GENETICA GENETICA POPULATIILORPOPULATIILOR

lucrarealucrareapracticapractica nr.9nr.9

AsistAsist. Univ. Dr. FLORINA RAICU. Univ. Dr. FLORINA RAICU

ObiectiveleObiectivele lucrariilucrarii::

Cum Cum caracterizamcaracterizam o o populatiepopulatie umanaumana din din punctpunctde de vederevedere genetic;genetic;

LegeaLegea HardyHardy--Weinberg;Weinberg;

UtilitateaUtilitatea intelegeriiintelegerii sisi aplicariiaplicarii legiilegii HW in HW in geneticagenetica medicalamedicala sisi evolutiaevolutia biologicabiologica a a specieispecieiumaneumane;;

Termeni cheie:Termeni cheie:

PopulatiaPopulatia grup de indivizi ce apartin aceleiasi grup de indivizi ce apartin aceleiasi specii, ocupa acelasi teritoriu, se incrucisa randomic specii, ocupa acelasi teritoriu, se incrucisa randomic ((panmicticpanmictic))

Structura genetica a populatieiStructura genetica a populatiei: totalitatea : totalitatea genelor din acea populatie (genelor din acea populatie (genofond/genegenofond/gene--poolpool), ), frecventa alelelor acestor gene si modul in care frecventa alelelor acestor gene si modul in care sunt distribuite alelele intre indivizii populatiei.sunt distribuite alelele intre indivizii populatiei.

EchilibrulEchilibrul HardyHardy--WeinbergWeinbergIn cazul unui caracter raspunzator pentru un anumit fenotip puteIn cazul unui caracter raspunzator pentru un anumit fenotip putem m implica una sau mai multe gene.implica una sau mai multe gene.Pentru o singura gena, in cazul unui individ, avem doar 2 alele Pentru o singura gena, in cazul unui individ, avem doar 2 alele posibile.posibile.IntrIntr--o populatie insa putem avea mai multe alele;o populatie insa putem avea mai multe alele;

Frecventa alelelor unei gene este diferita intrFrecventa alelelor unei gene este diferita intr--o populatie data;o populatie data;Frecventa alelelor poate fi calculata daca se cunoaste modul de Frecventa alelelor poate fi calculata daca se cunoaste modul de transmitere al respectivului caracter/ gena si numarul de alele transmitere al respectivului caracter/ gena si numarul de alele prezent in populatie.prezent in populatie.

Frecventa alelelor este importanta deoarece pe aceasta baza puteFrecventa alelelor este importanta deoarece pe aceasta baza putem m calcula frecventa genotipurilor din populatia data;calcula frecventa genotipurilor din populatia data;Determinarea genotipului este importanta in determinarea fenotipDeterminarea genotipului este importanta in determinarea fenotipului ului (de ex., cazul purtatorilor (de ex., cazul purtatorilor sanatosisanatosi bolile recesive)bolile recesive)

FENOTIPFENOTIP GENAGENA ALELEALELE FRECVENTAFRECVENTAALELEALELE

FRECVENTA FRECVENTA GENOTIPGENOTIP

EchilibrulEchilibrul HardyHardy--WeinbergWeinberg

Godfrey Harold HardyGodfrey Harold Hardy Wilhelm WeinbergWilhelm Weinberg

Realatia matematica dintre frecventele alelelor si Realatia matematica dintre frecventele alelelor si frecventele genotipurilor dintrfrecventele genotipurilor dintr--o populatie a fost o populatie a fost enuntata de matematicianul G.H. Hardy si medicul enuntata de matematicianul G.H. Hardy si medicul german W. Weinberg in anul 1908.german W. Weinberg in anul 1908.

Principiu:Principiu:In anumite In anumite conditii, conditii, frecventa alelelor frecventa alelelor dintrdintr--o populatie o populatie va ramane va ramane constanta de la o constanta de la o generatie la alta.generatie la alta.

NumarulNumarul de de indiviziindivizidintrdintr--oo categoriecategorie

FrecventaFrecventa = = NumarulNumarul total de total de indiviziindivizi

dintrdintr--oo populatiepopulatie

O O populatiepopulatie aflataaflata in in echilibruechilibru HardyHardy--Weinberg Weinberg nunuevolueazaevolueaza;;

O O astfelastfel de de populatiepopulatie esteeste considerataconsiderata un un cazcaz IDEAL;IDEAL;

Hardy Hardy sisi Weinberg au Weinberg au ajunsajuns independent la independent la concluziileconcluziile lorloranalizandanalizand freceventafreceventa alelicaalelica la la generatiigeneratii succesivesuccesive

LegeaLegea HardyHardy--Weinberg Weinberg esteeste adevarataadevarata doardoar dacadaca suntsuntindepliniteindeplinite urmatoareleurmatoarele conditiiconditii:: 1. 1. PopulatiaPopulatia esteeste numeroasanumeroasa 2. 2. ImprecheriImprecheri randomicerandomice 3. 3. NuNu aparapar mutatiimutatii 4. 4. NuNu existaexista migratiemigratie/flux genetic/flux genetic 5. 5. NuNu apareapare selectiaselectia naturalanaturala

O O astfelastfel de de populatiepopulatie:: se se aflaafla in in echilibruechilibru genetic; genetic; esteeste o o populatiepopulatie idealaideala;; frecventafrecventa genelorgenelor nunu se se schimbaschimba dede--a a lungullungul

generatiilorgeneratiilor

ConditiiConditii pentrupentru legealegea HardyHardy--WeinbergWeinberg

alelaalela A Ochi Ochi negrinegri alelaalela a Ochi Ochi albastrialbastriPrinPrin conventieconventie:: AlelaAlela ceacea maimai comunacomuna ((AA)) apareapare cu cu frevcventafrevcventa pp AlelaAlela maimai putinputin comunacomuna ((aa)) apareapare cu cu frevcventafrevcventa qq

DeciDeci, , intrintr--oo populatiepopulatie de 100 de de 100 de indiviziindivizi::p + q = 100 p + q = 100 sausau p + q =1 (FRECVENTA ALELELOR)p + q =1 (FRECVENTA ALELELOR)

GenotipurileGenotipurile posibileposibile in in populatiepopulatie: AA + 2Aa + : AA + 2Aa + aaaa = 100%= 100%FrecventaFrecventa genotipurilorgenotipurilor : p2 + 2pq + q2 = 1 (: p2 + 2pq + q2 = 1 (ecuatiaecuatia HW)HW)

EchilibrulEchilibrul HardyHardy--WeinbergWeinbergin in cazulcazul genelorgenelor autozomaleautozomale

ExemplulExemplul: : ochiochi negrinegri vs. vs. ochiochi albastri/verzialbastri/verzi

CelCel maimai des, des, noinoi putemputem observaobserva doardoarfenotipulfenotipul AlelaAlela AA ((dominantadominanta)) AlelaAlela aa ((recesivarecesiva))

GrupaGrupa noastranoastra are 18 are 18 studentistudenti:: 17 cu 17 cu ochiochi negrinegri 1 cu 1 cu ochiochi verzi/albastriverzi/albastri

PasulPasul 11Se Se calculeazacalculeaza frecventafrecventa genotipuluigenotipuluihomozigothomozigot ((aaaa) )

De De cece?? qq22 esteeste homozigothomozigot recesivrecesiv ((aaaa))

StimStim cu cu sigurantasiguranta acestacest lucrulucru doardoar dacadaca neneuitamuitam la la eiei

q2 q2 = 1/18= 1/18 qq22 = 0.0555 = 0.0555

((altfelaltfel spusspus o,5% o,5% dintredintre studentistudenti suntsunt aaaa))

PasulPasul 22

Se Se calculeazacalculeaza frecventafrecventa alelei recesiverecesiveaa ((respectivrespectiv q))

q2 = 1/18 = 0.0555= 1/18 = 0.0555 q = 0.0555= 0.0555 q = 0.2356= 0.2356 ((altfelaltfel spusspus 23% 23% dintredintre alelealele suntsunt alelealele aa)

PasulPasul 33

Se Se calculeazacalculeaza frecventafrecventa aleleialeleidominantedominante AA ((respectivrespectiv pp))

StimStim ca: ca: p + q = 1p + q = 1 decideci p = 1 p = 1 qq

p = 1p = 1-- 0.23560.2356p = 0.7644p = 0.7644

PasulPasul 4:4:StimStim frecventelefrecventele aleleloralelelor. . PutemPutem calculacalculaacumacum frecventafrecventa celorlaltecelorlalte genotipurigenotipuri pp22sisi 2 2 pqpq pp22 ((homozigothomozigot dominant) =dominant) =

pp22 =0.584=0.584 ((aproximativaproximativ 58 % 58 % suntsunt homozigotihomozigoti AAAA))

2pq2pq ((heterozigotiheterozigoti)=)= 2 2 pqpq= 0.3554= 0.3554 ((aproximativaproximativ 35 % 35 % suntsunt AaAa))

PasulPasul 5:5: Verificarea dubla

((p2 ) + () + (2pq) + () + (q2 ) = 1) = 1(0.584) + (0.3554) + (0.0555) = 1(0.584) + (0.3554) + (0.0555) = 1

1 = 11 = 15,5% + 58,4% + 35,5% = 15,5% + 58,4% + 35,5% = 1 UraaaUraaa, , esteeste corectcorect!!!!!!

Exemplu: Exemplu:

Boala Boala autozomal recesivaautozomal recesivaIncidenta 1:7189 Incidenta 1:7189

Deci qDeci q2 2 = 1/7189 = 0,00013= 1/7189 = 0,00013q= 0,00013 = 0,011q= 0,00013 = 0,011

alela alela qq apare cu o frecventa de 1,1%apare cu o frecventa de 1,1%Deci p = 1 Deci p = 1 -- q = 0,989q = 0,989alela alela pp apare cu o frecventa de 98,9%apare cu o frecventa de 98,9%Genotipul pGenotipul p2 2 = 0,989 = 0,989 2 2 = 0,978 sau 97,8%= 0,978 sau 97,8%Iar Iar Genotipul 2pq = 2 x 0,989 x 0,001 = 0,0217 Genotipul 2pq = 2 x 0,989 x 0,001 = 0,0217 sau 2,17%(adica frecventa indivizilor afectati)sau 2,17%(adica frecventa indivizilor afectati)

EchilibrulEchilibrul HardyHardy--WeinbergWeinbergin in cazulcazul aleleloralelelor codominantecodominante

Exemplul grupului Exemplul grupului sangvin MN:sangvin MN:

In acest caz frecventa In acest caz frecventa alelelor este simplu de alelelor este simplu de calculat pentru ca in calculat pentru ca in cazul alelelor cazul alelelor codominante fiecare codominante fiecare genotip este distinct genotip este distinct fenotipic.fenotipic.

IntrIntr--o populatie de 100 eschimosi:o populatie de 100 eschimosi:36 au grupa M (sunt MM) au 72 alele M 36 au grupa M (sunt MM) au 72 alele M 48 au grupa MN (sunt MN) au 48 alele M si 48 alele N48 au grupa MN (sunt MN) au 48 alele M si 48 alele N16 au grupa N (sunt NN) au 32 alele N16 au grupa N (sunt NN) au 32 alele N

Total 120 alele M si 80 aleTotal 120 alele M si 80 alele N le N Frecventa alelei M (p) = 120/200 = 0,6Frecventa alelei M (p) = 120/200 = 0,6Frecventa alelei N (q) = 80/200 = 0,4Frecventa alelei N (q) = 80/200 = 0,4

EchilibrulEchilibrul HardyHardy--WeinbergWeinbergin in cazulcazul genelorgenelor situate situate pepe cromozomiicromozomii de de

sexsex

X A X a

X A

X a

X A X A X A X a

X A X a X a X a

Frecventa genotipurilor pentru femeiFrecventa genotipurilor pentru femei

X A Y

X A

X a

X A

(P)

Frecventa genotipurilor pentru barbatiFrecventa genotipurilor pentru barbati

X AY

(P)

X a

(q)

X aY

(q)

Echilibrul Hardy-Weinbergin cazul polialeliei

O gena poate avea mai multe alele diferite (de exemplu genele O gena poate avea mai multe alele diferite (de exemplu genele pentru sistemul sangvin ABO trialelie cu codominanta)pentru sistemul sangvin ABO trialelie cu codominanta)

Frecventa alelei A = pFrecventa alelei B = qFrecventa alelei O = rp p + q + r + q + r = 1= 1pp22 + + 2pr 2pr ++ qq22 + + 2qr 2qr ++ 2pq 2pq + + rr2 2 = 1= 1Prin calculmatematic deducem

p=1- prop. de indivizi cu fenotip B+Oq=1- prop. de indivizi cu fenotip A+O

Fenotip Genotip Frecventa genotipurilor

Frecventa fenotipurilor

A AAAO

p22pr

p2+2pr

B BBBO

q22qr

q2+2qr

AB AB 2pq 2pq

O OO r2 r2

Exemplu: Sistemul sangvin ABOSistemul sangvin ABOIntr-o populatie de 3977 indivizi gasim frecventele alelicep = 0,27q = 0,06r = 0,67Deci p2 (AA) = 0,272 = 0,07292pr (AO) = 2 x 0,27 x 0,67 = 0,3618q2 (BB) = 0,062 = 0,00362qr (BO) = 2 x 0,06 x 0,67 = 0,08042pq (AB) = 2 x 0,27 x 0,67 = 0,0324r2 (OO) = 0,672 = 0,4489

Grupul sangvin A: 0,0729+0,3618 =0,4347Grupul sangvin B: 0,0804+0,0036=0,084Grupul sangvin AB: 0,0324Grupul sangvin O: 0,4489

Deci indivizi cuA avem 43,47x3977/100=1728 indiviziB avem 8,4x3977=334 indiviziAB avem 3,2x3977=127O avem 44,8x3977=1781

Factori ce modifica echilibrulHardy-Weinberg

Frecventa alelica a unei umite gene intr-un gene-pool poate fimodificata de 5 elemente evolutive:1. Mutatia2. Migratia3. Driftul genetic 4. Casatoriile neintamplatoare5. Selectia

Echilibrul HW este un model ideal deoarece el este adevarat doar in anumite conditii specifice.Orice modificare de la conditiile legii HWconduce la alterarea frecventei alelelor intr-o populatie. Pe termen lung estimarile legii HW nu sunt reale deoarece populatiile se afla in dinamica (conditie a evolutiei).

mutatiamutatia

migratiamigratia

selectiaselectia

driftuldriftul geneticgenetic

casatoriilecasatoriile

neintamplatoareneintamplatoare

Mutatiile spontane in ADN creaza alele noi.implicit noi genotipuri noi

sursa variabilitatii geneticeprin introducerea de noi alelein genofondul unei populatii.

CeCe elementeelemente pot pot modificamodifica structurastructura geneticagenetica a a uneiuneipopulatiipopulatii? ?

suntsunt introduseintroduse alelealele noinoi, , suntsuntindepartateindepartate alelealele sausau esteeste modificatamodificatafrecventafrecventa aleleloralelelor existenteexistente

IndiviziiIndivizii intra in intra in noinoi populatiipopulatiiimigratiaimigratia: : intrareaintrarea intrintr--oo populatiepopulatieemigratiaemigratia: : plecareaplecarea dintrdintr--oo populatiepopulatie

gene flowgene flow

mutatiamutatia

migratiamigratia

selectiaselectia

naturalanaturala

driftuldriftul geneticgenetic

casatoriilecasatoriile

neintamplatoareneintamplatoare

CeCe elementeelemente pot pot modificamodifica structurastructura geneticagenetica a a uneiunei populatiipopulatii? ?

apar diferente in supravietuire sau reproducere

Descendenta este realizata preponderent doar de posesorii unui anumit genotip.Creste frecventa genotipurilor cu fitness ridicatPoate fi:artificialanaturala

conduce la adaptare

mutatiamutatia

migratiamigratia

selectiaselectia

driftuldriftul geneticgenetic

casatoriilecasatoriile

neintamplatoareneintamplatoare

CeCe elementeelemente pot pot modificamodifica structurastructura geneticagenetica a a uneiunei populatiipopulatii? ?

FormeleFormele SelectieiSelectiei SelectiaSelectia esteeste un concept statistic:un concept statistic:

NuNu se se poatepoate precizapreciza destinuldestinul unuiunui singursingur individindivid dardarpoatepoate preziceprezice cece tip de tip de individindivid vava devenideveni maimai des des intalnitintalnitintrintr--oo populatiepopulatie..

Au fost idetificate 3 tipuri de selectie naturala Au fost idetificate 3 tipuri de selectie naturala SelectieSelectie stabilizatoarestabilizatoareActioneazaActioneaza pentrupentru eliminareaeliminarea ambelorambelor fenotipurifenotipuri extremeextreme SelectieSelectie eliminatoareeliminatoareActioneazaActioneaza pentrupentru eliminareaeliminarea fenotipuluifenotipului intermediarintermediar SelectieSelectie directionaladirectionalaActioneazaActioneaza pentrupentru eliminareaeliminarea unuiunui singursingur fenotipfenotip extremextrem

De exemplu, la om copii cu greutateintermediara la nastere au ceamai ridicata rata de supravietuire

Selectiastabilizatoare

Creste frecventafenotipuluiintermediar

In populatiileafricane de pasari, predomina fie celefoarte mari fie cele foarte mici

Fenotipulintermediar fiinddezavantajat

Mai adaptati samanevreze semintele

mici

Pot sa deschidaseminte mari

Selectia eliminatoare

Selectiadirectionala

Selectia prin expunerela malarie

Modificarile genetice apar datoritasansei observata in populatii mici

mutatiamutatia

migratiamigratia

selectiaselectia

naturalanaturala

driftuldriftul

geneticgenetic

casatoriilecasatoriile

neintamplatoarneintamplatoar

CeCe elementeelemente pot pot modificamodifica structurastructura geneticagenetica a a uneiunei populatiipopulatii? ?

8 RR8 pp

Inainte:

Dupa:2 RR6 pp

0.50 R0.50 p

0.25 R0.75 p

CauzeleCauzele driftuluidriftului genetic genetic PopulatiaPopulatia se se micsoreazamicsoreaza datoritadatorita limitariilimitarii resurselorresurselorEfectulEfectul fondatorfondator: un : un grupgrup micmic de de indiviziindivizi formeazaformeaza o o

nouanoua populatiepopulatie intrintr--oo altaalta locatielocatie..Bottleneck: Bottleneck: dimensiuneadimensiunea populatieipopulatiei scadescade bruscbrusc datoritadatorita

conditiilorconditiilor de de mediumediu

Bottleneck gatuituraDefineste fixarea sau

eliminareaaccidentala,intamplatoare, a unor alele in cadrul unei

populatii.

mutatiamutatia

migratiamigratia

selectiaselectia

naturalanaturala

driftuldriftul geneticgenetic

casatoriilecasatoriile

neintamplatoareneintamplatoare

CeCe elementeelemente pot pot modificamodifica structurastructura geneticagenetica a a uneiunei populatiipopulatii? ?

CasatoriileCasatoriile intreintre membriimembrii aceleiasiaceleiasifamiliifamilii..

ConsangvinizareaConsangvinizarea crestecresteprobabilitateaprobabilitatea ca ca sasa aparaaparadescendentidescendenti homozigotihomozigoti ((homozigotiihomozigotiimostenescmostenesc 2 2 copiicopii ale ale aceleiasiaceleiasi alelealelede la un ancestor).de la un ancestor).

casatoriilecasatoriile intamplatoareintamplatoare ((randomicerandomice)

casatoriilecasatoriile neintamplatoareneintamplatoare (non/(non/randomicerandomice))

APLICATII ALE LEGII HARDY WEINBERGAPLICATII ALE LEGII HARDY WEINBERG

1. 1. CalculareaCalcularea frecventeifrecventei heterozigotilorheterozigotilor purtatoripurtatori de de gene gene mutantemutante recesiverecesive..SS--a a observatobservat ca ca atunciatunci candcand alelaalela recesivarecesiva esteeste rararara(q (q esteeste foartefoarte micmic) ) existaexista un un numarnumar mare de mare de purtatoripurtatoriin in populatiepopulatie..

2. 2. CaracterizareaCaracterizarea populatiilorpopulatiilor pepe bazabaza frecventelorfrecventelor lorloralelicealelice. . AnalizaAnaliza acestoracestor frecventefrecvente indicandindicand gradulgradul de de inrudireinrudiregeneticagenetica intreintre populatiipopulatii geograficgeografic diferitediferite..

3. 3. PopulatiilePopulatiile evolueazaevolueaza deoarecedeoarece la la nivelulnivelul lorlor aparaparschimbarischimbari ale ale frecventeifrecventei alelicealelice. . DacaDaca frecventelefrecventeleobservateobservate diferadifera semnificativsemnificativ de de celecele asteptateasteptateteoreticteoretic, , atunciatunci in in populatiapopulatia respectivarespectiva ss--a a produsprodus o o modificaremodificare evolutivaevolutiva..

GENETICA POPULATIILORlucrarea practica nr.9Conditii pentru legea Hardy-WeinbergExemplul: ochi negri vs. ochi albastri/verziPasul 1Pasul 2Pasul 3Pasul 4:Pasul 5:Formele SelectieiSelectia stabilizatoareSelectia eliminatoareSelectia directionalaCauzele driftului genetic