Bài giảng Di truyền học quần thể tiến hóa người

Trang 1 KHOA Y DƯỢC - BỘ MễN Y DƯỢC HỌC CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC Trang 2 2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM SỰ DI TRUYỀN TRONG QUẦN THỂ VÀ ĐỊNH LUẬT HARDY-WEINBERG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TRẠNG THÁI CẦN B

KHOA Y DƯỢC - BỘ MÔN Y DƯỢC HỌC CƠ SỞ

DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ & TIẾN HÓA NGƯỜI

4

 Tần số alen (alen frequency , đôi khi gọi tắt là tần số gen )

là số bản sao của một alen chia cho tổng số bản sao của tất cả các alen có trong quần thể

 Di truyền học quần thể (population genetics) là chuyên

ngành của di truyền học chuyên nghiên cứu (tìm hiểu và

dự đoán) về tần số các kiểu gen và tần số alen qua các thế hệ

 Quần thể (population) là tập hợp cỏc cỏ thể trong cựng

một loài cú cựng mụi trường sinh cảnh, tồn tại trong cựng một thời điểm nhất định, cú tiềm năng giao phối với nhau

 Vốn gen (gen pool) là tập hợp toàn bộ các thông tin di

truyền, tức là bộ đầy đủ các alen của tất cả các gen có trong một quần thể tại thời điểm xác định

MỘT SỐ KHÁI NIỆM

6

Sù di truyÒn trong quÇn thÓ

 Xét về tần số kiểu gen, nội phối là quá trình đồng hợp tử hóa Qua

từng thế hệ, tần số cá thể đồng hợp tử tăng dần, ngược lại số dị hợp

tử giảm dần

§èi víi quÇn thÓ giao phèi cËn huyÕt (néi phèi)

 Đối với người hôn nhân cận huyết được coi là nội phối

Sù di truyÒn trong quÇn thÓ

 Trên cơ sở của cơ chế giảm phân, tạo giao tử và thụ tinh

có thể dễ dàng nhận thấy rằng đối với các quần thể ngẫu phối tỉ lệ một kiểu gen nào đó sẽ là tích tần số các alen tương ứng

§èi víi quÇn thÓ ngÉu phèi

 Quần thể được coi là cân bằng khi tần số các alen và

kiểu gen trong quần thể ổn định qua các thế hệ Năm

1908, Hardy & Weiberg phát hiện ra công thức về tần số kiểu gen của một quần thể ngẫu phối cân bằng là:

Tần số kiểu gen: p2[A 1 A 1 ] : 2pq[A 1 A 2 ] : q2[A 2 A 2 ],

Trong đó, p và q lần lượt là tần số hai alen A1 và A 2 (giả

sử locut chỉ có 2 alen), nghĩa là p + q = 1

8

Sù di truyÒn trong quÇn thÓ

§èi víi quÇn thÓ ngÉu phèi

 Cã thÓ dÔ dµng nhËn thÊy c«ng thøc Hardy-Weinberg

thùc chÊt lµ nhÞ thøc Newton

TÇn sè kiÓu gen: (pA 1 + q A 2 ) 2, víi p + q = 1

 Các quần thể ngẫu phối có tần số các kiểu gen và alen

không phù hợp với công thức Hardy – Weinberg là các quần thể không cân bằng Tuy vậy, nếu hiện tượng ngẫu phối xảy ra và quần thể đủ lớn, chi sau 1 thế hệ, quần thể sẽ chuyển về trạng thái cân bằng

Sự di truyền trong quần thể

Đối với quần thể ngẫu phối

 Đối với các locút nhiều hơn hai alen, công thức Hardy –

Weinberg đuợc mở rộng theo nguyên tắc biểu thức Newton, ví dụ: tần số kiểu gen = (pA 1 + q A 2 + rA 3 ) 2, với p + q + r = 1 (với locut có 3 alen); hoặc (pA1 + qA2 + rA3 +

sA4), với p + q + r + s = 1 (với locut có 4 alen), v.v…

 Các quần thể ngẫu phối có tần số các kiểu gen và alen

không phù hợp với công thức Hardy – Weinberg là các

quần thể không cân bằng Tuy vậy, nếu hiện tợng ngẫu phối xảy ra hoàn toàn và quần thể đủ lớn, chi sau 1 thế

hệ duy nhất, quần thể không cân bằng sẽ chuyển về trạng thái cân bằng

10

Sự di truyền trong quần thể

Đối với quần thể ngẫu phối

 Đối với quần thể nội phối một phần, công thức

Hardy-Weinberg đuợc hiệu chỉnh là:

(p 2 + fpq) (A 1 A 1) + (2pq - 2fpq) (A 1 A 2) + (q2 + fpq) (A 2 A 2)

Trong đó, f là tần số cá thể nội phối trong quần thể

Trong thực tế, f đuợc tính bằng:

[1 – (tần số dị hợp tử quan sát / tần số dị hợp tử lý thuyết)]

ứng dụng của định luật hardy-weinberg

 Quần thể ở trạng thái cân bằng, nhưng tần số đồng hợp tử

cao hơn lý thuyết là do nội phối (nội phối làm thay đổi tần

số kiểu gen nhng không làm thay đổi tần số alen)

 Có thể xác định tần số nội phối từ số dị hợp tử quan sát và số

dị hợp tử lý thuyết

TƯ VẤN DI TRUYỀN

2 Tần số alen A và B bằng bao nhiêu?

3 Tần số kiểu gen AB mong đợi (lý thuyết) bằng bao

nhiêu?

4 Quần thể có cân bằng không (suy từ kiểu gen AB)?

14

Các yếu tố ảnh hởng trạng thái cân bằng di truyền

 Đột biến ở mỗi thế hệ, vốn gen của quần thể th ư ờng đợc bổ

sung thêm bởi những đột biến mới Sự ảnh hưởng của số lượng

đột biến đến tỉ lệ các kiểu gen và alen trong quần thể gọi là áp

lực đột biến áp lực đột biến (mức độ ảnh hưởng) liên quan đến

số đột biến thuận (mới) và nghịch (phục hồi) hình thành

 Chọn lọc có 3 phương thức chọn lọc

Chọn lọc bỡnh ổn

Chọn lọc

định huớng

Chọn lọc tách ly

Các yếu tố ảnh hởng trạng thái cân bằng di truyền

 Kích thước quần thể Kích thước quần thể càng nhỏ, hệ số

nội phối càng lớn, làm tăng các thể đồng hợp tử, và ngược lại

 Nhập cư Mang đến các kiểu gen từ một vốn gen khác,

gây ra sai lệch Nếu các kiểu gen khác nhau có xu hướng

di cư hoặc nhập cư khác nhau thì mức độ sai lệch sẽ diễn

ra theo một chiều hớng nhất định

 Giao phối chọn lựa Ví dụ: sự cực đoan ở một dòng họ

dẫn đến sự hôn nhân giữa những người trong họ hàng,

chẳng hạn 33% ca bệnh alkapton niệu là do giao phối cận

huyết Nếu theo xu hướng ngược lại, sẽ làm tăng số cá thể

dị hợp tử

 Các yếu tố ngẫu nghiên Do cơ hội di truyền thành công

của các alen nhất định từ thế hệ này sang thế hệ khác có thể

 Ngoài khả năng đột biến tự phát, nhiều yếu tố môi trường

có tác động trực tiếp làm tăng tần số đột biến (hóa chất,

chiếu xạ, các tác nhân lây nhiễm …)

 Đột biến là nguồn gốc tận cùng của mọi biến dị mới

 Đột biến có thể trung tính, có hại (phần lớn) hoặc có lợi

(hiếm) và việc chúng có được duy trì hay không phụ thuộc vào các điều kiện đặc thù của môi trường (yếu tố chọn lọc)

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Phần lớn các gen có thể đột biến xuôi và ngược (đột biến

thay thế - SNP) Đột biến ngược thường xuyên xảy ra với tần số thấp hơn so với đột biến xuôi

Đột biến

 Sự thay đổi tần số alen qua mỗi thế hệ:

18

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Định luật Hardy-Weiberg giả thiết các quần thể có kích

thước lớn, giao phối hoàn toàn ngẫu nhiên Các quần thể người trong thực tế thường có kích cỡ không phải luôn luôn

ổn định; tuy vậy, chúng cũng đủ lớn (trừ cỏc bộ tộc sống tỏch ly) để các yếu tố ngẫu nhiên chỉ gây tác động nhỏ

 Mọi sự thay đổi tần số alen của quần thể bởi các sự kiện

ngẫu nhiên (đột xuất) được gọi là sự “sai lạc di truyền ngẫu

nhiên”

 Sự thay đổi tần số alen do các sự kiện ngẫu nhiên có vai trò

quan trọng trong tiến hóa ở các quần thể nhỏ

Các yếu tố ngẫu nhiên

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Sự biến động ngẫu nhiên so với lý thuyết gọi là “lỗi lấy

mẫu”, giống nh khi chúng ta tung đồng xu 4 lần thu đợc 3

mặt xấp : 1 mặt ngửa, thậm chí cả 4 mặt đều ngửa Khi số

mẫu càng nhỏ, “lỗi lấy mẫu” càng lớn

 Sai lạc di truyền là ngẫu nhiên, nên chúng ta không thể dự

đoán đợc sự thay đổi tần số alen Tuy vậy, do kích thớc quần

thể ảnh hởng trực tiếp đến “lỗi lấy mẫu” Nên chúng ta dự

đoán đợc mức độ ảnh hởng (cờng độ) của sự sai lạc di truyền, qua kích thớc quần thể hữu hiệu (Ne)

Các yếu tố ngẫu nhiên

20

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Nếu tỉ lệ đực/cái trong quần thể là như nhau và mọi cá thể

có sức sinh sản tương đương thì kích thớc quần thể hữu hiệu

đúng bằng tần số của cá thể ở tuổi sinh sản của quần thể, (Ne = 2 Nf/m)

 Nhưng nếu số cá thể đực/cái không bằng nhau thì kích

thước quần thể hữu hiệu (Ne) bằng:

Các yếu tố ngẫu nhiên

Với: Nf = số cá thể cái trong quần thể tham gia sinh sản

Nm = số cá thể đực trong quần thể tham gia sinh sản

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Sự cân bằng giữa đột biến và sai lạc di truyền ngẫu nhiên

Trong đó: H là tỉ lệ số cá thể dị hợp tử;

à: tỉ lệ đột biến trung tính

Ne: kích thước quần thể hữu hiệu

Các yếu tố ngẫu nhiên

22

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Tần số alen A (p) ở quần thể y sau khi một số cá thể di cư

đến từ quần thể x và chiếm tần số m ở quần thể y mới là:

Trong đó, p x và p y là tần số alen A tương ứng tại các quần thể x

và y, m là tỉ lệ cá thể từ quần thể x trong quần thể y mới

Di nhập cƯ

 Sự thay đổi tần số alen ở quần thể y sau khi có sự nhập cư:

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Chọn lọc tự nhiên không có nghĩa là “khả năng sống sút”

Chọn lọc tự nhiên

 ý nghĩa quan trọng nhất của chọn lọc tự nhiên là số gen

tương đối đóng góp vào các thế hệ tương lai của quần thể

 Sự sống sót đơn thuần là không dủ, mà khả năng truyền gen

qua các thế hệ được quyết định bởi khả năng sinh sản

24

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Chọn lọc tự nhiên được đo bởi “mức thích nghi”, (ký hiệu là

W) phản ánh khả năng sinh sản tương đối của một kiểu gen

Chọn lọc tự nhiên

 W = 1 với kiểu gen sinh sản nhiều thế hệ con nhất

 Hệ số chọn lọc (s = 1 - w) là đại lượng đo mức độ chọn lọc

tương đối chống lại một kiểu gen nhất định

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 ảnh hưởng của chọn lọc đến tần số alen Chọn lọc chống lại

tính trạng lặn (s> 0 với aa)

Chọn lọc tự nhiên

 Chọn lọc chống lại tính trạng lặn triệt để (s = 1)

26

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Chọn lọc chống lại tính trạng trội (s >0 với AA và Aa)

Chọn lọc tự nhiên

 Chọn lọc chống lại dị hợp tử (s> 0 với Aa)

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Chọn lọc ưu tiên dị hợp tử (s > 0 với AA và aa)

Chọn lọc tự nhiên

 Công thức chung:

Các lực làm thay đổi tần số alen trong quần thể

 Nếu alen lặn gây chết ở trạng thái đồng hợp tử (s = 1)

Chọn lọc tự nhiên

 Lưu ý, do tác động của chọn lọc các alen trội gây hại

thường hiếm hơn nhiều so với các alen lặn gây hại

 Đối với alen trội, tần số ở trạng thái cân bằng là

DDL@VNU-SMP

Bệnh “loạn sản sụn” gây ra do một alen trội trên NST

thường Tốc độ đột biến của gen này là 5 x 10-5, và hệ số

thích nghi (w) của người mắc bệnh so với người bình

thường là 0,2 Tần số của alen này ở trạng thái cân bằng

được mong đợi là bao nhiêu?

CÂU HỎI VẬN DỤNG

Trả lời:

s = 1 – 0,2 = 0,8

p = u/s = (5x10-5)/0,8 = 0,0000625 = 6,25 x 10-5

32

 Nếu như trước đây các nghiên cứu về tiến hóa chủ yếu dựa trên các

bằng chứng hóa thạch Thì trong hơn 30 năm trở lại đây, các nghiên cứu di truyền học phân tử đã có những đóng góp mang tính cách mạng cho các nghiên cứu tiến hóa người

 Ví dụ ở linh trưởng, xét trên toàn hệ gen, người giống tinh tinh

99,5% các gen mã cho protein Như vậy, chỉ 0,5% phần hệ gen mã hoá protein là khác nhau nhưng đã tạo ra sự khác biệt rõ rệt

 Như vậy, sự khác biệt và cách ly giữa các loài đôi khi chỉ cần được

quyết định bởi một số lượng gen hạn chế

 Ví dụ 1: 01 gen keratin tham gia tạo lông trên thân hoạt động

mạnh ở đời ươi và tinh tinh, nhng không hoạt động ở người (gen giả do một đột biến vô nghĩa) đã tạo ra sự khác biệt về kiểu hình lông trên thân giữa người và các loài linh trưởng này

So sánh hệ gen

VÀI NẫT TIẾN HểA PHÂN TỬ Ở NGƯỜI

 … sự khác biệt và cách ly giữa các loài đôi khi chỉ cần được quyết

định bởi một số lượng gen hạn chế

 Ví dụ 2: 01 gen mã hóa một hemoglobin đặc thù biểu hiện ở

người, nhng không có hoặc chỉ có lượng ít ở các loài linh trởng khác biểu hiện trong giai đoạn phát triển từ phôi  bào thai, góp phần kéo dài thời gian phát triển bào thai ở người  tăng tối đa sự phát triển của não bộ khi mang thai  phát triển

nhiều khả năng mới (vd: ngôn ngữ, khả năng tư duy, v.v…)

 Ví dụ 3: một số gen đơn duy nhất đã được tìm thấy điều

khiển kéo dài quá trình trưởng thành (trước dậy thì) ở người

so với các loài linh trưởng khác

VÀI NẫT TIẾN HểA PHÂN TỬ Ở NGƯỜI

34

 Sự so sánh kiểu hình nhuộm băng NST cũng là cơ sở cho thấy mối

quan hệ giữa các loài Các vùng NST giống nhau ở nhiều loài khác nhau thường đợc gọi là các vùng bảo thủ

So sánh hệ gen

VÀI NẫT TIẾN HểA PHÂN TỬ Ở NGƯỜI

 Kiểu hình nhuộm băng NST của người giống nhất là với

tinh tinh, sau đó là khỉ gorilla và đười ơi Phần lớn kiểu nhân của người khác với các loài linh trưởng khác là do

đảo đoạn xảy ra trong cùng NST

 Đối với các loài vượn khác xa hơn, sự khác biệt chủ yếu

là do chuyển đoạn xảy ra giữa các NST khác nhau

 Nếu cả hai NST số 2 của người bị gãy làm hai thì thì tế

bào sẽ có 48 NST giống nh ở ba loài tinh tinh, khỉ gorilla

36

 Bởi vì tất cả các loài sinh vật trên trái đất đều

sử dụng chung mã di truyền, nên có thể giả

thiết tất cả mọi sinh vật trên trái đất đều có tổ

38

VÀI NÉT TIẾN HÓA PHÂN TỬ Ở NGƯỜI

0,028 0,08 0,109 0,122 0,141 0,142 0,163 0,17 0,21

0,351 0,362

0,38

0,438 0,442 0,446 0,485

Mỹ gốc Phi

Ả rập du cư Thụy Điển Phần Lan

Mỹ gốc Âu Tây Ban Nha và Bồ

Tây Nam Mỹ bản địa

Ethiopian

Do Thái Trung Quốc Hán Trung Quốc

Việt Nam Thái Lan

Ấn Độ Malay Nhật Bản

Tần số alen hiếm 118G thuộc gen OPRM1 mã hóa cho thụ thể

 - opioid ở người trong nhiều quần thể khác nhau trên thế giới

tÇn sè snp 118G cña gen opm1 m· hãa mu-opioid

40

tÇn sè snp 17c cña gen opm1 m· hãa mu-opioid

1,0

1,0 1,0 1,0

0,86

0,92

0,95 0,963 0,984 0,992 0,995 0,995

1,0

Mỹ gốc Phi Ethiopian

Ả rập du cư Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha

Do Thái

Mỹ gốc Âu Trung Quốc

Malay Thụy Điển Việt Nam Thái Lan

Ấn Độ Nhật Bản

Tần số alen 17C thuộc gen OPRM1 mã hóa cho thụ thể  - opioid ở

người trong nhiều quần thể khác nhau trên thế giới

Di truyền quần thể là chuyên ngành theo dõi sự biến đổi của tần số các kiểu gen và alen của các quần thể dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau, như đột biến, chọn lọc tự nhiên, v.v…

Di truyền quần thể là chuyên ngành theo dõi sự biến đổi của tần số các kiểu gen và alen của các quần thể dưới sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau, như đột biến, chọn lọc tự nhiên, v.v…

Đối với các quần thể ngẫu phối, tần số các alen trong quần thể có thể ước tính từ các tần số kiểu hình trong quần thể, dựa trên định luật Hardy-Weinberg Quần thể tự phối là quá trình đồng hợp tử hóa

Đối với các quần thể ngẫu phối, tần số các alen trong quần thể có thể ước tính từ các tần số kiểu hình trong quần thể, dựa trên định luật Hardy-Weinberg Quần thể tự phối là quá trình đồng hợp tử hóa

Chọn lọc xảy ra khi các kiểu gen khác nhau có khả năng thích nghi (sống sót và sinh sản) khác nhau Chọn lọc làm thay đổi tần

số alen trong quần thể Có ba cơ chế chọn lọc cơ bản là bình ổn, định hướng và tách ly

Chọn lọc xảy ra khi các kiểu gen khác nhau có khả năng thích nghi (sống sót và sinh sản) khác nhau Chọn lọc làm thay đổi tần

số alen trong quần thể Có ba cơ chế chọn lọc cơ bản là bình ổn, định hướng và tách ly

Sự biến dị di truyền trong qnần thể có thể được ghi nhận cả ở mức kiểu hình, nhiễm sắc thể và phân tử (ADN, protein)

Sự biến dị di truyền trong qnần thể có thể được ghi nhận cả ở mức kiểu hình, nhiễm sắc thể và phân tử (ADN, protein)

Các bằng chứng hóa thạch và tiến hóa phân tử cho thấy tổ tiên người hiện đại xuất hiện khoảng 2 - 300.000 năm trước ở Châu Phi sau đó phát tán ra các lục địa khác Còn tồn tại những vấn đề

Các bằng chứng hóa thạch và tiến hóa phân tử cho thấy tổ tiên người hiện đại xuất hiện khoảng 2 - 300.000 năm trước ở Châu Phi sau đó phát tán ra các lục địa khác Còn tồn tại những vấn đề

TÓM TẮT VỀ DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ & TIẾN HÓA NGƯỜI