第15章群体遗传.ppt

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1、第十五章 群体遗传与进化,要点： 主要掌握Hardy-Weinberg定律 及其要点 掌握影响Hardy-Weinberg定律 的主要因素,第一节 群体的遗传结构,群体：是指有婚配关系的个体所构成的集合。 基因库：是一个群体中所有个体的基因的集合。 孟德尔群体：享有共同的基因库并且个体间进行随机婚配的群体。,群体遗传学是研究群体的基因组成以及每一世代基因组成变化的科学。,1、孟德尔群体和基因库,2、群体的遗传结构,基因频率(allele frequency)：在一个群体内特定基因占该位点等位基因总数的比率。 基因型频率(genotype frequency)：群体中某特定基因型个体占个体总数的

2、比率。,基因型频率的计算,（1）条件 必须能区分开杂合体（Bb）与纯合体（BB、bb）的表现型。,如：深红虎蛾（Panaxia dominula）翅上的斑点有三种基因型和表型。,BB,Bb,bb,（2） 基因型频率计算,E. B Ford在英国的一个地方收集虎蛾，发现三种基因型的个体数目分别为： 452只BB, 43只Bb 和 2只bb，总数是497只。,基因频率（allele frequency）,群体中某个座位上的某个基因在这个座位上所有等位基因中所占的比例。,1. 计算条件,基因型频率已知。,2. 基因频率的计算,（1）根据定义计算,p：表示显性基因的频率； q：表示隐性基因的频率。,例

3、如： 基因A和a的一对等位基因可以组成三种基因型AA，Aa和aa。 A基因的频率（p）和a 基因的频率（q） ：,根据定义和公式：,（2）根据基因型的频率计算,（D：AA的频率；R：aa的频率；H：Aa的频率）,p +q =1,上述公式展开：,=,AA,总数,Aa,总数,+,2,1,即,同理：,假设：在N个个体的群体中，AA(n1) 、Aa(n2) 、aa(n3) ，其中，n1+n2+n3=N，于是3种基因型的频率为：,AA：Dn1/N； Aa：H=n2/N; aa：R=n3/N,由于DHR1，因此等位基因A和a的频率分别为：,p=(2n1+n2)/2N=D+1/2H,q=(2n3+n2)/2

4、N=R+1/2H,中国汉族人群中PTC尝味能力的分布,因此，p(T) =D+1/2H=0.49+1/20.42=0.7,q(t) =R+1/2H=0.09+1/20.42=0.3,第二节 群体的遗传平衡,Godfrey H. Hardy(1877-1947)是剑桥大学的数学家，经常在俱乐部里遇到孟德尔遗传学家R C Punnett。1908年的一天， Punnett告诉Hardy, 说他遇到了一个对孟德尔遗传学严厉的批评问题：,假如短指是显性遗传，那么每一代中短指的人都会多一些，最终所有的英国人都应该是短指的了！,DH.Hardy,W.Weinberg,Hardy-Weinberg定律 (G.

5、H. Hardy (G Britain) & W. Weinberg (German) 1908 ),理想群体（idealized population）：群体足够大，群体内雌雄个体数相等并随机交配，产生的后代数目相同，无选择、突变、迁移等因素影响群体遗传平衡的群体。,前提条件,随机交配(random mating): 指一种性别的任何一个个体有同样的机会和相反性别的个体交配的方式。,因此各种交配的频率为(DHR)2=1三项式的展开,一个随机交配群体基因型频率的平衡,一个随机交配群体基因型频率的平衡,Hardy-Weinberg平衡定律的要点:,在随机交配下的大的孟德尔群体中，若没有其它因素(

6、基因突变、选择、迁移)的干扰，基因频率世代相传不变,无论群体起始成分如何，经一代随机交配之后，群体基因频率建立在(pA+qa)2=p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa)公式之中，平衡群体的基因型频率决定于它的基因频率,只要随机交配系统得以保持，基因型频率保持上述平衡状态不会改变,设常染色体上的一对等位基因A和a的频率分别为p和q，且p+q=1。若3种可能的基因型频率为： Dp2，H=2pq，R=q2,因此下一代基因型的频率将与上一代相同，即为: (pA+qa)2=p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa),这一群体称为平衡群体 4DR = H2,举例：假设在一个大的随机交配群体中，一对等位

7、基因A和a在常染色体上遗传，3种可能的基因型AA、Aa、aa可以从表型上加以区分。亲代的基因型频率为：,AA Aa aa,D0 H0 R0,0.18 0.04 0.78,p0= D0+1/2H0=0.2,q0= R0+1/2H0=0.8,Hardy-Weinberg定律的几何表达,p02(AA)=0.04,2p0q0 (Aa)=0.32,q02(aa)=0.64,子代的三种基因型频率：,p1=p02+(1/2)2p0q0 =0.040.16=0.2=p,q1=q02+(1/2)2p0q0 =0.640.16=0.8=q,Hardy-Weinberg 定律的应用,判断一个群体是否为平衡群体 一个

8、群体 100人，AA 60人，Aa 20人，aa 20人。这是一个遗传平衡群体吗？ 4DR=40.60.2=0.48 H2=0.22=0.04 4DR H2，所以该群体还没有达到平衡。,p0=0.600.20/2=0.70 q0=0.20+0.20/2=0.30 达到遗传平衡后， p2=0.49 2pq=0.42 q2=0.09,目前群体基因型频率 p2 :0.6、 2pq: 0.2、q2:0.2,基因频率的计算,隐性表型频率(发病率)隐性致病基因型频率,A 基因频率p 1 q Aa=2pq = 2q (1 q ) = 2q 2q2 2q,常染色体隐性遗传病(AR),AR : 一个群体中白化病

9、的发病率为1/40000， 求致病基因频率；携带者频率？ 按遗传平衡定律计算： aa=q2=1/40000 q=1/40000 =1/200 A=p=1-q=1-0.005=0.995 1 Aa=2pq=211/2001/100 在这个群体中：致病基因a的频率为1/200， 携带者的频率约为1/100。,伴性基因的遗传平衡 在XY性别决定方式中，雌、雄个体的性染色体组成分别是XX、XY，两种性别的基因型频率也不同。 设基因A、a的频率分别为p、q，随机交配结果如下：,：XAXA p2 XAXa pq XaXa q2 ：XAY p XaY q,例：人类中，男性红绿色盲的患病率为，问： （）女性患

10、病率及携带者频率是多少？ （ ）有多少婚配的家庭，他们的孩子全正常？ （ ）有多少婚配的家庭，他们的子、女各有一 半是色盲？,（）男性的患病率即为基因频率：q=8%， p=1-q=92% 女性患病率为： q2(8%)2.64% 携带者频率为：2pq 8% 92% 14.72%,（）孩子全正常的婚配方式有 XAXA XAY和 XAXA XaY p2(92%)284.64%,（）子、女各有一半是色盲的婚配方式为 XAXa XaY 14.72% 8%1.12%,伴X隐性遗传病： 男性发病率:女性性发病率q:q21:q 1 伴X显性遗传病： 男性发病率:女性性发病率 p:(p2+2pq)1:(1+q)

11、 1,平衡群体的一些基本性质:,1. 在一个二倍体群体中，当p=q=1/2时杂合子的比例(H2pq)有最大值为0.5,当p=0.5，q=0.5时，H2pq=0.5(Max),2. 杂合体的频率(H)是两个纯合体频率(D、R)的乘积的平方根的两倍,H/(DR)1/22,4DR = H2,H=2pq=2(DR)1/2,3. 群体点(population point，P)在齐次坐标中的运动轨迹是在4DR-H2=0的抛物线上,在群体中能够代表群体基因型频率的一个坐标点(P),XQ : QZ = (R+H/2) : (D+H/2) = q : p,例如一个随机交配的平衡群体(0.49, 0.42, 0.

12、09)的群体点P落在4DR-H20的抛物线上。,4. 平衡群体中的AaAa交配的频率为AAaa交配频率的两倍,因为AaAa=H2=4p2q2, 而AAaa=2DR=2p2q2,5. 如果一个基因频率(q)很低，另一个等位基因频率(p)接近于1，Hardy-weinberg比例将是另一种极限形式：,D H R 1-2q 2q 0,理想群体中，有两种交配即AAaa(DH)和aaAA(DH),平衡定律的推广,复等位基因的平衡,假设A座位有三个等位基因A1、A2、A3，其效应的频率为p1、p2和p3， p1p2p31，根据Hardy-Weinberg平衡定律，在随机交配的大群体内，各种基因型的频率为：

13、,p1=D11/2(H1+H2) = p12+1/2(2p1p2+2p1p3),p2=D21/2(H1+H3) = p22+1/2(2p1p2+2p2p3),p3=D31/2(H2+H3) = p32+1/2(2p1p3+2p2p3),例如，人类的ABO血型受3个复等位基因IA、IB和IO控制， IA和IB是共显性， IA和IB都是IO的显性。设IA、IB、IO的频率分别为p、q、r，则pqr=1。,A型和O型的频率 pAO IAIAIAIOIOIO p2+2pr+r2 (p+r)2,因此，p+r (pAO)1/2,另外，p+q+r=1,例如，在果蝇D willistoni的一个自然群体中，发

14、现在编码亮氨酸氨肽酶的Lap-5基因的座位上有3个复等位基因98、100、103的6种基因型频率和等位基因频率：,果蝇群体Lap-5基因座上的基因型频率,近亲繁殖的平衡群体,非随机交配 随机交配是Hardy-Weinberg定律的重要前提，在近亲繁殖的群体中，婚配关系并不随机，导致群体中纯合体比例上升，杂合体比例下降。,莱特定律（law of the Wright）,在近亲交配的群体中，需要用近交系数来对群体平衡进行修正。 近交系数F01，F0表示两个体间没有亲缘关系，F1表示自交。 平衡定律将被修正为：,在自交群体中，F1,在随机交配群体中，F0,影响Hardy-Weinberg平衡的因素,

15、假设一个基因座位上有两个等位基因A与a， 每个世代中每个配子从A突变至a的突变率为u，回复突变的突变率为v：,一、突变的影响,下代a的频率为：q=up+(1-v)q=u(1-q)+(1-v)q,每一代a的变化量q为：qq-q=u(1-q)-vq,q0，群体处于平衡状态,p=1-q,q*=u/(u+v),p*=v/(u+v),q*为a基因的平衡点,p*为A基因的平衡点,p*、q*只决定于两个正反突变率，与起始基因频率无关,假定u=1.510-6，v=110-6，平衡时q*=u/(u+v)=0.6，说明在正、反突变压影响下，处于平衡状态的pA为0.4，qa为0.6,二、自然选择,1、达尔文适合度(

16、Darwinian fitness)：基因型成功繁殖后代的相对能力,一般用相对生育率计算，用表示,每种基因型的平均子代数与最佳基因型平均子代数相比较,指正常人平均能留下1个子女，不同遗传病患者所能留下的子女数,几种遗传病患者的适合度,2、选择系数(coefficient of selection) 是指由于选择的作用使一种基因型所降低的适合度称为选择系数，用S表示， S1,(1) 对隐性个体的不完全选择，0S1,设：等位基因A对a完全显性。3种基因型及其处于Hardy-Weinberg平衡状态下的频率分别为p2(AA)+2pq(Aa)+q2(aa)=1。设AA和Aa的适应值=1，而隐性aa的适

17、应值为1-S。,3、选择对隐性纯合体的作用,显性完全，选择对隐性纯合体不利时，基因频率q的改变,a基因的改变量：q= -sq2(1-q)/(1-sq2),当q很小时， 1-sq21，由于选择压所造成的每代q的改变量可近似地表达为：q-sq2(1-q),说明q值小时，每代基因频率的改变量也很小,如果S=0.001，在一个大的随机交配群体中，将隐性个体的比例由1下降为0.001%, 将需要309.783代。,n= (q0-qn)/(q0qn)+logeq0(1-qn)/qn(1-q0)/S,n：由q0至qn代数； q0：选择前a基因的频率； qn：选择后a基因的频率,在不同选择系数下造成qo至qn

18、的改变世代数,(2)对隐性个体的完全选择: 即当S1时完全淘汰隐性个体aa,经一代选择后群体中a频率： q1=(1/2)2p0q0 /(p02 +2p0q0) =q0 /(p0 +2q0)= q0 /(1+q0),q的改变量： q=q1-q0= q0 /(1+q0)- q0= -q02 /(1+q0),qn+1=qn /(1+qn),q1=q0 /(1+q0),q2=q1 /(1+q1)=q0/(1+2q0),qn=q0 /(1+nq0),n=1/qn-1/q0,已知某地区人群中白化症等位基因为0.01，假若让所有白化症患者绝育，以达到从这个人群中减少这个隐性基因的目的，减少一半需要100 代

19、人努力，减少到0.0001需要9900 代。,100,9900,4、 淘汰显性个体的选择,显性完全时经一代选择后基因频率的改变,p=(p-sp)/1-sp(2-p)-p= -sp(1-p)2/ 1-sp(2-p),选择对完全显性基因A起作用时，每代A基因频率改变为：,因为p为负值，所以A的频率逐渐降低为0,如果s=1，即显性基因致死或不育，则一代选育p= -p。,三、迁移(migration)或基因流(gene flow),指群体间的个体移动或基因流动，迁移也是影响基因频率的一个重要因素。,有一土著群体A，其中某特定基因a频率为q0，群体B为移民群体，相应的基因频率为qm。假定迁入个体的比率为

20、m，原土著群体A个体比率为1-m，那么下一代混合群体内的基因频率q1将为：,q1=mqm+(1-m)q0=m(qm-q0)+q0,如果qmq0, 则q1q0,q =q1-q0=m(qm-q0),迁移导致的基因频率的大小，决定迁移率m和有关群体的基因频率之差,指在一个小群体中由于随机抽样而引起基因的随机波动,四、遗传漂变(Genetic drift),Genetic Drift,q = 0.6,p = 0.4,Genetic Drift,q = 0.6,p = 0.4,Genetic Drift,q = 0.5,p = 0.5,Genetic Drift,q = 0.5,p = 0.5,Gene

21、tic Drift,q = 0.7,p = 0.3,Genetic Drift,q = 0.7,p = 0.3,Genetic Drift,q = 0.9,p = 0.1,Genetic Drift,q = 0.9,p = 0.1,Fixation, q = 1.0,建立者效应（founder effect）：由少数个体的基因频率决定了其后代群体中的基因频率； 瓶颈效应（bottle neck effect）：由于环境激烈变化，个体数目急剧减少，然后由少数个体再扩展为一个新的群体。,地球进化时间表,24,12,18,6,4点，生命出现,12点，真核细胞出现,18点，两性繁殖,21点，动物胚胎出

22、现,22点50分，恐龙出现,23点40分，恐龙灭绝,23点59分，人类出现,物种进化,物种起源发表150周年，达尔文诞辰200周年,关于达尔文进化论,大约在5亿到6亿年前的寒武纪，地球生物出现了爆发式的进化； 物种在进化过程中很多突变并不会显著地影响其生存能力，“适者生存”并不合理； 很多考古学证据向进化论提出了挑战,第三节 物种的形成,一、物种的概念,个体间可以交配产生后代，进行基因交流的自然群体。 判断不同的变种或居群间差异是否成为不同物种，也即界定物种的主要标准是： 是否存在生殖隔离、能否进行相互杂交。 不同物种的个体不能交配或交配后不能产生有生殖力的后代，因此不能进行基因交流。,二、隔

23、离与物种形成,隔离在生物进化尤其是新物种的形成过程中占有重要的地位。 来自同一物种( 遗传结构相同) 的不同居群，如果形成了某种形式的隔离，居群间不能进行基因交流、群体遗传结构差异逐渐增大，最终产生生殖隔离；首先形成不同亚种，最后形成不同物种。 群体内或群体间即使存在遗传结构差异，如果没有隔离，随机交配将消除差异，而不会歧化形成新的物种。,隔离的类型,隔离一般有地理隔离(geographic isolation)、生态隔离(ecological )和生殖隔离(reproduction )等类型。三者均表现为无法进行相互交配。 地理隔离是由于某些地理的阻碍而形成的隔离。 生态隔离指由于所要求的食

24、物、环境或其他生态条件差异而形成的隔离。 生殖隔离指不能杂交或杂交后代不育而形成隔离。 地理隔离与生态隔离是条件性生殖隔离，可称为交配隔离，它们可能最终导致群体间生殖隔离。 在某些情况下，生殖隔离可能由遗传因素直接形成。,三、物种形成的方式,渐变式：在一个相当长的时间内旧的物种逐渐 演变形成新的物种，是物种形成的主要 形式。 也是自然选择学说所描述的新物种形成方式。 爆发式：短期内以飞跃方式形成新的物种，往 往没有复杂的中间亚种阶段。主要在高 等植物普遍存在。,渐变式,新物种的渐变形成机制： 继承式 一个物种在各种改变基因频率因素( 突变、选择等) 的作用下，变异累积导致群体遗传结构改变，经过

25、一系列中间类型过渡为新物种。( 无需隔离作用) 例如马的进化历史，就是这种方式。 分化式 一个物种的两个或两个以上的群体，由于地理隔离或生态隔离，先形成两个或两个以上的地理亚种或生态亚种； 亚种间遗传结构进一步分化形成生殖隔离，从而分化形成两个或两个以上的新物种。( 需要隔离作用),爆发式,新物种的爆发形成机制： 突变：一系列大突变相继发生。 染色体结构变异：倒位与易位。 染色体数目变异： 同源多倍体化； 远缘杂种染色体数目加倍。,总 结,HardyWeinberg定律的主要内容及其基本点 基因频率和基因型频率的计算 影响HardyWeinberg定律平衡的主要因素 为什么说优生学对降低人类群体中隐性致病基因的频率是低效的？,