Genetika kvantitativních znaků Genetika kvantitativních znaků Populace a genetická variabilita doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. urban@mendelu. cz EVROPSKÁ UNIE ministerstvo školství. MlADEZE A tělovýchovy INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Genetika populací Popis genetické struktury populací a zákonitosti jejich změn Genetika populací - kvalitativních znaků - kvantitativních znaků (Genetika kvantitativních znaků) Mendelistická genetika Matematicko-statistické metody INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpoclem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 1 ■ Iff rief} ^^^^^^^m t^^^ä ■ ministerstvo školství. »V....... ^.^^s7 EVROPSKAJNIE 90^0 ■ ulaoeze a rÉUCVrCHOVí ph^n««^ Genetika kvantitativních znaků Základní pojmy genetiky populací Co je genetika populací? genetika populací studuje vyskytující se genetické rozdíly mezi organizmy ~ genetická variance Co jsou populace? lokální skupina jedinců stejného druhu žijící v určitém prostředí, kteří se mezi sebou pohlavně rozmnožují a jejichž genetické založení vytváří genofond ~ Mendelovská populace Genofond Sada genetické informace přenášená jedinci populace Časovým měřítkem v genetice populací je generační interval (období, které uplyne od narození předka do narození jeho potomka) Efektivní velikost populace - velikost ideální panmiktické populace, ve které by genetické procesy (např. změny ve frekvenci alel vlivem selekce či driftu) probíhaly stejnou rychlostí jako v dané reálné populaci. EVROPSKÁ UNIE ministerstvo školství, MlAOEZE A TĚLOVÝCHOVY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Diverzita fenotypová •Jedinci se mezi sebou liší ve fenotypu a to v mnoha vlastnostech •Genetika populací se zabývá fenotypovou diverzitou a to zejména diverzitou způsobenou rozdíly v genotypech •Genetická variabilita existuje ve většině populací •Kontinuální variabilita - normální distribuce (Galton) ř(x)=—L_ (x-Mf 2 a2 Diskrétní variabilita - mendelistická - fenotypový rozdíl vyplývající ze segregace alel jednoho genu EVROPSKÁ UNIE o m INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 Genetika kvantitativních znaků Variance genetická Genetická variabilita je v populacích, když se vyskytuje více než jedna alela v lokusu. Takováto populace je seqrequiící nebo-li polvmorfní na tom daném lokusu. Některé lokusy jsou fixované > všichni jedinci populace jsou homozygotní ve stejné alele. V přirozených populacích je genetická variabilita vždy, ale ne pro všechny vlastnosti nebo lokusy. Variabilita mezi populacemi stejného druhu > genetická rozrůzněnost (genetic differentiation). Dvě populace mohou být fixovány pro dvě různé alely stejného lokusu. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slátnlm rozpočtem České republiky ^T^^ ■ ministerstvo školství. 'tJ^Tlr EVROPSKÁ UNIE »0■ uhde1e « iělovichov* mi™.™™.!™™! Variabilita = polymorfizmus Jak poznáme v populaci genetickou variabilitu? Morfologická variabilita - tvar listu, rohatost Chromozomální polymorfizmus - inverze, delece, translokace, ... Proteinový polymorfizmus - změny sekvencí aminokyselin mohou vést ke změnám fyzikálních vlastností proteinů (enzymy) Polymorfizmus sekvence DNA - místa rozpoznání restrikčními endonukleázami, nukleotidové rozdíly, SNP, microarray... EVROPSKÁ UNIE INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slátnlm rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 Genetika kvantitativních znaků Cíle genetiky populací Genetika populací má tři vzájemně propojené cíle: Vysvětlit původ a zachovávání genetické variance. Vysvětlit modely a organizaci genetické variance. Pochopit mechanizmy, které zapříčiňují změny ve frekvencích alel a genotypů. Genetika populací kvalitativních znaků se pak zabývá: - popis frekvence alel a genotypů f>opisem změn ve frekvencích alel a genotypů v čase genetické změny v populacích za generaci) - analýzou faktorů vedoucí ke změnám alelových a genotypových frekvencí - určením, jakou měrou tyto faktory mění frekvence alel a genotypů. EVROPSKÁ UNIE ministerstvo školství. ulade2e a tělovýchovy INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Popis populace Genetická data populace mohou být vyjádřena jako frekvence alel a genotypů Každý gen má nejméně dvě alely (dipioidní organismy) Součet všech frekvencí alel v populaci může být považován za charakteristiku populace (genofond) V populaci mohou být frekvence alel různých genů velmi odlišné Dvě populace stejného biologického druhu nemusí mít stejné frekvence genotypů a alel populace MM MN NN M N Grónsko 0,835 0,156 0,009 0,92 0,08 Island 0,312 0,515 0,173 0,57 0,43 EVROPSKÁ UNIE INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpoclem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 Genetika kvantitativních znaků Symbolika označení • model lokusu se 2 alelami A & a =^> 3 genotypy • rozsah populace N • frekvence absolutní (velká písmena) a relativní (malá písmena) • frekvence vyjadřuje pravděpodobnost výskytu ■ Iff (i) 1 u1nistehstvo skol5tv! opwaUMrf ^-J^T**' INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a stáLnim rozpočtem České republiky Výpočet frekvencí genotypů absolutní frekvence relativní frekvence AA D d = ° N Aa H N aa R R r = — N D+H+R=N d + h + r = "\ ■ iff Ď (Í) ^^^^^^^m ^^^^B ■ wjnistehstvo skolstv! v,^^^ EVROPSKÁ jn1e 90^0 ■ ulAoeíe a TĚkOTÍCHOVl m ^^^-^ **tŕÄ»* INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 5 Genetika kvantitativních znaků Výpočet frekvencí alel absolutní frekvence relativní frekvence A P=2D+H p 2D + H _ P 2N 1 \2N 2R + H J Q a Q=2/?+H q 2N \2N p = d h—h 2 q = r +—h 2 P+Q=2N p + q = 1 p = f{A) = f{AA) + Y2f{Aa) q = f{a) = f{aa)+Y2f{Aa) EVROPSKÁ UNIE ministerstvo školství. ulade2e a telovýchovy INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sooálnlm fondem a státním rozpočtem České republiky Využití dat molekulární genetiky počet jedinců 30 SO 20 p = frekvence fragmentů 6,5 kb v populaci ~ f(A) q = frekvence fragmentů 3,0 kb v populaci ~ f(a) d = 30/100 = 0,30 h = 50/100 = 0,50 r= 20/100 = 0,20 p = [(2 . 30) + 50]/200 = 0,55 q = [(2 . 20) + 50]/200 = 0,45 EVHOPSKA UNIE INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sooálnlm fondem a státním rozpoclem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 Genetika kvantitativních znaků Příklad M 1789; MN 457; N 89 => N = 2335 1. absolutní frekvence genotypové MM = 1789 (D); MN = 457 (H); NN = 89 (R) 2. relativní frekvence genotypové: d= 1789/2335 = 0,766; h = 457/2335 = 0,196; = 89/2335 = 0,038 3. absolutní frekvence alel P = (2 . 1789 + 457) = 4035 Q = (2 . 89 + 457) = 635 4. relativní frekvence alel p = 3578/4670 = 0,864 q = 635/4670 = 0,136 p =(2.1789+457)/4670= 0,864 q =(2.89 + 457)/4670= 0,136 p = 0,766 + 0,196/2 = 0,864 q = 0,038 + 0,196/2 = 0,136 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sooálnlm fondem a státním rozpočtem České republiky H R f Ľ M ^T^^ ■ ministerstvo školství. 'tJ^Tlŕ EVROPSKÁ UNIE »0■ uhde1e A TÉUJVŕOHOVTr mim,™™..™™! Hardy-Weinberguv zákon genetické rovnováhy (HWE) H. a W. jej objevili na sobě nezávisle v r. 1908 HWE předpovídá, jak budou přenášeny frekvence alel z generace na generaci za specifických podmínek... Velká panmiktická populace je v průběhu generací v rovnováze, tj. nemění se její genetická struktura, tzn. genové a genotypové četnosti jsou konstantní z generace na generaci EVROPSKÁ UNIE INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sooálnlm fondem a státním rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 Genetika kvantitativních znaků Předpoklady platnosti HWE - nekonečně velká (dostatečně) - panmixie (náhodné páření) - nepůsobí evoluční síly (selekce, migrace, mutace) - všichni jedinci mají stejnou plodnost - nejsou rozdíly ve frekvencích alel mezi pohlavími - nepřekrývající se populace - geny na autozomech - diploidní organismy ? Co spojuje generace ? INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slátnlm rozpočtem České republiky ■ Iff Ľ M ^T^^ ■ ministerstvo školství. »n*"* 'tJ^Tlŕ EVROPSKÁ UNIE »0■ uhde1e A TÉDOVrOHOVY mim,™™.»™™! panmixie \J mendelistická dědičnost nemění sama o sobě frekvence alel. Tato situace se nazývá Hardy-Weinbergova rovnováha (HWE). •pokud se qenotypové frekvence změnily beze změny frekvence alel, pak se frekvence genotypů vrátí na hodnoty za HWE za jednu generaci náhodného páření. •Jestliže evoluční síly změní frekvence alel, pak nová HWE nastane s genotypovými frekvencemi, odpovídajícími novým frekvencím alel (nové p a g tvoří p2, 2pq a q2), opět za jednu generaci náhodného páření. , n. H p =P +— 2 2 2pq = p = p +pq = p(p + q) = P EVROPSKÁ UNIE ministerstvo školství, ulAdeje a tělovýchov* INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Jedna frekvence alel - více frekvencí genotypů Pouze v 1 případě je populace v genetické rovnováze! HAA) f(Aa) f(aa) P (A) q (a) 0,60 0,40 0,00 0,80 0,20 0,61 0,38 0,01 0,80 0,20 0,64 0,20 0,10 ÔfiÔ 0^20 0,75 0,10 0,15 0,80 0,20 0,80 0,00 0,20 0,80 0,20 Pouze je-li populace v genetické rovnováze, lze odvodit frekvenci genotypů z frekvencí alel dle yO2 + 2pq + cf- = 1 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sooálnlm fondem a státním rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 11 ■ Iff Ľ M ^^^^^^^m T^^^Ä ■ ministerstvo školství, »V....... ^.^^S7 EVROPSKÁ JN1E 90^0 ■ ulaoeíe a rÉUCVrCHOVT ph^^^M^ Genetika kvantitativních znaků Grafické znázornění H.W.E. Vztah frekvence genotypů a alel q (p = 1 - q) 1 0,9 0,8 I °'7 c 0,6 ľ 0,5 o S 0,4 > £ 0,3 u. 0,2 0,1 0 \-7 \ n R1 /nm \0,64 ♦ AA • Aa aa k0,42 f<32 ■s0,36 k0,32 '0,18 \0,18 0 -^ -Má, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Frekvence alely q EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, U lAOEÍE A IélOvvCh Dv v p* I INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpoclem České republiky Testování Hardy-Weinbergovy rovnováhy •Rovnovážný genetický stav v populaci nastává, když platí konkordátní (souhlasného) rozložení genotypů, vycházející ze základní rovnice genetické rovnováhy: 2 2 P A 2pq „2 „2 p -q = 2,00 d.r-h Í-T = 2,00 Relativní počet homozygotů je roven relativnímu počtu heterozygote! Genotypové sekvence rovnovážného stavu jsou plně určovány frekvencemi alel, tedy rovnováha genová předchází rovnováze genotypové EVROPSKÁ UNIE o m INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpoclem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 12 Genetika kvantitativních znaků Testování Hardy-Weinbergovy rovnováhy Populace je v genetické rovnováze, když frekvence genotypů pozorovaných P (skutečných) se statisticky neliší od frekvencí genotypů za genetické rovnováhy O (očekávané). Na vyhodnocení se používá statistický test dobré shody - x2 (chí kvadrát) test: {p-or Ar\-p-\ q Vypočítaná hodnota se porovnává s tabulkovou hodnotou pro příslušnou pravděpodobnost (95 a 99 %) a stupně volnosti. Stupně volnosti se zjistí podle: df = počet tříd dat - počet parametrů odhadovaných z dat -1 = n - p -—Y.- ^EBto INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ ■ |y| | Tato prezentace je spolufinancována -i "f- U3J ř Evropským sociálním fondem - ministerstvo školství. OHWHWéI ^7^ X2tab. ~ ^e průkazný rozdíl mezi pozorovanými a očekávanými četnostmi a H0 se zamítá. Pak populace pro daný lokus není v genetické rovnováze. 5C2Vypoč.< X2tab. ~ ^e shoda mezi pozorovanými a očekávanými četnostmi a H0 se nezamítá. Pak populace pro daný lokus je v genetické rovnováze. EVROPSKÁ JME Ml INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVANÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU 22/03/2013 13 Genetika kvantitativních znaků Důsledky H.W. rovnováhy Frekvence alel předpovídají frekvence genotypů V rovnováze se frekvence alel a genotypů nemění Rovnováha je dosažena za 1 generaci panmixie => složení populace je nenáhodné => populace je složena tak, aby se zopakovala 2 alely: (p + q)2 = p2 + 2pq + q2 = 1 3 alely: (p + q + r)2 = p2 + 2pq + q2 + r2 + 2pr + 2qr = 1 N alel: (p, + p2 + p3 + ... + pn)2 = 1 EVROPSKÁ UNIE ministerstvo školství. mlAdeíe a tělovýchov* IMI INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky X2 test dobré shody JCn—p—y {P-of o Testováni genetické rovnováhy % test (test dobré shody) SS{p2) fs (2pq)| ff (q2) 2 Pozorované frekvence 66 20 14 100 (absolutní) Očakávané frekvence 0,5776 0,3648 0,0576 1,00 ■'í'.::í.'';'j,