Естественный отбор: количественная характеристика. Положительный отбор в пользу гетерозигот

Таблица 15
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

Мутационный процесс Популяционные волны Изоляции Естественный отбор

1.Резерв наследстенной 1.Периодические 1.Возникновение барьеров для Движущая и направляю-

Изменчивости 2.Непериодические панмиксии щая сила эволюции

2.Поставщик материала для 3.Поставщик эволюцион-

Эволюции ного материала 1.пространствен- 2.Биологическая 1.Стабилизирующий

3.Не направлен 4.Случайные колебание ная (биотопичес- а)морфо-физио- Поддержание среднего частоты генотипов кая и географическая) логическая значение признака

Б)этологическая 2.Движущий

В)генетическая Способствует сдвигу сред

Него значения признаков

3.Дизруптивный

А) направлен против особей

Со средними значениями

образуют генетический груз. Генетический груз состоит из мутационного груза (новые мутации) и сегрегационного груза (унаследованные от предыдущих поколений). Генетический груз – накопление в популяции неблагоприятных аллелей в гетерозиготном состоянии. Генетический груз оценивается понятием летальный эквивалент – это сумма рецессивных аллелей, приводящих организм в гомозиготном состоянии к гибели. Благодаря генетическому грузу около 50% зигот или организмов гибнут или не оставляют потомства.

Проблема генетического груза имеет важное значение в медицине. При проведении медико-генетической консультации следует учитывать генетический груз семей и популяций. Проблема генетического груза имеет важное значение также при определении мутагенности факторов окружающей среды, разработке эффективных мер охраны окружающей среды.

Изоляция . Основные причины изоляции в человеческих популяциях: географические, религиозные, расовые, социальные. Изоляция приводят к повышению частоты инбредных браков. В результате происходит гомозиготизация, увеличивается гибель зигот и плодов в антенатальном периоде, гибель новорожденных в перинатальном и неонатальном периодах, увеличивается частота мертворожденый, спонтанных абортов, врожденных аномалий и пороков, наледственных болезней.

Популяционные волны . Имели большое значение на начальных этапах развития человечества. Природные катаклизмы, землятрясения, особо опасные эпидемии (чума, холера, черная оспа) явились причиного резкого сокрашения численности человечства в определенных периодах и изменения их генофонда.

Генетический полиморфизм человечества, разная частота аллелей и генотипов в различных регионах также обусловлены особо опасными инфекционными болезнями. Например: одной из причин высокой частоты I 0 аллеля группы крови в Центральной и Южной Америке, повидимому является расространенность сифилиса в этих регионах. Люди с I группой крови легче переносили сифилис, соответственно частота I 0 группы постепенно возрастала. Установлено, что тяжесть черной оспы и холеры также зависит от групп крови, следовательно, эти инфекции явились причиной преобладания определенных групп крови в разных регионах земного шара.

Миграции являются одным из проявлений популяцонных волн. Они оказывают положительное влияние на генофонд, приводят к уменьшению инбредных браков, увеличению смешанных браков. В результате миграций увеличивается чстота гетерозигот, уменьшается частота детской смертности и наследственных болезней. В настоящее время наблюдается рост интенсивности миграционного процесса во всем мире.

Дрейф генов (генетико-автоматические процессы) случайные, не зависящие от естественного отбора изменения частоты аллели называются дрейфом генов или генетико-автоматическими процессами. Дрейф генов сильнее проявляется в малочисленных популяциях. Под влиянием случайных процессов частота отдельных аллелей может резко уменьшаться или нааборот увеличиваться. Значение дрейфа генов непредсказуемо. Из-за дрейфа генов малые популяции могут исчезнуть или адаптироваться к сушествующим условиям среды.

С дрейфом генов связано явление, называемое «эффектом родоначальника ». Отделение от родительской популяци небольшой части, и ее независимое существование приводит к значительнымс изменениям генофонда отделенной части популяции. Выделенная группа содержит лишь случайную часть генофонда родительской популяции. В результате изолированного развития повышается частота данных аллелей происходит гомозиготизация. Это приводит к постепенному возрастанию разницы в частоте аллелей, генотипов родительской популяции и её отдельной части.

Естественный отбор . Из-за биосоциальной сущности человека естетственный отбор в человеческих популяциях потерял свое значение как творческого фактора. В человеческих популяциях действует стабилизирующая форма естественного отбора. Стабилизирующий отбор не приводит к эволюционным изменениям, наоборот сохраняет фенотипическую стабильность популяции из поколения к поколению.

В человеческих популяциях действуют следующие формы стабилизирующего отбора: 1-отбор в пользу гомозигот, против гетерозигот, 2-отбор против гомозигот, в пользу гетерозигот.

1.Типичным примером отбора против гетерозигот является несовместимость по резус фактору между матерью и плодом. Резус фактор – антиген на плазмолемме эритроцитов. Частота встречаемости резус фактора у европоидов – 85%, у монголоидов – 90-95%. Синтез резус положительного антигена определяется доминантным аллелем, резус отрицательные люди имеют гомозиготный по рецессивному гену генотип.

Если у резус отрицательной женщины развивается резус положительный плод, его резус положительные антигены через плаценту проникают в организм матери, где образуются антирезус-антитела (рис.37). Концентрация антирезус – антител постепенно возрастает и при последующей беременности эти антитела проникают в организм плода, вызывая гемолиз эритроцитов. У плода развивается анемия, при отсутствии медицинской помощи плод гибнет. Таким образом, в человеческих полпуляциях гетрозиготы по резус фактору постоянно элиминируются. Такой отбор направлен против гетерозигот, у в пользу гомозигот.

Несовместимость матери и плода имеет место и по группам крови системы АВО. При этом возникают иммунные реакции несовместимости между матерью с I 0 I 0 (I) группой и плодами с I A I 0 или I В I 0 группами. Такой отбор действует уже в начале эмбриогенеза.

II.Отбор против гомозигот, в пользу гетерозигот.

Такая форма отбора наблюдается при серповидно-клеточной анемии, талассемии. Серповидно-клеточная анемия развивается при замене одного нуклеотида в гене гемоглобина. У гомозигот (HbS/HbS) развивается тяжелая форма болезни, гетерозиготы (HbА/HbS) при нормальных условиях – практически здоровы.

В регионах где распространена малярия, гетерозиготы (HbА/HbS) не болееют этой болезнью, (в их эритроцитах малярийные плазмодии не развиваются), в результате чего частота гетерозигот в популяции постоянно возрастает. Рецессивные гомозиготы (HbS/HbS) гибнут в период внутриутробного развития или в раннем детстве. Доминантные гомозиготы (HbА/HbА) гибнут от малярии.

Рис 37. Наследование резус-фактора у человека и болезнь крови у новорожденных.

А-отец-носитель гена Rh; б-мать резус-отрицательна (rh rh); в-первая беременность, антиген Rh входит в материнский кровоток вызывает образование резус-антител (косая штриховка), их недостаточно и ребенок рождается нормальным (1); Г-вторая беременность, мать дополнительно иммунизирована плодом Rh, резус-антитела входят от матери в кровоток плода и реагируют с его эритроцитами –

Плод погибает (2).

Таким образом, малярия является фактором контр отбора . Аллели НbS подлежащие элиминированию, сохраняются и накапливаются в популяции в результате контр отбора. В регионах, где ликвидирована малярия, такая форма отбора теряет свое значение.

Цель занятия.

Формирование у студентов понятий: о синтетической теории эволюции: микроэволюции и макроэволюции, элементарной единице, и факторах эволюции, медико-биологическом значении действия элементарных факторов эволюции в человеческих популяциях.

Задания для самостоятельной подготовки студентов.

I.Изучить материал по теме, ответить на следующие вопросы:

1.Объясните сущность синтетической теории эволюции, макроэволюции и микроэволюции.

2.Охарактеризуйте популяции и виды.

3.Объясните значение понятий об элементарных единицах, явлениях, материалах и факторах эволюции.

4.Объясните медико-генетическое значение мутационного процесса в человеческих популяциях.

5.Генетический груз, сущность и медицинское значение

6.Изоляция, сущность, медико-генетическое значение.

7.Популяционные волны, миграции. Медико-генетическое значение.

8.Дрейф генов, «эффект родоначальника», медико-генетическое значение.

9.Особенности естественного отбора в человеческих популяциях.

10.Отбор против гетерозигот (объясните с примерами).

11.Отбор против гомозигот, контр отбор (объясните с примерами.)

II.Решить ситуационные задачи и ответить на тестовые вопросы:

Учебное оборудование.

Таблицы по теме, схемы логической структуры по теме, слайды, диапроектор, кодоскоп, учебные видеофильмы.

План занятия.

Студенты с помощью преподавателя осваивают понятия эволюционного учения, изучают действие элементарных факторов эволюции в человеческих популяциях и их медико-генетическое значение. Демонстрируется учебный видеофильм. Студенты записывают основные понятия в альбом. В заключении преподаватель проверяет альбомы, оценивает знания студентов и объясняет задание следующего занятия.

Ситуцационные задачи.

1.В одном из регионов тропической Африки частота серповидно-клеточной анемии составляет 20%. Определите частоту нормальных и мутантных аллелей в этом регионе.

2.В отдельном регионе частота гетерозигот по мутантному патологитческому гену значительно превышает ожидаемые по закону Харди-Вайнберга результаты. Объясните причину этого неосответствия.

3.Примерно 100 лет тому назад в Центральной Азии была широко распространения малярия. В 40-50- годах 20 столетия в этом регионе малярия полностью ликвидирована. В какой период, по вашему мнению, частота серповидно-клеточный анемии была выше? (ответ обоснуйте).

4.В двух соседних горных кишлаках Узбекистана резко отличается частота I A и I B групп крови. Объясните причину этого явления.

5.Частота I В группы крови значительно отличается в популяциях Восточной и Западной Европы. С какими эволюционными факторами связано это явление?

Тестовые задания.

1.Объясните увеличение частоты отдельных аллелей при изоляци:

А.Ошибка в гаметогенезе. В.Аутбридинг. С.Высокая частота мутаций.

Д.Положительно ассортативные браки. Е.Инбредные браки.

2.Среди изолятов памирских таджиков чаще встречаются голубоглазые и светловолосые. Укажите причину этого явления:

А.Они являются потомками Александра Македонского.

В.В высокогорье эти признаки имеют адаптивное значение.

С.Это-результат дрейфа гена.

Д.При действии ультрафиолетовых лучей доминантные гены подвергаются мутации.

Е.Это-результат популяционных волн.

3.Что способствует изменению численности популяции?

А.Мутционные процессы. В.Волны жизни. С.Изоляция. Д.Естественный отбор. Е.Искусственный отбор.

4.Укажите пример ассоциации групп крови с инфекционными заболеваниями:

А.Индивиды с группой крови О чаще болеют сифилисом.

В.Индивиды с группой крови О не болеют холерой.

С.Индивиды с группой крови О чаще болеют чумой.

Д. Среди индивидов с группой крови А не встречается черная оспа.

Е.Такая ассоциация не существует.

5.«Эффект родоначальника» в популяциях людей:

А.Проявляется при развитии новой популяции из нескольких супружеских пар. В.Наблюдается при аутбридинге. С.Не наблюдается. Д.Является фактором отбора. Е.Увеличивает частоту гетерозигот.

6.Дрейф генов:

А.Случайные колебания частоты генов в популяциях без влияния отбора.

В.Увеличивает генетическую гетерогенность.

С.Увеличивает генетическую изменчивость.

Д.Уменьшает частоту гомозигот.

Е.Усиливает генетическую стабильность популяции.

7.Какая форма обора действует при несовместимости матери и плода по АВО системе крови?

А.Дизруптивная. В.Движущая. С.Отбор против гомозигот. Д.Отбор против гетерозигот. Е.Все ответы дополняют друг-друга.

8.Естественный отбор в человеческих популяциях:

А.Является творческим фактором. В.Действует в дизруптивной форме.

С.Действует в движущей форме. Д.Действует в стабилизирующей форме.

Е.Не действует.

9.Полиморфизм по системе крови:

А.Повышает риск злокачественной трансформации.

В.Предрасположенность к злокачественной опухоли не связана с группами крови. С.Группы крови могут быть маркерами предрасположенности к разным болезням. Д.Не наблюдается в человеческих популяциях.

Е.Является доказательством происхождения человека от животных.

10.Колонизторы вели биологическую борьбу с туземцами Америки, раздавая им одежды, зараженные чумными бактериями. Объясните причину этого.

А.В этих регионах высокая частота группы крови А.

В.Люди с 1 группой крови воспримчивы к чуме.

С. У чумной бактерии отсутствует антигенная мимикрия по II группе крови;

Д.Аборигены Америки не умели лечить чуму.

Е.Это явление не связано с генетикой группой крови.

Мутации у диких видов в большинстве случаев нарушают приспособительное развитие особей, и потому большинство мутаций подвергается действию отбора. Дарвин обосновал действие

естественного отбора на базе широкой наследственной изменчивости организмов. Он показал, что родителями для каждого следующего поколения вида служат не все особи без исключения, а только часть их, состоящая из наиболее приспособленных индивидов. Естественный отбор является формирующим фактором в происхождении видов. Он опирается на мутации, формируя из их комплексов новые интегрированные генные системы, обеспечивающие приспособленность к внешней среде. Сам отбор определяется действием среды, что в конечном итоге создает неразрывную взаимозависимость наследственности, изменчивости, отбора и среды.

Человек, выйдя из недр царства животных, оказался способным подняться выше условий той среды, которая обусловливает естественную эволюцию видов в природе. Социальные закономерности определяют взаимоотношения людей и обеспечивают прогресс человеческого общества. Естественный отбор как категория, ведущая эволюцию, потеряла свое значение для человека. Человек благодаря социальным преобразованиям, могущественному развитию медицины, а в будущем и генетики человека сам начинает сознательно относиться к своей биологической природе. Однако следует ли из этого, что у человека вообще не действует отбор отрицательных мутаций в порядке осуществления чисто биологических сторон существования его популяций? Конечно, нет. Естественный отбор вредных мутаций широко представлен в популяциях человека. Мы уже привели раньше немало примеров отрицательных мутаций, вызывающих уродства, гибель в раннем возрасте, гибель по половозрелости и т. д. Человеческие популяции отягощены врожденными наследственными заболеваниями. В каждом поколении около 4% детей рождаются пораженными отрицательной наследственностью, полученной от их родителей, которая у них была скрыта из-за гетерозиготности рецессивных генов. Значительная часть этой отрицательной наследственности возникает заново в качестве мутаций в зародышевых клетках родителей. В некоторых случаях отбор вмешивается в распределение генов по разным популяциям людей, живущих в разных условиях среды. Все это показывает, что для понимания основ биологической природы человека генетика популяций и анализ деятельности отбора имеет огромное значение.

С точки зрения генетики деятельность естественного отбора в популяции приводит к изменениям в концентрациях аллелей. Так, например, мы имеем распределение генотипов в популяции по формуле Гарди - Вейнберга: р 2 АА+2 pqAa + q 2 aa . Отбор направлен против рецессивных гомозигот аа. Так, если особи АА и Аа оставляют потомство без всякой дискриминации, то их влияние на следующие поколения условно может быть представлено цифрой 100 для каждого класса. Однако рецессивы аа оставляют 99 потомков в сравнении со 100 потомками от особей с генотипами АА и Аа. В результате в каждом последующем поколении концентрация аллеля А будет увеличиваться, а концентрация аллеля а уменьшаться. Таким образом, отборная ценность генотипов АА и Аа равна 1,00, а генотипов аа - 0,99. Очевидно, что коэффициент отрицательной селекции (S ) против генотипа аа составляет величину, равную 0,01. Для генотипов АА и Аа коэффициент отрицательной селекции S = 0. В том случае, когда рецессивный генотип является летальным, вызывая смерть на разных стадиях до половозрелости, или вызывает полную стерильность, коэффициент селекции S =1. Адаптивная ценность ( f ) такого генотипа равна 0 (1- Ss = 0).

В том случае, когда адаптивная ценность особи равна нулю, вследствие чего она не имеет потомства, мы можем говорить об индивидуальной облигатной генетической смерти. Мёллер использует понятие о генетической смерти для описания судьбы аллеля в популяции, который под давлением отрицательного отбора выбрасывается из популяции. В этом случае можно говорить об аллельной генетической смерти.

Если бы судьба в популяциях для всех отрицательных аллелей была бы связана только с деятельностью естественного отбора и все аллели испытали аллельную генетическую смерть, популяции были бы свободными от вредных генов. Однако этого нет. Напротив, в популяциях скрывается, а частично и проявляется громадная наследственная изменчивость по вредным изменениям.

Что же противостоит аллельной генетической смерти? Ответ ясен, фактором, действие которого направлено против очищающего эффекта отрицательного отбора, является естественный мутационный процесс. В генном составе популяций устанавливается динамическое равновесие между давлением мутаций, которое увеличивает количество мутантного аллеля в популяциях, и давлением отрицательного отбора, которое уменьшает число таких аллелей.

Предположим, что мутантный доминантный аллель возникает за поколение с какой-то частотой и, а отрицательная селекция уменьшает его количество со скоростью S . В этом случае равновесие концентрации, устанавливающееся на базе соотношения мутаций и отбора, будет равно u / s . Если полностью проявляющийся доминантный аллель является летальным или полностью стерильным, не оставляя потомства (S =1), количество людей, обладающих таким заболеванием, будет равно количеству в каждом данном поколении вновь появляющихся мутаций ( q = u ). Примером такого рода доминантных заболеваний со свойствами облигатной индивидуальной генетической смерти могут служить описанные выше доминантные заболевания, такие, как ретинобластома, в значительной мере хондродистрофическая карликовость и др.

Несколько другую картину имеем для вредных рецессивных аллелей. В этом случае равновесие концентрации (1- q ) устанавливается на уровне (1- q ) = √ u / s . Для рецессивных аллелей, которые в гомозиготном состоянии вызывают индивидуальную облигатную генетическую смерть (S =1), их концентрация равна √ u . Вполне понятно, что уровень равновесия концентраций вредных рецессивов гораздо выше уровня концентрации доминантов. Значит, отягощение популяций вредными мутациями должно быть больше по рецессивным аллелям.

Вполне понятны различия в действии отбора, с одной стороны, против доминантных, а с другой - против рецессивных мутаций. При появлении доминантных генов, которые определяют облигатную индивидуальную генетическую смерть, отбор за одно поколение очищает от них популяции. В каждом следующем поколении такие заболевания могут появиться только за счет возникновения новых мутаций.

Для анализа отбора против рецессивов остановимся на примере альбинизма у человека. Эта особенность отнюдь не вызывает облигатной генетической смерти, она подвергается умеренному отрицательному отбору. В Англии в среднем на 20 000 детей рождается один альбинос. Частота гомозигот по рецессивному аллелю альбинизма равна 0,00005. По формуле Гарди - Вейнберга концентрация рецессивного аллеля равна квадратному корню из числа гомозигот. Отсюда (1-р) 2 = 0,00005, a 1 - q = √ 00005=0,007. Таким образом, у населения Англии ген альбинизма имеет концентрацию около 0,7% (q ), а его нормальный аллель около 99,3% (p =0,993). Количество гетерозигот у этого населения составляет 2 pq , что равно 2 (0,007 x 0,993), или 0,0138, или 1,38%. Гетерозиготы (Аа) по рецессивному аллелю альбинизма встречаются в популяции в 276 раз чаще, чем гомозиготы (аа), проявляющие альбинизм (0,0138:0,00005=276). Как уже указывалась выше, относительное количество гетерозигот тем выше, чем меньше концентрация рецессивного аллеля, поскольку отрицательный отбор постепенно уменьшает концентрацию аллеля. Следовательно, по мере этого уменьшения дальнейшая работа отбора все больше затрудняется. Уменьшение концентрации рецессивного аллеля ограничивает поле приложения деятельности отбора, так как все большая и большая относительная часть рецессивных аллелей ускользает от отбора, скрываясь в гетерозиготах.

Представим исходную популяцию при концентрации рецессивного аллеля равной 0,5. Распределение генотипов в популяции будет 0,25АА+ 0,50Аа+ 0,25аа. В такой популяции начинает осуществляться облигатная индивидуальная генетическая смерть (коэффициент селекции S = 1). В таблице 20 показан ход уменьшения концентрации аллеля а в ряде последующих поколений при условии, что во всех этих поколениях величина S =1.

Мы видим, что уже в следующем поколении при S =1 концентрация рецессивного аллеля упала с 0,50% до 0,33, а количество гомозигот по рецессивному аллелю (аа) упало с 0,25 до 0,01. Это вполне очевидный успех отрицательного отбора. Однако после всего лишь одного поколения отбора уже начинает сказываться эффект диспропорции между количеством гетерозигот (Аа) и рецессивных гомозигот (аа), которое возникает от уменьшения концентрации рецессивного аллеля. Если в первом поколении количество гетерозигот (Аа) превосходит количество гомозигот в два раза, то во втором поколении после некоторого падения концентрации рецессивного аллеля количество гетерозигот уже в четыре раза превосходит число гомозиготных особей. После восьмого поколения отбора, при S =1, концентрация рецессивных аллелей упала до 0,1%, к этому времени количество гетерозигот (Аа) стало превышать количество гомозигот (аа) уже в 18 раз. На сотом поколении отбора, когда концентрация аллеля а упала до 0,01, количество гетерозигот стало превышать количество гомозиготных особей в 196 раз. При этом мы видим, что для уменьшения концентрации рецессивного аллеля вдвое, при q =0,50, потребовалось всего лишь два поколения отбора (Р - 0,50, F 3 - 0,025). Однако то же уменьшение от q =0,020 ( F 50 ) до q =0,010 потребовало в этих условиях уже 50 поколений ( F 100 ).

Сравнительно быстрые успехи селекции против рецессивного аллеля, которые мы видели в таблице 20, обязаны облигатной индивидуальной генетической смерти всех носителей гомозиготного по рецессивному аллелю генотипа (аа), т. е. когда S =1. Однако особи, гомозиготные по рецессивному аллелю, не

обязательно целиком исключаются в качестве части родителей для следующего поколения. Величина коэффициента селекции в зависимости от степени вредности рецессивного аллеля может быть самой разнообразной.

В прямой зависимости от уменьшения величины коэффициента селекции ( s ) увеличивается количество поколений, нужное для одного и того же падения концентрации рецессивного аллеля. В таблице 21 эта обратная зависимость представлена в числах.

Мы видим, что четыре популяции при наличии в них исходного количества рецессивных гомозигот, равного 1%, очень сильно различаются по темпу изменения концентрации рецессивного аллеля при разных коэффициентах селекции.

Так, при S =1, для того чтобы количество рецессивных гомозигот уменьшалось от 1 до 0,25%, т. е. в 4 раза, необходим отбор в течение 10 поколений. Однако при S =0,50 такое же изменение концентрации рецессивного аллеля требует уже 20 поколений отбора. При S =0,10 за те же 20 поколений отбора количество рецессивных гомозигот падает только до 0,71, а при S =0,01 всего лишь до 0,97%.

Приведенные расчеты показывают, что естественный отбор, конечно, является активным фактором в биологии человека; именно его действие удерживает мутационные аллели, вызывающие отдельные наследственные болезни в популяциях человека на очень низком уровне. Только множество аллелей приводит к тому, что медицина встречается более чем с 1000 наследственных недугов. Вместе с тем приведенные расчеты показывают малую перспективность любой формы естественного отбора для человека. Мы видели, что на уровне малых концентраций мутационных аллелей, именно тех, которые свойственны аллелям наследственных заболеваний у человека, нужны гигантские количества поколений, чтобы хоть в сколько-нибудь заметной форме уменьшить их концентрацию. Эти количества поколений несоизмеримо больше всего количества поколений, которое прошло за историю человечества. Это показывает всю генетическую бессмысленность старых, евгенических предложений о стерилизации и других мерах борьбы за очищение популяций людей от обусловленных дефектов. Эти методы не могут изменить генетических основ биологии человека. Масса таких же аллелей скрывается в гетерозиготах; их количество неукоснительно поддерживается постоянно возникающими новыми мутациями. Усиление естественного отбора для человека в борьбе с наследственными заболеваниями бесперспективно. Если это так, каковы же пути активной помощи медицины в генетической профилактике против наследственных дефектов человека и есть ли пути к созданию таких методов? Ответ на этот вопрос потребует от нас еще некоторых сведений из области генетики популяций человека.

Отбор может действовать не только на доминантный (АА, Аа) и на рецессивный (аа) фенотипы в популяциях людей. Гетерозиготные люди (Аа) также могут выступать в качестве самостоятельного объекта действия отбора. При этом отбор может быть направлен или против гетерозигот, или в пользу гетерозигот. В обоих случаях возникают интересные и сложные процессы в генетике популяций.

Примером отбора гетерозигот является гибель эмбрионов вследствие эритробластоза. В этом случае плод является гетерозиготным по аллелям R и r , так как он появляется от брака резус-положительного отца ( R ) и резус-отрицательный матери ( rr ). Гибель каждого плода уносит с собой один аллель R и один аллель r . В популяциях аллели, в силу действия отбора или по случайным причинам, практически никогда не имеют равных концентраций в виде р A =0,5 и qa =0,5. Поэтому гибель гетерозигот сдвигает отношение концентраций аллеля еще в более выгодную сторону для того аллеля, который находится в популяции в большой концентрации. Каждая потеря по одной и той же доле аллелей из двух представленных в популяции разными концентрациями ведет к относительному росту концентрации исходного, более распространенного аллеля. Процесс заканчивается полным освобождением популяции от исходно менее распространенного аллеля.

Однако реально в популяциях человека этого освобождения от аллеля r не произошло. Что же противостоит этому процессу? Здесь возможно действие целого ряда причин. Во-первых, поддержка аллеля r в популяциях за счет мутаций ( R → r ) ; во-вторых, отбор в пользу аллеля r благодаря лучшей жизнеспособности гомозигот (rr ); в-третьих, комплексное сохранение аллеля r в семьях, где часть детей гибнет от эритробластоза. Это имеет место в семьях, где отец гетерозиготен ( Rr ), а мать имеет генотип rr . Здесь все дети, гибнущие от эритробластоза, будут гетерозиготными. ( Rr ), а жизнеспособные дети будут гомозиготными по аллелю r ( rr ). В результате автоматически будет поддерживаться аллель r в популяциях. В-четвертых, наличие гена r в популяциях может быть обусловлено смешением популяций. Винер и Холден считают, что в свое время в доисторических популяциях человека произошла дифференцировка популяций по генам R и r , в результате чего возникли полиморфные расы: одни только с аллелем R , другие только с аллелем r . Затем в более позднее время началось движение популяций человека: они смешались, и возник полиморфизм по аллелям R и r . Некоторые расчеты дают основание думать, что при исходном смешении имелось несколько большее число людей с аллелем R и меньше людей, имевших аллель r . Такое смешение произошло около 10 000 лет тому назад. В течение этих 10 000 лет, т. е. за время, в течение которого прошло 400 поколений, отбор был направлен против гетерозигот, что и привело к уменьшению исходной концентрации аллеля r . Эта концентрация упала до современных 14% у европейских народов.

Вполне понятно, что если, как то мы видели выше, отбор против гетерозигот ведет к относительному падению концентрации исходного менее распространенного аллеля, то в случае отбора в пользу гетерозигот мы имеем другую картину. Простейшим случаем является модель балансированных леталей, когда обе гомозиготы - АА и аа - летальны, а выживают только гетерозиготы Аа. В этом случае перед нами будет стабильная популяция, в которой оба аллеля будут сохранять одинаковую концентрацию ( qa =0,5 , рА=0,5). Тот же результат был бы получен, если бы отбор действовал против нелетальных гомозигот обоих типов (АА и аа), но с одинаковой эффективностью.

Во всех случаях отбора в пользу гетерозигот популяция стремится к установлению некоторых устойчивых соотношений в концентрациях доминантного и рецессивного аллелей. Уровень этого соотношения определяется соотносительными коэффициентами селекции против каждого из гомозигот. Эти устойчивые соотношения аллелей устанавливаются в популяции при любом исходном строении популяций (табл. 22).

Мы видим, что популяция 1, имевшая исходные концентрации аллелей в виде pA =0,5 и qa = 0,5 при S =0,5 на оба типа гомозигот (АА и аа), не меняет своей генотипической структуры в следующем поколении.

Однако в популяции 2, при наличии других концентраций аллелей, отбор в пользу гетерозигот сдвигает исходные концентрации. Уже в первом поколении после отбора обе концентрации разных аллелей начинают сдвигаться в направлении величины, равной 0,5 (0,4-0,433; 0,6-0,567).

Однако точка равновесия популяций в виде 0,5 при отборе направленных против обоих типов гомозигот (АА и аа) характеризует только те случаи, когда коэффициент селекции равен в обоих случаях. Если же коэффициент селекции будет равным для двух гомозигот, то точка равновесия популяции сдвигается в сторону того аллеля, коэффициент селекции которого меньше. Например, примем, что в малярийной местности приспособление гетерозигот - Hb 1 S Hb 1 A равно единице, приспособление гомозигот по нормальному аллелю 0,8 и, наконец, приспособление гомозигот Hb 1 S Hb 1 S равно 0,1. В такой популяции устойчивому равновесию будет соответствовать следующая концентрация аллелей. Для аллеля Hb 1 S концентрация будет равна 0,18, а для аллеля Н b А =0,82.

Таким образом, имеется много доказательств, что особенности распределения мутационных аллелей в популяции человека определяются действием отбора. Это в первую очередь касается генов, приводящих к индивидуальной облигатной генетической смерти, а также генов полулетального характера. Во всех этих случаях в популяциях человека устанавливается равновесие на основе соотношения давления мутаций и давления отбора.

Однако наследственная изменчивость в популяциях человека далеко не одинакова по наличию аллелей, определяющих появление тяжелых d рожденных заболеваний у человека. Тысячи разнообразных особенностей человеческого организма подвергаются наследственной изменчивости. В популяциях человека мы встречаемся с картиной разнообразнейшего генетического полиморфизма. Концентрация аллелей тех генов, которые вызывают признаки, практически, казалось бы, совершенно не подвергающиеся отбору, представлены в популяциях самыми различными величинами.

Встает вопрос: какие факторы вызывают и регулируют генетический полиморфизм человека? В какой мере эти факторы специфичны и не является ли отбор регулятором концентрации аллелей в популяциях?

— Источник—

Дубинин, Н.П. Горизонты генетики/ Н.П. Дубинин. – М.: Просвещение, 1970.- 560 с.

Post Views: 328

Отбор в пользу гетерозигот, когда обе гомозиготы имеют пониженную по сравнению с гетерозиготой приспособленность, часто называют гетерозисом, или сверхдоминированием. Этот тип отбора существенно отличается от рассмотренного выше направленного отбора: сверхдоминирования приводит к созданию устойчивого полиморфного равновесия.

Рассмотрим изменения генотипических частот за одно поколение отбора при сверхдоминировании. Все рассуждения представлены в таблице 3.

В первых двух строчках приведены приспособленности и частоты генотипов в некотором поколении. Вклад в следующее поколение равен произведению частоты на приспособленность (третья строка). Сумма вкладов всех генотипов называется средней приспособленностью и равна

W = p 2 (l - s) + 2pq + q 2 (l - t).

Последняя строка таблицы соответствует частотам генотипов в следующем поколении. Вычислим изменение частоты аллеля за поколение, опустив часть простых алгебраических выкладок.

Популяция приходит в равновесие, когда частоты аллелей перестают изменяться.

Δq = q − (P aa +

При этом для аллеля А имеем

s

t + s

В отличие от равновесия в нейтральной популяции (в отсутствии отбора), равновесие при сверхдоминировании является устойчивым. Это означает что при отклонении генных частот от равновесного значения популяция возвращается к тому же равновесному уровню. Напомним, что нейтральная популяция при отклонении от положения равновесия за одно поколение переходит в новое равновесное состояние (с другими частотами генотипов).

Детально изученным примером сверхдоминирования в популяциях человека служит серповидноклеточная анемия - болезнь, широко распространенная в некоторых странах Африки и Азии. Анемия обусловлена аномальным строением гемоглобина (форма S) и развивается у людей гомозиготных по аллелю Hb S . Нормальный гемоглобин вырабатывается в присутствии аллеля Нb A в гомо- или гетерозиготном состоянии. Большинство людей с генотипом Hb A Hb S погибает до достижения половозрелости, так что приспособленность этого генотипа близка к нулю. Несмотря на это, частота аллеля достигает довольно высоких значений в ряде регионов, особенно в районах распространения малярийного плазмодия. Причина этого состоит в том, что гетерозиготы Hb A Hb A более устойчивы к малярии, чем гомозиготы Нb A Нb A , то есть обладают селективным преимуществом по сравнению с обеими гомозиготами, у которых смертность от анемии или от малярии выше, чем у гетерозигот.

Отбор против доминантных аллелей

Это часто встречающийся тип отбора, к нему относятся почти все геномные и доминантные генные мутации.

Отбор против доминантных аллелей идет более эффективно, чем отбор против рецессивных, поскольку доминантные аллели проявляются не только в гомозиготном, но и в гетерозиготном состоянии.

Таблица 5*

* – частоты аллелей после отбора: p 1 = p (1–S)/T; q 1 =q (1–p S)/T.

Изменение частоты доминантного аллеля: p=–(Sq 2 (1–q ))/(1–Sq 2), уже за одно поколение отбора частота p уменьшится. Если доминантная аллель летальна, то Δ p = –p и за одно поколение аллель полностью исчезнет из популяции.

Отбор в пользу гетерозигот

Такой отбор происходит, когда обе гомозиготы имеют пониженную приспособленность по сравнению с гетерозиготой (W 11 <W 12 >W 22) и называется сверхдоминированием, или гетерозисом.

Таблица 6*

• *– частоты аллелей после отбора: p 1 = (p – p 2 S 1)/(1–S 1 p 2 –S 2 q 2); q 1 = (q – q 2 S 2)/(1–S 1 p 2 –S 2 q 2).
• Δ q =pq (p S 1 – q S 2)/(1–S 1 p 2 –S 2 q 2); при положительных значениях частота рецессивного признака увеличивается, при отрицательных – уменьшается, до тех пор. пока не достигнется состояние равновесия, т.е. p S 1 =q S 2 . Равновестные частоты равны q *= S 1 /(S 1 + S 2), p *=S 2 /(S 1 + S 2). Равновесия при отборе в пользу гетерозигот – устойчивое, оно определяется коэффициентом отбора.

Рисунок 1.

Хорошо известным примером сверхдоминирования может служить серповидноклеточная анемия, широко распространенная в некоторых странах Африки и Азии. Нормальный гемоглобин обозначается Hb A Hb A , аномальный – Hb S Hb S . Возможно наличие трех вариантов генотипов: Hb A Hb A (1– S 1), Hb A Hb S (1), Hb S Hb S (1–S 2). S 2 близок к единице, т.к. Hb S Hb S редко выживают. Приспособленность Hb A Hb A близка к единице в районах, где малярия не наблюдается. Из этого следует, что q *= S 1 /(S 1 + S 2) приблизительно равна S 1 /(1+S 1).

Серповидноклеточная анемия представляет собой пример зависимости приспособленности генотипов от окружающей среды. В тех местах, где малярию искоренили или где ее никогда не было, гомозиготы Hb A Hb A обладают одинаковой приспособленностью с гетерозиготами. При этом направление отбора изменяется, он уже не благоприятсвует гетерозиготам, а направлен против рецессивных гомозигот и приводит к эллиминации рецессивного аллеля.

Рецессивные аллели - например, те, которые определяют бесцветность семян у кукурузы (с), зачаточные крылья у дрозофилы (vg) и фенилкетонурию у людей, - в гетерозиготном состоянии вызывают формирование фенотипа, тождественного в отношении приспособленности с фенотипом гомозигот по доминантному аллелю. Однако гомозиготы по рецессивному аллелю могут обладать существенно пониженной приспособленностью. В этом случае отбор будет действовать против рецессивных гомозигот. Мы исследуем действие отбора с помощью следующей общей модели:

Процедура, посредством которой рассчитываются изменения частот аллелей из поколения в поколение, представлена в табл. 24.4. Более подробно она описана в дополнении 24.2. Исходные частоты зигот в соответствии с законом Харди-Вайнберга задаются случайной комбинацией гамет предыдущего поколения. Основной этап расчета представлен в третьей строке табл. 24.4: это умножение исходных частот зигот (первая строка) на их относительные приспособленности (вторая строка). Соответствующие произведения определяют вклад каждого генотипа в генофонд следующего поколения. Однако сумма приведенных в третьей строке значений не равна единице. Для того чтобы перейти к частотам, сумма которых равна единице, мы должны разделить каждое из этих значений на их сумму. Эта операция, называемая нормализацией, проделана в четвертой строке таблицы. Теперь по полученным частотам генотипов потомков мы можем рассчитать частоту аллелей после отбора в соответствии с процедурой, описанной в гл. 22. Изменение частоты аллеля в результате отбора получается вычитанием исходной частоты аллеля из его частоты после отбора. В первой, четвертой и пятой строках табл. 24.4 представлены исходная частота q аллеля а, его частота q 1 после одного поколения отбора и изменение частот в результате отбора ∆q = q 1 - q.

Под действием отбора против рецессивных гомозигот частота рецессивного аллеля понижается. Этого и следовало ожидать, поскольку у гомозигот по рецессивному аллелю эффективность размножения ниже, чем у генотипов с доминантным аллелем.

Каков будет окончательный исход отбора? По определению частоты аллелей больше не изменяются, когда