Популяционно-статистический метод в генетике. Близнецовый метод

1. Близнецовый метод

2.

Близнецовый
метод
–
это
метод
сопоставления
особенностей
членов
близнецовой пары, позволяющий определить
степень влияния наследственных факторов и
среды на формирование тех или иных
свойств.

3.

Монозиготные
(однояйцевые)
близнецы развиваются из одной
зиготы, причем в оплодотворении
яйцеклетки принимает участие
только один сперматозоид.

4.

Дизиготные
(двуяйцевые)
близнецы развиваются из разных
зигот, когда две разные яйцеклетки
одновременно выходят из яичника
женщины и оплодотворяются
каждая “своим” сперматозоидом.

5. Для идентификации монозиготных близнецов используют критерии диагностики зиготности близнецов – фенотипические признаки,

обусловливаемые только генотипом.
пол
группы крови по разным системам
цвет глаз и кожи
цвета и формы волос
формы носа, губ, рта,
форма и величина головы, ушных раковин,
пальцев и кистей
• особенности строения зубов, цвета их эмали
• расположение веснушек, кожных сосудов
• кожные узоры на пальцах и ладонях

6. Близнецовый метод включает следующие этапы:

1. Подбор групп монозиготных и дизиготных
близнецов.
2. Вычисление степени сходства близнецов внутри
каждой из групп близнецов.
3. Вычисление доли наследственности и доли
среды в развитии изучаемого признака.

7. Подбор групп монозиготных и дизиготных близнецов

Сначала подбирают две группы близнецов:
группу монозиготных близнецов и группу
дизиготных близнецов. Причем подбирают
такие пары близнецов, в которых хотя бы у
одного из двух близнецов имеется изучаемый
признак.

8. Вычисление степени сходства близнецов внутри каждой из групп близнецов

Подсчитывают количество таких пар близнецов, в
которых изучаемый признак встречается у обоих
близнецов. Такой подсчет делают отдельно для
монозиготных и дизиготных близнецов.
Конкордантность – показатель идентичности
близнецов пары по определенному признаку.
СMZ=(nMZ/NMZ)*100%

9. Вычисление доли наследственности и доли среды в развитии изучаемого признака

Формула Хольцингера
Н – коэффициент
наследуемости, доля
вклада наследственности в
формирование изучаемого
признака;
КМБ - коэффициент
конкордантности
монозиготных близнецов
по изучаемому признаку;
КДБ - коэффициент
конкордантности
дизиготных близнецов по
изучаемому признаку.

10.

Если Н > 0,7 (70%), то решающая роль в
проявлении
признака
принадлежит
наследственным факторам
Если Н находится в интервале 0,3—0,7 (30—
70%), то на проявление признака оказывают
влияние
как
наследственные,
так
и
внешнесредовые факторы с тем или иным
преимуществом.
Основная роль факторов внешней среды в
проявлении признака предполагается, если Н <
0,3 (30%).

11.

Задача 1. Конкордантность монозиготных близнецов
по массе тела составляет 80%, а дизиготных
близнецов – 30%. Каковы доля наследственности и
доля среды в формировании этого признака.
Задача 2. Изучены 40 пар монозиготных и 80 пар
дизиготных близнецов. Во всех этих парах хотя бы у
одного из близнецов имелся изучаемый признак. При
этом в 32-х парах монозиготных близнецов и в 16-и
парах дизиготных близнецов этот признак имелся и у
второго
близнеца.
Определите
коэффициент
наследуемости изучаемого признака.

12.

Задача 3. Зарегистрировано 20 пар монозиготных близнецов и 20
пар дизиготных близнецов. При опросе выяснено, что в 15 парах
монозиготных близнецов бронхиальной астмой болели оба, а в
группе дизиготных близнецов оба страдали астмой в 7 семьях.
Вычислите конкордантность по этому признаку и определите роль
наследственности и среды в развитии данного заболевания.
Задача
4.Конкордантность
монозиготных
близнецов
по
врожденному вывиху бедра составляет 41,4%, а дизиготных 2,8%.
Определить долю средовых факторов в развитии врожденного
вывиха бедра?

13.

Задача 5. Конкордантность монозиготных близнецов по
косолапости составляет 45,5%, а дизиготных 18,2%.
Определить, что в основном влияет на развитие этого
признака?
Задача 6. Обследовано 65 пар монозиготных и 87 пар
дизиготных близнецов. При опросе выяснено, что в 63
парах монозиготных близнецов корью болели оба, а среди
дизиготных близнецовкорьюболели оба в 82 парах.
Вычислите конкордантность (%) отдельно для каждой
группы близнецов. На основании этого решите,
существует ли наследственная предрасположенность к
данному заболеванию?

14. ПОПУЛЯЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД

ПОПУЛЯЦИОННОСТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД

15.

Популяция - совокупность особей определенного
вида, в течение большого числа поколений
населяющих определенный ареал, внутри которого
практически осуществляется та или иная степень
панмиксии и нет заметных изоляционных барьеров,
которая отделена от соседних таких же
совокупностей данного вида той или иной степенью
давления тех или иных форм изоляции.

16. Классификация популяций

1. Большие (>4000)
2. Малые ( 1500- 4000)
3. Изоляты (>1500)

17.

Генофонд – совокупность генотипов
всех особей в популяции.
Генотип –
организме.
совокупность
генов
в

18.

Частота генотипа равна доли данного
генотипа к общему числу генотипов в
популяции.
Частота аллели равна доли данной аллели к
общему числу аллелей в популяции.

19. Закон Харди - Вайнберга

В идеальных популяциях частоты
сохраняются из поколения в поколение.
аллелей
Идеальная популяция:
Бесконечно большая численность
Полная панмиксия
Изоляция от других популяций вида
Отсутствие мутаций и естественного отбора

20.

p- частота встречаемости аллеля А
q – частота встречаемости аллеля а
p+q=1

21. Уравнение Харди - Вайнберга

р2 + 2pq + q2 = 1
p2 - частота встречаемости генотипа АА
2pq –частота встречаемости генотипа Аа
q2 - частота встречаемости генотипа аа

22.

1. В популяции человека количество индивидуумов с карим цветом
глаз составляет 51%, а с голубым – 49%. Определите процент
доминантных гомозигот в данной популяции.
2.
В выборке, состоящей из 84 000 растений ржи, 210
растений оказались альбиносами, т.к. у них рецессивные
гены находятся в гомозиготном состоянии. Определите
частоты аллелей А и а, а также частоту гетерозиготных
растений.
3. Одна из форм глюкозурии наследуется как аутосомнорецессивный признак и встречается с частотой 7:1000000.
Определить частоту встречаемости гетерозигот в популяции.

23. Дрейф генов

• Дрейф генов по Райту - случайные колебания
частоты гена в популяции, происходящие без
действия естественного отбора. Дрейфу генов
способствуют: 1) катастрофы в жизни популяций,
за пределами человеческих возможностей
выжить, при этом по каким-то случайным
причинам кто-то остается живым и является
родоначальником новой популяции 2) малые
размеры популяций, 3) эффект основателя –
мигранта.

24. Коэффициент миграции

• Коэффициент миграции (М) = Nm/Nt, где Nm доля мигрантов, Nt - общая численность
популяции. Для сохранения генофонда
популяции доля мигрантов в популяции не
должна быть велика. Несмотря на увеличение
смешанных по этническому принципу
популяций доля межнациональных браков не
превышает нескольких процентов.

25. Демографическая структура популяции

• включает: размер популяции, рождаемость,
смертность, национальный состав, величина
миграции, ассортативность браков
• Рождаемость и смертность зависят от уровня
социальной обеспеченности и генотипа супругов.
Размер популяции определяет степень эндогамии
(в изолятах м.б. высокий уровень родственных
браков). От уровня эндогамии зависит частота
рождения детей с патологией,
мертворождаемости и смертности.

26. Брачная ассортативность

• Брачная ассортативность может быть по возрасту, уровню
образования, национальности, религиозной
принадлежности.
• Она может быть определена по следующей формуле:
• А = Vo/Ve Vo – доля одонациональных браков, Ve – доля
браков, ожидаемых при панмиксии, Ve = X·Y
• Y – доля мужчин данной национальности, Х – доля
женщин той же национальности.
• Если А = 1, популяция панмиксная,
• А<1 – отрицательная брачная ассортативность (доля
однонациональных браков меньше, чем при панмиксии),
это приводит к увеличению гетерозиготности.
• А>1 положительная ассортативность (доля
однонациональных браков больше, чем при панмиксии),
это приводит к увеличению гомозиготности.

27. Полиморфизм популяции

• - доля полиморфных локусов из всех
исследованных. Полиморфным признаком
называется моногенный признак, по
которому в популяции присутствуют по
крайней мере два фенотипа или генотипа с
частотой не менее 1-2%.

28. Полиморфизмы ядерной ДНК

• Проводятся исследования по различным
типам: однонуклеотидные замены,
инсерционно-делеционный полиморфизм,
мини и микро-сателлиты. Кроме того,
изучается распространение в разных
популяциях, частоты тех или иных
гаплотипов, т.е. различных сочетаний
аллелей полиморфных участков (например,
Alu- повторы, СА-повторы). На основании
этих исследований выясняются пути
миграций народов и их происхождение.

29. Полиморфизм мтДНК

• Полиморфизм митохондриальной ДНК
используется в популяционных исследованиях изза простоты выделения ДНК. Основной
особенностью этого полиморфизма является
отсутствие рекомбинаций у человека и
материнский тип наследования. Y- хромосомный
полиморфизм имеет отцовское наследование и
обнаруживает отсутствие рекомбинации за
исключением псевдоаутосомных районов.
Благодаря изучению этих типов полиморфизма
выясняется вклад митохондриального генома и
Y-хромосомы в изменение генофонда популяций.

30. Полиморфизм маркеров Y-хромосомы

• Показано, что существует 10 вариантов
гаплотипов. Два из них Eu18 и 19 являются
наиболее древними. Eu18 встречается у басков на
Пиренейском полуострове, они считаются
наиболее древними европейцами. Частота этого
гаплотипа уменьшается с Запада на Восток. Eu19 с
наибольшей частотой встречается в восточноевропейских странах: Польше, Венгрии и на
Украине. Большая часть мужчин Европы относится
к более древним родословным и не более 20%
относятся к родословным, которые появились
после ледникового периода.

31. Наибольшим разнообразием обладают африканские популяции

• Было показано, что наибольшим разнообразием
обладают африканские популяции, особенно
южнее Сахары. На основании также высокого
уровня гетерозиготности, и подразделенности
Африканских популяций генетики, занимающиеся
этой проблематикой, высказали предположение,
что человек имеет африканское происхождение.
Хотя не все антропологи с этим согласны.

32. Низкий уровень генетического разнообразия европейцев по сравнению с африканцами

• Был проведен (Bertanpetit, Sykes, 1996, Torroni, 1998)
анализ мт ДНК лиц, взятых из европейских популяций и
Ближнего Востока (баски, британцы, швейцарцы,
сардинцы, болгары, турки, бедуины, палестинцы,
йеменские евреи). В каждом образце секвенировались
гипервариабельные участки 1 и 2 и изучался
рестрикционный полиморфизм всей мт ДНК. Был показан
низкий уровень генетического разнообразия европейцев
по сравнению с африканцами. Кроме того была
установлена клинальная изменчивость с большей
изменчивостью на Ближнем Востоке по сравнению с
Западом.

33. ВОЗМОЖНОСТИ ПОПУЛЯЦИОННО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА

Метод используется для:
• определения частоты генов и генотипов в популяции;
• анализа генетического расстояния между
популяциями;
• анализа полиморфизма как кодирующих, так и
некодирующих участков ядерной и митохондриальной
ДНК;
• коэффициента миграции;
• подсчета коэффициента отбора;
• коэффициента инбридинга в семьях и популяциях.

34. Этапы ПОПУЛЯЦИОННО – СТАТИСТИЧЕСКОГО исследования

Подбор популяции с учетом ее
демографической характеристики.
Сбор материала (медицинское обследование,
анкетирование, изучение документов,
имеющихся в церкви, ЗАГС'ах, архивах.
Выбор молекулярно-генетического и др.
методов в зависимости от поставленной задачи.
Выбор метода статистического анализа.

35. Показатели генетической характеристики популяций

• Частота маркерных генов в популяции
Fst по Райту или Gst Нея - генетическое
разнообразие популяции;
• Fe - селективно-нейтральный уровень
разнообразия;
• Ne - эффективный размер популяции;
• S - коэффициент отбора;
• Me - генетически эффективная миграция;
• Н - гетерозиготность;
• d - генетическое расстояние.

36. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТ ГЕНОВ И ГЕНОТИПОВ В ПОПУЛЯЦИИ. ЗАКОН ХАРДИ - ВАЙНБЕРГА

• В идеальных популяциях, т.е. в условиях панмиксии
(свободного скрещивания) и при отсутствии мутирования
(А -> а и а -> А), отбора и миграций, частоты аллелей в
ряду последующих поколений сохраняются.
В первом поколении при частотах аллелей в популяции рА и qa устанавливаются частоты генотипов:
• р2 АА+ 2pq Аа + q2 аа,
• Отсюда pA = р2 + 2pq/2 = p(p +q) = p
• qa = q2 + 2pq/2 = q(q + p) = q

37. Генетика групп крови системы АВО Теория множественных аллелей

Берштейн (1878 – 1956) предположил, что
существует система множественных аллелей,
обозначенных как I A, I B, I 0.
• В этой системе аллели IA и IB кодоминантны относительно
друг друга и доминантны по отношению к аллею I0.
• Определим частоты четырех групп крови системы АВО
согласно теории множественных аллелей. Ген I
локализован длинном плече 9-й хромосомы (9q34).
Обозначим частоты аллелей IА - pA, IB - qB , IO – r0. В сумме
эти частоты равны 1, также как (p + q) 2 = 1.
• Укажем в таблице частоты 6-и вариантов генотипов по 4
группам крови, исходя из формулы
(pA + qB + r0)2
. Феликс

38. Формула Харди-Вайнберга для 3-аллельной системы

Группа Генотип
крови
Частота
Частота групп крови
генотипов
O IoIo
A IA IA
IAIo
r2o
B
q2B
AB
IBIB
IBIo
IA IB
p2A
2pAr
2qBr
r2o
o
o
2pAqB
2pAr
2qBr
o
+ p2A
o+
2pAqB
q2B

39.

• Определите процентное соотношение людей с группами
крови A, В, АВ и 0 среди русских и бурятов по данным,
представленным в таблице.
• Обозначим частоты аллелей IА - pA, IB - qB , IO – r0
• У русских: 0,249 + 0,189 + 0,562 = 1
• Люди с первой группой крови гомозиготы по аллелю - IOIO,
поэтому частота этой группы крови будет равна = 0,562 2 =
0,315844 =31,58 %
• Формулы для определения частот лиц с группами крови А,
В, АВ:
• A = 2 r0 pA + pA2
• B = 2 r0 qB +qB2
• AB = 2 pA qB
• Далее приводится таблица с расчетами

40.

41. Инбридинг

Формулы расчета

42. Определение коэффициента инбридинга между родственниками различной степени родства

Родословная
А-удвоенное число
общих
предков
В - число
ступеней
передач от
отца
С - число
ступеней
передач от
матери
Коэффициент
инбридинга
F = A (1/2) B + C
Между двоюродными
сибсами
4
3
3
F = 4 (1/2)6
=1/16
Между двоюродными
дядей и племянницей
4
4
3
F = 4 (1/2)7
=1/32
Коэффициент
инбридинга
F = Σ (1/2) n-1
F = (1/2)5 +
(1/2)5 =1/16
– по два
круга
передач
через мать и
отца к
бабушке и
дедушке
n=7+7
F = (1/2)6 +
(1/2)6 =1/32

43. Коэффициенты инбридинга между родственниками различной степени родства

Родословная
Аудвоенное
число
общих
предков
Вчисло
ступеней
переда
ч от
отца
С - число
2
3
3
ступеней
передач
от
Коэффициент
инбридинга
F = A (1/2) B + C
Коэффициент
инбридинга
F = Σ (1/2) n-1
матери
F = 2 (1/2)6
=1/32
n = 6 (по
одному
кругу), так
как один
предок F =
(1/2)5 =1/32
4
5
3
5
3
F = 4 (1/2)10 =
1/256
F = 4 (1/2)6 = 1/16
= 16/256
Cумма величин F по
двум родственным
путям =
17/256
Общие предки:
I.1, I.2, III.2, III.3
F = Σ (1/2)9 +(1/2)9+
(1/2)5+ (1/2)5 =
1/512
+ 1/512 + 1/32 +
1/32 = 1/512 + 1/512
+ 16/512 + 16/512 =
34/512 = 17/256

44. ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ

45. Определение коэффициента инбридинга в сложной родословной

I
II
III
IV
V
Путь 1: I.1→ II.1→ III.1→ IV.1 (отец) →V.1+ I.1→ II.3→ III.3→ IV.2(мать) →V.1
(первый круг).
Путь 2: I.1→ II.3→ III.3→ IV.2 →V.1+ I.1→ II.1→ III.1→ IV.I. → V.1. (второй круг).
Путь 3: 1→ II.2→ III.2→ IV.1 →V.1 + I.1→ II.3→ III.3→ IV.2 (третий круг).
Путь 4: I.1→ II.3→ III.3→ IV.2→V.1 + 1→ II.2→ III.2→ IV.1 →V.1 (четвертый круг)
F = (1/2)7 + (1/2)7 (1/2)7 + (1/2)7= 4/128 = 1/32
F = 4 (1/2)8+ 4 (1/2)8 = 4/256 + 4/256 = 8/256 = 1/32

46. Определение генетической структуры популяции с известной частотой q2

• В популяции 16 % людей имеют группу крови N.
Определите долю лиц с группами крови М и M N в
этой популяции при условии панмиксии
• qN = √0,16 = 0,4
• pM = 1 - 0,4 = 0,6
• Частота лиц с группой крови ММ = 0,36 = 36%
• Частота гетерозигот 2pq = 2 x 0,4 x 0,6 =0,48
• Cумма всех генотипов: 0,16 + 0,36 + 0,48 = 1

47.

Определение генетического состава популяции, в которой коэффициент
отбора по гомозиготам аа = 1 (S aa = 1)
В популяции, состоящей из 100 млн. людей, 40 тыс. поражено
заболеванием, вызываемым рецессивным геном. Если этим
лицам воспрепятствовать в воспроизведении потомства и если
численность популяции не изменится, сколько больных будет в
следующем поколении?
Частота больных рецессивным заболеванием q2 равна (после
сокращения 0) 0,0004
Частота аллеля q = 0,02,
Частота аллеля р = 0,98, частота p2 = 0,9604
Частота гетерозигот 2 х 0,02 х 0,98 = 0,0392
Генетический состав двухаллельной популяции: 0,9604АА +
0,0392Аа + 0,0004 аа = 1
Коэффициент отбора по аа равен 1, источником аллеля а будут
только гетерозиготы, вернее их половина: q = 0,0392 : 2 + 0 =
0,0196. q2 = 0,000384 = 0,0384% (qa = q2 + 2pq/2). Эта величина
от 100 млн. составит 38400