Populační genetika

Populační genetika se týká genetické konstituce populací a toho, jak se tato konstituce mění s časem.

K pochopení mechanismů, které způsobují vývoj populace, je užitečné zvážit, jaké podmínky jsou nutné k tomu, aby se populace nevyvíjela. Hardy-Weinbergův princip říká, že frekvence alel (variací genu) v dostatečně velké populaci zůstane konstantní, pokud jedinými silami působícími na tuto populaci jsou náhodné přeskupování alel během tvorby spermií nebo vajíčka a náhodná kombinace alel v těchto pohlavních buňkách během oplodnění. Taková populace je prý v Hardy-Weinbergově rovnováze, nevyvíjí se.

Hardyho-Weinbergův princip říká, že četnost alel i genotypů v populaci zůstává konstantní – to znamená, že jsou v rovnováze – z generace na generaci, pokud nejsou zavedeny specifické rušivé vlivy. Mimo laboratoř vždy platí jeden nebo více těchto „rušivých vlivů“. To znamená, že Hardyho Weinbergova rovnováha je v přírodě nemožná. Genetická rovnováha je ideální stav, který poskytuje základ pro měření genetické změny.

Frekvence alel v populaci zůstávají napříč generacemi neměnné za předpokladu, že jsou po ruce následující podmínky: náhodné páření, žádná mutace (alely se nemění), žádná migrace nebo emigrace (žádná výměna alel mezi populacemi), nekonečně velká velikost populace a žádný selektivní tlak pro nebo proti jakýmkoliv znakům.

Na základě těchto rovnic můžeme určit užitečná, ale obtížně měřitelná fakta o populaci. Například pacientovo dítě je přenašečem recesivní mutace, která způsobuje cystickou fibrózu u homozygotních recesivních dětí. Rodič chce znát pravděpodobnost, že její vnoučata tuto nemoc zdědí. Aby mohl genetický poradce na tuto otázku odpovědět, musí znát šanci, že se dítě bude rozmnožovat s přenašečem recesivní mutace. Tato skutečnost nemusí být známa, ale četnost onemocnění je známa. Víme, že onemocnění je způsobeno homozygotním recesivním genotypem; můžeme použít Hardyho-Weinbergův princip, abychom zpětně pracovali od výskytu onemocnění k četnosti heterozygotních recesivních jedinců.

Rozsah a teoretické úvahy

Matematika populační genetiky byla původně vyvinuta jako součást moderní evoluční syntézy. Podle Beattyho (1986) například definuje jádro moderní syntézy.

(převzato z Lewontin 1974, s. 12). XD

T1 představuje genetické a epigenetické zákony, aspekty funkční biologie nebo vývoje, které transformují genotyp na fenotyp. Budeme to označovat jako „mapu genotyp-fenotyp“. T2 je transformace v důsledku přirozeného výběru, T3 jsou epigenetické vztahy, které predikují genotypy na základě vybraných fenotypů a nakonec T4 pravidla Mendelovy genetiky.

V praxi existují dva útvary evoluční teorie, které existují paralelně, tradiční populační genetika působící v genotypovém prostoru a biometrická teorie používaná při šlechtění rostlin a zvířat, působící v fenotypovém prostoru. Chybějící částí je mapování mezi genotypem a fenotypovým prostorem. To vede k „šikovnosti“ (jak ji nazývá Lewontin), kdy proměnné v rovnicích jedné domény jsou považovány za parametry nebo konstanty, kde by se při plném ošetření samy evolučním procesem transformovaly a jsou ve skutečnosti funkcemi stavových proměnných v druhé doméně. „Šikovnost“ předpokládá, že toto mapování známe. Postupovat, jako bychom tomu rozuměli, stačí k analýze mnoha případů zájmu. Například pokud je fenotyp téměř jedna ku jedné s genotypem (srpkovitá buněčná nemoc) nebo je časové měřítko dostatečně krátké, lze s „konstantami“ zacházet jako s takovými; nicméně existuje mnoho situací, kdy je nepřesný.

Přirozený výběr je proces, při kterém se dědičné rysy, které zvyšují pravděpodobnost, že organismus přežije a úspěšně se rozmnoží, stávají běžnějšími v populaci během následujících generací.

Přirozená genetická variabilita v populaci organismů znamená, že někteří jedinci přežijí ve svém současném prostředí úspěšněji než jiní. Důležité jsou také faktory, které ovlivňují reprodukční úspěch, což je otázka, kterou Charles Darwin rozvinul ve svých myšlenkách o pohlavním výběru.

Přirozený výběr působí na fenotyp, nebo pozorovatelné charakteristiky organismu, ale genetický (dědičný) základ každého fenotypu, který dává reprodukční výhodu, bude v populaci běžnější (viz četnost alel). Tento proces může časem vyústit v adaptace, které organismy specializují na konkrétní ekologické niky a mohou nakonec vyústit ve vznik nových druhů.

Přirozený výběr je jedním ze základních kamenů moderní biologie. Tento termín zavedl Darwin ve své průkopnické knize O původu druhů z roku 1859, v níž byl přírodní výběr popsán analogicky k umělému výběru, procesu, při němž jsou zvířata a rostliny se znaky, které jsou považovány za žádoucí lidskými chovateli, systematicky upřednostňovány pro reprodukci. Koncept přirozeného výběru byl původně vyvinut při absenci platné teorie dědičnosti; v době Darwinova psaní nebylo o moderní genetice nic známo. Spojení tradiční darwinovské evoluce s následnými objevy v klasické a molekulární genetice se nazývá moderní evoluční syntéza. Přirozený výběr zůstává primárním vysvětlením adaptivní evoluce.

Genetický drift je změna relativní frekvence výskytu genové varianty (alely) v populaci v důsledku náhodného odběru vzorků a náhody: Alely v potomstvu jsou náhodným vzorkem alel v rodičích a náhoda hraje roli při určování, zda daný jedinec přežije a rozmnoží se. Frekvence alel v populaci je zlomek genových kopií, které sdílejí určitou formu.

Genetický drift je důležitý evoluční proces, který vede ke změnám frekvencí alel v průběhu času. Může způsobit úplné vymizení genových variant, a tím snížit genetickou variabilitu. Na rozdíl od přirozeného výběru, který činí genové varianty běžnějšími nebo méně běžnými v závislosti na jejich reprodukční úspěšnosti, nejsou změny způsobené genetickým driftem řízeny environmentálními nebo adaptivními tlaky a mohou být prospěšné, neutrální nebo škodlivé pro reprodukční úspěšnost.

Vliv genetického driftu je větší u malých populací a menší u velkých populací. Mezi vědci se vedou intenzivní debaty o relativním významu genetického driftu ve srovnání s přirozeným výběrem. Ronald Fisher zastával názor, že genetický drift hraje v evoluci nanejvýš podružnou roli, a to zůstalo dominantním názorem po několik desetiletí. V roce 1968 Motoo Kimura znovu oživil debatu svou neutrální teorií molekulární evoluce, která tvrdí, že většina změn genetického materiálu je způsobena genetickým driftem.

Mutace jsou změny v sekvenci DNA genomu buňky a jsou způsobeny radiací, viry, transpozony a mutagenními chemikáliemi, stejně jako chybami, které se vyskytují během meiózy nebo replikace DNA. Chyby jsou zaváděny zvláště často v procesu replikace DNA, v polymerizaci druhého řetězce. Tyto chyby. Mohou být také vyvolány samotným organismem, buněčnými procesy, jako je hypermutace.

Mutace mohou mít vliv na fenotyp organismu, zejména pokud se vyskytují v rámci proteinové kódovací sekvence genu. Míra chyb je obvykle velmi nízká – 1 chyba na každých 10 milionů – 100 milionů bází – kvůli schopnosti „korektury“ DNA polymeráz. Bez korektury je míra chyb tisíckrát vyšší. Chemické poškození DNA se vyskytuje také přirozeně a buňky používají mechanismy opravy DNA k nápravě neshod a zlomů v DNA. Nicméně oprava někdy nedokáže vrátit DNA původní sekvenci.

U organismů, které používají chromozomální crossover k výměně DNA a rekombinaci genů, mohou chyby v alignmentu během meiózy také způsobit mutace. Chyby v crossoveru jsou zvláště pravděpodobné, když podobné sekvence způsobí, že partnerské chromozomy přijmou chybné alignment; to způsobuje, že některé oblasti genomů jsou náchylnější k mutaci tímto způsobem. Tyto chyby vytvářejí velké strukturální změny v sekvenci DNA – duplikace, inverze nebo delece celých oblastí nebo náhodná výměna celých částí mezi různými chromozomy (tzv. translokace).

Mutace může vést k několika různým typům změn v sekvencích DNA; ty buď nemají žádný účinek, mění produkt genu, nebo brání fungování genu. Studie na mouše Drosophila melanogaster naznačují, že pokud mutace změní protein produkovaný genem, bude to pravděpodobně škodlivé, přičemž asi 70 procent těchto mutací má škodlivé účinky a zbytek je buď neutrální, nebo slabě prospěšný. Kvůli škodlivým účinkům, které mohou mít mutace na buňky, si organismy vyvinuly mechanismy, jako je oprava DNA k odstranění mutací. Proto je optimální rychlost mutace pro druh kompromisem mezi náklady na vysokou rychlost mutace, jako jsou škodlivé mutace, a metabolickými náklady na údržbu systémů snižujících rychlost mutace, jako jsou enzymy opravy DNA. Viry, které používají RNA jako svůj genetický materiál, mají rychlou rychlost mutace, což může být výhoda, protože tyto viry se budou vyvíjet neustále a rychle, a tím se vyhnou obranným reakcím např. lidského imunitního systému.

Tok genů je výměna genů mezi populacemi, které jsou obvykle stejného druhu. Příklady toku genů v rámci druhu zahrnují migraci a následně rozmnožování organismů nebo výměnu pylu. Přenos genů mezi druhy zahrnuje vznik hybridních organismů a horizontální přenos genů.

Migrace do nebo z populace může změnit četnost alel, stejně jako zavedení genetické variace do populace. Přistěhovalectví může přidat nový genetický materiál do zavedeného genofondu populace. Naopak, emigrace může odstranit genetický materiál. Vzhledem k tomu, že jsou nutné překážky reprodukce mezi dvěma rozdílnými populacemi, aby se populace staly novými druhy, může tok genů zpomalit tento proces šířením genetických rozdílů mezi populacemi. Toku genů brání horská pásma, oceány a pouště nebo dokonce uměle vytvořené struktury, jako je Velká čínská zeď, která brání toku genů rostlin.

V závislosti na tom, jak dalece se dva druhy od svého posledního společného předka rozcházejí, může být pro ně stále možné zplodit potomky, jako u koní a oslů, kteří se páří za účelem produkce mul. Takoví kříženci jsou obecně neplodní, protože dvě různé sady chromozomů nejsou schopny se spárovat během meiózy. V tomto případě se mohou blízce příbuzné druhy pravidelně křížit, ale kříženci budou vybráni proti a druh zůstane odlišný. Životaschopní kříženci se však občas tvoří a tyto nové druhy mohou mít buď vlastnosti mezi svými mateřskými druhy, nebo disponovat zcela novým fenotypem. Význam hybridizace při vytváření nových druhů zvířat není jasný, i když případy byly zaznamenány u mnoha druhů zvířat, přičemž zvlášť dobře studovaným příkladem je žába šedá.

Hybridizace je však důležitým prostředkem speciace v rostlinách, protože polyploidie (mající více než dvě kopie každého chromozomu) je snášena v rostlinách snadněji než u zvířat. Polyploidie je u hybridů důležitá, protože umožňuje reprodukci, přičemž obě různé sady chromozomů se mohou během meiózy spárovat s identickým partnerem. Polyploidi mají také větší genetickou rozmanitost, což jim umožňuje vyhnout se poklesu příbuzenského křížení v malých populacích.

Horizontální přenos genů je přenos genetického materiálu z jednoho organismu do jiného organismu, který není jeho potomkem; nejčastější je to u bakterií. V medicíně to přispívá k šíření antibiotické rezistence, protože když jedna bakterie získá rezistentní geny, může je rychle přenést do jiných druhů. Může dojít také k horizontálnímu přenosu genů z bakterií do eukaryot, jako jsou kvasinky Saccharomyces cerevisiae a brouk fazolový Callosobruchus chinensis. Příkladem rozsáhlejších přenosů jsou eukaryotické bdelloidní rotifery, které zřejmě získaly řadu genů od bakterií, hub a rostlin. Viry mohou také přenášet DNA mezi organismy, což umožňuje přenos genů i napříč biologickými doménami. K rozsáhlému přenosu genů došlo také mezi předky eukaryotických buněk a prokaryot, během získávání chloroplastů a mitochondrií.

Tok genů je přenos alel z jedné populace do druhé.

Migrace do nebo z populace může být zodpovědná za výraznou změnu četnosti alel. Přistěhovalectví může také vést k přidání nových genetických variant do zavedeného genofondu konkrétního druhu nebo populace.

Existuje řada faktorů, které ovlivňují rychlost toku genů mezi různými populacemi. Jedním z nejvýznamnějších faktorů je mobilita, protože větší mobilita jedince mu dává větší migrační potenciál. Zvířata bývají pohyblivější než rostliny, i když pyl a semena mohou zvířata nebo vítr přenášet na velké vzdálenosti.

Udržovaný tok genů mezi dvěma populacemi může také vést ke kombinaci obou genofondů, což snižuje genetickou variabilitu mezi oběma skupinami. Právě z tohoto důvodu tok genů silně působí proti speciaci, rekombinováním genofondů skupin, a tedy nápravou vznikajících rozdílů v genetických variacích, které by vedly k plné speciaci a vzniku dceřiných druhů.

Pokud například druh trávy roste po obou stranách dálnice, je pravděpodobné, že se pyl přenese z jedné strany na druhou a naopak. Pokud je tento pyl schopen oplodnit rostlinu, kde končí, a zplodit životaschopné potomstvo, pak se alely v pylu fakticky mohly přesunout z populace na jedné straně dálnice na druhou.

Kvůli fyzickým bariérám migrace, spolu s omezenou vagilitou a natální filopatií jsou přírodní populace zřídka panmické (Buston et al., 2007). Obvykle existuje geografické pásmo, v němž jsou jedinci navzájem příbuznější než ti, kteří jsou náhodně vybráni z běžné populace. To je popsáno jako míra, do jaké je populace geneticky strukturována (Repaci et al., 2007).

Mikrobiální populační genetika

Mikrobiální populační genetika je rychle se rozvíjející oblastí výzkumu s významem pro mnoho dalších teoretických a aplikovaných oblastí vědeckého výzkumu. Populační genetika mikroorganismů pokládá základy pro sledování původu a vývoje antibiotické rezistence a smrtících infekčních patogenů. Populační genetika mikroorganismů je také zásadním faktorem pro vymýšlení strategií pro zachování a lepší využití prospěšných mikrobů (Xu, 2010).

Mendelovy a biometrické modely byly nakonec sladěny, když byla vyvinuta populační genetika. Klíčovým krokem byla práce britského biologa a statistika R.A. Fishera. V sérii prací, které začaly v roce 1918 a vyvrcholily v jeho knize z roku 1930 The Genetical Theory of Natural Selection (Genetická teorie přírodního výběru), Fisher ukázal, že spojitá odchylka měřená biometrickými by mohla být vytvořena kombinovaným působením mnoha diskrétních genů a že přirozený výběr by mohl změnit genové frekvence v populaci, což by vedlo k evoluci. V sérii prací, které začaly v roce 1924, jiný britský genetik, J.B.S. Haldane, aplikoval statistickou analýzu na reálné příklady přírodního výběru, jako je vývoj průmyslového melanismu u opeřených můr, a ukázal, že přirozený výběr pracoval ještě rychleji, než Fisher předpokládal.

Americký biolog Sewall Wright, který měl zkušenosti s pokusy s chovem zvířat, se zaměřil na kombinace vzájemně se ovlivňujících genů a na účinky příbuzenského křížení na malé, relativně izolované populace, které vykazovaly genetický drift. V roce 1932 Wright představil koncept adaptivní krajiny a tvrdil, že genetický drift a příbuzenské křížení by mohly vyhnat malou, izolovanou subpopulaci z adaptivního vrcholu a umožnit přirozenému výběru, aby ji hnal k různým adaptivním vrcholům. Fisher a Wright měli několik zásadních neshod a spor o relativní roli výběru a driftu pokračoval po většinu století mezi Američany a Brity. Francouz Gustave Malécot byl také důležitý v počátcích vývoje této disciplíny.

Práce Fishera, Haldana a Wrighta založila disciplínu populační genetiky. Tato integrovaná přírodní selekce s Mendelovou genetikou, která byla kritickým prvním krokem ve vývoji jednotné teorie o tom, jak evoluce funguje.

John Maynard Smith byl Haldaneův žák, zatímco W.D. Hamilton byl silně ovlivněn Fisherovými spisy. Američan George R. Price pracoval s Hamiltonem i Maynardem Smithem. Američan Richard Lewontin a Japonec Motoo Kimura byli silně ovlivněni Wrightem.

Moderní evoluční syntéza

V prvních několika desetiletích 20. století většina přírodovědců v terénu nadále věřila, že Lamarckianovy a ortogenní mechanismy evoluce poskytují nejlepší vysvětlení pro složitost, kterou pozorovali v živém světě. Nicméně, jak se oblast genetiky dále rozvíjela, tyto názory se stávaly méně obhajitelné. Theodosius Dobzhansky, postdoktorandský pracovník v laboratoři T. H. Morgana, byl ovlivněn prací na genetické rozmanitosti ruskými genetiky, jako byl Sergej Četverikov. Pomohl překlenout předěl mezi základy mikroevoluce vyvinuté populačními genetiky a vzorci makroevoluce pozorovanými terénními biology, s jeho knihou Genetika a původ druhů z roku 1937. Dobzhansky zkoumal genetickou rozmanitost volně žijících populací a ukázal, že na rozdíl od předpokladů populačních genetiků, tyto populace měly velké množství genetické rozmanitosti, s výraznými rozdíly mezi subpopulacemi. Kniha také vzala vysoce matematickou práci populačních genetiků a dala ji do přístupnější podoby. Ve Velké Británii E.B. Ford, průkopník ekologické genetiky, pokračoval po celá třicátá a čtyřicátá léta, aby demonstroval sílu výběru díky ekologickým faktorům včetně schopnosti udržet genetickou rozmanitost prostřednictvím genetických polymorfismů, jako jsou lidské krevní typy. Fordova práce přispěla k posunu důrazu v průběhu moderní syntézy směrem k přirozenému výběru před genetickým driftem.