1、第一章：群體遺傳學基本概念與原理 第一章：第一章： 群體遺傳學的基本概念與原理群體遺傳學的基本概念與原理 2008 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 基本內容基本內容 基因頻率與基因型頻率基因頻率與基因型頻率 1 Handy-Weiberg平衡定律平衡定律 2 親屬對基因型聯合分布親屬對基因型聯合分布 3 常染色體位點連鎖相不平衡常染色體位點連鎖相不平衡 4 影響群體結構的因素（遷移，突變，選擇）影響群體結構的因素（遷移，突變，選擇） 5 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 一、基因頻率與基因型頻率一、基因頻率與基因型頻率 v1、群體的遺傳結構、群體的遺傳結構 孟德爾群體(Mendelian

2、 population): 一個 孟德爾群體，是一群能夠相互繁殖的個 體，它們享有一個共同的基因庫。在有 性繁殖的生物中，一個物種就是一個最 大的孟德爾群體。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 一、基因頻率與基因型頻率一、基因頻率與基因型頻率 v2、 等位基因頻率等位基因頻率(alleles frequency)： 在一個二倍體的某特定基因座上某 一等位基因占該座位上等位基因總數的 比率為該等位基因的頻率。這是群體遺 傳結構的一個最基本的測度(p,q)。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 一、基因頻率與基因型頻率一、基因頻率與基因型頻率 v3、基因型頻率、基因型頻率(genotype fr

3、equency)： 群體中某特定基因型個體的數目，占 個體總數目的比率。D, H, R 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 一、基因頻率與基因型頻率一、基因頻率與基因型頻率 v4、基因頻率計算基因頻率計算 P(AA)=D； P(Aa)=H； P(aa)=R； p=P(A) =P(A|AA)P(AA)+P(A|Aa)P(Aa)+P(A|aa)P(aa) =D+(1/2)H p=D+(1/2)H q=R+(1/2)H 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 一、基因頻率與基因型頻率一、基因頻率與基因型頻率 v5、基因頻率計算基因頻率計算 例1(記數法)： Greenland血型數據(據569個體) ：

4、 M 83.5%, MN 15.6%, N 0.9%.計算基因頻率 解：定義M、MN和N的頻率為D、H和R；等位基 因M、N的頻率為p和q。我們有 p = D + 1/2H = 0.835+0.5X0.156 = 0.913 q = R + 1/2H = 0.09 + 0.5X0.156 = 0.087 注意：如果是頻數資料，則： p = (2D + H) /2N; q = (2R + H)/2N 。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v1、基本概念基本概念 隨機交配隨機交配(Panmixia): 在有性生殖生物中，一種性別的任何一個個 體有同樣

5、的機會和相反性別的個體交配的方式稱 隨機交配(random mating)。 即各種類型的個體交配的頻率完全取決于自 身頻率的大小，而不受任何其他因素的影響。實 行隨機交配的結果是所有的基因型都是孟德爾式 分離所產生的配子隨機結合而形成的。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v2、Hardy-Weinburg定律定律 在隨機交配下的孟德爾群體中，若沒有其他因素（基因 突變、選擇、遷移）的干擾，基因頻率世代相傳不變。 無論群體的起始成分如何，經過一個世代的隨機交配之 后，群體的基因型頻率的平衡建立在下列的H-W公式之中： (pA+qa)2=p2(A

6、A)+2pq(Aa)+q2(aa), 平衡群體的基因型頻 率決定于它的基因頻率。 只要隨機交配系統得以保持，基因型頻率保持上述平衡 狀態不會改變。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v（1）P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2 (2)只要隨機交配系統得以保持，基因型頻率保 持上述平衡狀態不會改變，子代頻率仍為： P(AA)=p2; P(Aa)=2pq; P(aa)=q2 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 3、Hardy-Weinburg定律證明定律證明 第一章：群體遺傳學基本概

7、念與原 理 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v4、Hardy-Weinburg平衡檢驗平衡檢驗 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 二、二、Hardy-Weinburg定律定律 v5、Hardy-Weinburg平衡檢驗例平衡檢驗例 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 三、三、親屬對基因型聯合分布親屬對基因型聯合分布 v1、基本概念、基本概念 親屬（親屬（relative）:有血緣關系的人，有血緣關系意有血緣關系的人，有血緣關系意 味著基因來源相同，即有相同的祖宗。味著基因來源相同，即有相同的祖宗。 遺傳學中的血緣關系是相對的，一般指三代以內遺傳學中的血緣關系是相對的，一般指三代

8、以內 的親屬關系，一對夫妻如果不是近親結婚則不是的親屬關系，一對夫妻如果不是近親結婚則不是 親屬。親屬。 而父子、兄弟、祖孫則稱之為親屬對（而父子、兄弟、祖孫則稱之為親屬對（relative pair） 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 三、三、親屬對基因型聯合分布親屬對基因型聯合分布 v 2、父子對與兄弟對父子對與兄弟對 （同父女、母女等；并假定滿足隨機婚配與哈代-溫伯格平衡定律；二等位基因A，a頻率分別為p， q；符號：父親F，兒子S，母親M） 父子總和 AAAaaa AAp3p2q0p2 Aap2qpqpq22pq Aa0pq2q 3pq2 總和p22pqpq21 第一章：群體遺傳學基

9、本概念與原 理 三、三、親屬對基因型聯合分布親屬對基因型聯合分布 父子總和 AAAaaa AAp3p2q0p2 Aap2qpqpq22pq Aa0pq2q 3pq2 總和p22pqpq21 FMP（ FM ，S=AA） AAAA AAAa P4 p3q P（ F=AA，S=AA） = P（ F=AA，M=AA，S=AA）+ P（ F=AA，M=Aa，S=AA） = P4+ p3q=p3 推導： 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 三、三、親屬對基因型聯合分布親屬對基因型聯合分布 v 3、兄弟對兄弟對 兄弟總和 AAAaaa AA（1/4）p2（1+p2) （1/2） p2q （1+p)（1/4

10、） p2q2p2 Aa（1/2） p2q （1+p)pq(1+pq) （1/2）pq2（1+q)2pq Aa（1/4） p2q2（1/2）pq2（1+q)（1/4）q2（1+q2)pq2 總和p22pqpq21 推導同理，需要考慮父母的六種婚配型 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 v1、基本概念、基本概念 （1）連鎖連鎖:如果在同一條染色體上的兩個基因座相 鄰比較近,那么同源于父親(母親)的等位基因更傾 向于一起傳遞給后代,這種現象叫連鎖 （2）交叉交叉：在交換時一對染色體出現的交叉型結構。 在有絲分裂的雙線期可以在顯微鏡下看到。 第

11、一章：群體遺傳學基本概念與原 理 （3）互換(crossover)： （4）重組）重組(recombination) ：奇數次互換導致一個重組 交叉之后開始互換交叉之后開始互換 4 Aa Bb 1 23 Aa Bb ccCC 1 234 AAaa B B b b ccC C 1 234 AAaa B B b b ccC C 1 234 AAaa BBbb ccCC 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 注： 交換發生是隨機的，距離越長交換的機會越多，交換發生是隨機的，距離越長交換的機會越多， 因此交換值的大小可以用來表示基因間的距離長因此

12、交換值的大小可以用來表示基因間的距離長 短。短。 由于交換并不一定導致重組，因此重組值要小于由于交換并不一定導致重組，因此重組值要小于 或等于交換值。或等于交換值。 由于無法直接測定交換率，只有通過標記基因的由于無法直接測定交換率，只有通過標記基因的 重組來估計交換的頻率。重組來估計交換的頻率。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 （5）重組率）重組率(recombination fraction): 用用來表示來表示 兩個基因座之間發生奇數次交換的概率兩個基因座之間發生奇數次交換的概率 重組率重組率=重組重組/（重組（重組+非重組）非重組） 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相

13、不平衡 重組率取值范圍0，1/2 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 （6）連鎖分析（連鎖分析（linkage analysis）：考察兩個基 因座的位置是否臨近，通過對一些基因數據的分 析來尋找一些感興趣的基因位置，也稱為基因作 圖（genetic mapping）。兩個連鎖的基因座上的 等位基因更易于作為一個單位由父母傳遞給后代， 即更易于共分離。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 （7）連鎖平衡連鎖平衡(linkage equilibrium) ：兩個基因座的等位 基因組

14、合的頻率等于組成組合的等位基因各自頻率的積 ， 不存在優勢組合，稱為連鎖平衡. （8）連鎖不平衡（連鎖不平衡（linkage disequilibrium；LD）：兩個 位點的某兩個等位基因不是獨立出現的，則稱這兩個位點 處于連鎖不平衡狀態。 注注：連鎖只與兩個位點有關，而連鎖不平衡是與兩個位點上 的等位基因有關。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 （9）連鎖不平衡計算中的幾個量： 連鎖不平衡參數: 1 111 2222 1 212 2 121 () () A BAB A BAB A BAB A BAB DPP P PP P PP P

15、 PP P 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 若一個群體初始狀態D0，假定重組率為，則第 二代D2=（1- ）D n代： Dn=(1- )nD 當重組率比較小的時候趨于零的速度比較慢 當重組率比較大的時候趨于零的速度比較快 該公式為關聯分析的理論基礎 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 關聯分析原理： 假設一個疾病基因位點有兩個等位基因D，d； 引起疾病的等位基因位D，于是疾病群體中的D的 頻率要高于對照群體的， 但是我們不知道該疾病 位點的位置，如果在疾病位點附近的某個標記位

16、 點為A，a，如果D與A 關聯，因此連鎖不平衡， 即疾病群體中的A的頻率要高于對照群體的，即 疾病與A關聯。因此我們尋找疾病于對照中差異 較大的標記位點，在標記位點附近可能存在著疾 病基因。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 max1221 min, ABAB DP PP P m a x D D D 0D max1122 max, ABAB DP PP P 0D D 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 1212AABB D r p pp p 2 r 第一章：群體遺傳學基本概念與

17、原 理 四、常染色體位點連鎖相不平衡四、常染色體位點連鎖相不平衡 注：連鎖與連鎖不平衡的區別： 連鎖描述兩個位點的位置關系，可通過重組 率來度量，需要重組的數據，因此需要家系資料。 連鎖不平衡描述的是群體中兩個位點上的等 位基因的關聯性，需要群體數據。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v當一個群體是大的，隨機交配，不受進化力量的 影響時，群體的基因頻率并不因為遺傳而改變。 然而對很多群體而言并不是理想群體。在這種情 況下，基因頻率會發生改變。 v 影響群體平衡的主要因素包括：突變、選擇、遷突變、選擇、遷 移、遺傳漂變和交配系統（非隨機交配）。移

18、、遺傳漂變和交配系統（非隨機交配）。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v1、突變：、突變：突變是一切新遺傳變異的來源，等位基 因的新組合可以通過重組而產生，但新的等位基 因只有當突變發生時才能產生。突變提供了進化 作用的遺傳原料。大部分的突變將受到損傷，并 從群體中被排除。然而少數的突變可能對個體是 有利的，會被保留下來，并在群體中傳播開。突 變有害還是有利取決于特殊的環境，若環境改變 了，先前有害的突變可以變成有利的突變。 v例如在使用殺蟲劑DDT之后，昆蟲產生了對DDT 的抗性突變，這樣昆蟲在噴有DDT的環境中不僅 可以生存還能繁殖。 第一

19、章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v突變對進化還有一種潛在的作用:通過突變改變群 體中等位基因頻率。 例如：一個群體中某個位點包含等位基因A，a， 當A突變為a時，將會降低A的頻率，若持續代數 過多將會使得A消失。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v突變分為正向、回復突變： 相對概念 A突變為a稱為正向突變（forward mutation）。 部分基因也會發生反向突變，即a突變A，這些突變 稱為回復突變（reverse mutation）。 在一般情況下正向突變的頻率要大于回復突變的頻 率。 第一章

20、：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v2、遺傳漂變 哈代-溫伯格定律的一個主要的假定就是群體無限 大。實際的群體不可能無限大，但它們要大到足 以能預期基因頻率和基因型頻率。但有些群體很 小，這些群體的幾率因子可使基因頻率產生隨機 變化。由于樣本的機誤（chance errors）導致群 體基因頻率的隨機改變稱為遺傳漂變（genetic drift）或簡稱為漂變。此是由群體遺傳學家S. Wright于1930年提出的，有時人們也把漂變稱S. Wright效應。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v 例：。設想

21、在南太平洋群島上住著人類的最小群體，假設 只有10個人組成，5個人綠眼睛，5個人棕色眼，假設眼睛 的顏色是由單基因決定的（實際上眼睛的顏色是由多基因 控制的），且綠色眼的等位基因b對棕色眼的等位基因B是 隱性的（BB和Bb為棕色眼，bb為綠色眼）。此島上的群 體中綠眼等位基因的頻率是0.6。一次臺風襲擊了這個島， 群體中50%的人死亡了，也就是5位居民死于風暴。正巧 這死去的5個人是棕色眼。臺風之后這個島上綠色基因的 頻率是1.0。在這個群島上的群體中所發生的突變是綠眼 基因的頻率從0.6變成了1.0，這完全是機會所造成。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體

22、結構的因素 v幾率使實際結果和預期比產生偏差的這種現象被 稱為取樣誤差（取樣誤差（sampling error）。 設群體產生一個無窮大的配子庫，其含有的等位 基因比分別為p和q。若發生隨機交配，所有的配 子都結合成合子，那么基因型的比將是：p2,2pq 和q2，而在合子中等位基因的頻率仍保持為p和q。 也許后代的數目是有限的，但這些與配子結合形 成的后代構成了潛在的無限大配子庫中的一個樣 本。由于隨機性，或由于樣本的機誤，樣本可能 偏離大庫，樣本越小，偏差越大。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v所有的遺傳漂變都是由于取樣誤差而產生的，但 在

23、自然群體中取樣誤差的發生有各種途經。 幾種漂變的發生： 在大西洋南部有三個很小的火山島(Tristan da cwnha)，1817年開始由蘇格蘭人William Glass和 他的家族到島上居住。后來又遷來幾個失事的水 手和幾個來自遠處島上的婦女，但這個島是保持 著遺傳隔離的狀態。1961年島上火山爆發，島上 的群體幾乎有300個居住者組成的群體到英格蘭。 他們在英國呆了2年，遺傳學家研究了他們，并重 建了這個群體史。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v 島上的群體在突變中發生了三種類型的遺傳漂變。 建立者效應發生在開始定居者中。到1855年

24、這個島的群體擴大到約 100人，但這個群體26%的基因是由William Glass和他妻子傳下來的。 甚至到了1961年這300人的群體的全部基因中有14%的基因來自最初 的兩個定居者。Glass和其他的原來的建立者們的特殊基因對以后群 體的基因庫有著重大的影響。 群體一直保很小，取樣誤差也持續發生。 取樣誤差的第三種形式稱為瓶頸效應（bottleneck effect）這種效應在 上面所說的小群體中也起到了重要的作用。當一個群體減少得很厲害 時發生瓶頸效應。在如此的隨機群體中，偶然事件可能使某些基因從 基因庫中丟失。我們前面舉的10個人小群體眼色的例子就是如此。當 颶風襲擊這個島時，使綠眼

25、的基因頻率從0.6變成1.0。這就是瓶頸效 應的例子。瓶頸效應也可以看成是建立者效應的一種類型，因為僅幾 個個體的減少結果就會影響群體。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v3、遷移遷移（migration） v哈代-溫伯格定律的假設之一是要求群體是封閉而 不受外部環境因素的干擾。然而很多群體都不是 完全隔離的，它們和相同物種的另一些群體之間 交換基因。一些個體遷入另一群體可以使遷入群 體的基因庫導入新的基因，而改變其的等位基因 頻率。因此遷移具有潛在的打破哈迪-溫伯格平衡 的作用，從而引起了群體基因頻率的改變。 第一章：群體遺傳學基本概念與原 理 五、影響群體結構的因素五、影響群體結構的因素 v基因流（基因流（gene flow）：）：遷移這個術語通常應用于 生物個體從一個群體轉入到另一群體。然而在群 體遺傳學中我們感興趣的是基因的移動。基因的 移動僅發生在生物或配子“遷移”的時候。把它 們的基因貢獻給受納群體的基因庫中。這個過程 也可叫做基因流（基因流（gene flow） 第一章：群體遺傳學基本概