《遗传学》第九章 群体遗传学
群体遗传学
群体遗传学群体遗传学：是研究在演化动力的影响下，等位基因的分布和改变。
演化动力包括自然选择、性选择、遗传漂变、突变以及基因流动五种。
通俗而言，群体遗传学则是在种群水平上进行研究的遗传学分支。
它也研究遗传重组，种群的分类，以及种群的空间结构。
同样地，群体遗传学试图解释诸如适应和物种形成现象的理论。
群体遗传学是现代进化综论出现的一个重要成分。
该学科的主要创始人是休厄尔·赖特、约翰·伯顿·桑德森·霍尔丹和罗纳德·费雪，他们还曾经为定量遗传学的相关理论建立基础。
传统上是高度数学化的学科，现代的群体遗传学包括理论的，实验室的和实地的工作。
计算方法常使用溯祖理论，自1980年代发挥了核心作用。
理论：1、分子钟：分子水平的恒速变异，或分子进化速率在不同种系中恒定。
2、中性理论：进化过程中的核苷酸置换绝大部分是中性或者接近中性的突变随机固定的结果，而不是正向达尔文选择的结果。
许多蛋白质多态性必须在选择上为中性或者接近中性，并在群体中由突变维持平衡。
3、同源性状：两个物种中有两个性状(状态)满足以下两个条件中的任意一个:它们与这些物种的及先类群中所发现的某个性状相同；它们是具有祖先—后裔关系的不同性状。
直系同源的序列因物种形成而被区分开：若一个基因原先存在于某个物种，而该物种分化为了两个物种，那么新物种中的基因是直系同源的。
旁系同源的序列因基因复制而被区分开：若生物体中的某个基因被复制了，那么两个副本序列就是旁系同源的。
直系同源的一对序列称为直系同源体，旁系同源的一对序列称为旁系同源体。
4、祖先类群：如果一个类群(物种)至少有一个子裔类群，这个原始的类群就称为祖先类群。
5、单系类群：包含一个祖先类群所有子裔的群组称为单系类群，其成员间存在共同祖先关系。
6、并系类群和复系类群：不满足单系类群要求，各成员间又具有共同祖先特征的群组称为并系类群；各成员既不具有共同衍生特征也不具有共同祖先特征，只具有同型特征的分类群组称为复系类群。
群体遗传学
辅导5 群体遗传学群体遗传学研究群体内基因的种类、频率、基因型的种类和频率，以及它们的变化规律。
通过医学群体遗传学的研究，可以了解人类遗传病的发病率、遗传病的传递方式、致病基因频率及致病基因频率变化的规律，为认识某些遗传病的产生原因和遗传咨询提供理论依据，为遗传病的预防、监测以及治疗提供必要的资料。
一、群体的遗传结构基因频率与基因型频率的关系是：等位基因A和a，基因A的频率为p，基因a的频率为q，p+q=1。
人群中三种基因型AA、Aa、aa，其频率分别为D、H、R，D+H+R=1。
p=D+1/2Hq=R+1/2H二、群体的遗传平衡定律遗传平衡群体的基因频率和基因型频率公式为：（p+q）2=p2+2pq+q2在群体平衡状态时，群体中三种基因型AA、Aa、aa的频率就分别是p2、2pq、q2。
如果平衡条件不变，基因型频率就一直处在平衡状态。
遗传平衡定律可用于判断群体是否平衡，可用于推算群体的各基因频率和各基因型频率。
平衡群体隐性纯合基因型的频率为隐性基因频率的平方（q2），所以q=隐性表型频率的平方根，显性基因频率p=1－q，显性纯合基因型频率为p2，杂合基因型频率为2pq。
在遗传平衡理论的基础上，可以推导出下列结论：（1）罕见的常染色体隐性遗传病，致病基因频率（q）很低，p=1—q≈1，所以2pq≈2q，即杂合携带者的频率约为致病基因频率的2倍。
（2）罕见的常染色体隐性遗传病，q很小，p≈1，所以杂合携带者与患者的比例为2pq/ q2≈2/q。
致病基因频率越低，该比值越大，即差不多所有隐性致病基因都处于杂合状态。
携带者检出对遗传病的预防意义重大。
（3）罕见的常染色体显性遗传病p值很低，纯合患者的频率更低，即p2可以忽略不计，所以杂合患者占全部患者的比例2pq/（p2＋2pq）≈1，即所有受累者均为杂合体。
因此，常染色体显性遗传病的发病率可以看成是杂合体的频率H=2pq≈2p，p≈1/2H=1/2×发病率。
群体遗传学
例题
从群体调查结果知道一个群体中白化病 （AR）的发病率为1/10000，求该群体 中致病基因及其携带者的频率？该群体 正常人中携带者的频率？
二、复等位基因的遗传平衡
例如：ABO血型受控于三个复等位基因IA、IB、i，若对
应的基因频率分别为p、q、r。则在遗传平衡群体中， 基因频率和基因型频率的关系为：
例题
在某一人群中，白化病的发病率约为1/40000， 假定该群体为遗传平衡群体，则：携带者的 频率? 携带者与患者的比例
对于XD病，群体中： 女性患者的基因型 XA XA 、XA Xa 频率 p2 2pq 男性患者的基因型 XA Y 频率 p 由群体中致病基因频率p很小， q≈1 男女患者的比例p/(p2+2pq) ≈1/(1+q) ≈1/2 即群体中男性患者约为女性患者的1/2
（三）选择对X连锁隐性基因的作用
受选择个体为男性患者Xa Y 女性中有害隐性基因大多存在于XA Xa 中，而不被选择
选择与突变的平衡
设群体中致病基因Xa 的频率为q，男性群 体所拥有的致病基因只占整个群体的1/3 即为1/3q 选择淘汰的Xa 的频率⅓sq 突变增加Xa 的频率up ≈u(q ≈0,p ≈1) 平衡时u=⅓sq
XD病：
如果选择压力增强（禁止生育 ）， XA Xa、 XA Y被完全选择s=1 选择一代，致病基因A的频率降低为0
2、选择压力放松
无论对显性致病基因还是隐性致病基 因，都会引起致病基因频率向增高方 向变化，但变化的速度不同。
AD病：
如果致死s=1 ，选择放松后s=0 一代，致病基因a的频率增高一倍
二、基因频率和基因型频率的换算
调查一500人群体MN血型，结果250人M 型、150人MN型，100人N型，计算各基 因型和基因的频率：
群体遗传学
1）常染色体基因
A 1 A2
A3A4 P2
同 胞 兄 妹 间 婚 配
P1
B1
B2
A1A1 = （1/2）4 A2A2 = （1/2）4 A3A3 = （1/2）4 A4A4 = （1/2×（1/2）4 = 1 / 4
8．在一个100人的群体中，AA为60%，Aa为20%，aa 为20%，那么该群体中______。 A．A基因的频率为0.3 B．a基因的频率为0.7 C．是一个遗传平衡群体 D．是一遗传不平衡群体 E．经过一代后基因频率和基因型频率都会发生变化
9．对于一种相对罕见的X连锁隐性遗传病，其男性发病率 为q, ______ 。 A．人群中杂合子频率为2pq B．女性发病率是p2 C．男性患者是女性患者的两倍 D．女性患者是男性 患者的两倍E．女性发病率为q2
一级亲属间的近婚系数为1/4
A 1 A2
A3A4 P2
舅 甥 女 间 婚 配
P1
B1
B2
A1A1 = （1/2）5 A2A2 = （1/2）5 A3A3 = （1/2）5 A4A4 = （1/2）5
C
F = 4 ×（1/2）5 = 1 / 8
◇ 二级亲属间的近婚系数为1/8
S
A 1 A2
A3A4 P2 B2 C2
２、计算AD病基因频率
群体发病率=AA+Aa=p2+2pq，p+q=1 实际计算时，致病基因频率p很低，AA纯合个体少，
p2可以忽略，因此： • p2 ≈0，q ≈1，发病率= p2+2pq ≈ 2pq ≈ 2p
• 所以对于AD遗传病： p= ½ 发病率
群体遗传学
1群体遗传学population genetics研究目标:探索群体的遗传组成以及引起群体遗传组成发生变化的动力。
研究范畴：所有决定群体的遗传组成及其随时间和空间的变化规律性问题。
群体中有一对等位基因A和a等位基因A的频率为A/(A+a),显性的通常用p表示p= A / (A+a)等位基因a的频率为a/(A+a),隐性的通常用q表示q= a / (A+a)p + q= (A+a) / (A+a)= 16例:一对等位基因A和a群体中存在的基因型有3种AA, Aa, aaAA的频率:AA /(AA+Aa+aa),用D(dominance)表示Aa的频率:Aa/(AA+Aa+aa),用H(heterozygote)表示aa的频率:aa/(AA+Aa+aa),用R(recessive)表示D + H + R = 18如何获取某个群体某个感兴趣基因其分布的信息呢？9如果我们可以得到某个基因座所存在的每种基因型的频率，就可以得到每种等位基因的基因频率。
比如当某一性状是共显性或不完全显性性状时，群体中每一表型的频率就是对应的基因型频率，进而可以得到基因频率。
1011对MN血型有人在一个地区调查747人M 血型基因型为MM 占31.2% D N 血型基因型为NN 占17.3% R MN血型基因型为MN 占51.5% H例:p = D + H/2q = R + H/2设M的基因频率为p，N的基因频率为q，p＋q = 1p=(747×31.2%×2+747×51.5%)/747×2=0.312+0.515/2=0.57q=(747×17.3%×2+747×51.5%)/747×2=0.173+0.515/2=0.4312例：CCR5基因，编码细胞表面的细胞因子受体,可作为HIV病毒进入细胞的受体。
ΔCCR5基因，32bp的缺失突变，可引起编码蛋白的移码，从而使HIV病毒失去受体。
群体遗传学 遗传漂变
群体遗传学遗传漂变
摘要：
1.群体遗传学简介
2.遗传漂变的定义和原因
3.遗传漂变的影响和应用
正文：
【1.群体遗传学简介】
群体遗传学是研究一个群体中遗传变异的传递和演化的学科，这个群体可以是一个物种、一个族群或者一个生态系统。
群体遗传学关注的核心问题是遗传变异如何在群体中传递，以及这些变异如何影响群体的适应性和进化。
群体遗传学主要通过研究基因频率、基因型频率和遗传漂变等现象，来揭示遗传变异在群体中的动态过程。
【2.遗传漂变的定义和原因】
遗传漂变是指在群体中，随机抽样和遗传随机性导致的基因频率或基因型频率的随机变化。
遗传漂变的原因主要包括以下几点：
（1）群体规模：当群体规模较小时，遗传漂变的可能性较大。
这是因为在小群体中，随机抽样和遗传随机性对基因频率的影响更为显著。
（2）遗传随机性：遗传随机性是指在生殖过程中，基因的组合和分配具有随机性。
这种随机性使得基因频率和基因型频率在代际间发生波动。
（3）选择压力：选择压力是指环境因素对不同基因型或表型的选择作用。
当选择压力较弱时，遗传漂变更容易发生。
【3.遗传漂变的影响和应用】
遗传漂变对群体遗传结构和进化具有重要影响。
一方面，遗传漂变可能导致群体的遗传多样性降低，甚至导致物种的灭绝；另一方面，遗传漂变也为群体的适应性演化提供了原材料。
在实际应用中，遗传漂变研究可以为生物多样性保护、遗传资源管理以及农业育种等方面提供理论依据和技术支持。
总之，群体遗传学中的遗传漂变现象是导致基因频率和基因型频率随机变化的主要原因。
群体遗传学
2.2 Hardy-Weinberg定律的数学证明
举例：随机交配大群体常染色体等位基因A、a，
这是一个不平衡群体。三种基因型频率(原代)：
AA
D0 0.18
Aa
H0 0.04
aa
R0 0.78
则基因频率：p0= D0+(1/2)H0=0.18+0.02=0.20
q0= R0+(1/2)H0=0.02+0.78=0.80
群体遗传学基础
1 基因频率与基因型频率 2 遗传平衡定律 3 影响基因频率与基因型频率的因素 4 遗传多样性 5 分子进化
1 基因频率与基因型频率
群体(population)
从遗传学意义上讲即孟德尔群体，指一群可以相 互交配而能够产生健全正常后代的个体，即一个 物种、一个亚种、一个品种或一个变种所有成员 的总和。
设“八黑”兔的比率为H，白化兔的比率为A由 此可见: H=q2+2qr ，A=r2 H+A= q2+2qr+r2=（q+r）2=（1-p）2
∴ 1-p=（H+A）1/2 p=1-（H+A）1/2 而A=r2 r=A1/2 q=1-p-r= （H+A）1/2 -A1/2
第九章群体遗传学-动物遗传学习题
第九章群体遗传学-动物遗传学习题第九章群体遗传学(一) 名词解释：1.群体遗传学（population genetics）：应用数学和统计学的方法，研究群体中基因频率和基因型频率，以及影响这些频率的选择效应、突变作用，研究迁移和遗传漂变等与遗传结构的关系及进化机制。
（研究一个群体内基因的传递情况，及基因频率改变的科学。
）2.基因库（gene pool）：一个群体中全部个体所共有的全部基因。
（指一个群体所包含的基因总数）。
3.孟德尔群体：是在各个体间有相互交配关系的集合体。
必须全部能相互交配，而且留下建全的后代。
即“在个体间有相互交配的可能性，并随世代进行基因交换的有性繁殖群体”。
换句话说“具有共同的基因库并且是由有性交配的个体所组成的繁殖社会”。
4.基因频率:在一群体内不同基因所占比例。
（某一基因在群体的所有等位基因的总数中所占的频率或一群体内某特定基因座某一等位基因占该基因座等位基因总数的比率。
）5.基因型频率(genotypic frequency)：在一个群体内不同基因型所占的比例。
6.迁移：个体从一个群体迁入另一个群体或从一个群体迁出，然后参与交配繁殖，导致群体间的基因流动。
7.遗传漂移（genetic drift）：在一个小群体内，每代从基因库抽样形成下一代个体的配子时，会产生较大的抽样误差，这种误差引起群体等位基因频率的偶然变化，称遗传变。
8.遗传平衡、基因平衡定律：在一个完全随机交配群体内，如果没有其他因素（如突变、选择、遗传漂移和迁移）干扰时，则基因频率和基因型频率常保持一定。
(二) 是非题：1.物种是指一群相互交配或可以相互交配的个体。
（+）2.孟德尔群体是遗传学上指由许多个体所组成的任意群体。
（-）3.在一个Mendel群体内，不管发生什么情况，基因频率和基因型频率在各代始终保持不变。
（+）4.选择不仅可以累积加强变异，而且还能创造变异。
（-）5.在一自由授粉的遗传平衡群体中，已找到纯合植株(dd)约占1％，该群体中含d的杂合体所占百分数为0.18。
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q 2Naa N Aa 2N
医学遗传学
第九章 群体遗传学
等位基因频率的计算
（二）复等位基因 假设某常染色体基因座上有三个等位基因A、B和C，
该基因座可能存在六种基因型AA、AB、AC、BB、BC 和CC。如果已知某群体中，这六种基因型的个体数分 别为NAA、NAB、NAC、NBB、NBC和NCC，则等位基因A、 B和C的频率p、q和r分别为：
医学遗传学
前言
群体遗传学与进化
——Evolution is driven by: (1) Changes in allele frequencies within species; (2) Genetic divergence between species.
——Population genetics can be used to understand both of these processes.
群体的遗传组成： ➢等位基因频率 ➢基因型频率
变化的机制： ➢自然选择 ➢遗传漂变 ➢突变 ➢基因流
➢……
医学遗传学
第九章 群体遗传学
医学遗传学
第九章 群体遗传学
Population Genetics
Population Genomics
医学遗传学
第九章 群体遗传学
人类来自哪儿？经历了怎么样的进化历史？ 是什么塑造了人类群体如此广泛的多态性和表型差异？ 人类遗传病的分子机制、发病频率和分子诊断？
医学遗传学
第九章 群体遗传学
To understand ourselves by sequencing more individuals
Genomics Population genetics
Bioinformatics ……
➢ The 10-100 K British Genomes Project
医学遗传学
内容
第九章 群体遗传学
第一节 群体和基因频率 第二节 哈迪-温伯格平衡定律（Hardy-Weinberg Law） 第三节 影响遗传平衡的因素 第四节 遗传负荷 第五节 分离分析
医学遗传学
内容
第九章 群体遗传学
第一节 群体和基因频率 第二节 哈迪-温伯格平衡定律（Hardy-Weinberg Law） 第三节 影响遗传平衡的因素 第四节 遗传负荷 第五节 分离分析
第九章 传学
第九章 群体遗传学
Obama’s Precision Medicine （精准医疗）
美绘制百万人基因精准医学研究蓝图
“I want the country that eliminated polio and mapped the human genome to lead a new era of medicine— one that delivers the right treatment at the right time. In some patients with cystic fibrosis, this approach has reversed a disease once thought unstoppable.
D
f AA
N AA N
H
f Aa
N Aa N
R
faa
Naa N
医学遗传学
第九章 群体遗传学
等位基因频率的计算
（一）双等位基因 假设某常染色体基因座上有一对等位基因A和a，该
基因座上存在三种基因型AA、Aa和aa。在一个由N个 个体组成的群体中，三种基因型的个体数分别为NAA、 NAa和Naa，则等位基因A和a的频率p和q分别为：
第九章 群体遗传学
前言
群体遗传学的兴起 ——达尔文自然选择学说 ——孟德尔遗传定律
医学遗传学
第九章 群体遗传学
前言
群体遗传学的发展 ——建立群体遗传学的数学基础及相关计算方法
医学遗传学
第九章 群体遗传学
前言
群体遗传学的目的
——应用数学和统计学的方法，探索群体的遗传 组成以及引起群体的遗传组成发生变化的机制
➢ The 1% Danes’ Genomes Project
➢ The 1 M Chinese Genomes Project
Precision Medicine
医学遗传学
第九章 群体遗传学
人类群体遗传学的内涵
• 群体多态性 • 群体分化 • 自然选择和适应性进化 • 物种形成 • 疾病关联SNPs鉴定（GWAS） • 精准医疗 • 法医学鉴定 • ……
p 2NAA NAB NAC 2N
q 2NBB NAB NBC 2N
r 2NCC NAC NBC 2N
医学遗传学
第九章 群体遗传学
等位基因频率的计算
（三） X连锁等位基因 假设某X连锁基因座上有一对等位基因XA和Xa，如已
医学遗传学
第九章 群体遗传学
概念和定义
• 群体（population）：一定时间，生活在某一地区，能够 相互交配并产生具有繁殖能力后代的所有个体的总和，这 样的群体又称为孟德尔式群体（Mendelian population）
• 等位基因频率（allele frequency）：群体中某一基因座上 某特定等位基因的总数占该基因座上全部等位基因的总数 的比率
• 基因型频率（genotype frequency）：群体中某一基因座上 某特定基因型个体占群体总个体数的比率
医学遗传学
第九章 群体遗传学
基因型频率的计算
假设某常染色体基因座上有一对等位基因A和a，该 基因座上存在三种基因型AA、Aa和aa。在一个由N个 个体组成的群体中，三种基因型的个体数分别为NAA、 NAa和Naa，则对应的基因型频率D、H和R分别为：
Tonight, I’m launching a new Precision Medicine Initiative to bring us closer
to curing diseases like cancer and diabetes— and to give all of us access to the personalized information we need to keep ourselves and our families healthier.”