Πληθυσμιακή Γενετική

Transcript

1 Τμήμα Αγροτικής Ανάπτυξης Πληθυσμιακή Γενετική Γενετική Ποικιλότητα Κων/νος Τζανταρμάς Αριστοτέλης Παπαγεωργίου

2 Κλάδοι της Γενετικής 1. Κλασική γενετική 2. Μοριακή γενετική 3. Πληθυσμιακή γενετική 4. Ποσοτική γενετική

3 Κλασική γενετική Μονάδα μελέτης το άτομο και μελετά τις γενετικές διεργασίες που συντελούνται σε μεμονωμένα άτομα και τον τρόπο μεταβίβασης γονιδίων από ένα άτομο στα άτομα της επόμενης γενεάς.

4 Μοριακή γενετική Επικεντρώνεται στο κύτταρο και μελετά τον τρόπο κωδικοποίησης της γενετικής πληροφορίας σε επίπεδο DNA και πως οι βιοχημικές διεργασίες του κυττάρου μεταφράζουν αυτές επηρεάζοντας το φαινότυπο.

5 Πληθυσμιακή γενετική Εφαρμόζει τις αρχές της κλασικής γενετικής σε μεγάλες ομάδες ατόμων και επικεντρώνεται στον τρόπο μεταβίβασης ενός ή λίγων γενετικών τόπων. 1. Πόση γενετική παραλλακτικότητα εντόπίζεται στους φυσικούς πληθυσμούς και τι ρυθμίζει το μέγεθος της παρατηρούμενης παραλλακτικότητας; 2. Που οφείλεται η γενετική απόκλιση μεταξύ των πληθυσμών; 3. Πως επηρεάζεται η γενετική δομή ενός πληθυσμού από βιολογικά χαρακτηριστικά όπως το σύστημα ζευγαρώματος, η γονιμότητα και η ηλικιακή δομή.

6 Ποσοτική γενετική Μελετά τη μετάδοση χαρακτηριστικών μέσα σε μεγάλες ομάδες ατόμων, αλλά ασχολείται με χαρακτηριστικά που καθορίζονται ταυτόχρονα από πολλά γονίδια.

7 Εισαγωγή Η πληθυσμιακή γενετική προσπαθεί να εξηγήσει τις αιτίες των προτύπων γενετικής παραλλακτικότητας που παρατηρείται ανάμεσα στα άτομα ενός πληθυσμού και ανάμεσα σε διαφορετικούς πληθυσμούς. Κάνει χρήση πειραματικών μεθόδων για τη μέτρηση της παραλλακτικότηας ποικιλομορφίας σε φυσικούς πληθυσμούς και θεωρητικών μεθόδων για να εξηγήσει την παρατηρούμενη παραλλακτικότητα ποικιλομορφία μέσω ποσοτικών μοντέλων.

8 Σημεία του μαθήματος Η πληθυσμιακή γενετική ερευνά την αιτία των προτύπων της γενετικής παραλλακτιότητας ανάμεσα στα άτομα ενός πληθυσμού και ανάμεσα σε διαφορετικούς πληθυσμούς. Η γενετική δομή ενός πληθυσμού περιγράφεται από τον αριθμό και τις συχνότητες των γενοτύπων σε κάθε γενετικό τόπο. Το σύνολο όλων των αλληλομόρφων ενός πληθυσμού σε μια χρονική στιγμή καθορίζει τις γενετικές πληροφορίες που μεταφέρονται από τη μια γενεά στην άλλη.

9 Σημεία του μαθήματος Σύμφωνα με το νόμο Hardy Weinberg σε ένα μεγάλο πληθυσμό που τα άτομα του διασταυρώνονται τυχαία και δεν επηρεάζεται από εξελικτικές δυνάμεις, οι συχνότητες των αλληλομόρφων δε μεταβάλλονται και οι γενοτυπικές συχνότητες σταθεροποιούνται μετά από μια γενεά.

10 Σημεία του μαθήματος Ο νόμος Hardy Weinberg και όλοι οι άλλοι της πληθυσμιακής γενετικής εφαρμόζονται σε όλα τα αλληλόμορφα που κληρονομούνται σύμφωνα με τους νόμους του Mendel. Η γενετική δομή ενός είδους μπορεί να διαφέρει τόσο γεωγραφικά όσο και χρονικά. Οι μεταλλάξεις, η γενετική παρέκκλιση, η μετανάστευση και η φυσική επιλογή αποτελούν διεργασίες που μπορούν να τροποποιήσουν τις συχνότητες των αλληλομόρφων ενός πληθυσμού.

11 Σημεία του μαθήματος Τα μοντέλα των κλασικών και ουδέτερων μεταλλάξεων παράγουν υποθέσεις που μπορούν να ελεγχθούν και χρησιμοποιούνται για να εξηγήσουν την έκταση της γενετικής παραλλακτικότητας που αναμένεται να υπάρχει εντός των φυσικών πληθυσμών και τις διεργασίες που ευθύνονται για την παρατηρούμενη παραλλακτικότητα.

12 Σημεία του μαθήματος Στους περισσότερους γενετικούς τόπους οι επαναλαμβανόμενες μεταλλάξεις μεταβάλλουν τις συχνότητες των αλληλομόρφων σε τόσο αργό ρυθμό που οι επιπτώσεις θεωρούνται αμελητέες. Παρά το γεγονός ότι η μετάλλαξη αποτελεί την πρωταρχική πηγή της υπάρχουσας παραλλακτικότητας, άλλες δυνάμεις υπερισχύουν για τον καθορισμό των μεταβολών των συχνοτήτων μιας μετάλλαξης μετά την αρχική της εμφάνιση.

13 Σημεία του μαθήματος Η γενετική παρέκκλιση είναι τυχαία μεταβολή των συχνοτήτων των αλληλομόρφων που προκύπτει από την τυχαία σύζευξη γαμετών σε κάθε γενεά. Η γενετική παρέκκλιση δημιουργεί ενδοπληθυσμιακή γενετική αλλαγή, διαπληθυσμιακή γενετική διαφοροποίηση και απώλεια γενετικής παραλλακτικότητας εντός των πληθυσμών.

14 Σημεία του μαθήματος Η μετανάστευση που αποκαλείται και γονιδιακή ροή αφορά τη μετακίνηση αλληλομόρφων μεταξύ πληθυσμών. Μπορεί να μεταβάλλει τη συχνότητα των αλληλομόρφων ενός πληθυσμού και να μειώσει τη γενετική απόκλιση μεταξύ των πληθυσμών. Η ομομιξία και το οιμοιφαινοτυπικό ζευγάρωμα προκαλούν αύξηση της ομοζυγωτίας χωρίς να επηρεάζουν τις συχνότητες των αλληλομόρφων.

15 Σημεία του μαθήματος Οι αρχές της πληθυσμιακής γενετικής βρίσκουν εφαρμογές στη διαχείριση των σπάνιων και απειλούμενων ειδών. Η βέλτιστη διατήρηση της γενετικής παραλλακτικότητας επιτυγχάνεται με την εδραίωση πληθυσμών που χαρακτηρίζονται για την ταχεία εξάπλωση του πληθυσμού, την αποφυγή ομομιξίας και τη διατήρησή ίσης αναλογίας φύλων και ίσου μεγέθους οικογενειών.

16 Ποικιλότητα

17 Ποικιλότητα και ομοιομορφία Υπάρχει ποικιλότητα στους φυσικούς πληθυσμούς των ειδών Ιεραρχημένη σε διάφορα επίπεδα Γενετική ποικιλότητα Κληρονομείται στις επόμενες γενιές Απαραίτητη για την προσαρμογή σε νέες συνθήκες Υπάρχει ομοιότητα ανάμεσα σε γονείς και απογόνους Και σε συγγενείς Απαραίτητη για τη μεταφορά των προσαρμογών στις επόμενες γενιές Διαρκής εναλλαγή ποικιλότητας και ομοιομορφίας Αλλαγή των επιπέδων της γενετικής ποικιλότητας

18 Βελτίωση φυτών και ζώων

19 Γενετική ποικιλότητα Οι άνθρωποι ήξεραν ότι υπάρχουν διαφορές ανάμεσα στα άτομα των πληθυσμών που κληρονομούνται Ομοιότητες ανάμεσα σε συγγενείς Διασταυρώσεις καλλιεργούμενων φυτών και αγροτικών ζώων Μετά την εμφάνιση της μενδελικής γενετικής και της θεωρίας της εξέλιξης (Δαρβίνος) μπόρεσε πολύ αργότερα να γίνει η σύνθεση της «νεοδαρβινικής» θεωρίας και να προσεγγιστεί η ποικιλότητα μέσα και ανάμεσα στους πληθυσμούς

20 Πρώτες μετρήσεις Πρώτοι υπολογισμοί της γενετικής ποικιλότητας με τη χρήση εύκολα μετρήσιμων χαρακτηριστικών Χρωματισμοί, μορφολογικοί πολυμορφισμοί, χρωμοσωμικές αντιστροφές, ομάδες αίματος Ακατάλληλα χαρακτηριστικά που οδήγησαν σε διχογνωμίες σχετικά με τη φύση και την ποσότητα της γενετικής ποικιλότητας

21 Μεταλλάξεις στη Drosophila Πολύ σπάνιοι τύποι: σχήμα κορμού, τύπος φτερών, χρώμα ματιών Οι μεταλλάξεις είχαν μέση συχνότητα 0,0028

22 Μεταλλάξεις του γένους Brassica

23 Ομάδες αίματος

24 Μορφή χρωμοσωμάτων

25 Προσέγγιση γενετικής ποικιλότητας Αν μπορούσαμε να έχουμε την αλληλουχία του DNA των οργανισμών που μελετάμε θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε τις διαφορές μεταξύ των ατόμων ενός πληθυσμού Τεχνικά είναι δυνατό Κάθε χρόνο και πιο εύκολο / φτηνό Αντιστοιχία αλληλουχιών με γνωστά γονίδια Πρόοδος αργή αλλά σταθερή Πιο σημαντικό θα ήταν να μπορούσαμε να εντοπίσουμε διαφορές στα γονίδια που έχουν εξελικτική σημασία Προσαρμοστικά γονίδια

26 Παρατήρηση ποικιλότητας Στη φύση / στον αγρό / στο κοπάδι Χαρακτηριστικά που έχουν σημασία Οικονομική, οικολογική, κλπ. Έκφραση προσαρμοστικών χαρακτήρων Πολλά γονίδια συμμετέχουν στην έκφραση ενός χαρακτηριστικού Επίδραση του περιβάλλοντος Διαχωρισμός γενετικού / περιβαλλοντικού παράγοντα με ειδικό πειραματικό σχεδιασμό

27 Παρατήρηση ποικιλότητας Στο εργαστήριο Χαρακτηριστικά που είναι αδιάφορα έξω από το εργαστήριο Ουδέτερα ως προς την προσαρμογή Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν είναι γονίδια Επίπεδο DNA Καμία επίδραση από το περιβάλλον Γενετική ποικιλομορφία

28 Ισοένζυμα R.C. Lewontin Το 1966 οι Lewontin & Hubbey και ο Harris εφάρμοσαν τη διάκριση πρωτεϊνών με ηλεκτροφόρηση για την περιγραφή της γενετικής ποικιλότητας Ανάλυση ισοενζύμων Κυριάρχησαν μέχρι τη δεκαετία του 1990 σαν δείκτες μέτρησης γενετικής ποικιλότητας Πλεονεκτήματα Αληθινά γονίδια (έμμεση έκφραση) Οικονομική μέθοδος Αναγνώριση γενοτύπων και αλληλομόρφων Μειονεκτήματα Κίνδυνος υπεραπλούστευσης των αποτελεσμάτων Μετράται ένα μικρό μέρος της γενετικής ποικιλότητας

29 Τεχνικές παρατήρησης ποικιλότητας Ισοένζυμα Μοριακοί δείκτες Αλληλούχηση DNA Τεχνική που κερδίζει έδαφος Διαφορές στο μήκος τμημάτων DNA Ορατοί πολυμορφισμοί (μορφομετρία) Μεταλλάξεις & θανατηφόρα γονίδια Ποσοτικά χαρακτηριστικά Γενωμική: κλάδος της γενετικής Με τη χρήση σύγχρονων τεχνικών αλληλούχησης DNA Σύνδεση χαρακτηριστικών με γονίδια σε επίπεδο DNA

30 Μοριακοί δείκτες Αναλύσεις σε επίπεδο DNA Προσδιορισμός αλληλουχίας DNA διαφορετικών ατόμων και σύγκριση ποικιλότητας SNP Ανάλυση γενωμάτων Πολυμορφισμός μεταξύ των ατόμων σε επίπεδο μήκους τμημάτων DNA Από πολυμερισμό με PCR Από κοπή από ένζυμα περιορισμού Μοριακά ψαλίδια / κόβουν το DNA σε συγκεκριμένες θέσεις ανάλογα με την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων Και από τα δύο

31 Πληθυσμός Σύνολο ομοειδών αλληλοαναπαραγόμενων οργανισμών Ένα είδος (?) Μία περιοχή (?) Πιθανή αναπαραγωγή Ο πληθυσμός έχει στο σύνολό του μία γενετική δεξαμενή (gene pool) με συγκεκριμένη γενετική δομή

32 Τυχαία αναπαραγωγή Ένας πληθυσμός με δύο γένη και ενήλικα (σεξουαλικά ώριμα) άτομα Όταν όλες οι δυνατές διασταυρώσεις είναι ισοπίθανες τότε έχουμε πληθυσμό τυχαίας αναπαραγωγής Η πιθανότητα διασταύρωσης μεταξύ ατόμων με συγκεκριμένο γενότυπο ή φαινότυπο ισούται με το γινόμενο των συχνοτήτων τους στον πληθυσμό Πανμειξία (πανμεικτικός πληθυσμός)

33 1908 Yule 1902, Castle 1903, Pearson 1904 Wilhelm Weinberg ( ) Ιατρός (Στουτκάρδη) Godfrey Harold Hardy ( ) Μαθηματικός (Cambridge) Hardy, G. H. (1908). "Mendelian proportions in a mixed population". Science 28: Weinberg, W. (1908). "Über den Nachweis der Vererbung beim Menschen". Jahreshefte des Vereins für vaterländische Naturkunde in Württemberg 64:

34 Νόμος Hardy-Weinberg Αποτελεί θεμέλιο της πληθυσμιακής γενετικής Εξηγεί τον τρόπο με τον οποίο η μεντελική αρχή του διαχωρισμού επηρεάζει τις συχνότητες των αλληλομόρφων και των γενοτύπων σε έναν πληθυσμό.

35 Νόμος Hardy-Weinberg Προϋποθέσεις σε έναν πληθυσμό: 1. Το μέγεθος του είναι άπειρο. 2. Τα άτομα διασταυρώνονται τυχαία. 3. Δε συμβαίνουν μεταλλάξεις. 4. Δε συμβαίνει μετανάστευση. 5. Δε συμβαίνει φυσική επιλογή.

36 Νόμος Hardy-Weinberg Αποτέλεσμα: 1. Οι συχνότητες των αλληλομόρφων δε μεταβάλλονται διαχρονικά 2. Οι συχνότητες των γενοτύπων διατηρούν τις αναλογίες p 2 (συχνότητα του ΑΑ), 2pq (συχνότητα του Αa) και q 2 (συχνότητα του aa). p 2 + 2pq + q 2 =1

37 Νόμος Hardy-Weinberg Η πιο βασική σχέση στη γενετική πληθυσμών Επιτρέπει την περιγραφή της γενετικής σύστασης ενός πληθυσμού με τις συχνότητες αλληλομόρφων και όχι μόνο των γενοτύπων Όταν έχουμε τυχαία αναπαραγωγή, μετά από μία γενιά μπορούμε να υπολογίσουμε τις συχνότητες των γενοτύπων ενός πληθυσμού σαν διωνυμική συνάρτηση των συχνοτήτων των αλληλομόρφων Αν απουσιάζουν άλλοι εξελικτικοί παράγοντες (π.χ. επιλογή), και η αναπαραγωγή παραμείνει τυχαία, τότε οι συχνότητες αυτές δεν μεταβάλλονται από γενιά σε γενιά

38 Υποθετικό μοντέλο Ας υποθέσουμε έναν θεωρητικό πληθυσμό με δύο αλληλόμορφα και τρεις γενότυπους Η συχνότητα του «A» σε έναν πληθυσμό συμβολίζεται με «p» Η συχνότητα του «a» σε έναν πληθυσμό συμβολίζεται με «q» p + q = 1 Υποθέτουμε ότι οι αρσενικοί και οι θηλυκοί γαμέτες ενώνονται τυχαία Οι συχνότητες των απογόνων είναι το γινόμενο των συχνοτήτων των δύο γαμετών τους

39 Συχνότητες γενοτύπων Ομοζυγωτοί (P, Q) για AA και aa αντίστοιχα Ετεροζυγωτοί (Η) για Aa A1 p Γύρη A1 p Α2 q AA p 2 Aa pq P=p 2 Q=q 2 H=2pq Α2 q Aa pq aa q 2 Ωάρια p 2 AA + 2pq Aa+ q 2 aa= 1

40 Αναλογίες Hardy Weinberg Υπολογίζουμε τις συχνότητες των απογόνων όλων των δυνατών διασταυρώσεων που μπορούν να προκύψουν Ανεξάρτητα από τις αρχικές συχνότητες των αλληλομόρφων σε έναν πληθυσμό, αν διατηρείται η τυχαία αναπαραγωγή, τότε ισχύει πάντα ό νόμος HW και οι συχνότητες των αλληλομόρφων παραμένουν σταθερές Αποκλίσεις από το νόμο HW έχουμε όταν κάποια από τις προϋποθέσεις δεν ισχύει (π.χ. επιλογή, ροή γονιδίων, μη τυχαία αναπαραγωγή) Ακόμα και αν δεν ισχύουν αυτές οι προϋποθέσεις μπορεί να παρατηρούμε συχνότητες HW

41 «Τυχαία διασταύρωση σημαίνει ότι η συχνότητα διασταύρωσης δυο γενοτύπων ισούται με το γινόμενο των συχνοτήτων τους»

42 Διασταύρωση Συχνότητα Διασταύρ ΑΑ Aa aa p 2 AA x p 2 AA p 4 p p 2 AA x 2pq Aa 2pq Aa x p 2 AA p 2 AA x q 2 aa q 2 aa x p 2 AA 4p 3 q 2p 3 q 2p 3 q - 2p 2 q 2-2p 2 q 2-2pq Aa x 2pq Aa 4p 2 q 2 p 2 q 2 2p 2 q 2 p 2 q 2 2pq Aa x q 2 aa q 2 aa x 2pq Aa 4pq 3-2pq 3 2pq 3 q 2 aa x q 2 aa q q 4 Σύνολα (p 2 + 2pq + q 2 ) 2 = 1 p 2 (p 2 + 2pq +q 2 )= p 2 2pq (p 2 + 2pq +q 2 )=2pq q 2 (p 2 + 2pq + q 2 )=q 2 Συχν γενοτύπων = (p+q) 2 = p 2 + 2pq + q 2 =1 Συχν αλληλομόρφων = p(a)+ q(a)=1

43 Ο Νόμος τωνhardy-weinberg υποδεικνύει ότι σε κατάσταση ισορροπίας οι συχνότητες των γενοτύπων εξαρτώνται μόνο από τις συχνότητες των αλληλομόρφων.

44 p 2 + 2pq + q 2 = 1

45 Ισορροπία Όταν σε έναν πληθυσμό ισχύουν οι προϋποθέσεις του νόμου HW Έλλειψη επιλογής Τυχαία αναπαραγωγή Έλλειψη μετανάστευσης Έλλειψη τυχαίων παραγόντων Στον πληθυσμό αυτό ισχύουν οι εξισώσεις HW Ο πληθυσμός αυτός δεν αλλάζει από γενιά σε γενιά Πληθυσμός ισορροπίας Ισορροπία HW Οι συχνότητες των αλληλομόρφων δεν αλλάζουν από γενιά σε γενιά Οι συχνότητες των γενοτύπων υπολογίζονται από τις συχνότητες των αλληλομόρφων Ούτε αυτές μεταβάλλονται