Генетика популяций
а = рецессивный аллель
|Фенотипы родителей |Доминантный |x |Рецессивный |
|Генотипы родителей (2n) |AA |x |aa |
|Мейоз | | | |
|Гаметы (n) |A A |x |a a |
|Случайное оплодотворение | | | |
|Генотипы F1 (2n) |Aa Aa | |Aa Aa |
|Фенотипы F1 |Все доминантные |
Если наличие доминантного аллеля А обозначить символом p, а
рецессивного аллеля а – символом q, то картину скрещивания между особями
F1, возникающие при этом генотипы и их частоты можно представить следующим
образом:
|Фенотипы F1 |Доминантный |x |Доминантный |
|Генотипы F1 (2n) |Aa |x |Aa |
|Мейоз | | | |
|Гаметы (n) |A а |x |А a |
|Случайное | |A | |a |
|оплодотворение | | | | |
| | |(p) | |(q) |
| |A |AA | |Aa |
| |(p) |(p2) | |(pq) |
| |a |Aa | |aa |
| |(q) |(pq) | |(q2) |
|Генотипы F2 (2n) |AA |2Aa |aa |
| |(p2) |(2pq)|(q2) |
|Фенотипы F2 |Доминантные |Доминантные |Рецессивные |
| |(гомозиготы) |(гетерозиготы)|(гомозиготы) |
Поскольку аллель А доминантный, отношение доминантных генотипов к
рецессивным составляет 3:1 – это менделевское отношение при моногибридном
скрещивании. Используя символы p и q, результаты приведенного выше
скрещивания можно представить следующим образом:
p2 – доминантные гомозиготы;
2pq – гетерозиготы;
q2 – рецессивные гомозиготы.
Такое распределение возможных генотипов носит статистический характер
и основано на вероятностях. Три возможных генотипа, образующихся при таком
скрещивании, представлены со следующими частотами:
|AA |2Aa |aa |
|0.25 |0.50 |0.25 |
Сумма частот трех генотипов, представленных в рассматриваемой
популяции, равна 1; пользуясь символами p и q, можно сказать, что
вероятности генотипов следующие:
p2 + 2pq + q2 = 1,
На математическом языке p + q = 1 представляет собой уравнение
вероятности, тогда как p2 + 2pq + q2 = 1 является квадратом этого уравнения
[т.е. (p + q)2].
Поскольку
p - частота доминантного аллеля;
q - частота рецессивного аллеля;
p2 - гомозиготный доминантный генотип;
2pq - гетерозиготный генотип;
q2 - гомозиготный рецессивный генотип,
можно вычислить частоты всех аллелей и генотипов, пользуясь выражениями
для частот аллелей: p + q = 1;
для частот генотипов: p2 + 2pq + q2 = 1.
Однако для большинства популяций частоту обоих аллелей можно вычислить
только по доле особей, гомозиготных по рецессивному аллелю, так как это
единственный генотип, который можно распознать непосредственно по его
фенотипическому выражению.
Например, один человек из 10000 – альбинос, то есть частота
альбинотического генотипа составляет 1 на 10000. Поскольку аллель
альбинизма рецессивен, альбинос должен быть гомозиготным по рецессивному
гену, то есть на языке теории вероятности
[pic]
Зная, что q2 = 0.0001, можно определить частоты аллеля альбинизма (q),
доминантного аллеля нормальной пигментации (p), гомозиготного доминантного
генотипа (p2) и гетерозиготного генотипа (2pq). Так как
[pic]
т.е. частота аллеля альбинизма в популяции равна 0.01 или 1%. Поскольку
p + q =1,
p = 1 – q = 1 – 0.01 = 0.99,
частота доминантного аллеля в популяции равна 0.99, или 99%. А если
p = 0.99 и q = 0.01, то
2pq = 2 ( (0.99) ( (0.01) = 0.0198,
т.е. частота гетерозиготного генотипа составляет 0.0198; иными словами,
примерно 2% индивидуумов в данной популяции несут аллель альбинизма либо в
гетерозиготном, либо в гомозиготном состоянии.
Как показывают все эти вычисления, частота рецессивного аллеля в
популяции неожиданно велика при малом числе индивидуумов с гомозиготным
рецессивным генотипом.
Гетерозиготных индивидуумов, нормальных по фенотипу, но обладающих
рецессивным геном, который в гомозиготном состоянии может вызвать нарушение
метаболизма, называют носителями. Как показывают вычисления с
использованием уравнения Харди-Вайнберга, частота носителей в популяции
всегда выше, чем можно было бы ожидать на основании оценок частоты
фенотипического проявления данного дефекта. Это ясно видно из табл. 1.
Таблица 1. Некоторые наследственные метаболические дефекты и частоты
рецессивных гомозиготных и гетерозиготных генотипов
|Нарушение |Приблизительна|Частота |
| |я частота |ге-терозигот|
| |рецессивного |ного |
| |гомозиготного |генотипа |
| |генотипа (q2) |(2pq) |
|Альбинизм (отсутствие пигментации) |1 на 10 000 |1 на 50 |
| |(в Европе) | |
|Алкаптонурия (моча на воздухе чернеет) |1 на 1 000 000|1 на 503 |
|Семейная амавротическая идиотия (ведет к |1 на 40 000 |1 на 100 |
|слепоте и смерти) | | |
|Сахарный диабет (неспособность секретировать |1 на 200 |1 на 7,7 |
|инсулин) | | |
|Фенилкетонурия (может, если не будет вовремя |1 на 10 000 |1 на 50 |
|выявлена, привести к задержке умственного |(в Европе) | |
|развития) | | |
5 Следствие уравнения Харди-Вайнберга
Из уравнения Харди-Вайнберга следует, что значительная доля имеющихся
в популяции рецессивных аллелей находится у гетерозиготных носителей.
Фактически гетерозиготные генотипы служат важным потенциальным источником
генетической изменчивости. Это приводит к тому, что в каждом поколении из
популяции может элиминироваться лишь очень малая доля рецессивных аллелей.
Только те рецессивные аллели, которые находятся в гомозиготном состоянии,
проявятся в фенотипе и тем самым подвергнутся селективному воздействию
факторов среды и могут быть элиминированы. Многие рецессивные аллели
элиминируются потому, что они неблагоприятны для фенотипа – обуславливают
либо гибель организма еще до того, как он успеет оставить потомство, либо
«генетическую смерть», то есть неспособность к размножению.
Однако не все рецессивные аллели неблагоприятны для популяции.
Например, у человека из всех групп крови чаще всего встречается группа О,
соответствующая гомозиготности по рецессивному аллелю. Другим примером
служит серповидноклеточная анемия. Это наследственное заболевание крови,
широко распространенное в ряде областей Африки и Индии, в некоторых
средиземноморских странах и у негритянского населения Северной Америки.
Индивидуумы, гомозиготные по соответствующему рецессивному аллелю, обычно
умирают, не достигнув половой зрелости и элиминируя таким образом из
популяции по два рецессивных аллеля. Что касается гетерозигот, то они не
гибнут. Установлено, что во многих частях земного шара частота аллеля
серповидноклеточности остается относительно стабильной. У некоторых
Африканских племен частота гетерозиготного фенотипа достигает 40%. Раньше
думали, что этот уровень поддерживается за счет появления новых мутантов.
Однако в результате дальнейших исследований выяснилось, что дело обстоит
иначе: оказалось, что во многих частях Африки, где среди факторов,
угрожающих здоровью и жизни, важное место занимает малярия, люди, несущие
аллель серповидноклеточности, обладают повышенной резистентностью к этой
болезни. В малярийных районах Центральной Америки это селективное
преимущество гетерозиготного генотипа поддерживает частоту аллеля
серповидноклеточности среди населения на уровне 10-20%. У
североамериканских негров, которые уже 200-300 лет не испытывают на себе
селективного эффекта малярии, частота аллеля серповидноклеточности упала до
