(3)--1 群体遗传学的建立及基础知识.pdf

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1、第一部分 群体遗传学建立及其基础知识 同学们好！从今天开始，我将与大家一道共同讨论和学习“动物遗传学”的群体遗传学部分，我们计划将用 16 个左右的知识点进行学习，希望我们共同努力，完成学习任务。第一讲 群体遗传的建立与发展 1、群体遗传学的建立 谈起群体遗传学的建立，我们首先想到的是遗传学的建立，众所周知，遗传学的奠基者是 Gregor Johann Mendel(1822-1884)，他的植物杂交实验在 1865 年进行了宣讲，并于1866 年发表，即我们熟悉的遗传分离定律和自由组合定律。但是他的工作在当时并未引起重视，在 1900 年，由于科林斯、德弗里和薛尔马克的工作，孟德尔的论文被重

2、新发现。遗传学由此逐渐成为生命科学领域最为重要的一门学科。这是孟德尔单因子的杂交实验示意图，即具有相对性状的 2 个亲本交配，产生 F1 代，然后 F1 代自交，产生 F2 代，F2 代的表现出 2 个亲本的性状，比率是 3:1。孟德尔的工作被重新发现后，引起了当时学术届的高度关注。首先是，许多学者求证孟德尔的遗传规律的普遍性，比如 William Bateson，英国知名学者，遗传学 Genetics(1905)的命名者，他是应用动物实验，验证 Mendel 定律第一人。其次，许多学者发现孟德尔比率是 F1 自交的结果，若是一个随机交配的群体，遗传因子的比率是多少呢？于是众多的学者纷纷给出了

3、自己的答案，例如，当时的遗传学大咖尤尔（Yule）就认为群体的等位基因频率为 0.5 时，群体就处于稳定状态，现在来看，这个结果是错误的，当然这已经是后话啦。Hardy 是一个给出了正确答案的人，当时被称为 Hardy 定律。讲到这里时，你们或许会问，老师你错啦，我们书上讲的是 Hardy Weinberg 平衡定律，是的你们是正确的。这个平衡定律就是 Hardy Weinberg 群体平衡定律。这里有几个故事需要与大家分享。（1）、为了探索孟德尔杂交实验所表现出的孟德尔比率在随机交配的情况时什么样的状况；当时的一个遗传学大家，Punnett，（这就是我们原来讲 Punnett Square

4、的提出者），找到他的同事，数学家 Hardy 帮忙，请求帮助和合作来解决这个当时的科学难题；Hardy 一看，也查阅了其他人的研究结果，比如说我们前面所讲的 Yule 的结果，他当时就知道这时一个错误结果，随后经他的研究，给出结果，就是二项式的展开形式，（p2+2pq+q2=1），非常简单，并被大家验证，确认和认可，当时被称为 Hardy 定律。（2）、Weinberg 是一个德国人，对这个问题也非常感兴趣，于 1908 年，发表了论文，非常遗憾的事，论文是德文，并没有引起注意；非常幸运的是，很快他的工作就被发现了，并得到了公正的对待，于是群体平衡定律就被称为 Hardy-Weinberg 定

5、律。此外，Weinberg在群体遗传学中进行了大量研究，可以与 Fisher 比肩；只不过他的论文大多是德文的，对当时世界的学术中心，英美国家，影响比较有限，国只能被称为德国的 Fisher。这一点与 Hardy不同，他后来基本上就没有进行遗传学的相关研究。（3）Castle 早在 1903 年，就发表了论文对该比率进行了阐述，“自然选择对隐性基因作用”的论文中就对该比率进行了报道，但是没有引起注意，直至 60 年以后被发现，但是平衡定律就只称为 Hardy-Weinberg 定律。非常幸运的是他这个贡献现在被越来越多的科学家所认识。其实 Castle 是遗传学大家，犹如英国的 Bateson

6、，他的学生更是知名，就是 Sewall Wright。2 群体遗传学发展和完善 我们大家知道，在一战至 50 年代。遗传学界的三巨头是 Fisher，Haldane 和 Wright，他们从理论上，解析了影响群体遗传结构变化的各种因素，及其遗传效应，即对选择、迁移、突变和遗传漂变等的作用。由于他们的工作，群体遗传学由建立的初始阶段，发展称为一个体系完整的一门科学，有的人将它称为“理论群体遗传学”。他们所处的世代，被誉为群体遗传的黄金世代。（1）、Fisher 在 college university,他的群体遗传科研工作，在 1918，出版。相关的专著，The genetical theory

7、 of natural selection在 1930 年出版。此外，Fisher 一半的工作是生物统计学的工作，如提出了方差的概念，实验设计等。（2）、1921 Haldane 提出了选择的数学理论，他发表的论文相对比较少，集中在他的专著中，the causes of evolution在 1932 年出版。（3）、Sewall Wright 主要研究遗传漂变对群体遗传结构的影响。此外遗传学、统计学、育种学都会接触到他，如通径分析、近交系数等提出者。群体遗传学的发展与完善，也有我们中国人的贡献，其中最为引以为傲是李景均（C.C.Li）在 1948 年出版了群体遗传学，有中文版，翻译者是大名鼎

8、鼎的吴仲贤教授，我国数量遗传学的奠基者，者从一个侧面反应出 C.C.Li群体遗传学的地位。3、现在介绍群体遗传学在动物遗传学中的地位 群体遗传学：以质量性状为研究对象，在群体的水平上研究基因和基因型频率（或遗传结构）及其在世代间的变化、基因型的适应性以及物种进化等科学问题。遗传学从建立后，向两个方向进行了发展，（1）、在宏观方向，由个体、到群体、再到数量，即个体遗传学、群体遗传学、数量遗传学；（2）从微观方面，由个体、到细胞、再到分子，即经典遗传学、细胞遗传学、分子遗传学；（3）、现在的发展趋势，两个发展方向，进行了相互的融合，形成分子数量遗传学。从以上可以看出，群体遗传学是遗传学的一个分支，

9、可以理解为第二代的遗传学，国际上普遍把群体遗传学看成是孟德尔学说、达尔文学说与数学相互融合而形成的遗传学分支，即是我们国内常常有人说遗传学原理与数学的相互结合而形成了群体遗传学。这里有几个问题，大家需要注意：（1）是群体遗传学与其他的遗传学是有机的整体，比例，遗传物质 DNA 分子，存在细胞核的染色体上，细胞形成生命体，从而形成群体，所以遗传学不同分支是人为的。（2）当今，不同分支的遗传学相互融合，相互的界限越来越模糊。例如群体遗传研究的群体结构，检测基因型可以使用分子技术，分析方法采用是统计学方法。（3）对于群体水平上，进行基因组遗传变异或遗传多样性检测，当今许多技术都可以检测，如重测序技术

10、、GBS、基因芯片等。这些基因组水平的遗传变异可以应用于现代复杂性状的探索，如QTL检测和定位，也可以应用于现代的动物育种中，比例全基因组选择（GS）。另外，群体水平上的遗传变异或遗传多样性分析还派生出诸多的新兴学科，例如基因组学（Genomics）、计算生物学(Computation biology)、生物信息学(bio-informatics)等，这些新兴学科的基础都是以群体遗传学为基础的。4、群体与数量遗传学研究的主要内容 群体遗传学研究的内容太多，我们的教学主要包括三大块内容：。我争取从学科发展历史、学科争鸣、以及相关趣闻佚事等诸多方面，全方位介绍群体遗传相关的知识点；让大家在快乐中完

11、成群体遗传学的学习，让大家在有限的时间，更加全面地掌握群体遗传学的发展。第二讲 群体以及群体的遗传结构 1、群体和孟德尔群体 群体（Population），通常是指一个种、一个亚种、一个变种、一个品种或其他同类的生物类群的所有成员的总和。群体，是群体遗传学研究的客体或对象；而且处于一个动态的变化过程中。孟德尔群体（Mendelian population），是指具有共同的基因库，并由有性交配个体所组成的繁殖群体的总和。孟德尔群体，才具有世代传递的能力，才是群体遗传学家真正关心的对象和研究对象。2、基因库 基因库（Gene pool）是杜布占斯基在 1950 年提出，并迅速成为生物驯化领域的重要

12、内容。基因存在于基因池中，由于抽样，小群体的基因会因为遗传漂变，而发生较大的变化（1）生物学的问题 转化为 抽样问题，即统计的问题。例如：小群体的遗传漂变的研究，就是抽样误差大小的计算啦。（2）杜布占斯基 是美籍俄国人，著名的生物进化和遗传学家，同时是实验群体遗传学的奠基者。（3）他的一句话，现在已经成为了生物进化领域的至理名言啦：“如果不按照进化思想思考问题，生物学的一切将无法理解”。3、群体的基因频率和基因型频率 基因频率(Gene frequency)是指群体中某一基因占同一位点全部基因的比率。基因型频率(Genotype frequency)是指群体中某个基因型个体数占群体总数的比率。

13、A pair of homologous chromosomes A gene locus A pair of alleles locus three pairs of gene 上图展示的是同源染色体的 2 条姊妹染色体的示意图；（1）首先是基因位点与基因座位；（2）等位基因：一对等位基因，（3）三对等位基因，控制是相对性状。以一对等位基因为例，基因性的频率分别用 D、H、R 来表示，显性纯合子、杂合子、隐性纯合子的频率，p、q 分别表示显性基因、隐性基因的频率。杂合子是指两个等位基因是不同的两个类型的基因 Heterozygous=two different types of genes(

14、Bb)；纯合子是指两个遗传组成相同的等位基因 Homozygous=two similar genes(BB)；分为显性纯合子和隐性纯合子；显性基因 Dominant Gene=trait overpowers others，隐性基因Recessive Gene=must be accompanied with another recessive gene to express trait；不完全显性Incomplete Dominance=both traits express themselves。基因频率与基因型频率之间存在一定的联系，即 p=D+H，q=H+R；在实际的工作中，表型是容

15、易观测到的，往往都是通过基因型频率来计算群体的基因频率。我们以一个实例来说明。通过以上的介绍，我们可以得到几个结论：（1）、大多数群体遗传学家首先关心的就是群体中特定位点的基因频率；（2）、为了得到群体的基因频率，就必须知道群体中每个个体该位点的基因型；3、推断基因型的一般方法是通过个体的表型来推断。4、基因频率与基因型频率的性质（1）、同一位点的各基因频率之和等于 1；（2）、群体同一位点的各基因型频率之和等于 1；（3）、基因频率的取值范围在 01 之间；（4）、基因频率型的取值范围在 01 之间。留一个问题：以上我们以常染色体的等位基因作为研究和讨论的对象，若基因位于性染色体上，情况又会

16、如何？性染色体同型的群体：性染色体异型的群体：5、群体的遗传结构 群体（遗传）结构是由群体的基因频率以及由基因频率所构成的基因型频率的遗传组成。群体结构是描述群体特性的特征量。群体遗传关心的问题之一是进化问题，实际上是研究群体遗传结构长期变化的过程。育种工作也是改变群体遗传结构的一个过程，如畜群的遗传改良实际上是改变群体结构，提高有利基因的基因频率，畜群的选配工作实际上是改变群体结构，提高高产基因型的频率。群体遗传学研究群体的遗传结构，有时还非常关心群体的空间遗传结构的不同，研究不同群体的特点和特征，如以 ABO 血型为例，不同地区血型的不同，研究特定群体有关 ABO血型的特性。第三讲 遗传平

17、衡定律（HardyWeinberg 定律）1、HardyWeinberg 定律的表述 英国数学家 Godfrey H.Hardy 和德国内科医生 Wilhelm Weinberg 提出解决的方案，就是 Hardy-Weinberg 定律（Hardy-Weinberg law）Hardy-Weinberg 定律：1、在一个理想群体中，也就是说群体是无选择、迁移、突变等因素影响的一个随机交配大群体，群体的遗传结构保持世代不变；2、任何一个大群体,不管基因频率如何,只要随机交配一代,一对常染色体基因型频率就达到平衡状态；3、在平衡群体中，基因频率和基因型频率的相互关系:D=p2，H=2pq，R=q2

18、。HardyWeinberg equilibrium，群体处于 HardyWeinberg 平衡(平衡群体)（1）、基因频率的恒定性：群体的遗传结构世代不变，即（2）、基因型频率的恒定性：（3）、平衡群体的判别标准，即一对基因为例，符合（p2，2pq，q2）这是平衡群体的充分必要条件。2、与 Hardy-Weinberg 定律相关的几个概念 为了更好地理解 Hardy-Weinberg 定律，我们必须加以进一步的说明。（1）、平衡群体和理想群体，这是两个即有联系，又有区别的两个概念；平衡群体是指群体在世代的传递的过程中，群体的遗传结构是不变的；理想群体是符合这样条件的群体是理想群体，即 群体中

19、的每个个体的生活力和繁殖机会相等，也就是没有选择的作用；每个基因位点上，没有因为突变而产生新的等位基因；群体中没有外来个体迁入，也没有个体迁出；群体要无限大，也就是说，抽样误差和其他随机误差都可以被忽视；群体中个体间实行随机交配；世代之间无重叠。一般来说，理想群体一定是平衡群体，但是平衡群体在一个特定时段和一定条件下的研究群体。（2）随机交配：在一个由两个性别组成的群体中，每个个体具有相同机会与相反性别的任何个体交配。随机交配不等同于自然交配，因为自然交配中存在动物的圈群现象、动物群体中存在一定的社会次序。公母动物交配的机会不同等同的。3、平衡群体建立的条件：一个大群体，无论起始成分如何，只要

20、随机交配一代，常染色体上的一对等位基因，群体就达到平衡；一个随机交配的大群体，经过多代，两对或两对以上的常染色体的等位基因才能达到平衡。一个随机交配大群体，性染色体上的一对等位基因是通过摆动式达到平衡。nppp10第四讲、HardyWeinberg 定律的证明和检验 1、Punnett Square 2、基因型频率的恒定性 我们还是以一对等位基因为例，进行说明。我们需要证明不同世代，基因型的频率是一致的，即 Dn=Dn-1=D2=D1，Hn=Hn-1=H2=H1，Rn=Rn-1=R2=R1。我们以不同交配方式的概率计算得到证明。3、基因频率的恒定性 我们需要证明不同世代，基因的频率是一致的，即

21、 pn=pn-1=p2=p1=p0，qn=qn-1=q2=q1=q0 4、平衡群体的性质 性质 1：在二倍体遗传的平衡群体中，杂合子（Aa）的频率 H=2pq 的值永远不会超过0.5 性质 2：杂合子的频率是两个纯合子频率乘积平方根的 2 倍，5、Hardy Weinberg 定律的检验 这个问题在教科书里没有列出来，我们用什么方法可以检验一个群体是否处于 Hardy Weinberg 平衡，也就说，用什么统计学方法检验群体处于平衡状态，或是一个平衡群体？这个问题，我们可以回忆一下，做果蝇实验时，分离规律，一等等位基因的 F1 的分离比率是 3：1，但是我们的实际的研究数据，不一定完全符合 3

22、：1 比值，如何检验？X2检验，该检验的零假设是 H0：群体处于平衡状态；接受假设是 Ha：群体不是处于平衡状态 计算步骤：（1）、Determine allele frequencies；（2）、Calculate Expected genotypic freq。；（3）、Calculate chi-square statistic；（4）、Compare calculated 2 with tabled 2 第五讲、群体基因频率的计算 平衡定律，是群体遗传的基础，(1)、Hardy-Weinberg 定律揭示的是理想群体中遗传结构的变化规律。也就是说，平衡定律是了解群体遗传结构的方法。(2

23、)、Hardy-Weinberg 定律可以根据群体隐性纯和子个体的比率计算杂合子的频率。群体的遗传结构比较复杂，包含各种各样的情况，下面进行较为详细的介绍。1、无显性或显性不完全时 这是最简单的一种情况，因为基因型与表型完全一直，也就是说，不同表型的比率就是不同基因型的比率，通过基因型比率就可以计算基因频率。例 1、短角牛的牛群中白、沙、红色的个体比例分别是 35%、50%和 15%。p=D+1/2H=0.35+1/2 0.5 =0.6 q=R+1/2H=0.15+1/2 0.5 =0.4 2、完全显性时 与上种情况对比，显性纯合子与杂合子的表型一致，三种基因型只有两种表型，这时只有通过 Ha

24、rdy Weinberg 定律，来计算群体的基因频率。假定研究群体是平衡群体，即符合（p2，2pq，q2）。Rq 从而计算qp1 Case study 例 2、一个随机交配的牛群中，黑色对于红色为显性，黑牛个体占 96%、红牛占 4%，求基因频率。P=1-q=1-0.2=0.8 3、复等位基因 同一基因位点有三个或三对以上的等位基因，群体的基因型类型就增加了。详见幻灯。（1）共显性的复等位基因 计算的基本方法：某一基因的频率是该基因纯合子的频率加上含有该基因全部杂合子频率的 1/2。突破口仍然是隐性纯合子。示例就是人的 ABO 血型。2.004.0Rq基因型 基因型频率 表型 表型频率 AA

25、p2 A 0.320 AO 2pr BB q2 B 0.271 BO 2qr AB 2pq AB 0.101 OO r2 O 0.308 （2）有显性等级的复等位基因 计算的基本方法：从隐性基因型的频率出发，计算出隐性基因的频率，然后再计算出其他显性基因的频率。示例就是兔的毛色，表型有灰色、八黑、白化等三种，由基因 C、Ch 和 c 控制，显隐关系，CChc 基因型 基因型频率 表现型 表现型频率 CC P2 灰色 75%CCh 2pq Cc 2pr ChCh q2 八黑/H 9%Chc 2qr cc r2 白化/A 16%555.0308.0Or208.0308.0320.011OAq237

26、.0208.0555.011rqp4.016.0Ar (3)具有从性遗传复等位基因频率的计算具有从性遗传复等位基因频率的计算 示例就是羊的有角和无角示例就是羊的有角和无角，它是由它是由 P、P、p 等位基因所控制等位基因所控制，它们的它们的显隐性关系显隐性关系：PPp；各个基因的表型基因的表型：P 无角无角,P 有角有角,p 在不同性别的表型是不同的在不同性别的表型是不同的，公羊公羊中表现位中表现位有角有角;但但是在是在母羊母羊中表现为中表现为无角无角。基因型基因型 基因型频率基因型频率 表现型表现型 公公 母母 PP、PP、Pp p2、2pq、2pr 无无 无无 PP、Pp q2、2qr 有

27、有/T 有有/J pp r2 无无 公羊有角：T=q2+2qr+r2 母羊有角：J=q2+2qr 4、群体中有害基因携带者 示例是人类白化病，据研究是一对常染色体的隐性基因纯合所致，调查表明在欧洲人中，白化出现的频率是 1/20000，请问多少人是白化病（基因）的携带者？q 2=1/20000 q=1/141 杂合子的比例：2pq=2（1q）q 5、小结 平衡定律，是群体遗传的基础，1、Hardy-Weinberg 定律揭示的是理想群体中遗传结构的变化规律。也就是说，平衡定律是了解群体遗传结构的方法。2、Hardy-Weinberg 定律可以根据群体隐性纯和子个体的比率计算杂合子的频率。3、Hardy-Weinberg 定律从另一方面说明群体进化的因素。5.009.016.011HAp1.04.05.011rpqJTr