Hoorcollege 3+4

Populatiegenetica

Latrodectus sp.Latrodectus sp.

Australian red-back spiderAustralian red-back spider

Bicyclus anynanadroge seizoen

natte seizoen

Rumex droog (links)Rumex overstroomd (rechts)

pepermot

VerspreidingBiston betularia

Sikkelcelanemie

Fenotypische variatieFenotypische variatie

Hoe ontstaan verschillende eigenschappen ?

Wat moeten we aan informatie hebben om de voorbeelden te Wat moeten we aan informatie hebben om de voorbeelden te begrijpen, te verklaren, te voorspellen?begrijpen, te verklaren, te voorspellen?

1. Individuen vertonen 1. Individuen vertonen variatievariatie in eigenschappen in eigenschappen

2. Variatie is tenminste voor een deel 2. Variatie is tenminste voor een deel erfelijkerfelijk

3. Individuen 3. Individuen plantenplanten zich zich voortvoort, produceren , produceren nakomelingennakomelingen

4. Variatie in eigenschappen gaat samen met variatie in 4. Variatie in eigenschappen gaat samen met variatie in

aantal nakomelingen; aantal nakomelingen; variatie in fitnessvariatie in fitness

5. Variatie in fitness is het gevolg van de 5. Variatie in fitness is het gevolg van de interactie interactie tussen fenotype en milieutussen fenotype en milieu

1. Variatie1. Variatie

• fenotypische vs. genotypische variatiefenotypische vs. genotypische variatie

(invloed van milieu)(invloed van milieu)

• genotype variatie vs. allel variatiegenotype variatie vs. allel variatie

• homozygoten, heterozygotenhomozygoten, heterozygoten

• genotype frequentiegenotype frequentie

• allel frequentieallel frequentie

• Binomiale variatie vs. kwantitatieve variatieBinomiale variatie vs. kwantitatieve variatie

2. Erfelijk2. Erfelijk

• Overerving volgens MendelOvererving volgens Mendel

• Kwantitatief: heritabilities Kwantitatief: heritabilities (quantitative genetics)(quantitative genetics)

• Single-locus: Mendels ratio’sSingle-locus: Mendels ratio’s

AA Aa aaAA Aa aa

• Multi-locus: Mendel + linkageMulti-locus: Mendel + linkage

AaBb AABb AABB AaBB etc.AaBb AABb AABB AaBB etc.

4. Variatie in fitness4. Variatie in fitness

FitnessFitness = relatieve bijdrage van elk = relatieve bijdrage van elk genotype aan de volgende generatiegenotype aan de volgende generatie

reproductiereproductie

overlevingoverleving

Relative fitnessRelative fitness

Gemiddelde populatie fitnessGemiddelde populatie fitness

Inclusive fitnessInclusive fitness

Fitness van een genotype/fenotype houdt in het aantal succesvolle (= reproductieve)

nakomelingen van dat genotype/fenotype in de volgende generatie. Dit aantal is

onderworpen aan selectie op kenmerken van dat genotype zoals die tot uitdrukking zijn gebracht in het fenotype en dit leidt tot

aanpassing

5. Variatie in fitness is het gevolg van de 5. Variatie in fitness is het gevolg van de interactie interactie tussen fenotype en milieutussen fenotype en milieu

malaria sikkelcel gen

Insecticide productie # insecten resistent tegentenminste 1 insecticide

Natuurlijke selectie resulteert uiteindeijk in adaptatie

00,10,20,30,4

0,50,60,70,8

diet

Nu Ny Po Ru

surv

ival

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Nu Ny Po Ru

Host

Jaw

wid

th

aa

bb

Ru

10

15

20

25

0

5

Nu Ny Po

host plant

leaf

to

ug

hn

ess

a

b

c d

How to reveal differences between individuals;How to reveal differences between individuals;among each other, within groups, between groups.among each other, within groups, between groups.

Om te begrijpen hoe het proces van micro-evolutie

daadwerkelijk tot stand komt is begrip nodig

van het spel van allelen, genotypen en fenotypen

Voorwaarden Hardy-Weinberg evenwicht:

1. De soort is diploïd

2. De voortplanting is sexueel

3. Er is random paring in de populatie

4. Generaties zijn niet overlappend

5. De populatie is oneindig groot

6. Er vindt geen selectie plaats

7. Er is geen mutatie

8. Er is geen migratie

Hardy-Weinberg evenwichtHardy-Weinberg evenwicht

AA

q * q = q2

Aa

p * q

allel A:

q

aA

p * qaa

p * p = p2

allel a:

p

allel A: qallel a: p

AA : Aa : aaAA : Aa : aa

pp22 : 2pq : q : 2pq : q22

genetic structure of parent population genetic structure of second generation

Hardy-Weinberg theorie

Wat betekent Hardy-Weinberg evenwicht eigenlijk?Wat betekent Hardy-Weinberg evenwicht eigenlijk?

• Als allelfrequenties niet veranderen, Als allelfrequenties niet veranderen,

zijn de genotype frequenties in de ouderpopulatiezijn de genotype frequenties in de ouderpopulatie

gelijk aan gelijk aan

de genotype frequenties in de nakomelingen de genotype frequenties in de nakomelingen populatiepopulatie

• als alle individuen in een populatie random als alle individuen in een populatie random (dwz. met een even grote kans) met elkaar (dwz. met een even grote kans) met elkaar paren, paren,

dan:dan:

AA = 80; Aa = 10; aa = 10 AA = 80; Aa = 10; aa = 10 Is hier sprake van HW evenwicht?Is hier sprake van HW evenwicht?

STAP 1STAP 1 Wat is de allelfrequentie?Wat is de allelfrequentie?

A: p = (2 x 80 + 10)/200 = 0.85A: p = (2 x 80 + 10)/200 = 0.85a: q = (2 x 10 + 10)/200 = 0.15a: q = (2 x 10 + 10)/200 = 0.15

STAP 2STAP 2 Wat zijn de verwachte HW frequenties?Wat zijn de verwachte HW frequenties?pp22 = 0.85 x 0.85 = 0.7225 = 0.85 x 0.85 = 0.72252pq = 2 x 0.85 x 0.15 = 0.2552pq = 2 x 0.85 x 0.15 = 0.255qq22 = 0.15 x 0.15 = 0.0225 = 0.15 x 0.15 = 0.0225

STAP 3STAP 3 Wat zijn de verwachte HW aantallen?Wat zijn de verwachte HW aantallen?

AA = 0.7725 x 100 = 72.25AA = 0.7725 x 100 = 72.25Aa = 0.255 x 100 = 25.5Aa = 0.255 x 100 = 25.5aa = 0.0225 x 100 = 2.25aa = 0.0225 x 100 = 2.25

STAP 3STAP 3 Wat zijn de verwachte HW aantallen?Wat zijn de verwachte HW aantallen?

AA = 0.7225 x 100 = 72.25AA = 0.7225 x 100 = 72.25Aa = 0.255 x 100 = 25.5Aa = 0.255 x 100 = 25.5aa = 0.0225 x 100 = 2.25aa = 0.0225 x 100 = 2.25

STAP 4STAP 4 Wijken verwachte en waargenomen getallen Wijken verwachte en waargenomen getallen significant van elkaar af?significant van elkaar af?

22 = (80-72.25) = (80-72.25)22/72.25 /72.25 + (10-25.5)+ (10-25.5)22/25.5 /25.5 + (10-2.25)+ (10-2.25)22/2.25 = /2.25 = 36.9436.94

dfdf = 1; krit. Waarde = = 1; krit. Waarde = 3.8413.841

STAP 5STAP 5 Conclusie?Conclusie?

Genotype frequenties zijn niet in Hardy-Genotype frequenties zijn niet in Hardy-Weinberg evenwicht!!!!!!!Weinberg evenwicht!!!!!!!

Voorwaarden Hardy-WeinbergVoorwaarden Hardy-Weinberg

genotype frequenties ouderpopgenotype frequenties ouderpop..

allel frequenties ouderpop.allel frequenties ouderpop.

parings frequentiesparings frequenties

genotype frequenties bij geboortegenotype frequenties bij geboorte

genotype frequenties nakomelingengenotype frequenties nakomelingen

SELECTIE SELECTIE (gameet selectie)(gameet selectie)

SELECTIE SELECTIE (overleving)(overleving)

SELECTIE SELECTIE (zygoot selectie)(zygoot selectie)

NON-RANDOM PARINGNON-RANDOM PARING

MUTATIEMUTATIEMIGRATIE,MIGRATIE,

DRIFTDRIFT

MigratieMigratie

• gene flowgene flow

• migratie-selectie evenwichtmigratie-selectie evenwicht

Genetische driftGenetische drift

• toevaltoeval

• grootte afhankelijk van populatie groottegrootte afhankelijk van populatie grootte

Niet-random paringNiet-random paring

• assortatieve paring (pos. of neg.)assortatieve paring (pos. of neg.)

• inteeltinteelt

SelectieSelectie

MutatieMutatie

POPULATIE GENETISCHE MODELLEN:POPULATIE GENETISCHE MODELLEN:Verandering van allel frequentiesVerandering van allel frequenties

v.b. directionele selectie tegen recessieve homozygootv.b. directionele selectie tegen recessieve homozygoot

qq22(1-s)(1-s)2pq2pqpp22

genotype genotype frequenties frequenties na selectiena selectie

qq222pq2pqpp22genotype genotype frequentiesfrequenties

1-s1-s1111ffitnessitness

aaaaAaAaAAAAgenotypegenotype

gemiddelde fitness:gemiddelde fitness: pp22 + 2pq + q + 2pq + q22(1-s) =(1-s) =pp22 + 2pq + q + 2pq + q22 – sq – sq22 = = 1 –sq1 –sq22

frequentie genotypen na selectie:frequentie genotypen na selectie:

qq22(1-s)/(1-sq(1-s)/(1-sq22))aaaa

2pq/(1-sq2pq/(1-sq22))AaAa

pp22/(1-sq/(1-sq22))AAAA

frequentie A na selectie:frequentie A na selectie:

p’ = f(AA) + f(Aa)/2 =p’ = f(AA) + f(Aa)/2 =

pp22/(1-sq/(1-sq22) + (2pq/(1-sq) + (2pq/(1-sq22))/2 =))/2 = (p(p22 + pq)/(1-sq + pq)/(1-sq22))

p = p – p’ = p = p – p’ = spqspq22/(1-sq/(1-sq22))

SELECTIESELECTIE

• DirectioneelDirectioneel

• StabiliserendStabiliserend

• DisruptiefDisruptief

• Frequentie-afhankelijkFrequentie-afhankelijk

Voorwaarden Hardy-WeinbergVoorwaarden Hardy-Weinberg

genotype frequenties ouderpopgenotype frequenties ouderpop..

allel frequenties ouderpop.allel frequenties ouderpop.

parings frequentiesparings frequenties

genotype frequenties bij geboortegenotype frequenties bij geboorte

genotype frequenties nakomelingengenotype frequenties nakomelingen

SELECTIE SELECTIE (gameet selectie)(gameet selectie)

SELECTIE SELECTIE (overleving)(overleving)

SELECTIE SELECTIE (zygoot selectie)(zygoot selectie)

NON-RANDOM PARINGNON-RANDOM PARING

MUTATIEMUTATIEMIGRATIE,MIGRATIE,

DRIFTDRIFT

MutatieMutatie

• Punt mutatiesPunt mutaties

• SubtitutiesSubtituties

• TranslocatiesTranslocaties

• Synoniem vs. non-synoniemSynoniem vs. non-synoniem

mutatie-selectie evenwichtmutatie-selectie evenwicht

q = q = (u/s) voor recessieve allelen (u/s) voor recessieve allelenq = (u/s) voor dominante allelenq = (u/s) voor dominante allelen

genetic load: [(Wgenetic load: [(Wmaxmax – W)/W – W)/Wmaxmax]]

Zijn mutaties nu goed of slecht?

Mutaties worden vaak als iets negatiefs gezien

- veel ziektes zijn veroorzaakt door mutatuties

Het merendeel van alle mutaties zijn ‘neutraal’, zonder effecten op het fenotype

-‘neutral theory of molecular evolution’ (Motoo Kimura): neutrale mutaties creëren een onzichtbaar reservoir voor genetische diversiteit !

Mutaties zorgen voor genetische variatie en soortvorming

ééncelligen: 2 of 3 op de 1000 ééncelligen hebben een mutant die de cel’s fenotype (uiterlijk) verandert

de mens: elk mens bevat gemiddeld 1.6 ‘nieuw’ gen

mitochondriaal DNA: 1.6 x 10-7 mutaties per locus per generatie

-Hoe bijzonder zijn mutaties ?

Puntmutaties: Sikkelcelanemie

Voorwaarden Hardy-WeinbergVoorwaarden Hardy-Weinberg

genotype frequenties ouderpopgenotype frequenties ouderpop..

allel frequenties ouderpop.allel frequenties ouderpop.

parings frequentiesparings frequenties

genotype frequenties bij geboortegenotype frequenties bij geboorte

genotype frequenties nakomelingengenotype frequenties nakomelingen

SELECTIE SELECTIE (gameet selectie)(gameet selectie)

SELECTIE SELECTIE (overleving)(overleving)

SELECTIE SELECTIE (zygoot selectie)(zygoot selectie)

NON-RANDOM PARINGNON-RANDOM PARING

MUTATIEMUTATIEMIGRATIE,MIGRATIE,

DRIFTDRIFT

MigratieMigratie

• gene flowgene flow

• migratie-selectie evenwichtmigratie-selectie evenwicht

Genetische driftGenetische drift

• toevaltoeval

• grootte afhankelijk van populatie groottegrootte afhankelijk van populatie grootte

Niet-random paringNiet-random paring

• assortatieve paring (pos. of neg.)assortatieve paring (pos. of neg.)

• inteeltinteelt

SelectieSelectie

MutatieMutatie

De toevoeging van migratie in Hardy-Weinberg

Migratie kan allel- en genotype frequenties veranderen

Drift kan allel- en genotype frequenties veranderen

Bottleneck effect

MigratieMigratie

• gene flowgene flow

• migratie-selectie evenwichtmigratie-selectie evenwicht

Genetische driftGenetische drift

• toevaltoeval

• grootte afhankelijk van populatie groottegrootte afhankelijk van populatie grootte

Niet-random paringNiet-random paring

• assortatieve paring (pos. of neg.)assortatieve paring (pos. of neg.)

• inteeltinteelt

SelectieSelectie

MutatieMutatie

Inteelt

Inteelt = random paring = Hardy-Weinberg evenwicht

Inteelt verhoogt de frequentie aan homozygoten (AA, aa) en verlaagt de frequentie aan heterozygoten (Aa, aA) vergeleken bij de verhoudingen onder Hardy-Weinberg evenwicht

AA x AA

AA, AA, AA, AA

aa x aa

aa, aa, aa, aa

Frequentie heterozygoten in overblijvende populaties met verschillende populatiegrootte na meerdere generaties na random kruisingen

De kans op inteelt is groter in kleine populaties

Homozygoten worden doorgaans geassocieerd met slechtere overlevingskansen van individuen (inteelt depressie) en op de langere termijn kunnen door de lagere genetische variatie individuen zich bijv. moeilijker aanpassen aan veranderingen in de omgeving.

Aan de andere kant kan inteelt leiden tot het ‘purgen’van slechte eigenschappen en tot specialismen

Inteelt verhoogt de kans op slechte eieren in mezen

Het spel der allelen is meestal veel complexer dan nu gesuggereerd waarbij er geen directe relatie is tussen allel, genotype en het bijbehorende fenotype

Meestal zijn er geleidelijke overgangen:

Het bewijs dat eigenschappen door meerdere genen worden bepaald

Kwantitatieve genetica verklaard met Mendelse genetica