Генотип формируется под влиянием только: Генотип формируется под влиянием а) только условий внешней среды б) только генотипа в) генотипа…

Под влиянием чего формируется генотип, как взаимодействуют гены и среда

Генотип как целостная система

В любой современной науке, в том числе генетике, полно специальных терминов. Все ключевые понятия генетики связаны с геном — носителем наследственной информации.

Определение 1

Ген является наследственным фактором, а также функционально неделимой единицей генетического материала.

Эта единица представляет собой участок молекулы нуклеиновой кислоты, который кодирует структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомальной РНК, а еще — взаимодействует с регуляторным белком.

Представленное выше определение гена — современное. Первым термин «ген» предложил датский ученый В. Иогансен в 1909 году. В то время считалось, что ген — неделимая единица наследственной информации, мутаций и рекомбинаций.

Позднее ученые выяснили, что в основе гена лежат более мелкие структурные образования. Тем не менее функционально он был признан целостной единицей. Также стало понятно, что любые нарушения в строении и структуре гена могут привести к изменению информации, которая в нем закодирована, а нередко — и к полной ее потере.

Есть гены, отвечающие за кодирование или определение структуры белков и нуклеиновых кислот. Это структурные гены. Другие гены выполняют роль места присоединения ферментов и других биологически активных веществ, которые регулируют активность структурных генов. Это регуляторные гены. Они участвуют в процессах репликации ДНК и транскрипции.

Указанные группы генов различаются строением и размерами. В основе регуляторных генов лежит несколько десятков пар нуклеотидов, а в основе структурных — сотни и десятки тысяч.

Замечание 1

Количество генов — видовой признак, которые существенно варьируется у различных организмов.

Определение 2

Совокупность генов гаплоидного набора, которая свойственна организмам, принадлежащим одному виду, получила название «геном».

Простотой генома отличаются вирусы, а сложностью — высшие эукариотические организмы.

Определение 3

Закодированная в генах организма наследственная информация — это генотип.

Развитие определенных признаков организма напрямую зависит от набора генов в генотипе.

Как взаимодействуют гены и окружающая среда

Вопрос о роли генотипа и условий окружающей среды в процессе формирования и развития внешних признаков организма (фенотипа) волнует ученых с момента открытия генов.

То, что проявление признаков тесно связано с влиянием окружающей среды, заметил известный естествоиспытатель Жан-Батист Ламарк. По его мнению, влияние окружающей среды — важнейших эволюционный фактор.

Использование близнецового метода позволило установить, что однояйцевые близнецы, то есть, организмы с одинаковым генотипом, в случае развития в разных условиях будут различаться фенотипически. Все это — результат проявления ненаследственной изменчивости.

Есть некоторые особенности проявления модификационной или ненаследственной изменчивости. Согласно исследованиям ученых, каждый признак кодируется отдельным геном. При этом на степень проявления этого признака могут оказывать влияние различные обстоятельства.

К примеру, отмечается влияние других, неаллельных генов.

Замечание 2

Проявление каждого признака варьируется в конкретных пределах — это обстоятельство получило название норма реакции.

То, как проявляется такая реакция, зависит от интенсивности воздействия факторов окружающей среды.

Пример 1

В качестве примера можно привести загар, который определяется количеством пигмента, синтезируемого в клетках кожи человека. Все люди имеют особую предрасположенность к загару, которая определяется на генетическом уровне. При этом интенсивность загара связана со степенью освещенности места проживания (то есть, количеством ультрафиолетового излучения).

При более длительном и интенсивном действии фактора среды будет наблюдаться и более сильное отклонение от нормы реакции проявление признака. Из этого следует, что адаптация к условиям среды влияет на изменчивость признаков в пределах норм реакции генотипа.

В некоторых случаях наблюдается неспецифичность реакции. Такое встречается, если раздражитель достаточно сильный и действует продолжительное время. В таком случае реакция организма может не соответствовать силе и степени раздражителя.

Речь идет о стрессовой ситуации, которая может стать причиной как изменения фенотипа, так и различных мутаций (ионизирующее излучение, химические вещества). Все это приводит к изменению генотипа.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р.

Реферат от 1 дня / от 700 р.

Как гены влияют на внешность?

Общество вращается вокруг идеи привлекательности. Бренды зарабатывают на всеобщем желании быть красивыми и вместе со своими товарами продают мечту о красивой внешности. В то же время ученые бьются над загадками ДНК, которые определяют саму природу нашего облика. Хотя многое пока остается скрыто от пристального взгляда исследователей, часть загадок им уже удалось разгадать.

Содержание

• Какую информацию о внешности содержит ДНК: генотип
• Как на внешность влияет окружающий мир: фенотип
• ДНК-фенотипирование: мумии и преступники
• Все человечество состоит из больших семей: гаплогруппы
• Красота по наследству
• Внешние факторы
• Красота в уникальности

Какую информацию о внешности содержит ДНК: генотип

ДНК — инструкция, скрытая в каждом организме и одновременно объединяющая всех людей на планете. Каждая клетка, орган и часть тела строится согласно этой инструкции.

Но в то же время ДНК — это и уникальный код, который делает людей совершенно разными. Цвет кожи и глаз, рост, размер носа, длина рук и ног, расстояние между глазами. Какими они будут?

Облик человека практически напрямую связан с внешностью его родителей. Вернее, с особым миксом их хромосом. Всего в норме хромосом 23 пары, половину их них человек получает от отца, а половину — от матери. Внутри хромосом существуют определенные участки, определяющие различные физические особенности.

Участки ДНК, в которых закодированы определяющие признаки человека, в том числе его физические особенности, называются генами. Гены составляют генотип.

Вариации одного и того же гена называются аллелями. Они также переходят нам от матери и отца. Аллели могут быть идентичными или разными. А их точное расположение на хромосоме известно как локус.

Принцип влияния аллелей, которые определяют облик ребенка, особенно легко разобрать на классической задаче с геном, кодирующим цвет глаз (на самом деле за цвет глаз отвечает больше одного гена, однако данный пример удобен для объяснения). Например, у отца карие глаза, в то время как у матери — голубые.

Аллель карего цвета является доминантным, а аллель голубого – рецессивным. Если ребенок унаследует два разных аллеля, у него будут карие глаза. Чтобы у ребенка был шанс унаследовать голубые глаза, оба его родителя должны быть носителями аллеля голубых глаз (при этом они оба могут быть кареглазыми).

Кроме цвета глаз, генотип определяет цвет волос, рост, размер обуви. Казалось бы, теперь можно посмотреть на внешность человека и определить его генотип? Но нет, это будет похоже на игру в наперстки: определить конкретные аллели может лишь генетический тест. В противном случае вы не сможете знать ответ наверняка. Дело в том, что доминантный аллель  может скрывать наличие рецессивного.

Вернемся к примеру с глазами: генетики обозначают аллель, отвечающий за карие глаза, буквой B, а за голубые — буквой b. Кареглазый человек может иметь либо две коричневые версии гена OCA2 (BB), либо коричневую и голубую версии (Bb). Оба генотипа BB и Bb дают карие глаза. Поэтому, если у вас карие глаза, вы не можете знать точно, носителем какого из двух генотипов вы являетесь на самом деле.

Генетический тест Атлас поможет узнать больше о генах, которые повлияли на цвет и строение радужки глаз. Мы анализируем генетические варианты, связанные с пигментацией, бороздами и криптами.

В вопросе изучения генотипов ученые сходятся в том, что они еще только подступают к началу исследований. Пока что генетики с осторожностью смотрят на возможность создания точного физического образа человека, основываясь на его ДНК. И все же за последние десятилетия ученым удалось ощутимо продвинуться в своих исследованиях. Поэтому сегодня они говорят о том, что могут с 75% вероятностью указать происхождение, цвет глаз и волос человека на основе его ДНК.

Как на внешность влияет окружающий мир: фенотип

Внешность — это нечто большее, чем генетически запрограммированный рост, цвет глаз или волос. Каждый человек является носителем уникального набора внешних и внутренних характеристик — фенотипа. Фенотип формируется под воздействием не только генетики, но и факторов окружающей среды.

К факторам окружающей среды можно отнести питание, климат, в том числе температуру и влажность, экологические условия и многое другое.

Так, цвет кожи контролируется генами, которые определяют количество и тип меланина. Этот пигмент отвечает за оттенок кожи, глаз, волос, а также участвует в некоторых обменных процессах.

Воздействие ультрафиолета в регионе проживания может вызвать потемнение существующего меланина и способствовать усилению меланогенеза и, следовательно, формированию более темной кожи.

Фенотип включает в себя набор наблюдаемых характеристик или черт, таких как рост, вес, форма носа, цвет волос, а также наше поведение. При этом ключевое различие между фенотипом и генотипом заключается в том, что генотип наследуется от родителей, а фенотип формируется в процессе индивидуального развития под влиянием внешней среды.

К примеру, представьте, что согласно генотипу человек должен был иметь высокий рост, однако переболел в детстве рахитом и не достиг ожидаемых значений. В данном случае его фенотип не совпал с генотипом.

Предполагается, что, выбирая себе партнера, мы в первую очередь обращаем внимание на фенотипические признаки. Например, симметрию черт лица и тела. Однако исследователям до сих пор неясно, являются ли они основным признаком при оценке потенциальных кандидатов для создания пары. Или же симметрия коррелирует с другими чертами, влияющими на физическую привлекательность.

ДНК-фенотипирование: мумии и преступники

Фенотипирование открывает множество новых возможностей в работе судебно-медицинских экспертов. Оно делает доступными новые методы прогнозирования внешности человека на основе найденной на месте преступления ДНК.

Фенотипирование ДНК позволяет следователям в некоторых странах предсказывать внешность человека: от определения круга подозреваемых на основе образцов ДНК, найденных на месте преступления, до идентификации неизвестных человеческих останков и раскрытия дел о пропавших без вести.

Сегодня даже небольших образцов ДНК может оказаться достаточно для получения информации о чертах лица и других внешних признаках: цвете волос, глаз, кожи. Однако результаты фенотипирования не считаются точным доказательством и их нельзя использовать для идентификации людей. Поэтому главная цель судебно-медицинского фенотипирования ДНК в том, чтобы сузить число потенциальных подозреваемых.

В настоящее время на пути исследователей, занимающихся фенотипированием, стоят две преграды:

• нехватка данных, которые позволили бы соотнести генетические варианты с определенными фенотипическими признаками;
• необходимость установить значение этих вариантов в фенотипическом предсказании, чтобы в дальнейшем определить точность предсказания внешних признаков на основе ДНК.

Понимание каждой генетической детали и механизма не обязательно для предсказания того, как будет выглядеть лицо. Не нужно знать, как устроен двигатель автомобиля, чтобы вывести статистическую закономерность движения автомобилей по проспекту.

Поэтому ученые активно используют уже существующие наработки не только для того, чтобы искать людей, но и для того, чтобы путешествовать в прошлое. Фенотипирование активно используется для изображения представителей древнего мира: людей и животных. Например, для воссоздания облика до мумификации.

Генетическое исследование древних образцов очень похоже на судебно-медицинский анализ. В обоих случаях невозможно сравнить генетическую информацию с другими членами семьи и практически невозможно добиться полной индивидуальной идентификации.

Поэтому весь процесс похож скорее на прогнозирование внешних характеристик человека. При этом его биогеографическое происхождение, скрытое в ДНК, безусловно, может стать решающим. И так мы подходим к миру гаплогрупп.

Все человечество состоит из больших семей: гаплогруппы

Гаплогруппы — это сообщество людей или гаплотипов (групп аллелей из одной хромосомы, обычно наследуемых вместе), которых объединяет общий предок, передавший всем одну и ту же мутацию (полиморфизм).

Изучение гаплогрупп помогает нам понять свое происхождение.

По результатам Генетического теста Атлас можно узнать, насколько близок ваш геном к геному неандертальцев — людей, живших десятки тысяч лет назад на территории Европы и Азии и не являющихся нашими прямыми предками.

Галпрогруппы также важны для понимания истории. Данные о гаплотипах хранятся в биобанках и помогают понимать и даже дописывать генетический ландшафт стран и наций. Так, одно из последних таких исследований помогло изучить степень изоляции древних европейцев. В результате стало ясно, что число предков современных британцев, живущих за пределами острова, крайне широко.

Анализ гаплогрупп помогает и современным археологам. Например, при изучении останков, обнаруженных в Мезмайской пещере на Северном Кавказе (она находится на границе, разделяющей Европу и Азию). Анализ генома костей древней женщины показал тесные генетические связи ранних неандертальцев среднего палеолита, которых позднее сменила генетически отдаленная более поздняя группа, обитавшая в тех же географических районах.

Кроме того, изучая гаплогруппы, ученые могут определить закономерности генетической изменчивости, связанные со здоровьем. Например, если полиморфизм связан с определенным заболеванием, ученые могут исследовать связанные участки ДНК, чтобы попытаться идентифицировать ген или гены, ответственные за возникновение заболевания.

Красота по наследству

Несмотря на важное значение, которое общество придает красоте, с научной точки зрения мы знаем довольно мало о том, почему одни лица кажутся «красивее» других.  Исследовательская команда из Университета Вашингтона попыталась найти ответ на важный вопрос: «передается ли красота по наследству»? А если это так, то какой ген отвечает за внешнюю привлекательность?

Для проведения исследования была использована генетическая выборка из 4383 европейцев, включая мужчин и женщин. Для начала добровольцев попросили оценить фотографии по уровню привлекательности запечатленных на них людей.

Затем ученые проанализировали геном «красавчиков» и смогли идентифицировать два значимых локуса привлекательности для всего генома. В результате они выделили несколько генов-кандидатов, которые могли бы стать ответственными за передачу «привлекательности».

Интересно, что эти гены отличались для мужчин и женщин. Женская красота оказалась связана с генами, влияющими на массу тела. А вот варианты, связанные с привлекательностью мужчин, были ассоциированы с генами, влияющими на уровень холестерина в крови.

Исследователи пришли к выводу, что не существует единого «главного гена», влияющего на привлекательность. Вместо этого, привлекательность, скорее всего, контролируется большим количеством слабых генетических ассоциаций со сложными регулирующими эффектами.

Более того, когда люди смотрят друг на друга, они анализируют фенотип и неосознанно «считывают» генетические различия между популяциями. Поэтому существует вероятность, что отбор по внешним признакам сыграл важную роль в эволюции нашего вида. При этом в вопросах выживания, вполне вероятно, была важна не только красота, но и уникальность.

Внешние факторы

Гены — это лишь часть того, что определяет внешний вид человека. Мы живем в социуме и постоянно контактируем с внешним миром. Потому окружающая среда и образ жизни играют не менее важную роль.

Хотя ученым и неизвестно, насколько эта роль велика. Но мы точно знаем, что образ жизни может повлиять на активацию определенных генов, а те, в свою очередь, сыграют свою роль в формировании внешности человека.

Возьмем двух подруг: Анну и Ольгу. У обеих есть генетическая предрасположенность к ожирению. Предположим, что Анна живет в более богатой семье. Ее родители могут обеспечить дочери разнообразные и питательные блюда. В их меню меньше соли, жиров и добавленного сахара. Анна с детства учится любить овощи и фрукты.

У родителей Анны есть свободное время, которое они проводят вместе с дочерью: занимаются спортом и много гуляют. Сбалансированное питание и физическая активность не позволят предрасположенности к ожирению проявиться.

В семье Ольги другая ситуация. Ее воспитывают родители с низким доходом, которые живут в районе, где свежая, здоровая пища дефицитна и дорога. Поскольку ее родители не могут позволить себе фрукты и овощи, Ольга  часто ест замороженные, готовые блюда и продукты быстрого приготовления, в которых много сахара, жира и соли.

Родители Ольги работают на нескольких работах, и девочка предоставлена сама себе. Как правило, она проводит время в одиночестве перед телевизором. Привычки Ольги в еде и дефицит физической активности могут способствовать проявлению генетической склонности. И вероятно, что она вырастет с лишним весом.

Генотип и фенотип, с которыми мы рождаемся, важны. Они словно наш багаж, который нужно  аккуратно пронести через всю жизнь. Состав багажа может повлиять на путешествие, но и маршрут может отразиться на состоянии багажа.

Жизненный опыт Анны и Ольги влияет на то, когда и как проявят себя их гены. Взаимосвязь между нашими генами и поведением может со временем меняться по мере того, как мы получаем новый опыт.

Красота в уникальности

Внешний вид имеет отчасти практическую и даже финансовую ценность. Так, по некоторым данным, красивые люди получают больше внимания, денег, уважения.

Люди хотят быть привлекательными. По статистике пластический хирург в 2021 году в среднем провел 320 хирургических операций. Для сравнения в 2020 году их число было почти на треть меньше — 220.

Но красота — нечто большее, чем симметрия и размер черт лица. На самом деле это сложное сочетание внешней картины, ума и обаяния.

Представления о канонической, маркетинговой красоте постоянно меняются. Сегодня мы живем в открытом социуме, готовым принимать красоту во всем ее разнообразии больше чем когда-либо. Те, кого мы считаем красивыми, на самом деле отражают наши субъективные представления о красоте. Учитывая, что эти представления у разных людей отличаются, мы можем сказать, что живем в мире, где прекрасны все. И уникальны. Потому что именно такими нас делает ДНК.

Больше о внешности и ДНК в блоге Атласа:

• Как гены влияют на цвет глаз
• Как ДНК определяет цвет и форму волос
• Как гены влияют на качество зубов

• The Center for Nanoscale Science. Penn State University

• Jim Dawson. Defining a Face: What Can DNA Phenotyping Really Tell Us About An Unknown Sample?

• J. E. Scheib, S.W. Gangestad, R. Thornhill. Facial attractiveness, symmetry and cues of good genes.

• University College London. The genetics of human physical appearance.

• Peter M. Schneider, Barbara Prainsack, Manfred Kayser. The Use of Forensic DNA Phenotyping in Predicting Appearance and Biogeographic Ancestry.

• Cláudia Gomesa, Manuel Fondevilab, Sara Palomo-Díeza, Antonio F.Pardiñasc, CésarLópez-Matayoshiad, Carlos Baeza-Richera, Ana María López-Parraa, María Victoria Lareub, Belén Lópeze, Eduardo Arroyo-Pardo. Phenotyping the ancient world: The physical appearance and ancestry of very degraded samples from a chalcolithic human remains.

• Edmund Gilbert, Ashwini Shanmugam, Gianpiero L. Cavalleri. Revealing the recent demographic history of Europe via haplotype sharing in the UK Biobank.

• Tatiana V. Andreeva, Andrey D. Manakhov, Fedor E. Gusev, Anton D. Patrikeev, Lyubov V. Golovanova, Vladimir B. Doronichev, Ivan G. Shirobokov & Evgeny I. Rogaev. Genomic analysis of a novel Neanderthal from Mezmaiskaya Cave provides insights into the genetic relationships of Middle Palaeolithic populations.

• Bowen Hu, Ning Shen, James J. Li, Hyunseung Kang, Jinkuk Hong, Jason Fletcher, Jan Greenberg, Marsha R. Mailick, Qiongshi Lu. Genome-wide association study reveals sex-specific genetic architecture of facial attractiveness.

• The Aesthetic Society. Aesthetic Plastic Surgery Statistics.

Принцип Харди-Вайнберга | Изучайте науку в Scitable

Основы менделевской генетики

Согласно ныне дискредитированной теории смешения наследственности наследственный материал представлялся жидкостью, объединяющей черты двух особей в фенотипически промежуточных потомках. Учитывая наблюдаемые закономерности сходства между родителями и потомками, смешение наследственности может показаться интуитивно разумным, как это было со многими современниками Чарльза Дарвина. Однако этот способ наследования создал проблемы для дарвиновской теории естественного отбора (1859 г.).), что зависит от наличия наследственной изменчивости признаков в популяциях организмов. Смешанное наследование быстро разрушило бы такую ​​изменчивость, поскольку все признаки будут комбинироваться от одного поколения к другому, пока все люди не будут разделять один и тот же смешанный фенотип. В своих знаменитых экспериментах с растениями гороха Грегор Мендель отверг этот наследственный механизм в пользу частичного наследования, продемонстрировав, что альтернативные версии генов (аллелей) объясняют вариации наследуемых признаков, хотя на самом деле он ничего не знал о генах как таковых. Хотя Мендель опубликовал свои результаты в 1866 г., его работа оставалась малоизвестной до ее повторного открытия в 19 г.00 (обзор в Monaghan & Corcos 1984), который помог создать современную область генетики.

Закон расщепления Менделя, говоря современным языком, гласит, что диплоидный индивидуум несет две отдельные копии каждого аутосомного гена (т.

е. по одной копии на каждом члене пары гомологичных хромосом). Каждая гамета, произведенная диплоидной особью, получает только одну копию каждого гена, которая выбирается случайным образом из двух копий, найденных у этой особи. В соответствии с законом расщепления Менделя каждая из двух копий особи имеет равные шансы быть включенной в гамету, так что мы ожидаем, что 50 % гамет индивидуума будут содержать одну копию, а 50 % — другую копию (рис. 1).

Рисунок 1. Закон разделения Менделя

Рисунок 2. Г. Х. Харди

Генотип человека представляет собой комбинацию аллелей, обнаруженных у этого человека в данном генетическом локусе. Если в локусе A есть два аллеля в популяции ( A и a ), то возможные генотипы в этой популяции: AA , Aa и aa . Особи с генотипами АА и аа являются гомозиготами (т. е. имеют две копии одного и того же аллеля). Лица с генотипом Aa являются гетерозиготами (т. е. имеют два разных аллеля в локусе A). Если гетерозигота фенотипически идентична одной из гомозигот, аллель этой гомозиготы называется доминантной, а аллель другой гомозиготы — рецессивной.

Даже после того, как многие генетики приняли законы Менделя, сохранялась путаница в отношении сохранения генетической изменчивости в естественных популяциях. Некоторые противники менделевской точки зрения утверждали, что частота доминантных признаков должна увеличиваться, а рецессивных — уменьшаться, чего не наблюдается в реальных популяциях. Харди (1908; Рисунок 2) опроверг такие аргументы в статье, которая вместе с независимо опубликованной статьей Вайнберга (1908; рисунок 3) заложила основу для области популяционной генетики (Crow 1999; Edwards 2008).

Равновесие Харди-Вайнберга

Рисунок 3: Вильгельм Вайнберг

Теорема Харди-Вайнберга касается менделевской генетики в контексте популяций диплоидных особей, размножающихся половым путем. Учитывая набор предположений (обсуждаемых ниже), эта теорема утверждает, что:

1. частоты аллелей в популяции не будут меняться от поколения к поколению.
2. , если частоты аллелей в популяции с двумя аллелями в локусе равны p и q , то ожидаемые частоты генотипов равны p ² , 2 pq и 7 q . Это частотное распределение не будет меняться от поколения к поколению, если популяция находится в равновесии Харди-Вайнберга. Например, если частота аллеля A в популяции p и частота аллеля a в популяции q , то частота генотипа AA = p ² 7 , частота генотипа 1009 A 2 pq , а частота генотипа аа = q ² . Если в локусе только два аллеля, то p + q по математической необходимости равно единице. Частоты генотипов Харди-Вайнберга, p ² + 2 pq + q ² , представляют биномиальное разложение ( p + q ) ² q ² частот в любой популяции, независимо от того, находится ли она в равновесии Харди-Вайнберга). Можно применить теорему Харди-Вайнберга к локусам с более чем двумя аллелями, и в этом случае ожидаемые частоты генотипов задаются полиномиальным разложением для всех k аллелей, сегрегирующих в популяции: ( р ₁ + р ₂ + р ₃ + . . . + стр к) ² .

Выводы теоремы Харди-Вайнберга применимы только тогда, когда популяция соответствует следующим предположениям:

1. Естественный отбор не действует на рассматриваемый локус (т. ).
2. Ни мутация (происхождение новых аллелей), ни миграция (перемещение особей и их генов в популяцию или из нее) не привносят в популяцию новые аллели.
3. Размер популяции бесконечен, а это означает, что генетический дрейф не вызывает случайных изменений частот аллелей из-за ошибки выборки от одного поколения к другому. Конечно, все естественные популяции конечны и, следовательно, подвержены дрейфу, но мы ожидаем, что эффекты дрейфа будут более выражены в небольших популяциях, чем в больших.
4. Особи в популяции спариваются случайным образом в отношении рассматриваемого локуса. Хотя неслучайное спаривание не изменяет частоты аллелей от одного поколения к другому, если верны другие предположения, оно может вызвать отклонения от ожидаемых частот генотипов и может подготовить почву для естественного отбора, вызывающего эволюционные изменения.

Если частоты генотипов в популяции отклоняются от ожиданий Харди-Вайнберга, требуется всего одно поколение случайного спаривания, чтобы привести их к равновесным пропорциям, при условии, что выполняются приведенные выше предположения, что частоты аллелей равны у самцов и самок (или иначе, что люди являются гермафродитами) и что локус является аутосомным. Если частоты аллелей различаются между полами, для достижения равновесия Харди-Вайнберга требуется два поколения случайных спариваний. Для достижения равновесия сцепленным с полом локусам требуется несколько поколений, потому что у одного пола есть две копии гена, а у другого пола — только одна.

Учитывая эти условия, легко получить ожидаемые частоты генотипов Харди-Вайнберга, если мы подумаем о случайном скрещивании с точки зрения вероятности образования каждого генотипа путем случайного объединения гамет в зиготы (таблица 1). Если каждый аллель встречается с одинаковыми частотами в сперматозоидах и яйцеклетках, а гаметы случайным образом объединяются, образуя зиготы, то вероятность того, что любые два аллеля объединятся, образуя определенный генотип, равна произведению частот аллелей. Поскольку существует два пути получения гетерозиготного генотипа ( Яйцеклетка и сперма , или Яйцеклетка и А сперма ), мы суммируем вероятности этих двух типов союза, чтобы получить ожидаемую частоту Харди-Вайнберга гетерозиготного генотипа (2 pq ).

Таблица 1: Квадрат Пеннета, изображающий вероятности образования всех возможных генотипов в диаллельном менделевском локусе в популяции, которая соответствует предположениям Харди-Вайнберга.

Важно признать, что равновесие Харди-Вайнберга является нейтральным равновесием, а это означает, что популяция, нарушенная частотами генотипов Харди-Вайнберга, действительно достигнет равновесия после одного поколения случайных спариваний (если оно соответствует другим предположениям). теоремы), но это будет новое равновесие, если частоты аллелей изменились. Это свойство отличает нейтральное равновесие от устойчивого равновесия, при котором возмущенная система возвращается в то же состояние равновесия. Логично, что равновесие Харди-Вайнберга неустойчиво, так как изменение частот генотипов от равновесных в общем случае будет связано с изменением частот аллелей ( p и q ), что, в свою очередь, приведет к новым значениям р ² , 2 pq и q ² . После этого популяция, удовлетворяющая предположениям Харди-Вайнберга, останется в новом равновесии до тех пор, пока ее снова не возмутят.

Имея популяцию, в которой известно количество особей с каждым генотипом, мы можем проверить статистическое отклонение от равновесия Харди-Вайнберга, используя простой критерий согласия хи-квадрат или более мощный точный критерий. Последний класс методов оказался особенно полезным для крупномасштабных геномных исследований, в которых ученые оценивают тысячи локусов, сегрегирующих множественные аллели (Wiggington 9).0019 и др. 2005 г.). Наблюдаемые пропорции генотипов в естественных популяциях обычно соответствуют ожиданиям Харди-Вайнберга, как и следовало ожидать, учитывая, что популяция, нарушенная равновесием, может достичь новых равновесных частот только после одного поколения случайного спаривания.

Хотя статистическое отклонение от ожиданий Харди-Вайнберга обычно указывает на нарушение допущений теоремы, обратное не обязательно верно. Некоторые формы естественного отбора (например, уравновешивающий отбор, который поддерживает несколько аллелей в популяции) могут генерировать генотипические частотные распределения, соответствующие ожиданиям Харди-Вайнберга. Также может быть верно, что миграция или мутация происходят, но с такой низкой скоростью, что их невозможно обнаружить с помощью доступных статистических методов. И, конечно же, все реальные популяции конечны и, следовательно, подвержены по крайней мере некоторой эволюции посредством генетического дрейфа.

Эволюционные следствия теоремы Харди-Вайнберга

Теорема Харди-Вайнберга показывает, что менделевские локусы, расщепляющиеся по множественным аллелям в диплоидных популяциях, сохранят предсказуемые уровни генетической изменчивости в отсутствие сил, изменяющих частоты аллелей. Распространенным способом визуализации этих ожиданий является построение p ² , 2 pq и q ² в зависимости от частот аллелей (рис. 4). Это графическое представление подчеркивает два важных следствия принципа Харди-Вайнберга:

1. Популяционная гетерозиготность (частота гетерозигот) максимальна, когда p = q = 0,5.
2. Редкие аллели встречаются в основном у гетерозигот, как и должно быть, учитывая, что q ² намного меньше, чем 2 pq , когда q близко к нулю, а p ^{2 намного меньше, чем 2 pq . pq , когда p близко к нулю.}

Второй момент приобретает особое значение, если мы рассмотрим возможность естественного отбора влиять на частоту новых мутаций. Если популяция соответствует всем другим предположениям Харди-Вайнберга, отбор в конечном итоге закрепит в популяции выгодный аллель, так что все особи будут гомозиготными по этому аллелю. Начальное увеличение частоты редкого, благоприятного, доминантного аллеля происходит быстрее, чем у редкого, благоприятного, рецессивного аллеля. Это связано с тем, что, как мы видели, редкие аллели обнаруживаются в основном у гетерозигот, так что новая рецессивная мутация не может быть «увидена» естественным отбором до тех пор, пока она не достигнет достаточно высокой частоты (возможно, из-за дрейфа в реальной конечной популяции). ), чтобы начать появляться у гомозигот. Однако новая доминантная мутация сразу становится видимой для естественного отбора, потому что ее влияние на приспособленность наблюдается у гетерозигот. Таким образом, хотя Харди (1908) продемонстрировали, что само по себе доминирование не изменяет частоты аллелей в локусе, отношения доминирования между аллелями могут оказывать существенное влияние на эволюционные траектории.

Рисунок 4: График частот равновесных генотипов Харди-Вайнберга (от p до 2, 2pq, q до 2) в зависимости от частот аллелей (p и q).

Отбор, мутация, миграция и генетический дрейф — это механизмы, вызывающие изменения частот аллелей, и когда действует одна или несколько из этих сил, популяция нарушает предположения Харди-Вайнберга, и происходит эволюция. Таким образом, теорема Харди-Вайнберга представляет собой нулевую модель для дисциплины популяционной генетики и имеет фундаментальное значение для изучения эволюции.

Ссылки и рекомендуемая литература

---

Crow, J. F. Восемьдесят лет назад: начало популяционной генетики. Генетика 119 , 473-476 (1988).

Кроу, Дж. Ф. Харди, Вайнберг и языковые трудности. Генетика 152 , 821 -825 (1999).

Дарвин, К. О происхождении видов естественным путем Отбор, или Сохранение благоприятствуемых рас в борьбе за жизнь. Лондон , Великобритания: Джон Мюррей, 1859 г. (ссылка)

Эдвардс, А.В. F. & Hardy, GH 1908 и равновесие Харди-Вайнберга. Генетика 179, 1143-1150 (2008).

Футуйма, Д. Дж. Эволюционная биология , 3-е изд. Сандерленд, Массачусетс: Sinauer & Associates, 1998.

Гиллеспи, Дж. H. Популяционная генетика: краткое руководство , 2-е изд. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса, 2004.

Харди, Г.Х. Менделевские пропорции в смешанной популяции. Наука 28, 49-50 (1908).

Мендель, Г. Versuche über Plflanzen-hybriden. Верхандлунген des naturforschenden Ver-eines в Брюнне, Bd. IV für das Jahr 1865 , Abhand-lungen (1886): 3–47. (ссылка)

Монаган, Ф. и Коркос, А. О происхождении Менделевские законы. Журнал наследственности 75, 67-69 (1984).

Вайнберг, В. Über den Nachweis der Vererbung beim Menschen. Jahreshefte des Vereins Varterländische Naturkdunde в Вюртемберге 64, 369-382 (1908).

Виггинтон, Дж. E., Cutler, D.J. и др. . Примечание о точные тесты равновесия Харди-Вайнберга. Американский журнал генетики человека 76, 887-893 (2005).

Взаимодействия генотип-среда и их трансляционное значение

Особые работы отмечены как:

▪ представляющие интерес

▪▪ представляющие значительный интерес

1. Garrod AE. Заболеваемость алкатонурией: исследование химической индивидуальности. Ланцет. 1902;160:1616–1620. [Google Scholar]

2. Турессон Г. Генотипическая реакция видов растений на среду обитания. наследственность. 1922; 3: 211–350. [Google Scholar]

3. Райт С. Роль питания, инбридинга, скрещивания и отбора в эволюции. Материалы Шестого ежегодного конгресса генетиков. 1932: 356–366. [Google Scholar]

4. Gluckman PD, Hanson MA, Beedle AS. Негеномное трансгенерационное наследование риска заболевания. Биоэссе. 2007; 29: 145–154. [PubMed] [Академия Google]

5. Скандалиос Дж.Г. Реакция генов антиоксидантной защиты растений на стресс окружающей среды. Ад Генет. 1990; 28:1–41. [PubMed] [Google Scholar]

6. Лори Д.А., Беннетт, доктор медицины. Содержание ядерной ДНК у родов Zea и Sorghum : межродовая, межвидовая и внутривидовая изменчивость. Наследственность. 1985; 55: 307–313. [Google Scholar]

7. Rayburn AL, Price HJ, Smith JD, Gold JR. Гетерохроматин С-диапазона и содержание ДНК у Zea mays. Эм Джей Бот. 1985; 72: 1610–1617. [Академия Google]

8. Рейберн А.Л., Оже Дж.А. Изменение содержания ядерной ДНК у древних коренных рас мексиканской кукурузы. Acta Botanica Neerlandica. 1990; 39: 197–202. [Google Scholar]

9. Ян В., Келли Т., Хе Дж. Генетическая эпидемиология ожирения. Эпидемиол Ред. 2007; 29:49–61. [PubMed] [Google Scholar]

10. Allard RW, Брэдшоу AD. Влияние взаимодействия генотип-среда в прикладной селекции растений. Растениеводство. 1964; 4: 503–508. [Google Scholar]

11. Аллард Р.В. Джон Уайли и сыновья. Принципы селекции растений. 2. Уайли-Блэквелл; Нью-Йорк, США: 1999. [Google Scholar]

12. Becker HC. Корреляции между некоторыми статистическими показателями фенотипической стабильности. Эвфитика. 1981; 30: 835–840. [Google Scholar]

13. Холдейн JBS. Взаимодействие природы и воспитания. Энн Ойген. 1946; 13: 197–205. [PubMed] [Google Scholar]

14. Виа С. Количественная генетика полифагии у травоядных насекомых. II. Генетические корреляции в продуктивности личинок внутри и между растениями-хозяевами. Эволюция. 1984; 38: 896–905. [PubMed] [Академия Google]

15. Baye TM, Wilke RA, Olivier M. Геномное и географическое распределение частных SNP и путей в человеческих популяциях. По мед. 2009; 6: 623–641. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

16. Schnell FW. Изучение методов и категорий селекции растений. Zeitschrift fuer Pflanzenzuechtung. 1982; 89: 1–18. [Google Scholar]

17. Вакхолдер С., Ротман Н., Капорасо Н. Стратификация населения в эпидемиологических исследованиях распространенных генетических вариантов и рака: количественная оценка систематической ошибки. J Natl Cancer Inst. 2000;92: 1151–1158. [PubMed] [Google Scholar]

18. Campbell CD, Ogburn EL, Lunetta KL, et al. Демонстрация стратификации европейско-американского населения. Нат Жене. 2005; 37: 868–872. [PubMed] [Google Scholar]

19. Причард Дж. К., Доннелли П. Исследования ассоциации случай-контроль в структурированных или смешанных популяциях. Теория народной биологии. 2001; 60: 227–237. [PubMed] [Google Scholar]

20. Simmonds NW. Генотип (G), окружающая среда (E) и компоненты GE урожайности сельскохозяйственных культур. Экспл. Агр. 1981;17:355–362. [Google Scholar]

21. Ziegler A, König IR. Статистический подход к генетической эпидемиологии: концепции и приложения. 2. Вайлей-ВЧ; Германия: 2010. [Google Scholar]

22. Elston RC, Johnson WD. Базовая биостатистика для генетиков и эпидемиологов: практический подход. Джон Уайли и сыновья; Хобокен, Нью-Джерси, США: 2008. [Google Scholar]

23. Vercelli D. Открытие генов предрасположенности к астме и аллергии. Нат Рев Иммунол. 2008; 8: 169–182. [PubMed] [Академия Google]

24. Лин П.И., Вэнс Дж.М., Перикак-Ванс М.А., Мартин Э.Р. Ни один ген не является островом: феномен триггера. Am J Hum Genet. 2007; 80: 531–538. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

25. Hernandez LM, Blazer DG, редакторы. Гены, поведение и социальная среда: выход за рамки дебатов о природе и воспитании. Издательство национальных академий; Вашингтон, округ Колумбия, США: 2006. [Google Scholar]

26. Pocock SJ. Клинические испытания: практический подход. Джон Уайли и сыновья; Хобокен, Нью-Джерси, США: 2004. [Google Scholar]

27. Лилиенфельд Д.Э., Столли П.Д. Основы эпидемиологии. 3. Издательство Оксфордского университета; Оксфорд, Великобритания: 1994. [Google Scholar]

28. Andrieu N, Goldstein AM. Схема «случай-комбинированный контроль» была эффективна для выявления взаимодействий генов и окружающей среды. Дж. Клин Эпидемиол. 2004; 57: 662–671. [PubMed] [Google Scholar]

29. Moffitt TE, Caspi A, Rutter M. Стратегия исследования взаимодействия между измеряемыми генами и измеряемой средой. Арх генерал психиатрия. 2005; 62: 473–481. [PubMed] [Академия Google]

30. Hemminki K, Lorenzo Bermejo J, Forsti A. Баланс между наследственной и экологической этиологией болезней человека. Нат Рев Жене. 2006; 7: 958–965. [PubMed] [Google Scholar]

31. Dempfle A, Scherag A, Hein R, et al. Генно-средовые взаимодействия для сложных признаков: определения, методологические требования и проблемы. Eur J Hum Genet. 2008;16:1164–1172. [PubMed] [Google Scholar]

32. Таубс Г. Эпидемиология сталкивается со своими ограничениями. Наука. 1995; 269: 164–169. [PubMed] [Академия Google]

33. Кэмпбелл М.Дж., Доннер А., Клар Н. Развитие кластерных рандомизированных исследований и статистики в медицине. Стат мед. 2007; 26: 2–19. [PubMed] [Google Scholar]

34. Риш Н., Мерикангас К. Будущее генетических исследований сложных заболеваний человека. Наука. 1996; 273:1516–1517. [PubMed] [Google Scholar]

35. McCarty CA, Wilke RA. Биобанки и фармакогеномика. Фармакогеномика. 2010;11(5):637–41. [PubMed] [Google Scholar]

36. McCarty CA, Wilke RA, Giampietro PF, Wesbrook SD, Caldwell MD. Проект персонализированных медицинских исследований (PMRP) клиники Маршфилд: дизайн, методы и набор для крупного популяционного биобанка. По мед. 2005;2:49–79. [PubMed] [Google Scholar]

37▪. Ritchie MD, Denny JC, Crawford DC, et al. Надежное воспроизведение ассоциаций генотип-фенотип при множественных заболеваниях в электронной медицинской карте. Am J Hum Genet. 2010; 86: 560–572. Демонстрирует, что биобанки, связанные с обычными данными клинической практики, могут использоваться для характеристики генетических ассоциаций, ранее идентифицированных в когортах, основанных на заболеваниях. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

38▪. Бай ТМ, Уилке Р.А. Картирование генов, которые предсказывают результат лечения в смешанных популяциях. Pharmacogenomics J. 2010;10(6):465–477. Особенности использования информации о предках для количественной оценки генетических детерминант и взаимодействия лечения в смешанной популяции. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

39. Hunter DJ, Kraft P, Jacobs KB, et al. Полногеномное исследование ассоциации идентифицирует аллели в FGFR2 , связанные с риском спорадического постменопаузального рака молочной железы. Нат Жене. 2007; 39: 870–874. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

40. Sladek R, Rocheleau G, Rung J, et al. Полногеномное ассоциативное исследование выявляет новые локусы риска диабета II типа. Природа. 2007; 445: 881–885. [PubMed] [Google Scholar]

41. Yeager M, Orr N, Hayes RB, et al. Полногеномное исследование ассоциации рака предстательной железы идентифицирует второй локус риска в 8q24. Нат Жене. 2007;39: 645–649. [PubMed] [Google Scholar]

42. Daly AK, Donaldson PT, Bhatnagar P, et al. Генотип HLA-B * 5701 является основной детерминантой медикаментозного поражения печени, вызванного флуклоксациллином. Нат Жене. 2009;41:816–819. [PubMed] [Google Scholar]

43. Barber MJ, Mangravite LM, Hyde CL, et al. Полногеномная ассоциация гиполипидемической реакции на статины в комбинированных исследуемых популяциях. ПЛОС ОДИН. 2010;5:e9763. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

44. Мур Дж.Х., Уильямс С.М. Эпистаз и его последствия для личной генетики. Am J Hum Genet. 2009; 85: 309–320. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

45. Willer CJ, Speliotes EK, Loos RJ, et al. Шесть новых локусов, связанных с индексом массы тела, подчеркивают влияние нейронов на регуляцию массы тела. Нат Жене. 2009;41:25–34. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

46. McCarthy MI, Hirschhorn JN. Полногеномные ассоциативные исследования: потенциальные следующие шаги в генетическом путешествии. Хум Мол Жене. 2008; 17: Р156–Р165. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

47. Кантор Р.М., Ланге К., Зиншаймер Дж.С. Приоритизация результатов GWAS: обзор статистических методов и рекомендации по их применению. Am J Hum Genet. 2010;86:6–22. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

48. Dickson SP, Wang K, Krantz I, Hakonarson H, Goldstein DB. Редкие варианты создают синтетические полногеномные ассоциации. PLoS биол. 2010;8:e1000294. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

49. Робинсон Р. Распространенное заболевание, множественные редкие (и отдаленные) варианты. PLoS биол. 2010;8:e1000293. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

50. Марчини Дж., Хоуи Б. Вменение генотипа для полногеномных ассоциативных исследований. Нат Рев Жене. 2010; 11: 499–511. [PubMed] [Google Scholar]

51. Марчини Дж., Хоуи Б., Майерс С., Маквин Г., Доннелли П. Новый многоточечный метод полногеномных ассоциативных исследований путем приписывания генотипов. Нат Жене. 2007; 39: 906–913. [PubMed] [Google Scholar]

52▪▪. Маккарти, Калифорния, Уилке, Р.А. Биобанкинг и фармакогеномика. Фармакогеномика. 2010; 11: 637–641. Особенности использования наборов данных, основанных на клинической практике, для количественной оценки генетических детерминант результатов лечения, особенно в контексте соответствующих ковариатов. [PubMed] [Академия Google]

53. Schatz M, Clark S, Camargo CA., Jr Половые различия в проявлении и течении госпитализаций по поводу астмы. Грудь. 2006; 129: 50–55. [PubMed] [Google Scholar]

54. Eder W, Ege MJ, von Mutius E. Эпидемия астмы. N Engl J Med. 2006; 355:2226–2235. [PubMed] [Google Scholar]

55. Weiss ST, Raby BA, Rogers A. Генетика и геномика астмы, 2009. Curr Opin Genet Dev. 2009; 19: 279–282. [PubMed] [Google Scholar]

56. Snyder EM, Beck KC, Dietz NM, et al. Влияние генотипа β2-адренорецепторов на функцию дыхательных путей при физической нагрузке у здоровых взрослых. Грудь. 2006;129: 762–770. [PubMed] [Google Scholar]

57. Дрейзен Дж.М., Сильверман Э.К., Ли Т.Х. Неоднородность терапевтических ответов при астме. Бр Мед Булл. 2000;56:1054–1070. [PubMed] [Google Scholar]

58. Choudhry S, Ung N, Avila PC, et al. Фармакогенетические различия в реакции на альбутерол между пуэрториканцами и мексиканцами, страдающими астмой. Am J Respir Crit Care Med. 2005; 171: 563–570. [PubMed] [Google Scholar]

59. Litonjua AA, Silverman EK, Tantisira KG, et al. Полиморфизмы и гаплотипы β2-адренорецепторов связаны с гиперреактивностью дыхательных путей у некурящих мужчин. Грудь. 2004; 126: 66–74. [PubMed] [Академия Google]

60. Ордовас Дж. М., Мозер В. Нутригеномика и нутригенетика. Карр Опин Липидол. 2004; 15:101–108. [PubMed] [Google Scholar]

61. Бреннан П. Взаимодействие генов с окружающей средой и этиология рака: что это означает и как мы можем это измерить? Канцерогенез. 2002; 23: 381–387. [PubMed] [Google Scholar]

62. Гардинер С.Дж., Бегг Э.