Genetika kvantitativních znaků Genetika kvantitativních znaků Populace a genetická variabilita doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. urban@mendelu. cz EVROPSKÁ UNIE OP WdéllMM MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY pwfcentan INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem Česká 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 24/% EVROPSKÁ UNIE PTA k-.-Hi:rH-:T h-i;:!'(-,| INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a stálnim rozpočtem české republiky 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. '~■ MINISTERSTVO skol5tv OPVidilMri V^^U EVROPSKÁ UNIE ■ vlAOEÍE A TELOVÝCHOVY pn tookunmemchonmi <1h*»' INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slalnim 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) -3a -2a -a 0 o 2o 3a • Diskrétní variabilita - mendelistická x - fenotypový rozdíl vyplývající ze segregace alel jednoho genu EVROPSKÁ UNIE ^^^S^NDEI-lJ^^T i ministerstvo ěkolstvl, ■ MlAOEÍE A tělovýchovy 24/% pro híwiKure nc e*c MojKHJbt m INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským socižlnim fondem a slalnim rozpočtem České republiky Genetika kvantitativních znal Variance genetická Genetická variabilita je v populacích, když se vyskytuje více než jedna alela v lokusu. Takováto populace je segregující 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. 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... INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slalnim rozpočtem České republiky INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociSlnim fondem a slalnim rozpočtem České republiky Genetika kvantitativ^aj^ geiietÍky POpUldCÍ 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 - popisem 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. H!if Ú§ '~■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ OPVriíl*** ^.^^o? EVROPSKAUNIE m^^& m MLAOEÍE A TĚLOVÝCHOVY pra líonkurmemcholiml fW»»v 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a stálnim rozpočtem České republiky INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNI Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a stálnim rozpočtem České republiky Tomáš Urban - MENDELU ^24/^) i MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ OP¥mél**H 'l^^^fý EVROPSKÁ UNIE k^^V ■ MLAOEÍE A TĚLOVÝCHOVY pra NgWMtKlMtM Genetika kvantitativních znal 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 I ministerstvo s«o EVROPSKÁ UNIE ■ mlAoeíeatělovýc Školství. op lovýchqvy pf* INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a stálnim rozpočtem České republiky Výpočet frekvencí genotypů absolutní frekvence AA D Aa H aa D+H+R=N relativní frekvence d = D h = r = N H_ /V R_ 77 d + h + r = '\ EVROPSKÁ UNIE PTÁ k-.-Hi:rH-:'f hi;:!'r.-, t INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským soci§lnim fondem a slalnim rozpočtem České republiky Genetika kvantitativních" ¥ýpočet frekvencí alel absolutní frekvence relativní frekvence A P=2D+H P _ 2D + H _ P 2N 2N _2R + H _ Q a Q=2R+H 2N 2N P+Q=2N p + q=1 p = f(A) = f{AA)+Vf{Aa) q = f{g) = f(aa)+ Y>f(Aa) I ministerstvo ško EVROPSKÁ UNIE ■ mlAoeíeatělovýc Školství. op lovýchow pf* INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slálnim rozpočtem České republiky Využití dat molekulární genetiky počet jedinců 30 50 20 d = 30/100 = 0,30 h = 50/100 = 0,50 r= 20/100 = 0,20 p = frekvence fragmentů 6,5 kb v populaci - f(A) q = frekvence fragmentů 3,0 kb v populaci - f(a) P q [(2 . 30) + 50]/200 = 0,55 =0,30 + 0,50/2 = 0,55 [(2 . 20) + 50]/200 = 0,45 =0,20 + 0,50/2 = 0,45 24/% EVROPSKÁ UNIE I Ui k-.-Hi:rH-:'f f« h-i;:!'(-,| INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským socí§lním fondem a stálnim rozpočtem České republiky Genetika kvantitati|\/|h^a7ů89; M N 457J 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; r = 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 sociálním fondem a stálnim rozpočtem České republiky Hardy-Weinbergův 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským socižlnim fondem a slálnim ro/ľpoclem České republiky Tomáš Urban - MENDELU ^24/^0) i ministerstvo Školství opvum*** 'i^"^^ EVROPSKAUNIE k^^V ■ mladeíe A tělovýchovy pra tookunmemchwml 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 ? '~■ ministerstvo SKOL5TV OPVidilMri v^^u EVROPSKÁ UNIE ■ vlADEÍE A tělovýchovy pra Iconkurmemcholimi <1h*»' INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slalnim rozpočtem České republiky Nepřekrývající se generace Narození Dospívání -► Rozmnožování Smrt generace í - 1 Narození Dospívání Rozmnožování Smrt generace ř Narození Dospívání Rozmnožování Smrt generace t + 1 EVROPSKÁ UNIE ^^^S^NDEI-lJ^^T i ministerstvo ěkolstvl, ■ MlADEÍG A tělovýchovy 24/% pro híwiKure nc e*c nojKHJbt INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským socíSlním fondem a slalnim rozpočtem České republiky Genetika kvantitativní Odvození H.-W. zákona ■Schéma křížení Vajíčka Spermie p ~ A q ~ a p ~ A -A q ~ a > Matematické vyjádření pro 1 gen - 2 alely ,2 (/I + ay = VW + 2/la + \aa = N p2+2pq + q2=*\ I ministerstvo ško EVROPSKÁ UNIE ■ mlAoeíeatělovýc Školství. op lovýchow pf* INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slalnim rozpočtem České republiky Mendel a populace gamety gamety, AA ®P 1,00 Aa x 0,5 aa ®i 1,00 Aa ^0,5 a) q 0,25 25 m _ a q 0,25 0,25 Aa aa pq d2 Poměr 3:1 je určen frekvencemi alel! Aa (G: 1 ; 2 0 0 AA Aq aa p2 2pq q2 1 0,25 0,5 0,25 12 1 24/% EVROPSKÁ UNIE STVl, or pro honkunHKnchofmnt INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociSlnim fondem a slalnim rozpočtem České republiky Geneti|^N£|i||ívg|r2nak|Ljjy^^ Frekvence zygot (potomstvo) AAxAA D2 1 0 0 AAxAa 2DH 1/2 1/2 0 AAx aa 2DR 0 1 0 AaxAa H2 1/4 1/2 1/4 Aa x aa 2HR 0 1/2 1/2 aa x aa R2 0 0 1 d '= D2 + 2DH/2 + H2/4 = (D + H/2)2 = p2 H '= 2DH/2 + 2DR + H2/2 + 2Hf?/2= 2(D + H/2) (Q + H/2)= 2pq R '= H2/4 + 2HR/2 + R2 = (R + H/2)2 = q2 mW w o oi r^^^B i ministerstvo skolstv OPVnUIMnl v EVROPSKÁ UNtE ■ vlAOEÍE A telovýchovy pra fconkurmemchoomi 'IM*»' INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slálnim rozpočtem české republiky Za předpokladu platnosti podmínek HWE je frekvence homozygotů AA (D 'u potomků) p2, frekvence aa (R) je q2 a frekvence heterozygotů >4a (H) je 2pq. spermie A (p) a (q) A (p) vajíčka • to) spermie A(p) a«t) Aa PQ Aa aa pq q> když p = q = 0,5 když p - 0,75 q = 0,25 EVROPSKÁ UNIE ^^^řfcNDELIJ^^r i ministerstvo Školství, W^^& ■ mlaoeíe A telovýchovy 24/% pro híwikure nc e*c riojKHJbt IMI INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociBlnim fondem a slálnim rozpočtem české republiky Lze určit frekvenci alely u potomků - důkaz: p '= p •důkaz, že za H.-W. předpokladů zůstávají frekvence alel a genotypů stejné napříč generacemi -> mendelistická dědičnost nemění sama o sobě frekvence alel. Tato situace se nazývá Hardy-Weinbergova rovnováha (HWE). •pokud se genotvpové 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slalnim rozpočtem České republiky Jedna frekvence alel - více frekvencí genotypů Pouze v 1 případě je populace v genetické rovnováze! f{AA) 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 0,70 0,20 0,10 0,80 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 ff- + 2pq + X2tab. ~ ^e průkazný rozdíl mezi pozorovanými a očekávanými četnostmi a H0 se zamítá. Pak populace pro daný lokus není v genetické rovnováze. X2vypoč.< X2tab. ~ ^e shoda mezi pozorovanými a očekávanými četnostmi a H0 se nezamítá. Pak populace pro daný lokus je v genetické rovnováze. 24/% EVROPSKÁ UNIE I Ui k-.-Hi:rH-:'f h-i;:!'(-,| INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sodiSlnim fondem a slalnim rozpočtem České republiky Genetika kvantit^junícbjznaků 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: + p2 + p3 + ... + pn)2 = 1 I ministerstvo ško EVROPSKÁ UNIE ■ mláoeíeatělovýc školství. op lovýchqvy pf* INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a slálnim rozpočtem České republiky %2 test dobré shody n—p—\ (P-oy Testování genetické rovnováhy ^ test (test dobré shody) SS (p2) I FS (2pq) | FF(q2) 2 Pozorované frekvence (absolutní) 66 20 14 100 Očekávané frekvence (nlativnl) 0,5776 0,3648 0,0576 1,00 Očekávané frekvence (absolutní) 57,76 36,48 5,76 100 d = (P - 0) 8,24 -16,48 8,24 X2- 2 0 1,176 7,445 11,788 20,408 24/% EVROPSKÁ UNIE I Hi k-.-Hi:rH-:'f h-i;:!'(-,| INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Tato prezentace je spolufinancována Evropským sorJiálnim fordem a slálnim rozpočtem České republiky