ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11
ОЦЕНКА ПОЛИМОРФИЗМА И ГЕТЕРОЗИГОТНОСТИ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ
Цель занятия: формирование у студентов понятий, характеризующих генетическую структуру природных популяций: частоты генотипов, генов и их аллелей, полиморфизм и гетерозиготность популяций.
Демонстрационный материал и оборудование: калькуляторы.
Ход работы
I. Повторение теоретического материала:
1. Понятие популяции как элементарной единицы эволюционного процесса. Важнейшие генетические характеристики популяции: генофонд, частота генотипа, частота аллелей.
2. Гетерогенность природных популяций. Полиморфизм и гетерозиготность. Методы оценки гетерогенности популяций: гель-электрофорез, молекулярно-генетические методы.
II. Решение задач (преподаватель решает вместе со студентами)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛИМОРФИЗМА ПОПУЛЯЦИИ
Полиморфизм - это относительная доля полиморфных локусов в общем числе изученных (обозначается латинской буквой Р). Локус считают полиморфным, если число вариантов входящих в него аллелей n > 2. Генетическое разнообразие особей в популяции зависит от частоты полиморфных локусов. Значения Р, определенные в разных выборках одной и той же популяции, могут различаться из-за низкой частоты одного или нескольких аллелей в локусе. При этом падает вероятность обнаружения особей - носителей редкого аллеля. Чтобы уменьшить влияние "редкого аллеля" на результат оценки Р, вводят "критерий полиморфизма": локус можно считать полиморфным только тогда, когда частота наиболее распространенного аллеля этого локуса не превышает заданного предела (обычно 0,95).
ЗАДАЧА 1. Сравните генотипическое разнообразие двух популяций, в каждой из которых изучено по 5 локусов. В первой популяции все гены мономорфные, а во второй - 2 локуса мономорфные, третий включает три аллеля, а четвертый и пятый - по 2 аллеля каждый. Определите полиморфизм изученных популяций.
РЕШЕНИЕ. Р1 = 0 : 5 = 0. Так как все локусы первой популяции мономорфны, то число возможных генотипов по каждому из них – Ng = 1, а число возможных генотипов популяции по всем изученным локусам - Ng = 1 + 1+1+1+1 = 5. Р2 = 3 : 5 = 0,6. Во второй популяции число генотипов мономорфных генов равно 1. В третьем локусе n = 3, следовательно, Ng = 3 + [3 х (3 - 1) / 2] = 6. В четвертом и пятом локусе n = 2, поэтому Ng = 3. Суммарное число возможных генотипов по всем 5 изученным локусам второй популяции равно 1+1+6 + 3 + 3 = 13.
Сравнение двух популяций свидетельствует о большем генотипическом разнообразии второй из них из-за наличия полиморфных локусов, что выражается значением Р, а также за счет большего числа вариантов генотипов в 3 -5 локусах вследствие увеличения в них числа аллелей до 2 -3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕТЕРОЗИГОТНОСТИ ПОПУЛЯЦИИ И ЧАСТОТЫ "ВЕДУЩЕГО" АЛЛЕЛЯ
Гетерозиготность - частота встречаемости, или доля гетерозигот, в популяции. Для определения гетерозиготности популяции (Н) по каждому из выбранных для анализа локусов определяют частоты гетерозиготных особей Hi, а затем полученные значения усредняют по количеству N изученных локусов, включая как полиморфные, так и мономорфные: 
Средняя гетерозиготность полиморфных локусов Np определяется как
Явление доминирования одного аллеля над другим затрудняет обнаружение гетерозигот на основе частоты фенотипов в популяции. В таком случае можно определить ожидаемую гетерозиготность (Н ожид.) конкретного локуса по частотам его аллелей. Если в локусе могут присутствовать пары из n числа аллелей с частотами f1, f2, f3, ... fn, то при выполнении условий случайного скрещивания ожидаемые частоты гомозигот в популяции равны квадратам частот аллелей (f1)², (f2)², (f3)², … (fn)² по закону Харди-Вайнберга). Так как сумма частот гомо - и гетерозиготных генотипов равна единице, ожидаемая гетерозиготность по этому локусу будет равна:
Среднюю ожидаемую гетерозиготность популяции по всем изученным локусам либо по группе полиморфных локусов находят аналогично средней наблюдаемой гетерозиготности.
Для полиморфных локусов, когда частоты большинства аллелей неизвестны и требуется определить величину Н ожид., можно одну из известных частот сделать независимой или "ведущей" и задавать значения ее частоты р в интервале от 0 до 1, а частоты остальных "неведущих" аллелей принять одинаковыми. Тогда каждый из них будет иметь частоту,
равную (1 - р) / (n - 1). В соответствии с выражением, определяющем величину
ожидаемой гетерозиготности:
Ножид. = 1-{р +(п-1)х[(1-р)/(п-1)] },где
р² - число гомозигот "ведущего " аллеля, (n - 1) - количество остальных аллелей, [(1 - р) / (n - 1)] - число гомозигот по остальным аллелям. Когда значения n и Н известны, можно определить частоту "ведущего" аллеля:
Максимальная величина ожидаемой гетерозиготности (Н max ожид.) будет достигнута при равенстве частот аллелей. Если число аллелей равно n, то частота одного аллеля составит 1 / n. Выражение для максимальной ожидаемой гетерозиготности одного локуса примет вид:
Н max ожид.= 1 – 1/n
Максимальная ожидаемая гетерозиготность зависит от числа аллелей n и представлена дискретными величинами от 0,5 до 1.
ЗАДАЧА 1. (Определение средней гетерозиготности популяции). При изучении четырех локусов, контролирующих различные ферменты, в популяции мыши, было обнаружено 25, 42, 9 и 0 гетерозигот. В каждой выборке исследовалось по 100 особей. Определите среднюю гетерозиготность данной популяции.
РЕШЕНИЕ. Определяем гетерозиготность каждого локуса, исходя из известного количества гетерозигот: Н1 = 0,25; Н2 = 0,42; Н3 = 0,09; Н4 = 0. На основе данных по отдельным локусам определяем среднюю гетерозиготность популяции: Нср. = (0,25 + 0,42 + 0,09 + 0,0) / 4 = 0,19.
ЗАДАЧА 2. (Определение ожидаемой гетерозиготности популяции). По результатам обследования различных популяций человека по группе крови МN рассчитайте частоты генотипов и аллелей, а также ожидаемое число гетерозиготных индивидуумов в каждой выборке. Проверьте, совпадают ли наблюдаемые и ожидаемые значения для числа гетерозигот в каждой выборке. 
Русские Японцы | 195 356 | 215 519 | 79 225 | 489 1100 |
Египтяне | 140 | 245 | 117 | 502 |
Папуасы | 14 | 48 | 138 | 200 |
РЕШЕНИЕ. Частоты генотипов рассчитывают на основе данных по числу фенотипов в каждой популяции. Частоту аллелей определяют, исходя из частот генотипов. Ожидаемую гетерозиготность каждой популяции вычисляют по частоте аллелей по формуле: Н ожид. = 1 - ((f1)² + (f2)²). Ожидаемое число гетерозигот в каждой выборке рассчитывают по частоте ожидаемой гетерозиготности. Расчеты заносят в таблицу.
Частоты генотипов, аллелей и гетерозиготность в различных популяциях человека по группам крови МN
Популяции | Частота генотипов Частота аллелей | Гетерозиготность | |||||||||
LmLmm | LmLn | LnLn | Lm | Ln | Ннабл. | Ножид. | Ожид. | число | |||
гетерозигот | |||||||||||
Эскимос ы ыы | 0,835 | 0,156 | 0 | ,009 | 0,913 | 0,087 | 0,156 | 0, | 159 | 90 | |
Русские Японцы | 0,399 | 0,439 | 0 | ,162 | 0,618 | 0,382 | 0,439 | , | 472 | 230 | |
Египтяне | |||||||||||
Папуасы |
ЗАДАЧА 2. (3ависимость ожидаемой гетерозиготности от числа аллелей и соотношения их частот). Изучение популяции дрозофилы по трем локусам показало, что первый локус имеет три аллеля, встречающиеся с равной частотой, второй - три аллеля с частотами 0,52; 0,34 и 0,14, а третий - 4 аллеля с равной частотой. Сравните ожидаемую гетерозиготность популяции по каждому из трех локусов. В каком случае наблюдается максимальная ожидаемая гетерозиготность?
РЕШЕНИЕ. В первом локусе число аллелей n = 3, следовательно частота одного аллеля составляет: f = 1/n = 1/3 , то есть f1 = 1/3; f2 = 1/3 ; f3 = 1/3. Ожидаемая гетерозиготность этого локуса равна: Ножид. = 1 - 1/n = 1 - 1/3 = 0,67. Во втором локусе также обнаружено три аллеля - n = 3, но встречаются они с разной частотой. Поэтому Ножид. = 1 - ((f1)² + (f2)² + (f3)² = 1 - (0,270 + 0,116 + 0,020) = 0,594. Число аллелей третьего локуса n = 4, так как их частоты равны, Ножид. 1 – ¼ = 0,75. Сравнение ожидаемой гетерозиготности трех локусов в популяции показывает, что максимальное значение наблюдается при равенстве частот аллелей: Н1 = 0,67 > Н2 = 0,594. При сравнении локусов с разным числом аллелей максимальная гетерозиготность выше в локусе с большим числом аллелей: Н3 = 0,75 > Н1 = 0,67.
ЗАДАЧА 3. (Определение частоты ведущего аллеля в популяции). Установлено, что ожидаемая гетерозиготность одного из локусов популяции калифорнийского морского червя составляет 0,596. Всего обнаружено три аллеля данного локуса. Определите частоту «ведущего» аллеля.
РЕШЕНИЕ. Так как значения Н = 0,596 и n = 3 для изучаемого локуса известны, можно определить частоту «ведущего» аллеля по формуле:
р = 1/n + (1 - 1/n) x 1 – (Н х n /n – 1)
р = 1/3 + (1 - 1/3) x 1 – (0, 596 x 3/3 – 1)= 0,55.
ЗАДАЧА 4. (Определение ожидаемой гетерозиготности локуса по частоте ведущего аллеля). Определите ожидаемую гетерозиготность популяции по локусу, имеющему 4 аллелъных варианта, если установлена частота лишь одного аллеля, равная 0,60.
РЕШЕНИЕ. Так как известна частота лишь одного аллеля изучаемого локуса (р = 0,60), примем ее за «ведущую», а частоты остальных аллелей будем считать одинаковыми. Тогда каждый из них будет иметь частоту, равную (1 - р)/(n - 1), то есть (1 - 0,60)/(4 - 1) = 0,13. Ожидаемая гетерозиготность составит Ножид. = 1 - (р² + (n - 1) х [(1 - р)/(n - 1) ]². Ножид. = 1 - (0,36 + 3 х 0,0169) = 0,589
III. Контрольные вопросы
1. Что такое полиморфизм популяции и какой величиной он характеризуется?
2. Какие типы полиморфизма существуют?
3. Каковы механизмы поддержания полиморфизма?
4. Дайте характеристику хромосомному полиморфизму.
5. Охарактеризуйте уровень полиморфизма популяций по белковым локусам.
6. Как определить среднюю гетерозиготность популяции?
