群體遺傳定律和進(jìn)化

1、群體遺傳定律和進(jìn)化群體遺傳學(xué)（population genetics） 是一門研究群體的遺傳組成及其變化規(guī)律的遺傳學(xué)分支學(xué)科。它應(yīng)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究群體中的基因及其頻率和可能的基因型及其頻率以及影響這些頻率的選擇效應(yīng)、突變作用、遷移和遺傳漂變作用與群體遺傳結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而探討生物進(jìn)化的機(jī)制。第一節(jié) 群體的遺傳結(jié)構(gòu)第二節(jié) Hardy-Weinberg定律第三節(jié) 影響遺傳平衡的因素第四節(jié) 自然群體中的遺傳多態(tài)性第五節(jié) 物種形成第六節(jié) 分子進(jìn)化與中性學(xué)說 第一節(jié) 群體的遺傳結(jié)構(gòu)一、孟德爾群體與基因庫孟德爾群體（Mendelian population)：是指可以互相交配或潛在的有交配能力的許多個(gè)

2、體的集合體。最大的孟德爾群體是一個(gè)物種?；驇?gene pool)：指一個(gè)群體所包含的所有基因的總和。二、基因頻率與基因型頻率 1.基因型頻率（genotype frequency）在同一個(gè)基因的座位上，某一種基因型的個(gè)體數(shù)在總?cè)后w中所占的比率。BBbbBb例：深紅虎蛾（Panaxia dominula）497只虎蛾基因型分別為：BB=452， Bb=43， bb=2它們的基因型頻率分別是：f(BB) f(Bb) f(bb) 合計(jì)：BBbbBb2.基因頻率（gene frequency）群體中某個(gè)基因座位上特定基因的拷貝數(shù)占群體中該座位所有等位基因數(shù)的比例。 例：深紅虎蛾（Panaxia d

3、ominula）497只虎蛾基因型分別為：BB=452， Bb=43， bb=2它們的基因頻率分別是：f (B) =(2BBBb)/（2個(gè)體總數(shù)） = (2452+43)/(2497) =0.953 f (b) =(2243)/(2497) = 47/994復(fù)等位基因的基因頻率牛奶草甲蟲葡萄糖磷酸變位酶（PGM）座位上有3個(gè)等位基因，每個(gè)等位基因編碼了酶的不同分子變異體，在一個(gè)群體中基因型的數(shù)目收集如下：AA=4，AB=41，BB=84，AC=25，BC=88，CC=32，共計(jì)274個(gè)甲蟲。它們的等位基因頻率是：f (A) f (B)f (C) 3.由基因型頻率來計(jì)算基因頻率 群體內(nèi)，某基因座

4、上有兩個(gè)等位基因A和a，它們?cè)谌后w中組成3種基因型：AA、Aa和aa。基因型總和基因總和AAAaaaAa個(gè)體數(shù)n1n2n3N2n1 + n22n3 + n22N頻率11符號(hào)DHRpq基因型總和基因總和AAAaaaAa個(gè)體數(shù)n1n2n3N2n1 + n22n3 + n22N頻率11符號(hào)DHRpqA和a的基因頻率為：P= = + = + =D + Hq= = + = + =R+ Hp=D+ H q=R+ H推導(dǎo)出以下公式：例：深紅虎蛾基因型頻率為：D=f(BB) H=f(Bb) R=f(bb) 則，基因頻率為：f(B)=P=D+1/2Hf(b)=Q=R+1/2H 第二節(jié) Hardy-Weinber

5、g 定律1908年由英國數(shù)學(xué)家G. H. Hardy和德國醫(yī)生W. Weinberg分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)的，故稱為哈迪溫伯格定律（ law of Hardy Weinberg），又可稱為哈迪溫伯格平衡（ Hardy Weinberg equilibrium） 。當(dāng)一個(gè)大的孟德爾群體的個(gè)體間進(jìn)行隨機(jī)交（婚）配（ random mating，RM） ，即一種性別的任何一個(gè)個(gè)體有同樣的機(jī)會(huì)與相反性別的個(gè)體交配的前提條件下，同時(shí)沒有選擇（ selection） 、沒有突變（ mutation） 、沒有遷移（ migration）和遺傳漂變（ genetic drift ）發(fā)生時(shí)，下一代基因型的頻率將和前一代

6、一樣，于是這個(gè)群體被稱為處于隨機(jī)交配系統(tǒng)下的平衡中。一、定律的要點(diǎn)1.在隨機(jī)交配的大群體中，如果沒有影響基因頻率變化的因素存在，則群體的基因頻率可代代保持不變。2.在任何一個(gè)大群體中，不論上一代的基因頻率如何，只要經(jīng)過一代隨機(jī)交配，由一對(duì)位于常染色體上的基因所構(gòu)成的基因型頻率就達(dá)到平衡，只要基因頻率不發(fā)生變化，以后每代都經(jīng)過隨機(jī)交配，這種平衡狀態(tài)始終保持不變。3.在平衡狀態(tài)下，D=p2、H=2pq、R=q2。此定律可分為3個(gè)部分：第一部分是前提：理想群體，無窮大，隨機(jī)交配，沒有突變、沒有遷移和自然選擇。第二部分是結(jié)論:基因頻率和基因型頻率逐代不變。第三部分是關(guān)鍵：隨機(jī)交配一代以后基因型頻率將保

7、持平衡。D=p2、H=2pq、R=q2二、定律的證明設(shè)在常染色體的基因座A上有兩個(gè)等位基因A1和A2，群體中可能的基因型有A1A1、A1A2和A2A2三種，設(shè)某一世代（零世代）具有以下基因型頻率和基因頻率：基因型基因A1A1A1A2A2A2A1A2頻率D0H0R0p0q0零世代個(gè)體進(jìn)行隨機(jī)交配，產(chǎn)生的一世代個(gè)體的基因型頻率和基因頻率如下：雄配子及其頻率A1（p0）A2（q0）雌配子及其頻率A1（p0）A1A1（p02）A1A2（p0q0）A2（q0）A1A2（p0q0）A2A2（q02）三、平衡群體的基本特征1.在一個(gè)二倍體的群體中 ，雜合體的頻率（H2pq）是當(dāng)pq12時(shí)，最大值為 。2.雜

8、合體的頻率（H）（或頻數(shù)）是兩個(gè)純合體頻率（D、R）（或頻數(shù)）的乘積的平方根的2倍。即： 的比例為2與群體的基因頻率無關(guān)。該性質(zhì)可以作為平衡的一種簡單的數(shù)學(xué)檢驗(yàn)。 3.群體點(diǎn)（population point，P）在齊次坐標(biāo)中的運(yùn)動(dòng)軌跡是在 4DR H2 0的拋物線上。例：一個(gè)隨機(jī)交配的平衡群體（D0. 49，H，R ）的群體點(diǎn)P落在4DRH20的拋物線上。 4.平衡群體中的AaAa交配的頻率為AAaa交配頻率的2倍。 因?yàn)锳aAaH24p2q2，而 AAaa2DR2p2q2。所以雜合體之間的交配頻率永遠(yuǎn)是顯性純合體與隱性純合體之間交配頻率的2倍。 這種數(shù)學(xué)關(guān)系與群體中的基因頻率完全無關(guān)，適合

9、任何平衡群體。 5.如果在一對(duì)等位基因遺傳的平衡群體中一個(gè)基因的頻率（q）很低，另一個(gè)等位基因的頻率（p）則接近于1，Hardy Weinberg比例將取得一種極限形式：四、定律的應(yīng)用1.共顯性時(shí)表型與基因型一致，可以從表型直接辨別基因型，只要統(tǒng)計(jì)不同表型所占比例，就可以得到相應(yīng)的基因型頻率，由公式可計(jì)算出基因頻率。例：人類的MN血型在我國某大城市調(diào)查了1788人的MN血型，其中397人M型（LMLM）；861人是MN型（LMLN）；530人是N型（LNLN）。判斷該抽樣群體中的3種基因型頻率是否符合Hardy Weinberg平衡？血型總計(jì)M型MN型N型基因型LMLMLMLNLNLN觀察數(shù)3

10、978615301788觀察頻率0.22200.48160.29641LM 基因頻率：LN 基因頻率：q將計(jì)算得到的p、q 值代入下表，作2 檢驗(yàn)。查2表，差異不顯著。表明3種基因型頻率符合Hardy Weinberg平衡定律。2.完全顯性時(shí)顯性純合體與雜合體表型相同，外表不能識(shí)別，只能通過隱性純合子的基因型頻率來計(jì)算q，而p=1-q。例：人類的白化病（aa）白化病在人群中的發(fā)生率約為，即白化病的基因型頻率為R（aa） q= 雜合體頻率四、哈迪-溫伯格定律的擴(kuò)展假如存在3個(gè)等位基因A，B和C的話，它們的頻率分別為p、q、r，在平衡時(shí)基因型的頻率也等于等位基因頻率的平方：（p+q+r）2 = p

11、2+ q2+ r2 +2qp +2pr+2qrAA=p2 BB=q2 CC=r2AB=2pq AC=2pr BC=2qr例：長島海峽蘭色的貽貝群體中有一基因座位編碼亮氨酸肽酶，這個(gè)座位有3個(gè)等位基因：等位基因 頻率LAP98 p LAP96 q LAP94 r 若這個(gè)群體達(dá)到哈迪-溫伯格平衡，預(yù)期它們的基因型頻率將是：基因型 預(yù)期頻率LAP98/LAP98 p2 = (0.52)2 LAP98/LAP96 2pq = LAP96/LAP96 q2 =（）2 LAP96/LAP94 2qr LAP94/LAP98 2pr LAP94/LAP94 r2 = (0.17)2 第三節(jié) 影響遺傳平衡的因

12、素Hardy-Weinberg的平衡群體是一個(gè)理想的群體，有許多因素會(huì)影響Hardy-Weinberg群體的平衡。一、突變A基因頻率 f(A)=pa基因頻率 f(a)=q正向突變（Aa）的頻率為u，回復(fù)突變（aA）的頻率為v。每一代中有（1 q）u 的A基因突變?yōu)閍有qv 的a基因回復(fù)突變?yōu)锳若（1q）u qv，則a基因的頻率增加若（1q）u qv，則A基因的頻率增加于是每代a基因頻率的凈改變量為：q（1q）uqv經(jīng)過足夠多的世代，這兩種相反的力量相互抵消時(shí)，q 0，即表明基因頻率保持不變，群體處于平衡狀態(tài)。在平衡時(shí)，a基因的平衡頻率q可由下式求得： 分別表示a基因與A基因平衡點(diǎn)的頻率，平衡點(diǎn)

13、的基因頻率只決定于正、反突變的突變率，而與初始的基因頻率無關(guān)。假設(shè)：在極端情況下，只有一個(gè)方向發(fā)生突變，即v=0A0=p0，a0=q0；A1=p1，a1=q1An=pn，an=qn則：p1=p0-p0u=p0(1-u) p2=p1-p1u=p1(1-u)=p0(1-u)2即：pn=p0(1-u)n由于一般情況下，u很?。?0-410-7），1-u1，因此突變對(duì)基因頻率的改變是很難的，況且還有回復(fù)突變。二、自然選擇達(dá)爾文（Darwin C.，1809-1882）： 英國博物學(xué)家。 自然選擇的作用是指不同的遺傳變異體具有差別的生活力和（或）差別的生殖力。自然選擇的觀點(diǎn)被蘇聯(lián)遺傳學(xué)家精辟歸納為：自然

14、選擇的本質(zhì)就是一個(gè)群體中的不同基因型的個(gè)體對(duì)后代基因庫作出的不同貢獻(xiàn)。1.適合度和選擇系數(shù) 適合度（fitnees）：某一基因型與其他基因型相比，能夠存活并留下后代的相對(duì)能力。它是一種基因型的個(gè)體在某種環(huán)境下相對(duì)的繁殖效率或生殖有效性的度量，用W來表示。以生殖最多的基因型的適合度為1。未能交配或交配后未能產(chǎn)生后代的基因型適合度為0。工業(yè)黑化現(xiàn)象灰色樺尺蠖（Biston betularia）椒花蛾黑化型（carbonaria）1880年黑蛾的比例已超過了90%1959年黑色型為93.3%英格蘭伯明翰的黑色和淺灰色B. betularia的相對(duì)適合度黑色淺色基因型DD Dddd釋放量a15464回

15、收量b8216生存率b/a0.530.25 相對(duì)適合度w0.53/0.53=10.25/0.53=0.47 選擇系數(shù)（selective coefficient）：由于選擇作用使一種基因型適合度減少的值。用S表示。S=1-W 3.自然選擇的作用（1）選擇對(duì)隱性純合體不利 -sq2(1-q) q= 1-sq2當(dāng)q或s很小時(shí)， q -sq2(1-q)說明當(dāng)選擇系數(shù)很小或a基因頻率很低時(shí)，a基因頻率的改變是很小的，選擇的作用不大。（2）選擇對(duì)顯性基因不利 -sp(1-p)2 p= 1-sp(2-p)同理，當(dāng)s或p很小時(shí)， p -sp(1-p)2說明當(dāng)選擇系數(shù)很小或A基因頻率很低時(shí)，A基因頻率的改變是

16、很小的，選擇的作用不大。比較：p -sp(1-p)2 -sp q -sq2(1-q) -sq2由于p及q均小于1，因此p大于q，說明在選擇對(duì)顯性基因不利與選擇對(duì)隱性基因不利相比較時(shí)，A基因的改變（減少）比a基因大。這是因?yàn)楫?dāng)選擇對(duì)隱性基因不利時(shí)，部分基因以雜合體形式存在，不受自然選擇的影響。三、遷移遷移（migration ）或基因流（ gene flow）是指個(gè)體從一個(gè)群體遷入另一群體或從一個(gè)群體遷出，然后參與交配繁殖，導(dǎo)致群體間的基因流動(dòng)。如果遷入者（ immigrants ）和遷出者（ emmigrants ）的比例為 m， 設(shè)遷入者從其他群體隨機(jī)地進(jìn)入 S群體（土著），遷出者從 S群體

17、遷出其他群體。且有 0 m 1。 S群體中 A、 a 基因頻率分別為 p0、q0，遷入者的頻率分別為 p0、q0 ，遷移發(fā)生在群體中的個(gè)體進(jìn)行生殖以前 ，遷入者在 S中生殖 ，遷出者不在 S內(nèi)生殖 。 則經(jīng)過一代遷移后 ，混合群體中 a基因頻率為 ：q1 （1 m）q0 mq0 m（q0 q0） q0或有 ： q1q0 m（q0 q0 ）若每代 m不變 ，連續(xù) n代之后的混合群體內(nèi)的基因頻率為 ：qn q0 q0 （ 1m ）n （ 1 m ）nq0n 遷移發(fā)生的世代數(shù)m 遷移速率或基因流動(dòng)速率qn 遷移n代混合群體中的a基因頻率q0遷入者的a基因頻率q0 土著（或祖先）群體中的a基因頻率可以

18、證明該等式最終為： 根據(jù)上式可計(jì)算出基因流動(dòng)的速率 m， 當(dāng)其他條件都已知時(shí)，由于遷移率往往比突變率要大很多，所以遷移比突變更有效地改變?nèi)后w的等位基因頻率?，F(xiàn)以決定Rh血型基因座上的R0為例說明基因流在人類群體中造成的后果設(shè)R0 基因頻率在白人群體中的p ，而在黑人的祖先群體中R0 的基因頻率p0 （或被視為黑人群體中的初始R0基因頻率）。現(xiàn)已知，該國家中黑人的祖先來到這個(gè)國家大約為300年前（或以n 10代來表示），而已知黑人群體中的pn 。將上述已知數(shù)據(jù)代入公式中：說明從白人群體進(jìn)入黑人群體的基因流動(dòng)速率相當(dāng)于每代平均3.6% 。四、遺傳漂變?cè)谝粋€(gè)小群體內(nèi)，由于抽樣的隨機(jī)誤差所造成的群體中

19、基因頻率的隨機(jī)波動(dòng)，叫做遺傳漂變(genetic drift) 。 由群體遺傳學(xué)家S. Wright于1930年提出的，有時(shí)人們也把漂變稱萊特效應(yīng)（Wright effect）。 大群體中如果不產(chǎn)生突變，根據(jù)哈德魏伯格定律，不同基因型的頻率將會(huì)維持平衡狀態(tài)。 在一個(gè)小群體中，由于小群體與其它群體相隔離，不能充分地隨機(jī)交配，因而在小群體內(nèi)基因不能達(dá)到完全自由分離和組合，使基因頻率容易產(chǎn)生偏差。但這種偏差不是由于突變、選擇等因素引起的。一般群體愈小，就愈易發(fā)生遺傳漂變作用。 建立者效應(yīng)（founder effect） 這是由少數(shù)個(gè)體的基因頻率決定了它們后代中的基因頻率的效應(yīng)，是一種由為數(shù)不多的幾個(gè)

20、個(gè)體所建立起來的新群體所產(chǎn)生的一種極端的遺傳漂變作用。卟啉（pulin）癥是一種血紅蛋白的代謝障礙，其特征是尿液中排出過量的卟啉。卟啉是血紅蛋白分子的主要組成成分?；颊叩钠つw見光部分容易起水泡和磨損。這種遺傳病是由一個(gè)顯性基因引起的。在世界的絕大多數(shù)地區(qū)此病極為罕見，其基因頻率極低。但在南非的歐洲人群中約有41000的發(fā)病率。該致病基因的頻率為何如此高？ 人類群體遺傳分析表明：是由于遺傳漂變的建立者效應(yīng)所致。對(duì)南非白種人卟啉癥患者的家系進(jìn)行仔細(xì)調(diào)查之后發(fā)現(xiàn)，大約有200萬歐洲人的現(xiàn)代群體，他們都是1686年來到好望角市結(jié)婚的一對(duì)荷蘭夫婦的后裔，這對(duì)夫婦中的一人是卟啉癥致病基因的攜帶者。 瓶頸效

21、應(yīng)（bottle neck effect） 由于環(huán)境的激烈變化，隨機(jī)遺傳漂變使群體中的個(gè)體數(shù)急劇減少，甚至面臨滅絕的等位基因頻率發(fā)生偶然變異，類似于群體通過瓶頸。當(dāng)一個(gè)大群體通過瓶頸后由少數(shù)個(gè)體再擴(kuò)展成原來規(guī)模的群體，這種由于群體數(shù)量的消長而對(duì)遺傳組成所造成的影響稱為瓶頸效應(yīng)。在自然界，當(dāng)氣候或其他環(huán)境條件變得十分嚴(yán)峻時(shí)，群體中的個(gè)體數(shù)目急劇減少，甚至面臨絕滅危險(xiǎn)時(shí)，通過瓶頸效應(yīng)或建立者效應(yīng)可以使它們的數(shù)量恢復(fù)到原來的大小。但在瓶頸期間，由于遺傳漂變的作用在很大程度上改變了它們的基因頻率，因而改變了重新恢復(fù)起來的群體中的基因頻率。第四節(jié) 自然群體中的遺傳多態(tài)性 在一個(gè)群體中存在兩個(gè)和多個(gè)有相當(dāng)

22、高頻率（一般大于1%）的等位基因的現(xiàn)象，稱為遺傳多態(tài)性（geneticpolymorphism）。遺傳多態(tài)性是由基因突變產(chǎn)生的，諸如核苷酸的置換、插入、缺失（或刪除），以及基因轉(zhuǎn)變和基因間的重組等。一、多態(tài)性與雜合性一個(gè)基因或一個(gè)表型特征若在群體內(nèi)有多于一種的形式的話，它就是多態(tài)的基因或多態(tài)的表型。例如，用電泳法觀測了海蠕蟲的30個(gè)基因座，其中12個(gè)基因座上未發(fā)現(xiàn)變異，其余18個(gè)基因座上檢出了變異，可以計(jì)算有基因座在群體中是多態(tài)的，或者說群體多態(tài)性程度是60%。群體的平均雜合度計(jì)算式為：H每個(gè)基因座為雜合體的頻率總和基因座總數(shù)例如在某群體中研究了4個(gè)基因座，每基因座上雜合子頻率分別為，和。對(duì)于

23、這4個(gè)基因座而言，H（ ） 4 雜合性（度）（ heterozygosity，H）是群體遺傳變異的另一個(gè)度量參數(shù)。它是指某一基因座上的等位基因是雜合體的頻率。核型是一個(gè)物種的染色體的顯著特征，許多物種在染色體數(shù)目與形態(tài)上有很高的多態(tài)性。相互易位和倒位等染色體結(jié)構(gòu)變異引起的多態(tài)，在植物、昆蟲甚至哺乳動(dòng)物中都存在。二、染色體多態(tài)性三、蛋白質(zhì)多態(tài)性四、DNA多態(tài)性群體遺傳學(xué)分析常用下列標(biāo)記：（1） 限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）（2） 數(shù)目可變串聯(lián)重復(fù)（VNTR）（3） 短串聯(lián)重復(fù)（SSR）（4） 單核苷酸多態(tài)性（SNP）RFLPD5S818基因座屬于（ AGAT）n 4核苷酸短串聯(lián)重復(fù)，按其核心

24、序列的重復(fù)數(shù)來命名其等位基因，即當(dāng)核心序列AGAT重復(fù)次數(shù)n 7，8，9， ，15時(shí)，則分別命名為7，8，9， ，15等位基因。 第五節(jié) 物種形成一、物種（Species）的概念物種：個(gè)體間實(shí)際上能夠相互交配或具有相互交配的潛能而產(chǎn)生可育后代的自然群體，是生物分類的基本單元，生物繁殖和進(jìn)化中的基本環(huán)節(jié)。(總)界 動(dòng)物界 門(亞) 脊索動(dòng)物門 綱(亞) 脊椎動(dòng)物亞門 目(亞) 靈長目 科 (亞) 人科 屬(亞) 人屬 種(亞) 人種二、物種形成的方式1.漸變式 又稱地理物種形成 在一個(gè)長時(shí)間內(nèi)舊的物種逐漸演變成為新的物種，這是物種形成的主要形式。 漸變式又可分為二種方式：繼承式和分化式（1）繼承

25、式：指一個(gè)物種可通過逐漸累積變異的方式，經(jīng)歷悠久的地質(zhì)年代，由一系列的中間類型過渡到新種。分化式：指同一物種不同群體，由于地理隔離或生態(tài)隔離逐漸分化成不同新種。由少數(shù)種變?yōu)槎鄶?shù)種。過程：地理隔離（如海洋、大片陸地、高山和沙漠等）許多生物不能自由遷移、相互之間不能自由交配、不同基因間不能彼此交流遺傳變異自然選擇變種或亞種進(jìn)一步分化生殖隔離新種。 羚松鼠2.爆發(fā)式又稱量子式物種形成不一定需要悠久的演變歷史，在較短時(shí)間內(nèi)即可形成新種。一般不經(jīng)過亞種階段通過遠(yuǎn)緣雜交、染色體加倍、 染色體變異或突變等方法在自然選擇的作用下逐漸形成新種。 第六節(jié) 分子進(jìn)化與中性學(xué)說 從生物學(xué)、分類學(xué)、胚胎學(xué)、比較解剖學(xué)、生物地理學(xué)、生理學(xué)和遺傳學(xué)等領(lǐng)域可以證明生物進(jìn)化的過程。同樣，也可以從分子水平研究生物的進(jìn)化。根據(jù)生物核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異程度： 精確估計(jì)生物種類的進(jìn)化時(shí)期和速度； 估計(jì)結(jié)構(gòu)簡單的微生物進(jìn)化； 比較親緣關(guān)系極遠(yuǎn)類型之間的進(jìn)化信息。 一、蛋白質(zhì)進(jìn)化 比較生物之間同一蛋白質(zhì)的組成，根據(jù)蛋白質(zhì)中氨基酸變化數(shù)目和各類生物相互分歧的時(shí)間對(duì)比，計(jì)算進(jìn)化時(shí)蛋白質(zhì)變化速率，估計(jì)其親緣關(guān)系和進(jìn)化程度。 黑猩猩細(xì)胞色素C中的氨基酸和人完全一樣，說明黑猩猩與人的親緣關(guān)系較近。 人陸生動(dòng)物的親緣關(guān)系較