Главная > Книга


Несмотря на упомянутые трудности, исследование кровного родства вызывает ряд конкретных вопросов. Каково влияние материнского (или отцовского) инбридинга на частоту нерасхождения и на нарушение числа хромосом?

Действие длительного инбридинга. Какое влияние на частоту рецессивных генов в популяции окажет длительный инбридинг, наблюдаемый, например, в популяциях Южной Индии, где брак между дядей и племянницей (F = 1/8) является социально вполне приемлемым. Каков уровень постоянно идущей при этом элиминации таких генов? Скрытые неблагоприятные гены выявляются инбридингом только в том случае, когда предки пары, вступившей в кровнородственный брак, в течение многих поколений скрещивались случайно. Длительный инбридинг «очистил» бы генофонд популяции от вредных мутаций уже много лет назад. Если предположить, что общая скорость мутирования постоянна, отбор против неблагоприятных генов может к ней адаптироваться, однако частоты генов в

6 Популяционная генетика 363

такой популяции в состоянии равновесия будут гораздо ниже, чем в популяции, в которой в течение длительного времени происходило случайное скрещивание. Следовательно, в популяции, в которой долгое время осуществлялся инбридинг, сравнение потомства кровнородственных и некровнородственных браков должно дать меньшую величину В/А, чем в популяции, для которой было характерно более или менее случайное скрещивание.

Это предположение получило подтверждение в недавних исследованиях внутриутробного развития, частоты врожденных уродств и репродуктивных потерь (аборты, мертворождения, смерть в течение первого года жизни) среди потомства более чем 20000 женщин Южной Индии [1854; 1855]. Как упоминалось выше, кровнородственные браки очень распространены в настоящее время и были распространены в прошлом среди дравидов Южной Индии. В выборке, в которой изучались репродуктивные потери, почти 47% женщин из сельской местности и 29% городских женщин вышли замуж за близкого родственника, в 80% случаев - за дядю со стороны матери (F = 1/8). Среди более чем 70000 беременностей наблюдалось четко выраженное различие между женщинами, живущими в сельской и городской местности: частота спонтанных абортов и гибели детей в первый год жизни у сельских женщин была намного выше. Между тем различие по частоте кровнородственных браков между выборками сельских и городских женщин было небольшим.

При изучении развития плода и врожденных уродств, которое проводилось в той же группе матерей, было проанализировано более 14 000 беременностей. При этом у детей от кровнородственных браков не обнаружено повышения частоты врожденных уродств по сравнению с контролем. Таким образом, тесное родство родителей не оказывало влияния на длительность беременности, вес и длину тела ребенка при рождении.

Все имеющиеся данные свидетельствуют о том, что длительный тесный инбридинг удаляет из генофонда неблагоприятные гены. Однако, учитывая трудности, касающиеся разделения биологических и социально-экономических факторов, даже к этому выводу, несмотря на его правдоподобность, следует относиться с осторожностью.

С теоретической точки зрения очень интересно сравнить две популяции, в одной из которых в течение долгого времени осуществлялся тесный инбридинг, а в другой - относительно случайное скрещивание. Важно только, чтобы они обитали в сходных условиях среды и имели близкие антропологические характеристики. Популяции, в которых происходил длительный тесный инбридинг, характерны, например, для некоторых областей Южной Индии, где поощряются браки между дядьями и племянницами, а также между двоюродными сибсами. В других популяциях Южной Индии уровень инбридинга настолько ниже, что они могут служить в качестве контроля. Однако основной проблемой такого исследования является опять-таки выбор подходящего генетически детерминированного фенотипического признака. Вопросы кровного родства в генетическом консультировании будут обсуждаться в разд. 9.1.

6.3.3. Дифференциация субпопуляций: генетическое расстояние

Реальная структура скрещивания популяций человека. Обычное предположение о том, что в популяциях человека преобладает случайное скрещивание - это абстракция. Выбор брачного партнера вовсе не случаен. Он зависит от расстояния между местами рождения вступающих в брак, от ограничений, обусловленных религией, расовой, языковой и социальной принадлежностью и т.д. В прошлом неслучайные браки заключались гораздо чаще, чем сейчас. Особенно ярко выраженным был неслучайный выбор партнеров в течение тысяч поколений доисторического времени, когда наши предки жили как охотники и собиратели, объединяясь в маленькие группы. Изучение современных племен дает возможность получить представление о структуре популяций того времени.

Небольшие популяции, находящиеся в относительной изоляции друг от друга, постепенно станут различаться генетически - либо в результате давления отбора различной интенсивности, либо благодаря разным способам адаптации к одному и тому же селективному фактору, либо просто из-за случайной флуктуации генных частот (разд. 6 4). Конечная цель популяционной генетики - анализ причин таких популяционных различий. Однако в большинстве случаев эта цель оказывается недостижимой.

В отсутствие более определенной информации во многих случаях удобно начать с предположения, что генетическое сходство между популяциями обусловлено их общим происхож-

364 6. Популяционная генетика

дением. Отсюда, чем более сходны две популяции, тем ближе они генетически. Это означает, что если популяции сходны, то они разделились недавно, если же их сходство не очень велико, можно сделать вывод, что с момента обособления прошло более длительное время. Следовательно, на основании генетического состава популяций, наблюдаемого в настоящее время, можно сделать заключение об истории этих популяций. В принципе этот метод лежит в основе любой классификации (например, расы) у людей. В разд. 6.2.1.7 рассмотрен хорошо известный пример такого рода: распространение аллеля HbF среди населения, принадлежащего южноазиатской языковой группе. Здесь мутация HbβE достигла высокой частоты благодаря селективному преимуществу ее носителей, их устойчивости к малярии. Эта мутация «мигрировала» вместе с субпопуляциями данной группы в различные области страны, и теперь высокая частота НbЕ свидетельствует не только о продолжающемся отборе под влиянием малярии, но также и о происхождении от определенной популяционной группы. Таким образом, аллель HbβE является свидетелем истории популяции.

История популяции или отбор? На этом примере можно судить и о том, насколько неоднозначным может быть распределение генетического признака. Аллель HbβE обычно реже встречается у населения равнин великих рек Юго-Восточной Азии по сравнению с населением холмистых областей, где малярия более распространена. Однако эта дифференциация не имеет никакого отношения к разделению популяций, произошедшему в отдаленные исторические периоды; она возникла в относительно недавнее время просто в результате менее интенсивного давления отбора, обусловленного малярией.

Генетическое сходство между популяциями тоже можно интерпретировать по-разному. Оно может отражать (но не обязательно отражает) общую историю этих популяций. С другой стороны, такое сходство может свидетельствовать о параллельном изменении генофонда популяций под влиянием сходного давления отбора. В рассмотренном примере, касающемся населения Юго-Восточной Азии, в качестве показателя сходства между популяциями использовался только один ген. Можно предположить, что чем большее число различных генов вовлечено в такой анализ, тем менее вероятность того, что все они находятся под одинаковым давлением отбора. Следовательно, сходство популяций по большому числу генов убедительно свидетельствует в пользу общего происхождения этих популяций. Действительно, при анализе сходства и различий между популяциями обычно стараются использовать как можно больше наследственных признаков и применяют методы многомерной статистики. Тем не менее, рассматривая выводы таких исследований, необходимо всегда иметь в виду, что обычно о селективных силах, оказывающих влияние на популяцию, ничего не известно.

Методы определения генетического расстояния. Методы определения генетического расстояния между популяциями обсуждаются в нескольких прекрасных обзорах [36; 103; 1893]. Для непрерывно распределенных признаков, например антропологических измерений, обычно используют обобщенное расстояние Махалонобиса, его упрощенный вариант - индекс Пенроуза D2. Для альтернативных признаков, таких как полиморфные признаки с простым типом наследования, как правило, применяются угловая и хордовая меры Кавалли-Сфорца и Эдвардса (1964) [1735].

6.3.4. Поток генов

Кроме отбора (рассмотренного выше) и случайных флуктуации генных частот (которые будут обсуждаться позднее), на генофонд популяции оказывает большое влияние также поток генов. Для обозначения переноса генов из одной популяции в другую часто применяется термин «миграция».

Влияние миграции на генные частоты [124]. Действие миграции на частоты генов будет рассмотрено на несколько упрощенной модели. Большая популяция может подразделяться на субпопуляции меньшего размера. Предположим, что средняя частота гена равна; каждая субпопуляция в каждом поколении обменивается со случайной выборкой из всей популяции долей своих генов, равной т. Пусть генная частота в первом поколении в рассматриваемой популяции равна q. Тогда в следующем поколении частота гена в этой субпопуляции будет равна

Δq пропорционально как отклонению частоты гена в субпопуляции qот средней частоты в популяции в целом (), так и т. С течением времени в отсутствие других факторов (таких как дифференциальное давле-

6. Популяционная генетика 365

ние отбора в субпопуляциях) различия между субпопуляциями сгладятся и все они будут иметь одну и ту же частоту гена . Эта модель далека от реальности, поскольку мигранты обычно приходят в субпопуляцию из соседних с ней субпопуляций. Если соседние субпопуляции отклоняются от общепопуляционной средней в ту же сторону, что и популяция-«реципиент», скорость уравнивания частот между субпопуляциями снижается. Для выполнения вычислений более реалистично рассматривать в качестве не общепопуляционную среднюю, а среднюю частоту гена у особей, мигрирующих в субпопуляцию.

Миграция и отбор. Если субпопуляции подвержены давлению отбора различной интенсивности, этот отбор может противостоять процессу выравнивания генных частот. Здесь возможны три ситуации 1.

1. Если скорость миграции и интенсивность отбора имеют один порядок величины, частоты генов в субпопуляциях могут сильно отличаться друг от друга.

2. Если интенсивность отбора намного превышает скорость миграции в субпопуляциях, частоты генов в субпопуляциях будут определяться в основном отбором и «разбавляющее» влияние миграции окажется очень слабым.

3. Напротив, если доля «иммигрантов» намного выше интенсивности отбора, действие миграции «перевесит» действие отбора.

В любом случае возможно установление стабильного равновесия между отбором, с одной стороны, и миграцией, с другой. Такая ситуация несколько сходна с равновесием между отбором и мутационным процессом (разд. 5.2).

Измерение притока генов в субпопуляцию. Часто производится оценка доли генов, которую субпопуляция получила извне путем миграции. Пусть qaчастота гена в «чистой» предковой популяции, a qn– частота того же гена в той же популяции в настоящее время; предполагается, что в эту популяцию произошел приток генов извне. Пусть частота гена в популяции-«доноре» равна qc. Тогда доля т генов в исследуемой популяции в настоящее время, пришедших из популяции-«донора», составляет qп = тqс+ (1 - m)qaи, следовательно,

Вариансу т можно определить следующим образом:

Оценка притока генов в субпопуляцию. В последнее время всеобщее внимание привлекает вопрос о том, какова доля генов белого населения (и других расовых групп) у негров США. Хотя в принципе оценить это просто, решение данной задачи требует выполнения определенных условий [1857]:

а) должны быть известны точный этнический состав предковой популяции и частоты генов, используемых для оценки;

б) частота анализируемого гена (генов) не должна систематически изменяться в течение времени, прошедшего от «предкового» поколения до настоящего времени. Систематическое изменение генных частот может быть вызвано естественным отбором. Например, в негритянском населении Америки распространен ген серповидноклеточности. Известно, что этот ген широко распространен в Африке благодаря отбору в связи с малярией (разд. 6.2.1.6); в Северной Америке такого отбора нет. С другой стороны, в США ген серповидноклеточности должен испытывать направленное против него давление отбора, возникающего в результате выщепления гомозиготных индивидов, страдающих серповидноклеточной анемией. Таким образом, оценка, основанная на частоте этого гена, приведет к завышению примеси генов белой расы.

Однако можно рассуждать и иначе. Если оценка примеси генов производится на основе одного или (в идеальном случае) многих генов, удовлетворяющих этим ус-

1 Математический анализ этих вопросов см. в работах [103; 124].

366 6. Популяционная генетика

ловиям, разница между этой оценкой, и оценкой, произведенной на основе гена, испытывающего давление отбора, может быть использована для демонстрации наличия отбора и измерения его интенсивности.

Оценка притока генов белой расы в популяцию американских негров. Американские негры произошли от рабов, завезенных в США из Западной Африки (Нигерии, Сенегала, Гамбии, Кот-Дивуара, Либерии и др.). В этих предковых популяциях частоты большинства генетических маркеров обнаруживают ярко выраженную изменчивость. То же самое справедливо и для белого населения Америки, которое произошло от иммигрантов из различных областей Северной, Западной, Центральной и Южной Европы. Возможно, что гены, внесенные в генофонд американских негров, не являются несмещенной и случайной выборкой генов всего белого населения США. Некоторые группы белого населения могли принимать более активное участие в аутбридинге по сравнению с другими группами. Все же тщательное выявление возможных отклонений способствует определению правильного порядка величины притока генов [1857].

Считается, что дифференциальный отбор почти или совсем не оказывает влияния на оценки притока генов, основанные на системах групп крови и сывороточных белков (Rh, Duffy, группы Gm). Для различных негритянских субпопуляций эти оценки изменяются от т = 0,04 до т = 0,30. Величины т для населения южных сельских районов, как правило, ниже, чем для крупных городов типа Балтимора или Нью-Йорка, для которых они обычно превышают 0,2.

Рассмотрим метод оценки притока генов на следующем примере. Частота аллеля Fya групп крови системы Duffy составляет у американского белого населения qc = 0,43. В популяциях Западной Африки его частота qaв настоящее время ниже 0,03, а в большинстве групп населения Африки Fya вообще отсутствует. Можно предположить, что в то время, когда происходил вывоз рабов из Африки, частота аллеля Fya также была очень низкой. В современном негритянском населении Окленда, штат Калифорния (и = 3,146), частота Fyaqn = = 0,0941 + 0,0038, соответствующая частота в белом населении (и = 5 046) qc = = 0,4286 + 0,0058; qa(частота гена в африканской популяции) принимается равной 0. Пользуясь формулой, приведенной выше, получим следующую оценку притока генов:

Если принять qnза 0,02, эта оценка составит 0,181. Следовательно, приток генов белого населения, определенный на основе частот групп крови Duffy, составляет 18-22% генофонда негритянского населения Окленда (Калифорния). Оценка притока генов на основе системы АВО для той же популяции приводит к сходному результату (т = 0,20).

Доказательство наличия отбора. Как отмечалось, оценки притока генов, полученные для генов, испытывающих в африканских популяциях давление отбора, можно использовать для определения того, изменились ли интенсивность и направление отбора в новом месте обитания африканских негров. В нескольких работах были получены более высокие оценки притока генов белых для трех генетических маркеров: гена серповидноклеточности (Hb|3S), аллеля африканского варианта G6PD (GDA ) и аллеля гаптоглобина Нр 1. Как отмечалось в разд. 6.2, на аллели HbβS и GdA  в Африке действует отбор, связанный с тропической малярией; гаптоглобин является белком, участвующим в переносе гемоглобина. Определенные величины притока генов для этих аллелей были достоверно выше, чем соответствующие оценки, полученные на основе частот систем групп крови Duffy и АВО; они варьировали приблизительно от 0,49 (GdA , Сиэтл, северо-запад США) до 0,17 (GDA , Мемфис, юг США). Эти результаты указывают на то, что в Соединенных Штатах - стране, где малярии нет,против этих генов идет отбор. Из-за отсутствия необходимых данных интенсивность этого отбора не может быть точно определена. Для доказательства существования отбора в отношении генов, для которых

6. Популяционная генетика 367

оценка притока генов таким способом невозможна, необходимо использовать другие подходы.

6.4. Случайные флуктуации генных частот

6.4.1. Генетический дрейф

Детерминистические и стохастические модели. До сих пор наше обсуждение полностью основывалось на менделевских соотношениях и на законе Харди—Вайнберга. Такие популяционно-генетические параметры, как скорость мутирования, коэффициенты отбора и инбридинга, считались постоянными и связанными определенными соотношениями. Другими словами, рассматриваемые нами модели были детерминистическими. Однако в действительности все эти параметры являются статистическими переменными, подверженными случайным изменениям, а изучаемые популяционной генетикой процессы не строго детерминистическими, а стохастическими (случайными).

В случае популяций бесконечно большого размера случайными флуктуациями можно пренебречь: использование стохастических и детерминистических моделей дает приблизительно одинаковые результаты. Использование детерминистических моделей оправдано, если мы хотим в общих чертах узнать, каким образом какой-либо фактор влияет на генетический состав популяции.

В одном из рассмотренных примеровдинамике аллелей HbβS и HbβC в Западной Африке (разд. 6.2.1.7)-мы подробно анализировали флуктуации генных частот под давлением отбора в популяции конечного размера. Однако даже в том случае, когда мы сравниваем наблюдаемые популяционные частоты по генам системы групп крови с ожидаемыми на основе соотношений Харди—Вайнберга, нами рассматриваются и случайные флуктуации. Они будут иметь место, даже если все доступные индивиды подвергаются типированию на группы крови.

На протяжении почти всей эволюционной истории человека размеры его популяций были относительно малыми; наш вид был разделен на ряд небольших скрещивающихся внутри себя групп. До недавнего времени таких изолятов было много; некоторые из них существуют до сих пор. Вот почему необходимо рассмотреть влияние случайных флуктуации с теоретической точки зрения.

Модель островных популяций. Рассмотрим вымышленный пример, представляющий собой крайний случай. Предположим, что в Тихом океане существует 160 изолированных островов, на каждом из которых поселилась одна супружеская пара. Все эти 320 поселенцев имеют группу крови MN. У каждой пары родились сын и дочь, которые, вступив в инцестный брак, становятся предками островной популяции. Ни один из генотипов системы MN не является селективно благоприятным или невыгодным. Через несколько сотен лет мы возвращаемся на острова, чтобы определить группы крови MN в этих популяциях. Что же мы обнаружим?

Основатели популяций не различались по генам групп крови данной системы. Поэтому наше первое предположение: то же самое будет наблюдаться и у их потомков, поскольку отбор отсутствовал и (допустим также и это) новые мутации не возникали. Однако более внимательный анализ показывает, что наше предположение неверно. Поскольку генотип родителей во всех случаях был MN, предполагается, что соотношение генотипов у их детей будет

1/4ММ + 1/2MN + 1/4NN.

Отсюда получаем следующие вероятности генотипов пар сибсов, которые были основателями островных популяций:

ММ х ММ = 1/4 х 1/4 = 1/16

MN х MN = 1/2 х 1/2 = 1/4

NN x NN = 1/4 х 1/4= 1/16

MM x MN = 2 х 1/4 х 1/2 = 1/4

MM x NN = 2 x 1/4 x 1/4 = 1/8

NN x MN = 2 x 1/4 x 1/2 = 1/4.

Следовательно, в первом поколении около 10 островов будет заселено только индивидами генотипа ММ, другие 10 островов-индивидами генотипа NN. На 40 островах оба сибса будут иметь генотип MN. На остальных 100 островах будет встречаться по два генотипа: на 40-ММ и MN, на 40-MN и NN, на 20-ММ и NN.

Ясно, что в последующих поколениях частоты генотипов будут зависеть от данного распределения. Это утверждение наиболее очевидно для тех 10 островов, где генотип основате-

368 6. Популяционная генетика

лей – ММ х ММ и NN х NN. Население первой группы этих островов будет иметь только генотип ММ, а другой – только генотип NN. Второй аллель здесь был потерян случайно, без направленного против него отбора. Такие процессы называются случайной фиксацией и случайной потерей аллеля соответственно.

М и N - распространенные аллели. Однако один из основателей подобной островной популяции может оказаться гетерозиготным по какому-нибудь редкому аллелю. Тогда этот редкий аллель в последующих поколениях с высокой вероятностью будет иметь в популяции высокую частоту, если только он не будет случайно потерян (см. ниже). «Эффект основателя» очень распространен в популяциях человека. Например, в белом населении Южной Африки, говорящем на африкаанс, часто встречается доминантное заболевание - острая перемежающаяся порфирия (17620); его происхождение прослеживается до одного из первых иммигрантов, который был среди основателей этой группы популяций.

Более общий случай. Возвращаясь к нашему примеру с островными популяциями, заметим, что случайная потеря и соответственно случайная фиксация аллеля могут произойти не только в первом поколении, как в описанном случае, но также и в последующих поколениях. Их вероятность увеличивается с уменьшением эффективного репродуктивного размера популяции N. Случайная потеря и фиксация - это крайние случаи; в промежуточном случае в популяции сохраняются оба аллеля, но их частота флуктуирует случайным образом.

Такие случайные колебания частоты часто называют «генетическим дрейфом». Ниже генетический дрейф анализируется с несколько более формальной точки зрения.

Рассмотрим популяцию, имеющую эффективную репродуктивную численность, равную N диплоидным особям. Можно считать, что эта популяция образовалась в результате случайного выбора 2Nгамет предыдущего поколения. Пусть в данном поколении частота аллеля а равна q, a аллеля А — р = 1 — q. Число аллелей в данном поколении при размере популяции N будет соответствовать биномиальному распределению + q)2N. Это означает, что 2N + 1 возможных значений частоты qаллеля а в этом поколении равны

(6.18) а вероятность того, что qбудет равно некоторой

величине qJj/2N, составляет

(6.19)

Теперь предположим, что δq = qtqэто случайное отклонение qот поколения к поколению 1. Тогда из приведенного выше распределения следует, что

(6.20)

Следовательно, дисперия, оценивающая уровень случайного изменения qот поколения к поколению, обратно пропорциональна N, эффективной величине популяции. Например, пусть N = 50, q = 0,5, тогда

Вероятности, с которыми встречаются различные значения q, приведены в табл. 6.26

Это распределение можно рассмотреть и с другой точки зрения. Пусть имеется большое число локусов, и все они в родительском поколении имеют частоту одного из аллелей, q, равную 0,5. Тогда в следующем поколении у одних локусов частота qбудет выше, а у других - ниже 0,5 в соответствии с распределением, приведенным в табл. 6.26.

Уменьшение изменчивости [124]. Пример с островными популяциями показывает, что какой-либо аллель может быть случайно потерян из популяции; в этом случае происходит фиксация альтернативного аллеля. Как видно из табл. 6.26 и уравнения (6.19), в популяции конечного размера этот процесс происходит с определенной, хотя обычно и низкой, частотой. Однако, если фиксация уже произошла, обратный процесс невозможен. Вероятность фиксации (т. е. того, что qстанет равным 0 или 1) с увеличением числа поколений стремится к 1. Таким образом, по прошествии длительного времени группа популяций рано или поздно станет гомозиготной даже при отсутствии отбора (если процесс не нарушается миграцией и возникновением мутаций). Это явление называется уменьшением изменчивости (decay of variability).

1 Δq, напротив, обозначает систематическое отклонение, обусловленное, например, естественным отбором.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. БИБЛИОГРАФИЯ = Фогель Ф Мотульски А Генетика человека В 3-х т Т 3 Пер с англ – М Мир 1990 – 366 с Фогель Ф Мотульски А Генетика человека В 3-х т Т 3 Пер с англ – М Мир 1990 – 366 с

    Книга
    ... 294 336 378 420 ... Мира, 93. ЭЛЕКТРОННОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЯ = Фогель Ф., Мотульски А. Генетикачеловека: В 3-х т. Т. 3: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 366 с. 1 Фогель Ф., Мотульски А. Генетикачеловека: В 3-х т. Т. 3: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990 ...
  2. «ОПАСНОЕ ЗНАНИЕ» В «ОБЩЕСТВЕ РИСКА» (век генетики и биотехнологии)

    Документ
    ... Альтерпрес,2002. 284 с. Фогель Ф., Мотульски А. Генетикачеловека: В 3-х М.: Мир, 1990. –378 с. Форрестер Дж. Мировая динамика Пер. с англ. Под ред. Д.М.Гвишиани ... будущего: роль этики 373 КРАТКАЯ БИБЛИОГРАФИЯ 389 1 Кальниш В.В., Ена А.И. ...
  3. Проект ingsat

    Документ
    ... Генетикачеловека. В 3-х т. Т. 1. Пер. с англ. М., Мир, 1989. 312 с.djvu Фогель Ф., Мотульски А. Генетикачеловека. В 3-х т. Т. 2. Пер. с англ. М., Мир, 1990. 378 с.djvu Фогель Ф., Мотульски А. Генетикачеловека. В 3-х т. Т. 3. Пер. с англ. М., Мир ...

Другие похожие документы..