1、第十章 群体遗传学, Hardy-Weinberg定律 改变群体基因频率的因素, 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。 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。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 250M的频率：(250X2+500)/1000x2
2、=0.5N的频率：(250X2+500)/1000x2=0.5, 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：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
3、衡群体。一个非平衡群体，随机交配一代以后，成为平衡群体。,平衡群体鉴定,AA Aa aa 是否平衡1. 0.5 / 0.5 -2. 0.4 0.2 0.4 -3. 0.25 0.5 0.25 +,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 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 迁移造成群体间的基因流（gene flow）,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
4、程，是微进化的扩展、累积的结果。,选择的作用,趋同进化：在突变和选择的作用下，对不同五中间具有趋同进化的趋势，这种现象称协同进化。遗传负荷：如果一个群体的突变不断积累，并且这些突变是有害的，就会出现的适合度下降。这种现象被称为遗传负荷。用1w/W来表示遗传负荷的度量。,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582个子女，侏儒相对生育率是：27/108 582/457=0.20, 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
5、aA 当 qv，a的频率增加 qv，A的频率增加 处于平衡时：,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-sq2a频率的改变q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2, 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
6、 success）。 选择系数（selection coefficient，s）：在选择的作用下降低的适合度 。 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.,当有害隐性基因纯合致死时,q0 qn s=1 s=0.50.99 0.50 1 110.50 0.10 8 200.10 0.01 90 1850.01 0.001 900 18050.001 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=q/(1+q0 )q2=q
7、/(1+2q0 )q3=q/(1+3q0 )q4=q/(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-sp(2-p)相对频率 p2(1-s) 2pq(1-s) q 2 p - sp 1-sp(2-p) 1-sp(2-p) 1-sp(2-p) 1-sp(2-p) 选择一代后p的改变: (p-sp)/(1-sp(2-p) - p = -sp(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
8、 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,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
9、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=0.5u=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）：群体内由于抽样误差造成的等位基因频率的随机波动. 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。 瓶颈效应 ：由于自然环境急剧的改变，使得群体中大部分个体死亡，仅存的少数个体侥幸逃生，繁衍成新的群体。,低频率基因由于遗传漂变，成为高频率。东卡罗林群岛 Prin
10、gelap人群，先天性失明占10。由于1780年飓风，原人群大量死亡，遗留下带有失明基因的个体比例很高，使得该群体的后代有病个体大幅度增加。基因频率改变。 AA Aa aa AA Aa aa 0.95 0.04 0.01 0.4 0.2 0.4, 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=0.028美国黑人q10=0.446计算200300年以来，每代由白
11、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,基因组进化,基因组的起源 RNA起源学说 原始RNA的三种作用:剪切，复制和编码，合成。 新基因的形成 突变，转座，重组，扩增。,编码序列的改变,人类中仅仅有1.5%的是编码序列。 染色体加倍，基因重组，外显子洗牌，滑序复制，转座以及突变等原因使得编码序列的基因发生改变，在选择压力下，基因组不断进化, DNA的变化是基因组进化的基础, 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。
12、 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。,功能域或外显子洗牌（exon suffling）,由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接形成全新编码顺序，称为外显子洗牌。例如：组织纤维蛋白溶原酶（TPA）， 作用是促使血液中凝血块的分解。 由组织纤维蛋白溶原酶原激活因子；血纤维蛋白酶原；生长因子等外显子组成。,冗余基因具有功能但是通常不表达的重复基因。,新的重复基因向新基因过渡的重复基因保留部分功能的重复基因 细胞分裂，DNA复制，基础代谢等重要的基因少有
13、重复的多余基因。与发育或涉及生物多样性的多功能域基因冗余。,非编码序列的改变,人类中仅仅有98%的是非编码序列。没有选择压力，基因组积累了大量的变异。非编码序列有未知的功能玉米中转座因子MITE序列，在225kb中有33个重复，在基因两侧。原来认为是没有生物功能的序列，现发现它与复制和调控有关。自私DNA:本身没有功能，进化中处于中性，只是伴随编码DNA复制并遗传。内含子起源：GTAG真核中的内含子，细菌中没有。晚起源与早起源学说,基因岛与基因协同进化,基因组间基因的间隔相差很大，基因在基因组中的分布疏密不一，某些区段形成基因基因集中的基因岛。啤酒酵母缺失了一部分裂殖酵母和其它酵母特有的基因。
14、这些基因功能相近，相伴丢失。,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。 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。 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.,
