群体遗传学最新课件

1、群体遗传学最新 第六章第六章 群体遗传学群体遗传学群体遗传学群体遗传学(population genetic)(population genetic)：是应用数是应用数学和统计学方法研究群体的基因频率、基因型学和统计学方法研究群体的基因频率、基因型频率以及影响这些频率的因素及遗传结构与演频率以及影响这些频率的因素及遗传结构与演变规律的科学变规律的科学 。 群体遗传学最新第一节第一节 Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡定律及其应用平衡定律及其应用一一 基本概念基本概念 1 群体群体 指生活在一定空间范围内、能互相指生活在一定空间范围内、能互相交配产生有生殖能力后代的许多

2、同种个体交配产生有生殖能力后代的许多同种个体称为群体，也称为孟德尔群体称为群体，也称为孟德尔群体(Mendelian (Mendelian population)population)。群体遗传学最新2 2 群体遗传组成：群体遗传组成：MendelMendel群体中的群体中的基因基因及及基因型基因型的的种类种类和和频率。频率。3 3 群体遗传：群体遗传：群体遗传用群体中各等位基群体遗传用群体中各等位基因的比例或各种基因型的比例来表示群体因的比例或各种基因型的比例来表示群体的遗传组成。的遗传组成。群体遗传学最新4 基因库基因库(gene pool)(gene pool): : 一个群体所具有的一

3、个群体所具有的全部遗传信息。全部遗传信息。5 基因型频率基因型频率(genotype frequency):(genotype frequency):是指是指群体中某特定基因型的个体数占个体总数群体中某特定基因型的个体数占个体总数的比率。的比率。群体遗传学最新6 等位基因频率等位基因频率(allele frequency)(allele frequency): : 指指群体中某一基因座位上某特定基因出现的群体中某一基因座位上某特定基因出现的个数与该位点上可能出现的全部等位基因个数与该位点上可能出现的全部等位基因总数的比率；即是指某一基因在群体中出总数的比率；即是指某一基因在群体中出现的频率，又

4、现的频率，又 称基因频率。称基因频率。群体遗传学最新 等位基因所占的百分比叫这一等位基因等位基因所占的百分比叫这一等位基因 的的基因频率基因频率 某个群体一某个群体一 某一基因型所占的百分比是它的某一基因型所占的百分比是它的基因基因个基因座个基因座 型频率型频率 某一表型所占的百分比是它的某一表型所占的百分比是它的表型频率表型频率 某个群体一某个群体一 基因频率基因频率=1 =1 个基因座个基因座 基因型频率基因型频率=1=1 表型频率表型频率=1=1群体遗传学最新7 7 遗传多态遗传多态(genetic polymorphism)(genetic polymorphism)：同一同一群体中，

5、某基因座存在群体中，某基因座存在2 2个或个或2 2个以上等位基个以上等位基因的现象，称为因的现象，称为遗传多态遗传多态。通常以某等位基。通常以某等位基因频率大于因频率大于0.010.01为达到遗传多态的标准。为达到遗传多态的标准。群体遗传学最新8 8 杂合度杂合度：由该基因座所有杂合子所占的群：由该基因座所有杂合子所占的群体频率来表示体频率来表示, ,是衡量群体在某一座位遗传变是衡量群体在某一座位遗传变异度的指标。异度的指标。 杂合度杂合度= =群体中杂合子人数群体总人数群体中杂合子人数群体总人数群体遗传学最新 影响因素影响因素迁移等因素群体的隔离状态选择压力基因突变率婚配方式群体大小二二

6、群体遗传的变化及其影响因素群体遗传的变化及其影响因素群体遗传学最新三三 Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡定律平衡定律1 Hardy-Weinberg1 Hardy-Weinberg平衡定律：平衡定律：Hardy-WeinbergHardy-Weinberg定律建立在一个理想的群体模式上，有下列假设定律建立在一个理想的群体模式上，有下列假设前提条件：前提条件：群体无限大；群体无限大；随机婚配；随机婚配；没有没有突变；突变；没有大规模的迁移和遗传漂变；没有大规模的迁移和遗传漂变；没有没有选择的影响。选择的影响。群体中的基因频率和基因型频率在群体中的基因频率和基因型频率在

7、逐代传递中保持不变。逐代传递中保持不变。 群体遗传学最新2 Hardy-Weinberg2 Hardy-Weinberg平衡定律的推证：平衡定律的推证： 一对等位基因的推证一对等位基因的推证(p78 (p78 自学自学) )四四 Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡定律的意义平衡定律的意义1 1 反映基因频率和基因型频率的关系反映基因频率和基因型频率的关系 按按Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡定律，达到遗传平平衡定律，达到遗传平衡的群体，基因频率和基因型频率之间的关系衡的群体，基因频率和基因型频率之间的关系用公式表示。用公式表示。群体遗传学最

8、新某基因座两个等位基因频率分别为某基因座两个等位基因频率分别为p p、q q，则：，则：(p(pq)q)1 (p1 (pq)q)2 2p p2 2+2pq+q+2pq+q2 2等式的左侧称配子组数；右侧称合子组数等式的左侧称配子组数；右侧称合子组数 基因频率与基因型频率的数量关系为：基因频率与基因型频率的数量关系为：纯合子基因型频率等于该基因频率的平方纯合子基因型频率等于该基因频率的平方 杂合子基因型频率等于该两基因频率乘积的二倍杂合子基因型频率等于该两基因频率乘积的二倍 群体遗传学最新 2 2 群体样本的检验：对抽样调查的结果进行群体样本的检验：对抽样调查的结果进行 检验，评估所调查的群体是

9、否符合检验，评估所调查的群体是否符合Hardy-Hardy- Weinberg Weinberg定律，评估群体调查资料的可靠定律，评估群体调查资料的可靠 性。由于在实际中性。由于在实际中“理想群体理想群体”不存在，不存在，所所 以在应用群体调查资料之前，需要先检验以在应用群体调查资料之前，需要先检验 对象群体是否是统计学意义的对象群体是否是统计学意义的Hardy-Hardy- Weinberg Weinberg平衡群体。平衡群体。 群体遗传学最新 群体的群体的Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡检验方法主要平衡检验方法主要用吻合度法。吻合度检验是运用检验来衡用吻合度法。

10、吻合度检验是运用检验来衡量基因型数目的观察值与该位点上全部基量基因型数目的观察值与该位点上全部基因型频率分布在符合因型频率分布在符合Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡平衡时的期望值之间的吻合程度。时的期望值之间的吻合程度。群体遗传学最新 计算公式如下：计算公式如下：自由度自由度dfdf基因型观察数等位基因数基因型观察数等位基因数基因型的期望值按照基因型的期望值按照 Hardy-WeinbergHardy-Weinberg公式计算公式计算 纯合子基因型数纯合子基因型数的期望值的期望值=(=(基因频率基因频率) )2 2样本数样本数杂合子基因型数杂合子基因型数的期望值的期

11、望值=2=2( (基因频率基因频率1)1)( (基因频率基因频率2)2)样本样本数数期望值观察值期望值22群体遗传学最新查表求查表求p p值，以值，以P0.05P0.05作为无显著性差异的界限。作为无显著性差异的界限。 该法优点：计算简便该法优点：计算简便P0.05P0.05说明调查的群体达到了遗传平衡，本次群体说明调查的群体达到了遗传平衡，本次群体调查的数据可信。调查的数据可信。P P0.050.05，有三个问题要考虑：，有三个问题要考虑：被调查的群体不是处于遗传平衡状态；被调查的群体不是处于遗传平衡状态；遗传标记分型的技术或标准出现误差；遗传标记分型的技术或标准出现误差；没有达到随机抽样的

12、要求。没有达到随机抽样的要求。 群体遗传学最新 五五 Hardy-WeinbergHardy-Weinberg平衡定律的应用平衡定律的应用（一）估计基因频率和杂合度（一）估计基因频率和杂合度1 1 常染色体基因频率和杂合度的估计常染色体基因频率和杂合度的估计 共显性等位基因频率估计共显性等位基因频率估计群体遗传学最新 MNMN血型血型: M N: M N基因基因 共显性遗传共显性遗传 4q4q747747人：人：M M血型血型233,233,占占31.231.2； N N血型为血型为129,129,占占17.317.3 MNMN血型为血型为385 385 占占51.551.5；M M基因频率基

13、因频率=p N=p N基因频率基因频率=q p+q=1=q p+q=1p=(233p=(2332+385)2+385)(747(7472)=0.572)=0.57q=(129q=(1292+385)2+385)(747(7472)=0.432)=0.43群体遗传学最新显、隐性等位基因的基因频率的估计。显、隐性等位基因的基因频率的估计。A A频率频率=p a=p a频率频率=q (p+q)=q (p+q)2 2=p=p2 2+2pq+q+2pq+q2 2=1=1白化病白化病(AR)(AR)发病率发病率=1/20000 =1/20000 aa=qaa=q2 2=1/20000=0.00005=1/

14、20000=0.00005a=q=0.000050.007a=q=0.000050.007A=p=1-q=1-0.007=0.993A=p=1-q=1-0.007=0.993杂合子频率杂合子频率2pq2pq2 20.9930.9930.0070.0070.01390.0139群体遗传学最新复等位基因的基因频率估计复等位基因的基因频率估计一个基因座上有三个等位基因，其基因一个基因座上有三个等位基因，其基因平衡的公式为平衡的公式为: :(p+q+r)(p+q+r)2 2=p=p2 2+2pq+q+2pq+q2 2+2qr+r+2qr+r2 2+2pr=1+2pr=1群体遗传学最新ABOABO血型血

15、型: I: IA A I IB B I, I, 总人数总人数190177190177人人 A A型：型：79334 79334/190177=0.41716 79334 79334/190177=0.41716 B B型：型：16279 16279/190177=0.08560 16279 16279/190177=0.08560 O O型：型：88782 88782/190177=0.4668488782 88782/190177=0.46684ABAB型：型：5782 57821/90177=0.030405782 57821/90177=0.03040设：设：I IA A=p I=p I

16、B B=q i=q i=r =r 群体遗传学最新群体中各基因型频率列表如下：群体中各基因型频率列表如下： 人群中人群中ABOABO血型的分布血型的分布 血型血型( (表现型表现型) A B O AB) A B O AB 基因型基因型 I IA AI IA A I IA Ai Ii IB BI IB B I IB Bi ii Ii ii IA AI IB B基因型基因型 预期预期 p p2 2+2pr q+2pr q2 2+2qr r+2qr r2 2 2pq2pq频率频率 调查调查 0.41716 0.08560 0.46684 0.030400.41716 0.08560 0.46684 0

17、.03040r=0.46684 =0.683 Ar=0.46684 =0.683 A型和型和O O型的频率相加为：型的频率相加为：p p2 2+2pr+r+2pr+r2 2=(p+r)=(p+r)2 2=(1-q)=(1-q)2 2 q=1-A+O=1-0.41716+0.46684=0.06 q=1-A+O=1-0.41716+0.46684=0.06 B B型和型和O O型的频率相加为：型的频率相加为：q q2 2+2qr+r+2qr+r2 2 =(q+r) =(q+r)2 2 =(1-p) =(1-p)2 2 p=1-B+O =1-0.08560+0.46684=0.257p=1-B+O

18、 =1-0.08560+0.46684=0.257群体遗传学最新 2 X2 X连锁基因频率的估计：对连锁基因频率的估计：对X X连锁基因频率的连锁基因频率的计算，由于男性为半合子，计算，由于男性为半合子，X X染色体的基因有染色体的基因有2/32/3在女性中，在女性中，1/31/3在男性中。在男性中。XgXga a和和XgXg是一对是一对X X染色染色体上的等位基因体上的等位基因,Xg,Xga a对对XgXg是显性是显性,Xg,Xg是隐性，用是隐性，用血清学方法检出血清学方法检出Xga(+)Xga(+)者，有者，有XgXga a基因，基因，Xga(Xga() )者只有者只有XgXg基因。基因。

19、群体遗传学最新调查了调查了589589个白人个白人 男性男性298 188298 188为为Xga(Xga() )，占，占63.1%63.1% ； 110110为为Xga(Xga() )，占，占36.9%36.9%，男性：男性：XgXga a=0.631 =0.631 XgXg=0.369=0.369女性女性291 260291 260为为Xga(Xga() )，占，占89.3%89.3%； 3131为为Xga(Xga() )，占，占10.7%10.7%， 女性：女性： XgXg=0.107=0.327 =0.107=0.327 XgXga a=1-0.327=0.673=1-0.327=0.

20、673群体遗传学最新( (二二) ) 利用利用X X2 2检验检验MNMN血型基因的血型基因的Hardy-Hardy-WeinbergWeinberg平衡平衡检测了检测了17881788人的群体，人的群体， M M型：型：397397人；人；MNMN型：型：861861人；人；N N型为型为530530人人求得：求得：M M的基因频率为的基因频率为0.46280.4628 N N的基因频率为的基因频率为0.53720.5372群体遗传学最新X2 = 1.77 df=3-2=1 0.1p 0.2群体遗传学最新(三三) Xg Xg血型基因频率在男女群体中无差异的血型基因频率在男女群体中无差异的X

21、X2 2检验检验 男性男性 女性女性 合计合计 Xg (a+) Xg (a-) Xg (a+) Xg (a-) 观察值观察值(O) 188 110 260 31 589期望值期望值1 (C1) 2982980.631 0.631 2980.369 291 291(1-0.3692) 2910.3692 188.04188.04 109.96 251.37 =39.62 588.99期望值期望值2(C2) 2980.673 2980.327 291(1-0.3272) 2910.3272 200.55 97.45 259.86 =31.14 589589(O-C1)(O-C1)2 2C1 0.0

22、0 0.00 0.29 1.87 2.16C1 0.00 0.00 0.29 1.87 2.16 (O-C2)(O-C2)2 2C2 0.79 1.62 0.00 0.00 2.41C2 0.79 1.62 0.00 0.00 2.41 期望值期望值1 1用男性群体的基因频率计算期望人数用男性群体的基因频率计算期望人数期望值期望值2 2用女性群体的基因频率计算期望人数用女性群体的基因频率计算期望人数群体遗传学最新观查值与期望值观查值与期望值1 1的误差的的误差的2 2计算值为计算值为2.162.16p p值范围值范围:0.5:0.5p p0.70.7； 观查值与期望值观查值与期望值2 2的误差

23、的的误差的X X2 2计算值为计算值为2.412.41p p值范围值范围:0.3:0.3p p0.50.5 df=(4 df=(41)(2-1)=31)(2-1)=3群体遗传学最新 第二节第二节 影响群体基因频率的因素影响群体基因频率的因素群体遗传组成发生变异的原因群体遗传组成发生变异的原因 :基因突变基因突变 基因间的重组基因间的重组 基因在群体间的交流基因在群体间的交流一一 突变：基因的一种等位形式变成另一种等位突变：基因的一种等位形式变成另一种等位形式。形式。群体遗传学最新 正突变正突变 A a 回复突变回复突变1 1 基因突变率基因突变率(mutation rate)(mutation

24、 rate)：在某一世代，在某一世代，基因的一种等位形式突变成另一种等位形基因的一种等位形式突变成另一种等位形式的概率。一般用每代中每一百万个基因式的概率。一般用每代中每一百万个基因发生的突变数来表示。发生的突变数来表示。 u=nu=n1010-6-6 / /基因基因/ /代代群体遗传学最新当当=1.010-5时时,等位基因等位基因A的基因频率随世代的的基因频率随世代的变化如下变化如下 由于自发突由于自发突变的频率极变的频率极低，纯粹由低，纯粹由突变而引起突变而引起的群体基因的群体基因的改变非常的改变非常缓慢。缓慢。图6-1 等位基因等位基因A的基因频率随世代的变化的基因频率随世代的变化群体遗

25、传学最新2 2 中性突变中性突变 (neutral mutation):基因突变后，对机体无明显的益处和害处。基因突变后，对机体无明显的益处和害处。基因突变基因突变 有害的表现效应有害的表现效应 选择选择二二 选择选择1 1 选择选择( (selection) )指群体中不同基因型个体的差指群体中不同基因型个体的差别生活能力和差别生殖能力。别生活能力和差别生殖能力。2 2 只有选择发生在育龄期前或育龄期之间，只有选择发生在育龄期前或育龄期之间，才才会影响群体的基因频率和基因型频率。会影响群体的基因频率和基因型频率。群体遗传学最新3 适合度与选择系数适合度与选择系数1)1)适合度适合度(fitn

26、ess)：在一定环境条件下，某基因在一定环境条件下，某基因型个体与其他基因型个体相比能够生存并留下型个体与其他基因型个体相比能够生存并留下子裔的能力，又称适合值子裔的能力，又称适合值(adaptive value)。2) 相对生育率：一般将正常的纯合个体的适合相对生育率：一般将正常的纯合个体的适合度定为度定为1，为生育率正常，其它基因型与之比较，为生育率正常，其它基因型与之比较的相对值为相对生育率的相对值为相对生育率 (relative fertility) 。群体遗传学最新侏儒侏儒( (软骨发育不全软骨发育不全) )108108人人( (患者患者) ) 生育生育 2727个孩子个孩子 457

27、457个正常同胞个正常同胞 生育生育 582582个孩子，个孩子，侏儒的相对生育率：侏儒的相对生育率：相对生育率相对生育率=(27/108)=(27/108)(582/457)=0.196(582/457)=0.196群体遗传学最新 群体遗传学最新3）选择系数）选择系数 (selective coefficient S) 指在选择作用下适合度降低的程度。指在选择作用下适合度降低的程度。 S1f f：适合度：适合度 选择对群体遗传结构改变所起的作用选择对群体遗传结构改变所起的作用称为选择压力称为选择压力(selection pressure)。群体遗传学最新4 4）选择效应：是指选择引起的选择效

28、应：是指选择引起的群体基因频率群体基因频率和基因型频率和基因型频率在大小和方向上的改变。在大小和方向上的改变。5 5）突变压力：在自然界中，存在着突变所构突变压力：在自然界中，存在着突变所构成的突变压力成的突变压力(mutation pressure)。在一个遗传。在一个遗传平衡的群体中，选择压力与突变压力基本维持平衡的群体中，选择压力与突变压力基本维持平衡。平衡。群体遗传学最新4 4 选择对选择对ADAD基因的作用基因的作用 A A基因频率的改变：基因频率的改变：A A频率频率p ap a频率频率q q aaaa的适合度为的适合度为1, 1, 选择对选择对A A基因不利基因不利 s(0s 1

29、)s(0s 舅表兄妹舅表兄妹 姑表兄妹或堂兄妹姑表兄妹或堂兄妹 3 3 平均近婚系数：评价近亲婚配对群体的危平均近婚系数：评价近亲婚配对群体的危害时，除近亲婚配率外，平均近婚系数有重害时，除近亲婚配率外，平均近婚系数有重要的作用。要的作用。群体遗传学最新群体普查，群体普查，10001000例婚配，兄妹婚例婚配，兄妹婚1 1例，姑侄婚例，姑侄婚1 1例，舅甥女婚例，舅甥女婚1 1例，表兄妹婚例，表兄妹婚4545例，二级表兄妹例，二级表兄妹婚婚1818例，二级半表兄妹婚例，二级半表兄妹婚6 6例，三级表兄妹婚例，三级表兄妹婚3 3例，其余均为非近亲结婚，该群体的平均近婚例，其余均为非近亲结婚，该群

30、体的平均近婚系数系数a a为为 MiMiFi Fi a=a= N NMiMi为某型近亲婚配数，为某型近亲婚配数，FiFi为某型为某型婚配的近婚系数，婚配的近婚系数， N N为总婚配数为总婚配数群体遗传学最新 MiFi MiFi 1/41/41/81/81/81/81/161/1645451/641/6418181/1281/1286 61/2561/2563 3a a= = N N 10001000 =0.0033150.003315群体遗传学最新四四 近亲婚配的有害效应近亲婚配的有害效应1 1 增高隐性纯合子患者的概率增高隐性纯合子患者的概率 已知某已知某ARAR病的发病率为病的发病率为q

31、q2 2，计算表兄妹婚，计算表兄妹婚配后，后代患病的可能性。配后，后代患病的可能性。群体遗传学最新图图6-11 6-11 表表兄妹婚配中基因传递图解兄妹婚配中基因传递图解群体遗传学最新设该遗传病的致病基因为设该遗传病的致病基因为a,a,频率为频率为q,q,导致近导致近亲婚配的子女是隐性基因纯合子的原因：亲婚配的子女是隐性基因纯合子的原因： 近亲婚配致病基因近亲婚配致病基因a a从同一祖先的同一基从同一祖先的同一基因传递而来，形成纯合子因传递而来，形成纯合子aaaa的概率为近婚系的概率为近婚系数数F F与与a a的频率的频率q q的乘积的乘积FqFq群体遗传学最新该病致病基因为该病致病基因为a

32、a，S S个体的个体的aaaa基因由共同祖先基因由共同祖先的同一基因传递而来，属于来源相同的纯合子，的同一基因传递而来，属于来源相同的纯合子，设设A1A1为致病基因为致病基因a a，则，则S S为由这个基因的纯合而为由这个基因的纯合而形成形成aaaa纯合子的概率是纯合子的概率是(1/2)(1/2)6 6，但实际，但实际A1A1基因基因为为a a基因的可能性是基因的可能性是q q， S S为为aaaa纯合子的概率是纯合子的概率是(1/2)(1/2)6 6q q，因为，因为C1C1和和C2C2的共同祖先的两对同源的共同祖先的两对同源染色体都有染色体都有q q的机会带有的机会带有a a基因，即基因，

33、即A1A1、A2A2、A3A3、A4A4为为a a基因的概率均是基因的概率均是q q，因此，来源相同的，因此，来源相同的aaaa纯合子的概率为纯合子的概率为 4(1/2)4(1/2)6 6q q，即，即FqFq群体遗传学最新 S S个体的个体的aaaa基因来自不同祖先或同一祖基因来自不同祖先或同一祖先的不同的等位基因，由于共同祖先的同先的不同的等位基因，由于共同祖先的同一基因传给一基因传给S S而形成纯合子而形成纯合子aaaa的概率为近的概率为近婚系数婚系数F(F(图图6-16-1中为中为1/16)1/16)，不同来源的基，不同来源的基因组成因组成S S个体个体aaaa基因型的概率为基因型的概率为1 1F, F, ARAR病的发病率为病的发病率为q q2 2 ，不同祖先分别传递而来，不同祖先分别传递而来，形成纯合子的概率为形成纯合子的概率为(1-F)q(1-F)q2 2。群体遗传学最新ARAR病的发病率为病的发病率为q q2 2，15/1615/16的个体为的个体为aaaa纯合子的纯合子的可能性是可能性是(15/16)q(15/16)q2 2 ，表兄妹结婚后代，表兄妹结婚后代