13.群体遗传学

● 突变能产生新的等位基因，但改变基 因频率的速率很慢（13-3）
设初始频率为：a=q；A=1-q， 突变率：A→正突变→a（u）；a→回复突变→A（v） 每代中有（1-q）u的A→a qv的a→A 当 1 qu＞qv，a的频率增加 1 qu＜qv，A的频率增加 处于平衡时：
1 qu qv
基因岛与基因协同进化


基因组间基因的间隔相差很大，基因在基因组 中的分布疏密不一，某些区段形成基因基因集 中的基因岛。 啤酒酵母缺失了一部分裂殖酵母和其它酵母特 有的基因。这些基因功能相近，相伴丢失。
第四节
分子种系发生遗传学
◇ 分子钟（molecular clock）：分子进化过程中，特定的分子（核 苷酸或蛋白质）在所有谱系中的变化速率是恒定的。分子钟是构建分子种 系发生树的理论基础。如流感病毒A血细胞凝集素（hemagglutinin）基因 的分子树。 ◇ 分子种系发生树（molecular phylogenetic tree）：同源基因或蛋 白质之间的关系的图解。如人的血红蛋白基因的种系发生树。 ◇ 分子种系发生树的构建 利用遗传学数据构建种系发生树的方法很多，如Maximum Parsimony 法、Maximum likelihood法和UPGMA法等，均有相关软件。以 UPGMA （Unweighted pair group method using arithmetic averages）方法为例。 从所比较的物种对间的最小遗传距离表开始.
u q uv v p uv
◇ 适合度（fitness，w）：群体中一个个体相对于其他 个体存活并传递其基因到下一代的能力。适合度具有两个基本 成分：存活力（viability）和生殖成功（reproductive success）。 ◇ 选择系数（selection coefficient，s）：在选择的作用 下降低的适合度 。 ◇ 自然选择（natural selection）：自然界中逐渐淘汰适 合度低的个体，选择适合度高的个体作为下一代亲本的过程.
(1-m)n = qn-Q / q0 - Q
Rh血型的一个等位基因R； 非洲黑人q0=0.630 美国白人Q0=0.028 美国黑人q10=0.446 计算200－300年以来，每代由白人导入黑人的群体中 的基因占黑人群体的比例。
(1-m)10=q10- Q / q0- Q =0.446 -0.028 / 0.630 - 0.028 m=0.036 白人每代迁入基因比例0.036
初始频率 P2 2pq 适合度 1-s 1-s 选择后频率 P2(1-s) 2pq(1-s) 相对频率 p2(1-s) 2pq(1-s) 1-sp(2-p) 1-sp(2-p)
q2 1 1 q2 1-sp(2-p) q 2 p - sp 1-sp(2-p) 1-sp(2-p)
选择一代后p的改变: (p-sp)/[(1-sp(2-p) ] - p = -sp(1-p)2/1-sp(2-p)
a频率的改变q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2
当有害隐性基因纯合致死时
q0 qn s=1 0.99 0.50 1 0.50 0.10 8 0.10 0.01 90 0.01 0.001 900 0.001 0.0001 9000 0.0001 0.00001 90000 s=0.5 11 20 185 1805 18005
s 1 w
选择对纯合隐性个体不利时基因 频率的改变
AA
初始频率 适合度 选择后频率 相对频率
Aa
aa
q2 1- s q2(1-s) q2(1-s) 1-sq2
合计
1 1-sq2 1
a频率
q0
P2 2pq 1 1 P2 2pq P 2 2pq 1-sq2 1-sq2
q1=q(1-sq) 1-sq2
源自文库
◆ DNA的变化是基因组进化的基础
◇ 真正中性的突变不受自然选择的影响，通过遗传漂变 维持在群体中或被淘汰。 ◇ 负选择（negative selection）淘汰群体中有害的突变。 ◇一些对生物有利的极稀有的突变通过正选择（positive selection）增加等位基因频率，并固定在群体中。
q2=1/80000, s=0.5 u=sq2 =1/80000 X 0.5 =0.6 x 10-6
第二节
遗传漂变对进化平衡的不可预测效应
◆ 遗传漂变（genetic drift）：群体内由于抽样误差
造成的等位基因频率的随机波动.
◆ 奠基者效应（founder effect）：遗传漂变的一 种形式，指由带有亲代群体中部分等位基因的少数个体 重新建立新的群体。 ◆ 瓶颈效应 ：由于自然环境急剧的改变，使得群体 中大部分个体死亡，仅存的少数个体侥幸逃生，繁衍成 新的群体。
● 迁移造成群体间的基因流（gene flow）
◆ 设有一个大群体A，每代有部分（m）个体从B迁入， 某一等位基因在A群体中的频率为qo，B群体中为qm，则混合 后的群体基因频率为
q1 mqm 1 mq 0 mq m q 0 q 0 Δq1 q1 q 0 mq m q 0
第三节 基因组进化
基因组的起源 RNA起源学说 原始RNA的三种作用:剪切，复制和编码，合 成。 新基因的形成 突变，转座，重组，扩增。

编码序列的改变

人类中仅仅有1.5%的ＤＮＡ是编码序列。 染色体加倍，基因重组，外显子洗牌，滑序复 制，转座以及突变等原因使得编码序列的基因 发生改变，在选择压力下，基因组不断进化
选择的作用


趋同进化：在突变和选择的作用下，对不同物 种间具有趋同进化的趋势，这种现象称协同进 化。 遗传负荷：如果一个群体的突变不断积累，并 且这些突变是有害的，就会出现的适合度下降。 这种现象被称为遗传负荷。用1－w/W来表示 遗传负荷的度量。
软骨发育不全遗传病侏儒108人生27个子女， 确定相对生育率，正常对照457人生582个子 女，侏儒相对生育率是： 27/108 582/457 =0.20


当纯合隐性个体致死或不能生育时，隐性基 因a的频率q改变如下： q1=q/(1+q0 ) q2=q/(1+2q0 ) q3=q/(1+3q0 ) … q4=q/(1+nq0 ) n=1/qn－1/q0
选择对显性个体不利时基因A频率p的改变
AA Aa aa 合计 A频率
p0
第十三章 群体遗传学
Hardy-Weinberg定律 改变群体基因频率的因素
第一节 基因库与基因频率
◆ 群体遗传学（population genetics）：研究群体中的 基因组组成以及世代间基因组变化的学科。 ◆ 群体（population）：指孟德尔群体，即在特定地区 内一群能相互交配并繁育后代的个体。一个最大的孟德尔群体就 是一个物种。 ◆ 等位基因频率（allele frequency）：一个群体中某一 等位基因在该基因座上可能出现的等位基因总数中所占的比率。 任一基因座的全部等位基因频率之和等于1。
aa 是否平衡 0.5 0.4 0.25 +
改变群体基因频率的因素
群体在世代过程中等位基因频率的变化，称为 微进化（microevolution），即发生在物种内的 遗传变化。大进化（macroevolution）指从现有 物种中产生新物种的过程，是微进化的扩展、累 积的结果。
● 突变能产生新的等位基因，但改变基因频率的 速率很慢 ● 自然选择是进化的潜在动力 ● 突变与选择对常染色体上等位基因频率的联 合效应 ● 遗传漂变对进化平衡的不可预测效应 ● 迁移造成群体间的基因流（gene flow）
突变与选择情况下基因频率的改变

a频率的改变：q1-q0=-sq2(1-q)/1-sq2
当很小时，1-sq2近似等于1。 当选择对纯合隐性个体不利时，a基因的频率q每代减少sq2(1-q) 新产生的隐性突变基因(Aa)的频率 pu=u(1-q) 平衡时：sq2=u q2=u/s

人类全色盲是常染色体隐性遗传，约80000 人中有1个患者，患者的生存率 是0.5,计算平衡时的突变率。
例题：某一1000人群中MN血型的分布是 M MN N 250 500 250 M的频率：(250×2+500)/1000×2=0.5 N的频率：(250×2+500)/1000×2=0.5
◆ 基因型频率：一个群体中不同基因型所占的比率。 全部基因型频率的总和等于1。 ◆ 群体遗传结构：群体中各种等位基因的频率以及由 不同的交配体制所产生的各种基因型在数量上的分布。 ◆ Hardy-Weinberg定律：在一个大的随机交配的群 体内，基因型频率在没有迁移、突变和选择的理想条件下， 世代相传保持不变。由英国数学家Hardy，G. H和德国医学 家Weinberg，W于1908年提出。
功能域或外显子洗牌（exon suffling）
由不同基因中编码不同结构域的片段彼此连接 形成全新编码顺序，称为外显子洗牌。 例如：组织纤维蛋白溶原酶（TPA）， 作用是促使血液中凝血块的分解。 由组织纤维蛋白溶原酶原激活因子；血纤维 蛋白酶原；生长因子等外显子组成。
冗余基因 具有功能但是通常不表达的重复基因。
选择对杂合个体有利时基因频率的改变
AA
Aa
aa
合计
初始频率 P2 2pq q2 1 适合度 1-s 1 1- t 选择后频率 P2(1-s) 2pq q2(1-t) 1-sp2-tq2 相对频率 P2(1-s)/1-sp2-tq2 2pq /1-sp2-tq2 q2(1-t)/1-sp2-tq2 q的改变： pq(ps-qt)/1-sp2-tq2
平衡群体：在生物个体随机交配，
且没有突变，选择情况下，群体的 基因型频率世代保持不变这样的一 个群体称为平衡群体。
随机交配一代，基因型频率发生改变的群 体不是平衡群体。一个非平衡群体，随机 交配一代以后，成为平衡群体。
平衡群体鉴定

1. 2. 3.
AA 0.5 0.4 0.25
Aa / 0.2 0.5
新的重复基因 向新基因过渡的重复基因 保留部分功能的重复基因 细胞分裂，DNA复制，基础代谢等重要的基因 少有重复的多余基因。与发育或涉及生物多样 性的多功能域基因冗余。

非编码序列的改变




人类中仅仅有98%的ＤＮＡ是非编码序列。没有选择 压力，基因组积累了大量的变异。 非编码序列有未知的功能 玉米中转座因子MITE序列，在225kb中有33个重 复，在基因两侧。原来认为是没有生物功能的序列， 现发现它与ＤＮＡ复制和调控有关。 自私DNA: 本身没有功能，进化中处于中性，只是伴 随编码DNA复制并遗传。 内含子起源：GT－AG真核中的内含子，细菌中没有。 晚起源与早起源学说
低频率基因由于遗传漂变，成为高频率。 东卡罗林群岛 Pringelap人群，先天性失明 占10％。由于1780年飓风，原人群大量死亡， 遗留下带有失明基因的个体比例很高，使得该 群体的后代有病个体大幅度增加。基因频率改 变。 AA Aa aa AA Aa aa 0.95 0.04 0.01 0.4 0.2 0.4
生命的起源
Searching for the Origin
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When did life begin? Evidence – Widespread life forms (3.5 B years ago) – Stromatolites (3.5 B years ago) – Fossilized cells (3.5 B years ago) – Radiometric dating: carbon isotopes (3.85 B years ago) • Carbon 12 versus Carbon 13 Range of dates: 4.1 to 3.85 B years ago Conclusions – Life arose late in the Hadean Eon – Life colonized planet in very short time frame (< 500 M years)