Populačná genetika človeka



študuje genetickú konštitúciu (genofond) ľudských populácií a faktory, ktoré

tento genofond determinujú, resp. počas generácií menia



populácia – súbor jedincov žijúcich v reprodukčnom kolektíve, t. j. v

spoločenstve, kt. členovia sú potenciálne schopní sa navzájom krížiť



genofond (génová výbava) – súhrn všetkých génov jednotlivých členov určitej

populácie



genofond populácie sa môže v priebehu generácií meniť



faktory schopné vyvolať také zmeny sa rozdeľujú na 2 skupiny:

1.

faktory s deterministickým charakterom (uplatňujú sa vo veľkých

populáciách)

•

mutácie

•

selekcia

•

migrácia

2.

náhodné faktory (uplatňujú sa v malých populáciách)

•

génový posun (genetický drift)



aj usporiadanie génov do genotypov sa môže v priebehu generácií meniť a je

podmienené systémom kríženia

•

panmixia

•

inbríding

•

homogamia

Panmixia a Hardyho-Weinbergerov zákon



panmixia znamená náhodné kríženie (uzatváranie manželstiev) bez

ohľadu na genotyp na sledovanom lokuse/lokusoch



teda vždy sa vzťahuje na určitý lokus/lokusy



ďalšie predpoklady:

•

generácie sa navzájom neprekrývajú

•

populácia je dostatočne veľká (neuplatňujú sa náhodné zmeny génových fr.)

•

neuplatňujú sa v nej činitele schopné meniť génové frekvencie (selekcia,

mutácie, migrácia)



v takej populácii ak uvažujeme jeden autozómový lokus s alelami A a a

s frekvenciou p a q platí Hardyho-Weinbergerov zákon:

•

pri ľubovoľných východiskových frekvenciách genotypov AA, Aa a

aa nadobudne populácia po jedinej generácii panmixie rovnovážny

stav s genotypovými frekvenciami p2 AA : 2pq Aa : q2 aa, a tieto

génové a genotypové frekvencie v nasledujúcich generáciách

zostanú nezmenené, pokiaľ budú splnené uvedené predpoklady.

•

teda v takej populácii genotypové frekvencie sú binomickou funkciou

génových frekvencií, ich početnosť možno vyjadriť jediným

parametrom – alelovou frekvenciou p (lebo platí p + q = 1)

•

v takej populácii sa genetická variabilita konzervuje

Frekvencia potomkov

Typ kríženia

Frekv. kríženia

AA

Aa

aa

AA x AA

p4

p4

-

-

AA x Aa

4p3q

2p3q

2p3q

-

Aa x Aa

4p2q2

p2q2

2p2q2

p2q2

AA x aa

2p2q2

-

2p2q2

-

Aa x aa

4pq3

-

2pq3

2pq3

aa x aa

q4

-

-

q4

Celkom

p2 (p2 + 2pq + q2)

2pq (p2 + 2pq + q2)

q2 (p2 + 2pq + q2)

Relatívna frekvencia

p2

2pq

q2

1. generácia

2. generácia

H-W zákon a viac párov alel: väzbová nerovnováha



H-W zákon platí aj pre dva a viac párov alel, ktoré nie sú vo väzbe



v prípade väzby sa rovnovážny stav dosiahne postupne, nie po

jedinej generácii

 približovanie sa k rovnovážnemu stavu významne spomalí, keď je

medzi lokusmi väzba

 je tým pomalšie, čím je väzba užšia, pri úplnej väzbe sa

nedosiahne vôbec

 nastáva tzv. väzbová nerovnováha (disekvilibrium) - VN
 alely vo VN sa nazývajú haplotyp (a správajú sa formálne ako jedna

alela)

 VN sa významne využíva



pri mapovaní génov pomocou DNA polymorfizmov (autozygotné

mapovanie, asociačné štúdie, zúženie kandidátnej oblasti )



pri DNA diagnostike nepriamou metódou



pri odhade veku mutácie u dedičných ochorení (resp. či sa jedná

o opakované mutačné udalosti)



pri X-viazaných génoch rovnováha sa dosiahne tiež postupne (aj na

jednom lokuse)

Inbríding

 inbríding znamená uzatváranie manželstiev medzi geneticky príbuznými

partnermi (príbuzenské kríženie)

 systematický inbríding – kríženie medzi príbuznými s definovaným

typom vzájomnej príbuznosti

 nesystematický inbríding – v malých uzavretých populáciách

(izolátoch) sa časom všetci jej členovia stávajú navzájom príbuznými

 koeficient inbrídingu populáci, F – je to priemer koeficientov inbrídingu

všetkých jej jej členov

 v populáciach sa podstatne ťažšie stanovuje ako v rodokmeňoch



rodokmeňová metóda – zostavenie rodokmeňa každého člena



hodnotenie dišpenzov – t.j. cirkevných povolení na uzatvorenie
konsangvinného sobáša



metóda izonýmie, I (rovnakého priezviska) – medzi koeficientom
inbrídingu (F) a koeficientom izonýmie (I) je konštantný vzťah:

F = I / 4

Dôsledky inbrídingu v populácii



populácia s inbrídingom sa skladá z 2 častí (uvažujeme alelový pár
A/a s frekvenciami p/q):

1. časť má na sledovanom lokuse alely IBD (všetcia sú homozygoti s

genotypovými frekvenciami AA = p a aa =q) = ich podiel je F

2. časť na sledovanom lokuse je panmiktická (génové a genotypové

frkv. sú dané H-W zákonom) = ich podiel je 1 – F



Bernsteinov-Wrightov zákon – ukazuje rozloženie genotypov v
populácii s inbrídingom (posledný stĺpec)

genotyp

časť populácie

spolu

F

1 - F

AA

pF

p2(1 – F)

p2 + pqF

Aa

-

2pq(1 – F)

2pq – 2pqF

aa

qF

q2(1 – F)

q2 + pqF

spolu

F

1 - F

1

Dôsledky inbrídingu v populácii – pokr.

 génové frekvencie zostávajú nezmenené
 zmení sa usporiadanie génov do genotypov

 zníži sa frekvencia heterozygotov
 zvýši sa frekvencia obidvoch typov homozygotov



z hľadiska rodiny je to nevýhodné (zvyšuje sa
pravdepodobnosť recesívne dedičného ochorenia)



z hľadiska populácie je to výhodné (účinnejšia
selekcia voči recesívnym ochoreniam)

Homogamia

 homogamia („výberové kríženie“) je uzatváranie manželstiev

podľa fenotypovej podobnosti (pozitívna homogamia) alebo
naopak, fenotypovej nepodobnosti (negatívna homogamia)

 efekt pozitívnej homogámie je podobný efektu inbrídingu (nemení

génové frekvencie a zvyšuje relatívnu početnosť homozygotov)

 fenotypovo podobní jedinci majú väčšiu pravdepodobnosť, že

majú aj podobný genotyp



nie je to však také rýchle a intenzívne ako pri inbrídingu

 týka sa to len lokusov determinujúcich fenotyp podliehajúci poz.

homogamii (inbríding postihuje všetky lokusy)

 u človeka sa uplatňuje



hlavne pri kvantitatívnych znakoch: výška, IQ a pod.



a niektorých dedičných ochoreniach: porucha sluchu, zraku a
pod.

 negatívna homogamia naopak znižuje početnosť homozygotov a

zvyšuje početnosť heterozygotov

Mutácie



predstavujú prvý zdroj genetickej variability (keby neexistovali

nemohli by vznikať nové alely, neexistovala by ani evolúcia)



z hladiska selekčného významu sa delia:

1.

selekčne nevýhodné

2.

selekčne výhodné

3.

selekčne neutrálne (mutácie v nekódujúcich oblastiach)



na každom lokuse nastávajú mutácie s určitou charakteristickou

frekvenciou > mutačný tlak



zmena frekvencie alely (p) v nasledujúcej generácii v dôsledku

mutačného tlaku je daná vzťahom

p’ = p - µp



kde µ = mutačná frekvencia



v prírodzených podmienkach sú veľmi zriedkavé (rádovo 10-6),

preto nevyvolávajú podstatné zmeny génových frekvencií v

priebehu niekoľkých generácií (v evolučných dimenziách ale

môžu byť významným činiteľom takých zmien)

Selekcia



selekciou sa rozumie stav, keď jedinci s rozličnými genotypmi majú v
priemere nerovnaký počet potomkov



ukazovatele selekcie:



reprodukčná zdatnosť (fitness), f = relatívny príspevok jedincov s
určitým genotypom na utvorení nasledujúcej generácie



koeficient selekcie, s = podiel, o ktorý je znížený príspevok
jedincov s určitým genotypom na utvorení ďalšej generácie



je logické, že platí: f = 1 – s, alebo f + s = 1



pri úplnej selekcii (letálne ochorenia): f = 0 a s = 1



pri selekčne indiferentnom znaku naopak: f = 1 a s = 0



f a s nie sú konštantným atribútom genotypu, môžu sa meniť v
závislosti od prostredia

Selekcia proti dominantnému fenotypu


pri s = 1 po jedinej generácii nebude žiadny jedinec s domin. génom



pri s < 1 početnosť dom. alely sa rýchlo znižuje – všetci postihnutí sú
heterozygoti (limitná forma H-W zákona)

Selekcia – pokr.

Selekcia proti recesívnemu fenotypu


má oveľa pomalší účinok (selekcii sú vystavené iba recesívne alely,

ktoré sa nachádzajú u homozygotov)



čím je recesívne dedičné ochorenie v populácii zriedkavejšie, tým menej

je účinná selekcia (tým väčšia časť alel sa nachádza u heterozygotov)



napr. pri početnosti alely 0,1% je v populácii na jedného homozygota až

2000 heterozygotných nosičov



pri úplnej selekcii platí vzťah : q’ = q / (1 + q), ak q > 0, tak q’ = q



účinok selekcie zvyšuje inbríding (q2 + pqF)

Slekecia uprednostňujúca heterozygotov


v takej populácii platí: f

DD = 1 – s1 , fDd = 1, fdd = 1 – s2



rovnovážna frekvencia alel je daná vzťahom: q’ = s

1 / (s1 + s2)



najlepšie preštudovaný príklad takej slekcie je kosáčiková anémia a

malária



homozygoti HbS – kosáčiková anémia (f < 1)



homozygoti pre normálnu alelu – malária (f < 1)



heterozygoti HbS – zvýšená odolnosť proti malárii (f = 1)

• malá selekčná výhoda heterozygotov zabezpečuje, že aj letálna

recesívna alela sa udrží v populácii v nezanedbateľnej frekvencii (pri s

1

= 0,2 a s

2 = 0,85 je to až 19 %)

• taký mechanizmus sa predpokladá aj pri CF v Európe, aj keď
konkrétny selekčný činiteľ nie je známy

Selekcia – pokr.

Slekecia proti heterozygotom


rovnováha v takej populácii je len pri alelových frekvenciách

p = q = 0,5



ak p < 0,5 jeho frekvencia sa bude znižovať (a q sa zvyšovať)



ak p > 0,5 jeho frekvencia sa bude zvyšovať (a q sa znižovať)



v konečnom dôsledky alela, ktorej frekvencia je < 0,5 z populácie
vymizne (a druhá sa v nej fixuje)



tento typ selekcie sa uplatňuje pri Rh inkompatibilite medzi matkou
a dieťaťom (matka Rh- a plod Rh+)



v súčasnosti ale už nemá veľký efekt (účinná liečba)

Migrácia



migrácia časti istej populácie do inej populácie mení iba
genofond populácie, do ktorej migrácia nastala



vzniká zmiešaná populácia, v ktorej génová frekvencia bude
daná váženým priemerom obidvoch frekvencií, a „váhami“ sú
počty jedincov pochádzajúcich z pôvodných populácií

q

E = (nC qC + nD qD) / (nC + nD)



v súčasnosti v ľudských populáciách

migrácia nepredstavuje významný

faktor ovplyvňujúci génové
frekvencie (v minulosti ale to
mohlo byť významné – v období
veľkých sťahovaní národov)

Génový posun (drift)



génový posun (náhodný genetický drift, Wrightov efekt) –
uplatňuje sa v malých a izolovaných populáciách a má
nepredvídateľný účinok



je to súbor náhodných zmien génových frekvencií v priebehu generácií



ak populácia aj v ďalších generáciách zachová malý efektívny rozsah,
génové frekvencie podliehajú neprestajne náhodným výkyvom



môže to viesť k úplnej vymiznutiu jednej alely a fixácii druhej)

Génový posun (drift) – pokr.

Génový posun (drift) – pokr.

 ak malá východisková populácia v priebehu ďalších generácií

zväčšuje svoj efektívny rozsah, driftom dosiahnuté génové
frekvencie sa v nej ďalej už udržujú na rovnakej úrovni

 tento typ génového posunu sa označuje ako efekt

zakladateľa (founder efekt)

 príčina vysokých početností niektorých genetických

ochorení v populáciách, ktoré vznikli z malých základných
celkov



napr. u slovenských Romov alkaptonuria, kongenitálny
glaukóm, retinitis pigmentosa a pod.

Genetické izoláty

 ako genetický izolát sa označuje početne ohraničená populácia,

ktorá je reprodukčne izolovaná od svojho okolia

 väčšinou majú malú efektívnu veľkosť
 ľudské izoláty vznikajú v podstate z dvoch príčin:

 z geografických – ostrovy, vysokohorské údolia, oázy a pod.
 zo sociálnych – ako je náboženstvo, etnická príslušnosť,

kultúrna tradícia, národnosť a pod.



môžu byť disperzné v ostatnej populácii, ale reprodukčne od
nej izolované (napr. Romovia)

 v malých genetických izolátoch sa uplatňuje genetický drift a

inbríding

 obidva tieto činitele zvyšujú početnosť homozygotov (recesívne

ochorenia)

 v súčasnosti nastáva takmer na celom svete rozpad izolátov (aj na

Slovensku) (zvyšuje sa podiel exogámnych manželstiev)