasjonshyppighet mellom loci egentlig er. F.eks. vil mutasjoner på spesielt viktige proteiner (eller spesielt viktige deler av proteiner) sjeldnere "overleve" til de kan detekteres i en funksjonell fenotype. Det kan føre til en underestimering av den egentlige mutasjonsfrekvens på det aktuelle locus. Imidlertid; mutasjonshyppigheter er generelt så lave at de sjelden eller aldri medfører problem for den praktiske anvendelse av Hardy-Weinbergs prinsipp som går på å bruke allelfrekvenser for å karakterisere populasjoner. Med hensyn til tap av genetisk variasjon pga genetisk drift i isolerte populasjoner må, som en tommelfingerregel, mutasjons-frekvensen og populasjons-størrelsen N tilfredstille følgende uttrykk for at mutasjoner skal opprettholde nivået av genetisk variasjon: N  1 Hvis mutasjonsraten er må populasjonsstørrelsen altså være minst en million for at ikke tapet pga genetisk drift (målt som heterozygositet) skal være større enn nydannelsen ved mutasjon.

14 BI 3010H05 Effekt av avvik fra forutsetning om ingen immigrasjo n Immigranter fra populasjoner med andre genfrekvenser vil selvfølgelig bringe forstyrrelser i det Hardy-Weinbergske skjema når det gjelder genfrekvensenes konstans. Den lokale populasjons genfrekvenser vil forandre seg i retning av immigrantenes, i en grad som er proporsjonal med immigrantenes relative antall. Effekten akkumuleres over generasjoner. La den lokale allelfrekvens være p og immigrantenes q. Hvis immigrantene utgjør en proporsjon m av den lokale gytepopulasjon vil forandringen i den lokale allelfrekvens beskrives av p = m ( q-p ) som viser at størrelsen av forandringen avhenger både av immigrantens relative representasjon og av den aktuelle forskjell i allelfrekvenser mellom immigrant og lokal populasjon. Dersom man teller genotyper i en stikkprøve som inneholder en "fysisk" blanding individ fra to eller flere populasjoner som hver for seg er i Hardy-Weinberg likevekt men som har forskjellig genfrekvens for egenskapen, vil observert genotypefordeling avvike fra den som kalkuleres basert på den felles allelfrekvensen. Avviket vil alltid være i form av et underskudd av heterozygoter i forhold til forventningsverdien. Dette fenomenet kalles " Wahlund effekt ", og er et verktøy for å avsløre slike populasjonsblandinger. Wahlund effektens størrelse er positivt korrelert med den aktuelle forskjell i allelfrekvens mellom de involverte populasjoner. Med hensyn til genetisk differensiering mellom populasjoner vil immigrasjon motvirke effekten av genetisk drift. Som en tommelfinger-regel kan man si at for at immigrasjon skal hindre lokal genetisk differensiering av allelfrekvenser må, i hver generasjon: m   1/N som, rearrangert som m N  1, viser at det er det absolutte antall immigranter (N m ) som teller i den sammenheng (fordi det er differensiering pga genetisk drift som skal motvirkes, og den er størst når N er liten og vice versa). Imidlertid; selv om en immigrasjon på ett individ pr generasjon vil forhindre fiksering (dvs allelfrekvens lik 1) av forskjellige allel i forskjellige populasjoner, vil den være for liten til å hindre at betydelige forskjeller i allelfrekvenser kan oppstå og vedvare mellom populasjonene. Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

15 BI 3010H05 Effekt av avvik fra forutsetning om ingen seleksjon Seleksjon kan forandre genfrekvenser innen generasjon, og således gi genotypefordelinger som avviker betydelig fra Hardy-Weinberg likevekt. For å kunne håndtere seleksjon skal vi her definere og vise beregningen av to størrelser, fitness-koeffisient og seleksjonskoeffisient, gjennom et praktisk eksempel med telling av genotyper på et locus før og etter seleksjon. (Disse koeffisientene blir kun partielle, siden høy overlevelse ikke nødvendigvis gir stort antall fertile avkom til neste generasjon). Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

16 Populasjonsgenetikk BI Effektiviteten til seleksjonen, målt som forandring i genfrekvens pr generasjon, avhenger ikke bare av størrelsen på seleksjonskoeffisienten, men også av genfrekvensen selv (forandringen pr generasjon er størst for genfrekvenser rundt 0.5). Dette kan sees fra formelen for den gjennomsnittlige fitness for populasjonen for den aktuelle egenskapen, der genfrekvensene inngår som følger: W mean = p 2 W FF + 2pq W FS + q2 W SS Fra denne formelen kan vi komme fram til formelen for gjennomsnittlig (”mean”) fitness for hvert allel: W F-mean = p W FF + q W FS, og W S-mean = p W FS + q W SS Etter litt algebra kan ovenstående formler kombineres til å gi p; forandringen i genfrekvens pr generasjon pga seleksjon: p = pq [W F-mean – W S-mean ] / W mean som sier at hastigheten i forandring av genfrekvens er proporsjonal med frekvensen ( pq ) av heterozygoter, som igjen er størst ved genfrekvenser rundt 0.5. Ved ekstreme genfrekvenser (ned mot 0 og opp mot 1) vil forandringen pr generasjon være liten. Seleksjon

17 Populasjonsgenetikk BI Hovedtypene av seleksjon Man deler ofte seleksjon inn i tre typer basert på den effekt den har på genotypefordeling og allelfrekvenser på et locus (eller på middelverdi og fordeling for en kvantitative egenskap); 1. retningsbestemt seleksjon 2. stabiliserende seleksjon 3. disruptiv (splittende) seleksjon.

18 BI 3010H05 Type 1: Retningsbestemt seleksjon Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

19 BI 3010H05 Type 2: Stabiliserende seleksjon (balansert polymorfisme, overdominans) Populasjonsgenetikk Halliburton Kap 1-3

20 Populasjonsgenetikk BI Type 3: Splittende seleksjon (underdominans)

21 Populasjonsgenetikk BI Seleksjon Utregning av Fitness- og Seleksjonskoeffisienter for overlevelse (dvs partielle koeff.) Tabellen viser et tilfelle av seleksjon av typen balansert polymorfisme (stabiliserende seleksjon, overdominans) dvs heterozygoten har høyest fitness.

22 Balansert polymorfisme: Human sigdcelle-anemi og malaria


Laste ned ppt "Populasjonsgenetikk er studiet av genfrekvenser og deres variasjon i tid og rom (som er det samme som evolusjon). Populasjonsgenetikk omfatter en kvalitativ."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google