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1、群体遗传学, Hardy-Weinberg定律 改变群体基因频率的因素,Hardy-Weinberg定律, 基本概念 Hardy-Weinberg定律与群体遗传结构, 基本概念, 群体遗传学（population genetics）：研究群体中的基因组组成以及世代间基因组变化的学科。 群体（population）：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（gene pool）：一个群体中所有个体的等位基因的总和。 等位基因频率（allele frequency）：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。
2、任一基因座的全部等位基因频率之和等于1。,例题：某一1000人群中MN血型的分布是 M MN N 250 500 250 M的频率：(250X2+500)/1000 x2=0.5 N的频率：(250X2+500)/1000 x2=0.5, Hardy-Weinberg定律与群体遗传结构, 计算群体的基因和基因型频率 检验群体中决定某性状的基因及基因型频率是否处于Hardy-Weinberg平衡, 基因型频率：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。 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。 Hardy-Weinberg定律
3、：在一个大的随机交配的群体内，基因型频率在没有迁移、突变和选择的理想条件下，世代相传保持不变。由英国数学家Hardy，G. H和德国医学家Weinberg，W于1908年提出。,平衡群体：在生物个体随机交配，且没有突变，选择情况下，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。,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（13-3） 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
4、的基因流（gene flow） 人类活动对病原体及作物害虫进化的影响,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。, 突变能产生新的等位基因，但改变基因频率的速率很慢（13-3）,设初始频率为：a=q；A=1-q， 突变率：A正突变a（u）；a回复突变A（v） 每代中有（1-q）u的Aa qv的aA 当 qv，a的频率增加 qv，A的频率增加 处于平衡时：,软骨发育不全遗传病侏儒108人生27个子女，确定相对生育率，正常对照457人生5
5、82个子女，侏儒侏儒相对生育率是： 27/108 582/457 =0.20 代表适合度, 自然选择是进化的潜在动力, 基本概念 选择作用于基因型依赖的（genotype-dependent）适合度差异时，群体中等位基因和基因型频率的变化（13-5）。 计算自然选择对基因型频率的影响（13-6）, 基本概念, 适合度（fitness，w）：群体中一个个体相对于其他个体存活并传递其基因到下一代的能力。适合度具有两个基本成分：存活力（viability）和生殖成功（reproductive success）。 选择系数（selection coefficient，s）：在选择的作用下降低的适合度
6、。 自然选择（natural selection）：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（13-4）。,选择对纯合隐性个体不利时基因频率的改变,AA Aa aa 合计 a频率 初始频率 P2 2pq q2 1 q0 适合度 1 1 1- s 选择后频率 P2 2pq q2(1-s) 1-sq2 相对频率 P 2 2pq q2(1-s) 1 q1=q(1-sq) 1-sq2 1-sq2 1-sq2 1-sq2 a频率的改变q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2,当有害隐性基因纯合致死时,q0 qn s=1 s=0.5 0.99 0.50 1 11 0.50
7、0.10 8 20 0.10 0.01 90 185 0.01 0.001 900 1805 0.001 0.0001 9000 18005 0.0001 0.00001 90000,当纯合隐性个体致死或不能生育时，隐性基因a的频率q改变如下： q1=1/1+q0 q2=1/1+2q0 q3=1/1+3q0 q4=1/1+nq0 n=1/qn1/q0,选择对显性个体不利时基因A频率p的改变,AA Aa aa 合计 A频率 初始频率 P2 2pq q2 1 p0 适合度 1-s 1-s 1 选择后频率 P2(1-s) 2pq(1-s) q2 1-sq(2-p) 相对频率 p2(1-s) 2pq(
8、1-s) q 2 p - sp 1-sq(2-p) 1-sq(2-p) 1-sq(2-p) 1-sp(2-p) 选择一代后p的改变: p-sp/1-sq(2-p) - p = -sq(1-p)2/1-sp(2-p),选择对杂合个体有利时基因频率的改变,AA Aa aa 合计 初始频率 P2 2pq q2 1 适合度 1-s 1 1- t 选择后频率 P2(1-s) 2pq q2(1-t) 1-sp2-tq2 相对频率 P2(1-s)/1-sp2-tq2 2pq /1-sp2-tq2 q2(1-t)/1-sp2-tq2 q的改变： pq(ps-qt)/1-sp2-tq2 平衡时：q=s/s+t,
9、突变与选择情况下基因频率的改变,a频率的改变：q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2 当很小时，1-sq2近似等于1。 当选择对纯合隐性个体不利时，a基因的频率q每代减少sq2(1-q) 新产生的隐性突变基因(Aa)的频率 pu=u(1-q) 平衡时：sq2=u q2=u/s,人类全色盲是常染色体隐性遗传，约80000人中有1个患者，患者的生存率 是0.5,计算平衡时的突变率。 q2=1/80000, s=0.5 u=sq2 =1/80000 X 0.5 =0.6 x 10-6, 遗传漂变对进化平衡的不可预测效应, 遗传漂变（genetic drift）：群体内由于不能随机交配造成的等位基
10、因频率的随机波动. 或：由于抽样误差产生的基因频率的改变。 遗传漂变的效应对适合度无影响的新等位基因一般迅速从群体中丢失（红、绿线）；极少新等位基因的频率增加（兰线） （13-7） 奠基者效应（founder effect）：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。, 迁移造成群体间的基因流（gene flow）, 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 - Q,Rh血型的一个等位基因R； 非洲黑人q0=0.630 美国白人Q0=
11、0.028 美国黑人q10=0.446 计算200300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 - 0.028 m=0.036 白人每代迁入基因比例0.036, 人类活动对病原体及作物害虫进化的影响, 病原体对药物抗性的进化 杀虫剂（pesticide）抗性的进化 抗性的生物学代价（biological costs）,由于新的突变, 人群中总有新的疾病产生；由于等位基因频率的变化趋于突变与选择的平衡，各种疾病持续存在于所有生物中；病原体和害虫与其宿主的相互作用，特别是人类的活动使疾病和
12、害虫虽处于长期的控制中却仍然频繁而剧烈地复发。, 病原体对药物抗性的进化,细菌性病原体对抗菌素的抗性迅速进化的主要原因：短的世代周期，繁殖率高；大的群体密度，如肺病（TB）细菌可能超过109/cm3，确保稀有的抗性突变出现在群体中；抗菌素提供的强选择压增加每一代的进化率。 TB细菌抗性的进化（13-9）, 杀虫剂（pesticide）抗性的进化, 节肢动物门对DDT抗性的增加：抗性始于1908年，1940年开始喷洒DDT，到1984年已报道了450个以上的昆虫抗性种（13-10） DDT对蚊子（A.aegypti）群体中基因型频率的影响 抗性基因R为显性突变，S为野生型易感等位基因，对杂合子S
13、R有利的选择使群体中R等位基因频率迅速增加。 1964年，在泰国的曼谷喷洒DDT控制蚊虫，一年内，蚊虫群体中出现DDT抗性基因型，频率迅速增加，至1967年，RR基因型频率接近100%（13-11）。,许多农业害虫对杀虫剂抗性的进化方式类似于感染性细菌对抗菌素的进化方式。昆虫对昆虫杀虫剂（insecticide）抗性的选择和迅速进化方式了解最清楚。, 抗性的生物学代价（biological costs）, RR基因型的增加，DDT不能再控制蚊虫；停止喷洒DDT，R等位基因频率迅速减少，1969年，RR基因型几乎消失，可见RR基因型的适合度低于SS基因型，即纯合抗性基因型对个体付出了适合度代价（
14、fitness costs） 大鼠群体在施用Warfarin时，三种基因型的相对频率为：0.37（SS），1.0（SR），0.68（RR）；没有施用Warfarin时，RR的适合度低于SS。 适合度代价是未用杀虫剂前抗性等位基因出现的频率很低，甚至不能检测到的主要原因。,第三节 基因组的起源与进化, 生命的起源与进化 基因组的进化, 生命的起源与进化, 生命起源的推测： 生物进化的历程 人类的起源与进化, 生命起源的推测：,生命历程的第一步，必须有能自我复制的replicator 分子 核酶（ribozyme）的发现推测RNA是最初的replicator RNA world 47亿年前最早的生
15、物现有细胞的前体出现。, 生物进化的历程, 化石记录指出, 至今所发现的确切的细胞于35亿年前出现在澳大利亚（13-12） 最早的细胞迅速进化成三界：细菌、古菌（archaea）和真核生物（13-13）,人类的起源与进化, 人类35亿年前从灵长类进化而来（13-14） Wilson 及其同事通过比较来自不同地区的女人（如非洲的美国人, 亚洲人，新几内亚人，澳大利亚人等）的mtDNA序列，提出现代人于200000年前起源于非洲（13-15）, 基因组的进化, DNA的变化（第十二章）是基因组进化的基础 复制使基因组增大。 利用基因组间遗传差异构建分子种系发生树, DNA的变化（第十二章）是基因组
16、进化的基础, 真正中性的突变不受自然选择的影响，通过遗传漂变维持在群体中或被淘汰。 负选择（negative selection）淘汰群体中有害的突变。 一些对生物有利的极稀有的突变通过正选择（positive selection）增加等位基因频率，并固定在群体中。,复制使基因组增大。,四个层次水平的复制增加基因组大小（13-16） 转座引起的复制（13-17） 来自不等交换的复制（13-18） 随机遗传漂变和突变使复制序列成为假基因基因组中的随机DNA序列。 选择造成的复制基因的多样性，能产生新基因。,利用基因组间遗传差异构建分子种系发生树, 分子钟（molecular clock）：分子进
17、化过程中，特定的分子（核苷酸或蛋白质）在所有谱系中的变化速率是恒定的。分子钟是构建分子种系发生树的理论基础。如流感病毒A血细胞凝集素（hemagglutinin）基因的分子树（13-19）。 分子种系发生树（molecular phylogenetic tree）：同源基因或蛋白质之间的关系的图解。如人的血红蛋白基因的种系发生树（13-20）。 分子种系发生树的构建 利用遗传学数据构建种系发生树的方法很多，如Maximum Parsimony法、Maximum likelihood法和UPGMA法等，均有相关软件。以 UPGMA（Unweighted pair group method using arithmetic averages）方法为例。从所比较的物种对间的最小遗传距离表开始（13-21）, 分子种系发生树的应用实例 HIV从牙科医生到他的病人的传递（13-22） 尼安德诗人（Homo neanderthals）与现代人的关系（13-23） 线粒体的起源（13-24）,